单片机的结构及工作原理

1、单片机技术及应用基于 汇编及C51程序设计,第2章 单片机的结构及工作原理,主 要 章 节,2.1 51系列单片机的内部结构 2.2 51单片机的存储器组织 2.3 51系列单片机的引脚及功能 2.4 时钟电路与CPU时序 2.5 51单片机的工作方式 2.6 51系列单片机最小系统,1,2019/4/18,2,2.1 51系列单片机的内部结构,一、51单片机的基本组成,1,2019/4/18,3,2.1 51系列单片机的内部结构,二、中央处理器（CPU） 1. 算术/逻辑运算部件ALU 2定时控制部件 3专用寄存器组 累加器A 通用寄存器B 程序状态字PSW 程序指针计数器PC 数据指针寄存器DPTR 堆栈指针寄存器SP,2019/4/18,4,1,2.1 51系列单片机的内部结构, 程序状态字PSW PSW7 PSW6 PSW5 PSW4 PSW3 PSW2 PSW1 PSW0,2019/4/18,5,1,进位标志,辅助进位标志,用户标志,工作寄存器区选择位,溢出标志,奇偶标志（偶）,2.1 51系列单片机的内部结构,2019/4/18,6,1, 程序状态字PSW,2.1 51系列

2、单片机的内部结构,2.1.3 存储器 2.1.4 I/O端口 四个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口。P1、P2、P3口为准双向口,2019/4/18,7,1,2.1.4 I/O端口,1） P0端口,2019/4/18,8,1, P0口作地址/数据复用总线,功能：, P0口作通用I/O端口使用,2.1.4 I/O端口,2）P1口,2019/4/18,9,1,功能：, P1口作通用I/O端口使用, P1口其他功能,2.1.4 I/O端口,3） P2口,2019/4/18,10,1,功能：, P2口作通用I/O端口使用, P2口作地址总线口使用,2.1.4 I/O端口,4） P3口,2019/4/18,11,1,功能：, P3口作通用I/O端口使用, P3口作第二功能使用,2.1.4 I/O端口,2019/4/18,12,1,P3口的第二功能,2.2 51单片机的存储器组织,一、存储器组织 哈佛体系结构 程序存储器 由只读存储器芯片，简称为ROM，存放程序、固定常数和数据表格。 数据存储器 用随机存储器构成，简称为RAM

3、，工作区及存放数据 完全独立，寻址空间、寻址方式和控制系统各不相同,2019/4/18,13,1,2.2 51单片机的存储器组织,二、程序存储器 总空间为64KB，地址0x00000xFFFF，通过程序计数器PC访问。 物理结构上分为片内程序存储器和片外程序存储器。 8031和8032内部没有ROM，8051和8751内部有4KB的ROM，地址空间为0000H0FFFH，8052和8752内部有8KB的ROM，地址空间为0000H1FFFH。 片外最多扩展64KB，地址0x00000xFFFF。,2019/4/18,14,1,二、程序存储器,2019/4/18,15,1,二、程序存储器,7个特殊地址,2019/4/18,16,1,2.2 51单片机的存储器组织,2.2.3 数据存储器 物理结构上，数据存储器分为片内数据存储器和片外数据存储器。 两者完全独立，有不同的存储空间，访问方式上也各不相同,2019/4/18,17,1,2.2.3 数据存储器,1) 片内数据存储器 分：片内的随机存储块和特殊功能寄存器(SFR)块 片内的随机存储块， 51子系列128字节，编址为00H7FH， 5

4、2子系列256字节，编址为00HFFH 特殊功能寄存器(SFR)块也有128字节，编址为80HFFH；,2019/4/18,18,1,1) 片内数据存储器,片内的随机存储块,2019/4/18,19,1,1) 片内数据存储器,(1) 工作寄存器组区 00H1FH单元，共32个字节，分4组：0组（00H07H ）、1组（08H0FH ）、 、2组（10H17H ）、和3组（18H1FH ） 。每组8个寄存器，依次用R0R7表示。 由程序状态寄存器PSW中的RS0和RS1两位来选择，选择情况见前面。,2019/4/18,20,1,1) 片内数据存储器,(2) 位寻址区 20H2FH单元,2019/4/18,21,1,1) 片内数据存储器,(3) 一般RAM区 (4) 堆栈区与堆栈指针 存储区域“先入后出、后入先出” 堆栈指针SP管理。 堆栈主要是为子程序调用和中断调用而设立的，用于保护断点地址和保护现场状态。 堆栈有入栈和出栈两种操作，入栈时先改变堆栈指针SP，再送入数据，出栈时先送出数据，再改变堆栈指针SP。,2019/4/18,22,1,1) 片内数据存储器,根据入栈方向堆栈一般分两种

5、：向上生长型和向下生长型。 按处理数据的多少可分为单字节、双字节等。,2019/4/18,23,1,向上生长型,1) 片内数据存储器,2019/4/18,24,1,向下生长型,51单片机是单字节向上生长型堆栈，SP的初值为07H，复位时堆栈从08H开始。,1) 片内数据存储器,(5) 特殊功能寄存器 除PC外，51子系列有18个特殊功能寄存器，其中3个为双字节，共占用21个字节； 52子系列有21个特殊寄存器，其中5个为双字节，共占用26个字节。 CPU专用寄存器：累加器A(E0H)，寄存器B(F0H)，程序状态寄存器PSW(D0H)，堆栈指针SP(81H)，数据指针DPTR(82H、83H) 并行接口：P0P3(80H、90H、A0H、B0H)。,2019/4/18,25,1,1) 片内数据存储器,串行接口：串口控制寄存器SCON(98H)，串口数据缓冲器SBUF(99h)，电源控制寄存器PCON(87H)。 定时/计数器：方式寄存器TMOD(89H)，控制寄存器TCON(88H)，初值寄存器TH0、TL0(8CH、8AH)/TH1、TL1(8DH、8BH)。中断系统：中断允许寄存器

6、IE(A8H)，中断优先级寄存器IP(B8H)。 定时/计数器2相关寄存器：定时/计数器2控制寄存器T2CON(CBH)，定时/计数器2自动重装寄存器RLDL、RLDH(CAH、CBH)，定时/计数器2初值寄存器TH2、TL2 (CDH、CCH)(仅52子系列有)。,2019/4/18,26,1,1) 片内数据存储器,字节地址能被8整除的特殊功能寄存器，既能按字节方式处理，也能按位方式处理。,2019/4/18,27,1,2) 片外数据存储器 总空间64KB，地址范围为0000H0FFFFH，通过DPTR作指针间接寻址方式访问 对于低端的256字节，可用两位十六进制地址编址，地址范围为00H0FFH，由R0和R1间接方式访问。,2019/4/18,28,1,2.3 51系列单片机的引脚及功能,2019/4/18,29,1,2.3.1 51单片机的引脚分类, 主电源引脚 外接晶体或外部振荡器引脚 控制信号线 RST/VPD（9脚）：复位信号输入端 ALE/ （30脚）：地址锁存允许/编程脉冲输入。 （29脚）：外部程序存储器读选通信号 /VPP（31脚）：访问外部存储器允许/编程电压输入

7、,2019/4/18,30,1,2.3.2 三总线结构,1. 地址总线 地址总线宽度为16位，寻址范围都为64KB。由P0口经地址锁存器提供低8位(A7A0)，P2口提供高8位(A15A8)而形成。可对片外程序存储器和片外数据存储器寻址。 2. 数据总线 数据总线宽度为8位，由P0口直接提供。 3. 控制总线 控制总线由第二功能状态下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。,2019/4/18,31,1,2.4 时钟电路与CPU时序,一、 振荡器和时钟电路,2019/4/18,32,1,(a) 内部时钟方式 (b) HMOS工艺外接时钟 (c) CHMOS工艺外接时钟,2.4 时钟电路与CPU时序,二、 CPU时序 时序就是在执行指令过程中，CPU产生的各种控制信号在时间上的相互关系。 1.时钟周期、机器周期和指令周期,2019/4/18,33,1,2.4 时钟电路与CPU时序,2019/4/18,34,1,(b) 单字节单周期指令,(c) 双字节单周期指令,(d) 单字节双周期指令,2.4 时钟电路与CPU时序,2. 访问外部ROM的时序,2019/4/18,35,1,2.4 时钟电路与CPU时序,3. 访问外部RAM的时序,2019/4/18,36,1,2.5 单片机的工作方式,2.5.1 复位方式 RST输入两个机器周期(24个时钟周期)以上的高电平，两种：上电复位和按钮复位,2019/4/18,37,1,复位后内部各寄存器的内容,2019/4/18,38,1,2.5 单片机的工作方式,2.5.2 程序执行方式 2.5.3 单步执行方式 2.5.4 掉电和节电方式 1、HMOS单片机的掉电方式 2、CHMOS的节电运行方式 2.5.5 编程和校验方式,2019/4/18,39,1,2.6 51系列单片机最小系统,2019/4/18,40,1,习 题 2、4、6、8,2019/4/18,41,1,

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