單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

會計學(xué)1單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)要點：

(1)8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能部件；

(2)8051單片機(jī)引腳名稱、功能和三總線信號；

(3)單片機(jī)的存儲結(jié)構(gòu)、編址、特殊功能寄存器；

(4)單片機(jī)工作時序、時鐘電路、復(fù)位電路；

(5)單片機(jī)I/O的結(jié)構(gòu)功能特點；

(6)單片機(jī)的工作模式。

第1頁/共63頁18051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)八大功能部件：（1）微處理器（8位CPU）（2）程序存儲器（ROM、EPROM或Flash等）（3）數(shù)據(jù)存儲器（RAM、E2PROM）（4）四個8位并行可編程I/O端口（P0、P1、P2、P3）（5）一個串行口（UART）（6）兩個16位定時器/計數(shù)器（T0/T1）（7）中斷系統(tǒng)（含５～8個中斷源、2個優(yōu)先級）（8）特殊功能寄存器（SFR）

第2頁/共63頁

還包含：時鐘振蕩器、總線控制器和供電電源此外，有的還有其它功能部件，如：

A/D、D/APWM、PCAWDTSPI、I2C、ISP、IAP第3頁/共63頁8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

第4頁/共63頁28051單片機(jī)芯片引腳功能單片機(jī)芯片雙列直插封裝方式引腳圖

第5頁/共63頁28051單片機(jī)芯片引腳功能單片機(jī)芯片方形封裝方式引腳圖

第6頁/共63頁28051單片機(jī)芯片引腳功能單片機(jī)芯片引腳功能1．主電源引腳（1）GND接地（2）VCC正常操作時為十5V電源。2．時鐘電路引腳（1）XTAL1：（2）XTAL2：第7頁/共63頁3．控制線與電源復(fù)用引腳（1）RST/VPD：RST是復(fù)位信號，高電平有效。

VPD為第二功能，即備用電源輸入端。（2）ALE/PROG：ALE為地址鎖存允許信號輸出引腳。

PROG為編程信號，第二功能，低電平有效。（3）PSEN：片外ROM選通信號輸出端，低電平有效。（4）EA／VPP：EA為內(nèi)部和外部ROM控制端

當(dāng)EA＝1時，從內(nèi)ROM開始訪問當(dāng)EA＝0時，只訪問外部ROM

VPP是編程電源輸入端第8頁/共63頁4．并行輸入/輸出引腳（1）P0口：P0.0～P0.7統(tǒng)稱為P0口（2）P1口：P1.0～P1.7統(tǒng)稱為P1口（3）P2口：P2.0～P2.7統(tǒng)稱為P2口（4）P3口：P3.0～P3.7統(tǒng)稱為P3口

P3口每一位可用作第二功能，而且P3口的每一條引腳都可以獨立設(shè)置為第一功能的I/O口功能和第二功能。第9頁/共63頁38051中央處理器

單片機(jī)的CPU是完整的1位微計算機(jī)。這個1位微計算機(jī)包含CPU、位寄存器、I/O口和指令集。

CPU內(nèi)部包含：

1、運算器

2、控制器

3、存儲器。第10頁/共63頁3.1運算器

運算器包含：

1.算術(shù)邏輯運算單元ALU---算術(shù)運算、邏輯運算

2.累加器A---相當(dāng)于數(shù)據(jù)加工廠

3.位處理器---位運算

4.BCD碼修正電路---十進(jìn)制數(shù)的運算處理

5.PSW---記錄程序運行狀態(tài)第11頁/共63頁3.2控制器

單片機(jī)的指揮部件，主要任務(wù)是識別指令，控制各功能部件，保證各部分有序工作。主要包括指令寄存器、指令譯碼器、程序計數(shù)器、程序地址寄存器、條件轉(zhuǎn)移邏輯電路、時序控制邏輯電路。

第12頁/共63頁1、指令、指令譯碼及控制器指令---就是完成某項操作的命令。指令譯碼---對指令進(jìn)行解析和翻譯控制器---發(fā)出相應(yīng)的控制信息，指揮運算器和存儲器協(xié)同完成指令所要求的操作。例如：下面是單片機(jī)的一條指令：

0010010100110000(A)+(30H)

該指令是加法指令,指令占2字節(jié)第13頁/共63頁2、指令集和指令助記符指令譯碼器所能解析系統(tǒng)在設(shè)計時規(guī)定的。為直觀表達(dá)，用指令助記符表示。例如，上面的加法指令的助記符為：

ADDA，30H第14頁/共63頁3、程序及程序計數(shù)器PC

什么叫計算機(jī)程序：為完成一個完整的運算任務(wù)，按照執(zhí)行步驟用計算機(jī)指令編寫的指令集合。

執(zhí)行程序指示：地址由PC指示。

執(zhí)行程序時，在計算機(jī)控制器的控制下，取指令裝置會按PC的指向從存儲器中讀出第一條指令并譯碼，執(zhí)行指令所要求的操作。第15頁/共63頁3.3程序執(zhí)行過程執(zhí)行程序線路實際上按PC的指取指令運行，PC就象引路人，稱為程序指針。執(zhí)行流程如下圖：第16頁/共63頁程序指令取指執(zhí)行過程1、復(fù)位PC=00002、從PC取指，PC+13、取數(shù)據(jù)4、執(zhí)行指令5、取下一條指令……第17頁/共63頁48051單片機(jī)的存儲結(jié)構(gòu)

8051單片機(jī)存儲器采用哈佛結(jié)構(gòu)：

1、有一根地址和數(shù)據(jù)總線。

2、程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間采用獨立編址。

3、擁有各自的尋址方式和尋址空間。第18頁/共63頁4.18051單片機(jī)的存儲器結(jié)構(gòu)8051單片機(jī)存儲器從物理結(jié)構(gòu)上分四種：

1、片內(nèi)程序存儲器（只讀存儲器ROM）

（類型：ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash）

2、片外程序存儲器(類型同上)

3、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（讀寫存儲器RAM）

(類型：SRAM、DRAM、E2PROM、Flash)

4、片外數(shù)據(jù)存儲器(類型同上)第19頁/共63頁從尋址空間分布上分三種：程序存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器。從功能作用上可五種：程序存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、特殊功能寄存器、位地址空間存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器。第20頁/共63頁4.18051單片機(jī)的存儲器結(jié)構(gòu)圖第21頁/共63頁4.2程序存儲器：可尋址的地址空間為64KB，從0000H開始編址，最大地址可至FFFFH。

用EA信號選擇片內(nèi)、片外程序存儲器：對于STC89C51單片機(jī)（片內(nèi)有4KB），編址為0000～0FFFH，EA接高電平，從片內(nèi)0000H開始執(zhí)行程序。對于8031單片機(jī)無內(nèi)部程序存儲器，EA接低電平，從片外讀取程序執(zhí)行。第22頁/共63頁中斷向量：

單片機(jī)至少有5個中斷地址，在0000～002FH程序存儲器地址之間占5個特殊地址，被固定用于5個中斷源的中斷服務(wù)程序入口地址。中斷地址如下：第23頁/共63頁4.3片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器1、片內(nèi)RAM編址片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，128B/256B)，用來存放程序運行時所需要的常數(shù)或變量。編址如下：51子系列片內(nèi)RAM有128字節(jié)編址為00～7FH

特殊功能寄存器塊有128字節(jié)編址為為80～FFH52子系列片內(nèi)RAM有256字節(jié)低128字節(jié)編址為00～7FH（直接尋址）高128字節(jié)編址為80～FFH（間接尋址）

SFR有128字節(jié)編址為為80～FFH

（間接尋址）第24頁/共63頁2、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的劃分

片內(nèi)RAM編址為00～7FH，分工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和堆棧數(shù)據(jù)區(qū)三個部分。結(jié)構(gòu)如下圖：第25頁/共63頁(1)工作寄存器區(qū)從上圖中可以看到，單片機(jī)內(nèi)部RAM的00～1FH區(qū)是R工作寄存器區(qū)，分為四個組，由RS1、RS0配置選擇：第26頁/共63頁(2)位尋址區(qū)內(nèi)部RAM的20H～2FH為位尋址區(qū)域(見表2-4)。這16個單元(共128位)的位地址編址范圍為00H～7FH。第27頁/共63頁(3)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)部RAM的30H～7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，也稱為用戶RAM區(qū)，共80個單元。

52子系列內(nèi)部有256個單元的數(shù)據(jù)存儲器，用戶RAM區(qū)范圍為30H～FFH，共208個單元。工作寄存器區(qū)和位尋址區(qū)的地址及單元數(shù)與上述一致。第28頁/共63頁3、堆棧和堆棧指針

堆棧的概念：是一種數(shù)據(jù)項按序排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用后進(jìn)先出，這種后進(jìn)先出操作的緩沖器區(qū)稱為堆棧。堆棧指針總是指向棧頂。堆棧就好比水桶或手槍中的彈匣，更象一個裝兵乓球的小圓筒。堆棧的幾個名詞：

滿堆棧、空堆棧、遞增堆棧和遞減堆棧第29頁/共63頁堆棧特點：后進(jìn)先出堆棧有3個具體功能：

(1)保護(hù)斷點

(2)現(xiàn)場保護(hù)

(3)臨時暫存數(shù)據(jù)第30頁/共63頁4.4特殊功能寄存器單片機(jī)是通過特殊功能寄存器（SFR）對各種功能部件進(jìn)行集中控制。如下表：第31頁/共63頁4.5外部數(shù)據(jù)存儲器單片機(jī)一般的內(nèi)部RAM只有128B或256B?，F(xiàn)在有大RAM容量單片機(jī)或集成了DataFlash的單片機(jī)。系統(tǒng)需要海量存儲器必須擴(kuò)展外部存儲器。

擴(kuò)展外部存儲器方式：（1）并行方式擴(kuò)展（最大64KB）（2）串行方式擴(kuò)展（最大1MB以上）第32頁/共63頁存儲器使用總結(jié)如下：

(1)地址有重疊性，用不同的控制命令分開。

(2)(RAM)和(ROM)在操作使用上是嚴(yán)格區(qū)分的，不同的操作指令不能混用。

(3)位地址空間有兩個區(qū)域：

20H～2FH區(qū)和SFR區(qū)

(4)片外數(shù)據(jù)存儲器區(qū)中，RAM存儲單元與單片機(jī)外部擴(kuò)展的I/O端口是統(tǒng)一編址的。第33頁/共63頁5并行I/O端口

共有4個8位雙向I/O口，共32口線。每位均有自己的鎖存器(SFR)，輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。第34頁/共63頁多路開關(guān)功能：用于控制選通I/O方式還是地址/數(shù)據(jù)輸出方式方式控制：由內(nèi)部控制信號產(chǎn)生輸入鎖存器兩個輸入緩沖器(BUF1和BUF2)推拉式I/O驅(qū)動器5.1P0口位圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)BUF2BUF15、P0R2為讀引腳信號，執(zhí)行“MOVA,P0”時該信號有效6、讀引腳（端口）時，輸出鎖存器應(yīng)為“1”說明：1、當(dāng)控制信號為0時，P0口做雙向I/O口，為漏極開路（三態(tài)）2、控制信號為1時，P0口為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線（用于口擴(kuò)展）3、P0W為端口輸出寫信號，用于鎖存輸出狀態(tài)4、P0R1為讀鎖存器信號，執(zhí)行“ANLP0,#0FH”時該信號有效QQDCVcc控制AD0P0R1

P0R2D0P0W圖1、P0口內(nèi)部結(jié)構(gòu)讀鎖存器讀引腳鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器地址/數(shù)據(jù)P00多路開關(guān)10第35頁/共63頁5.2P1口內(nèi)部結(jié)構(gòu)P1口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示輸出部分有內(nèi)部上拉電阻R*約為20K。其他部分與P0端口使用相類似（讀引腳時先寫入1）。寫數(shù)據(jù)讀端口第36頁/共63頁5.3P2口內(nèi)部結(jié)構(gòu)2、當(dāng)控制信號為1時P2口輸出地址信息，此時單片機(jī)完成外部的取指操作或?qū)ν獠繑?shù)據(jù)存儲器16位地址的讀寫操作。3、當(dāng)P2口作為普通I/O口使用時用法和P1口類似。說明：1、P2可以作為通用的I/O，也可以作為高8位地址輸出。第37頁/共63頁P0.3地址鎖存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2MCS-51片外總線結(jié)構(gòu)示意圖返回MCS-51單片機(jī)片外總線

P0.4第38頁/共63頁返回單片機(jī)

8031P2.0P2.1P2.2A8A9A10ALERD74LS373G6264A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2O3O4O5O6O7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7OECEQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7WEWRP2.7P2.3P2.4A11A126264WE單片機(jī)

8031P2.0:.A8..ALERD74LS373GA7..A0P0.0

:P0.7OECEQ0..Q7D0..D7A12P2.4WRD7..D0第39頁/共63頁5.4P3口內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明：1、做普通端口使用時，第二功能應(yīng)為“1”。2、使用第二功能時，輸出端口鎖存器應(yīng)為“1”。3、變異功能（）

P3.0TXDP3.4T0P3.1RXDP3.5T1P3.2INT0P3.6WRP3.3INT1P3.7RD1輸出I/O口1讀I/O口11第40頁/共63頁5.5P0～P3端口功能總結(jié)使用中應(yīng)注意的問題：（1）P0～P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口還可用來構(gòu)建數(shù)據(jù)總線和地址總線，所以電路中有一個MUX，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（2）而P1口和P3口無構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線和地址總線的功能，因此，無需轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX。第41頁/共63頁（3）只有P0口是一個真正的雙向口，P1～P3口都是準(zhǔn)雙向口。原因:P0口作數(shù)據(jù)總線使用時，為保證數(shù)據(jù)正確傳送，需解決芯片內(nèi)外的隔離問題，即只有在數(shù)據(jù)傳送時芯片內(nèi)外才接通；否則應(yīng)處于隔離狀態(tài)。為此，P0口的輸出緩沖器應(yīng)為三態(tài)門。（4）P3口具有第二功能。因此在P3口電路增加了第二功能控制邏輯。這是P3口與其它各口的不同之處。第42頁/共63頁P3口的第二功能第43頁/共63頁6單片機(jī)時序與復(fù)位時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所必需的時鐘控制信號。6.1時鐘電路時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，電路的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。第44頁/共63頁一、內(nèi)部時鐘方式

內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，其輸入端：XTAL1，輸出端：XTAL2。

C1和C2典型值通常選擇為30pF左右。晶體的振蕩頻率在1.2MHz～12MHz之間。某些高速單片機(jī)芯片的時鐘頻率已達(dá)40MHz。第45頁/共63頁二、外部時鐘方式

常用于多片單片機(jī)同時工作。

第46頁/共63頁

三、時鐘信號的輸出為應(yīng)用系統(tǒng)中的其它芯片提供時鐘，但需增加驅(qū)動能力。

第47頁/共63頁6.2機(jī)器周期、指令周期與指令時序一、時鐘周期單片機(jī)的基本時間單位。若時鐘的晶體的振蕩頻率為fosc，則時鐘周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。二、機(jī)器周期CPU完成一個基本操作所需要的時間。執(zhí)行一條指令分為幾個機(jī)器周期。每個機(jī)器周期完成一個基本操作。MCS-51單片機(jī)每12個時鐘周期為一個機(jī)器周期，第48頁/共63頁一個機(jī)器周期又分為6個狀態(tài)：S1～S6。每個狀態(tài)又分為兩拍：P1和P2。因此，一個機(jī)器周期中的12個時鐘周期表示為：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、SP6P1、S6P2第49頁/共63頁三、指令周期執(zhí)行一條指令時，可分為取指令階段和指令執(zhí)行階段。取指令階段，PC中地址送到程序存儲器，并從中取出需要執(zhí)行指令的操作碼和操作數(shù)。指令執(zhí)行階段，對指令操作碼進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生一系列控制信號完成指令的執(zhí)行。ALE信號是為地址鎖存而定義的，以時鐘脈沖1/6的頻率出現(xiàn)，在一個機(jī)器周期中，ALE信號兩次有效（注意，在執(zhí)行訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的指令MOVX時，將會丟失一個ALE脈沖）第50頁/共63頁8051X2X1VssTTL外接時鐘源Vcc時鐘電路需外接晶振的頻率1.2~12MHZ，C1和C2取30±10PFX1X2C2

C1X

8051振蕩電路S1S2S3S4S5S6S1S2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2fosc一個狀態(tài)周期一個機(jī)器周期T=12*(1/fosc)X2CPU的時序（時鐘周期、狀態(tài)周期、機(jī)器周期）第51頁/共63頁若外接晶振為12MHz時，則單片機(jī)的四個周期的具體值為：

時鐘周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs

狀態(tài)周期＝1/6μs＝0.167μs

機(jī)器周期＝1μs

指令周期＝1～4μs可用于計算指令、程序的執(zhí)行時間，以及定時器的定時時間第52頁/共63頁6.3復(fù)位電路單片機(jī)的初始化操作，擺脫死鎖狀態(tài)。

引腳RST加上大于2個機(jī)器周期（即24個時鐘振蕩周期）的高電平就可使MCS-51復(fù)位。