單片機(jī)結(jié)構(gòu)與原理課件

2025/2/21單片機(jī)結(jié)構(gòu)與原理2025/2/21時鐘電路CPUROMRAMT0T1中斷系統(tǒng)串行接口可編程I/O接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定時計數(shù)器結(jié)構(gòu)框圖2.1MCS-51系列單片機(jī)的基本組成一、MCS-51單片機(jī)的硬件組成2025/2/21二、MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2025/2/2151單片機(jī)的主要單元（1）算術(shù)邏輯單元ALU（2）累加器ACC，程序中有時可以簡寫為A（3）輔助寄存器B，乘除指令用到（4）程序計數(shù)器PC，不能用程序直接訪問（5）數(shù)據(jù)指針DPTR(DPH、DPL)，有的單片機(jī)有兩個（6）堆棧指針SP，復(fù)位時內(nèi)容是07H，一定要記住。（7）并行I/O接口P0、P1、P2、P32025/2/21PSW位地址0D0HCYACF0RS1RS0OVF1P位地址D7D6D5D4D3D2D1D0Cy(PSW.7)進(jìn)位標(biāo)志。有進(jìn)位或借位時置1AC(PSW.6)輔助進(jìn)位標(biāo)志。低4位有進(jìn)位或借位時F0(PSW.5)用戶用位標(biāo)志RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)選擇通用寄存器組R0~R7所在內(nèi)部RAM中的位置OV(PSW.2)溢出標(biāo)志。F1(PSW.1)保留。51未用，52為用戶標(biāo)志位P(PSW.0)奇偶標(biāo)志。ALU運算結(jié)果中1的個數(shù)為奇數(shù)時置1復(fù)位時00（8）程序狀態(tài)寄存器PSW2025/2/21RS0、RS1的設(shè)置

11第3區(qū)18H~1FH

01第1區(qū)08H~0FHRS1RS0寄存器區(qū)

片內(nèi)RAM地址

00第0區(qū)00H~07H10第2區(qū)10H~17H上電復(fù)位后，RS1=RS0=0，CPU自動選擇第0組為當(dāng)前工作寄存器組2025/2/2151單片機(jī)寄存器特點1.除PC外，其它寄存器都有內(nèi)部RAM地址。2.SFR在80H開始的部分區(qū)域，未填滿128字節(jié)。只能用直接尋址訪問。3.位地址與內(nèi)部RAM重疊。2025/2/212.2MCS-51系列單片機(jī)的引腳與功能一、8051型引腳與功能（40腳雙列直插DIP40封裝）8、P3口線的第二功能2、振蕩電路：XTAL1、XTAL23、復(fù)位引腳：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址鎖存控制信號1、電源線：VCC(+5V)、VSS(地)5、EA：訪問程序存儲控制信號6、PSEN：外部ROM讀選通信號2025/2/212.2MCS-51系列單片機(jī)的引腳與功能一、8051型引腳與功能2025/2/21其它封裝形式（PLCC、PQFP）2025/2/21其它引腳封裝（DIP20、28，SOP20、28）2025/2/212.351單片機(jī)存儲器的結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)存儲器程序存儲器ROM數(shù)據(jù)存儲器RAM片內(nèi)程序存儲器片外程序存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器2025/2/212.351單片機(jī)存儲器的結(jié)構(gòu)

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15RAM6264

8052片內(nèi)RAM片內(nèi)ROM256B（字節(jié)）8K64K64K2025/2/212.351單片機(jī)存儲器的結(jié)構(gòu)（8052）EA=1時，CPU先從片內(nèi)程序存儲器空間0000H-1FFFH取指執(zhí)行；當(dāng)PC的值大于1FFFH時才訪問外部的程序存儲器空間。若EA=0時，CPU只從片外程序存儲器空間取指執(zhí)行。2025/2/21

標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)程序存儲器地址范圍是：

0000H～FFFFH，共64KB空間。在64KB的程序存儲器中0000H～002AH(地址向量區(qū))區(qū)域具有特殊用途，是保留給系統(tǒng)使用的。即：0000H～0002H，為上電或復(fù)位的入口地址；0003H～000AH，為外部中斷0的中斷地址區(qū)；000BH～0012H，為定時/計數(shù)器0（T0）的中斷地址區(qū)；0013H～001AH，為外部中斷1的中斷地址區(qū)；001BH～0022H，為定時/計數(shù)器1（T1）的中斷地址區(qū)；0023H～002AH，為串口(TI，RI)中斷地址區(qū)；002BH～0032H，為定時/計數(shù)器2（T2）的中斷地址區(qū)。(52)一、程序存儲器ROM2025/2/210000H0001H0002H(PC)中斷5中斷4中斷3中斷2中斷10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中斷0定時器0中斷外部中斷18位．．．1FFFH1FFEH片內(nèi)程序存儲器資源分布中斷入口地址定時器2中斷中斷6串行口中斷定時器1中斷2025/2/21二、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器

SRAMDirectAddressingIndirectAddressing2025/2/21(1)寄存器組的設(shè)置（RS1、RS0）2025/2/21(2)位操作區(qū)（20H～2FH=16字節(jié))2025/2/21

特殊功能寄存器區(qū)（80H～FFH）與SRAM的高128字節(jié)地址在物理上是重疊的。操作時通過不同指令區(qū)分。特殊功能寄存器區(qū)存放的是51單片機(jī)中專用寄存器（SFR）的數(shù)據(jù)。其名稱、符號及字節(jié)地址見下表所示。(3)其它SRAM區(qū)的劃分(4)特殊功能寄存器SFR

片內(nèi)SRAM區(qū)的30H～7FH可用作高速的數(shù)據(jù)存儲區(qū)或堆棧區(qū)。片內(nèi)SRAM區(qū)的80H～FFH可用作一般的數(shù)據(jù)存儲區(qū)（要間接尋址，8051無這個區(qū)域）或堆棧區(qū)。2025/2/21特殊功能寄存器SFR地址表（8051）☆離散分布有21個特殊功能寄存器SFR?！?/p>

11個可以進(jìn)行位尋址?！顚FR只能使用直接尋址方式，書寫時可使用寄存器符號，也可用寄存器單元地址。☆8052增加了定時/計數(shù)器2的設(shè)置，占用C8H~CDH。具體參看相關(guān)資料。2025/2/21SFR能夠位尋址的是地址末位能被8整除的，即末位在16進(jìn)制下是0或8。因此能夠位尋址的有：NameAddressNameAddressP080HTCON88HP190HSCON98HP2A0HIEA8HP3B0HIPB8HC0HT2CONC8HPSWD0HD8HACCE0HE8HBF0HF8H2025/2/21

外部數(shù)據(jù)存儲器（keilC用xtata聲明）的地址范圍是:0000H～FFFFH。與內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器00H~FFH重疊，通過指令區(qū)分：片內(nèi)MOV，片外MOVX。

MOVXA,@DPTRMOVX@DPTR,AMOVX@Ri,AMOVXA,@Ri注意：i=0,1。堅決不能為2,3,4,5,6,7，除非你自己設(shè)計的CPU三、外部數(shù)據(jù)存儲器2025/2/212.4單片機(jī)I/O端口邏輯結(jié)構(gòu)8051有4個8位并行I/O端口，記做P0、P1、P2、P3；這四個口都是準(zhǔn)雙向的I/O口，共占有32條管腳；每一條I/O線都能獨立的用作輸入或輸出，作輸出時可以鎖存，作輸入時可以緩沖；P0、P2、P3還具有第二功能。

2025/2/21一、P1口（I/O口）鎖存器輸入緩沖器輸出驅(qū)動器P1口其中一位的邏輯結(jié)構(gòu)12DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線Vcc引腳P1.X內(nèi)部上拉電阻2025/2/21P1口的輸出操作12DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線Vcc引腳P1.X內(nèi)部上拉電阻110截止=1輸出數(shù)據(jù)=1時☆電路的內(nèi)部有上拉電阻，與場效應(yīng)管共同組成輸出驅(qū)動電路?！钭鳛檩敵隹谑褂脮r，無需再外接上拉電阻。一、P1口（I/O口）2025/2/2112DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線Vcc引腳P1.X內(nèi)部上拉電阻001=0導(dǎo)通輸出數(shù)據(jù)=0時P1口的輸出操作2025/2/21P1口的輸入操作并行口作為輸入口使用時，有兩種方式：讀鎖存器、讀引腳。讀鎖存器：并不是從芯片外部讀入數(shù)據(jù)，而只是把端口鎖存器中的內(nèi)容讀到內(nèi)部總線。先將P1口的數(shù)據(jù)讀入CPU，在ALU中進(jìn)行運算，運算結(jié)果再送回P1。讀－修改－寫操作讀引腳：真正把芯片外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。先向P1口鎖存器寫入1，然后進(jìn)行讀操作；此時讀進(jìn)來的是引腳的信號。準(zhǔn)雙向I/O口2025/2/2112DQCK/Q讀引腳=1讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線Vcc引腳P1.X內(nèi)部上拉電阻110截止讀引腳MOVA,P1讀鎖存器ANLP1,A準(zhǔn)雙向口的特點是：當(dāng)某管腳由原來的輸出變?yōu)檩斎霑r，用戶必須先向鎖存器寫“1”，以免誤讀管腳上的內(nèi)容；當(dāng)復(fù)位后，P口寄存器均自動置“1”，即輸出驅(qū)動器已截止，可直接輸入數(shù)據(jù)。2025/2/21

二、P0口（I/O、數(shù)據(jù)總線、地址總線低8位）☆包含一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器、一個數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動電路和一個輸出控制電路?！钭鳛橥ㄓ玫腎/O口時，是一個漏極開路電路，必須外接上拉電阻；☆作為地址/數(shù)據(jù)線使用時，不需外接上拉電阻；12DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線地址/數(shù)據(jù)控制C引腳P0.X43VccP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.02025/2/21

二、P0口（I/O、數(shù)據(jù)總線、地址總線低8位）不接外部存儲器時可作為8位準(zhǔn)雙向I/O口使用。漏極開路，需外接上拉電阻?？刂啤癈”=0時，此腳作準(zhǔn)雙向I/O口12DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線地址/數(shù)據(jù)控制C=0引腳P0.X43Vcc截止02025/2/21二、P0口（I/O、數(shù)據(jù)總線、地址總線低8位）尋址外部存儲器時作為雙向8位數(shù)據(jù)口和輸出低8位地址復(fù)用口－－真正的雙向口。12DQCK/Q讀引腳數(shù)據(jù)輸入讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線

地址/數(shù)據(jù)控制C=1引腳P0.X43Vcc控制“C”=1時，此腳作地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口1011導(dǎo)通截止輸出數(shù)據(jù)1時2025/2/2112DQCK/Q讀引腳數(shù)據(jù)輸入讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線

地址/數(shù)據(jù)控制C=1引腳P0.X43Vcc0100截止導(dǎo)通輸出數(shù)據(jù)0時2025/2/2112DQCK/Q讀引腳數(shù)據(jù)輸入讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線

地址/數(shù)據(jù)控制C=1引腳P0.X43Vcc輸入數(shù)據(jù)時2025/2/21三、P2口（I/O口、地址總線高8位）☆無需再外接上拉電阻。尋址外部存儲器時輸出高8位地址不接外部存儲器時可作為8位準(zhǔn)雙向I/O口。12DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線地址高8位控制C

引腳P2.X3內(nèi)部上拉電阻Vcc控制“C”=0時，此腳作通用I/O口控制“C”=1時，此腳作高8位地址輸出口：2025/2/21四、P3口（I/O口、復(fù)用功能）☆P3口的特點在于適應(yīng)引腳信號復(fù)用功能的需要?！顚τ趶?fù)用功能為輸出的信號引腳，當(dāng)作為I/O使用時，第二功能信號引線應(yīng)保持高電平，與非門開通，以維持從鎖存器到輸出端數(shù)據(jù)輸出通路的暢通?！町?dāng)輸出復(fù)用功能信號時，鎖存器應(yīng)置“1”，使與非門對第二功能信號的輸出是暢通的，從而實現(xiàn)第二功能信號的輸出。12DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線第二功能輸出TXD、WR、RD引腳P3.X3內(nèi)部上拉電阻Vcc第二功能輸入RXD、INT0/1、T0/142025/2/212025/2/21第二功能輸出時，內(nèi)部自動使鎖存器Q=112DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線第二功能輸出（WR，RD，TxD）引腳P3.X3內(nèi)部上拉電阻Vcc4111反相器P3口第二功能輸出2025/2/21P3口第二功能輸入第二功能輸入時，信號經(jīng)緩沖器4直接進(jìn)入內(nèi)總線12DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線

此端自動＝1引腳P3.X3內(nèi)部上拉電阻Vcc

第二功能輸入（RxD，T0，T1，INT0，INT1）41110截止2025/2/212025/2/21五、I/O口的“讀－修改－寫”操作

從P0～P3口的邏輯電路分析可知，讀一個端口的數(shù)據(jù)有兩類：一類是讀引腳電平的，例：讀P1口線狀態(tài)時，打開三態(tài)門2，將外部狀態(tài)讀入CPU。

另一類是讀鎖存器的，首先是讀鎖存器的內(nèi)容，進(jìn)行處理后再寫到鎖存器中，這種操作即“讀-修改-寫”操作，是為了避免誤讀引腳電平。（見表2-8列出的指令）。例如，ANLP1,A;邏輯與指令…….CPLP2.0;取反……INCP3;P3的內(nèi)容增1…..P0-P3口作為輸入時，必須先對相應(yīng)端口鎖存器寫1。2025/2/212.5單片機(jī)的工作時序及時鐘電路振蕩頻率----晶振的頻率；機(jī)器周期----包含12個振蕩脈沖，顯然，如果使用6MHz的時鐘頻率，一個機(jī)器周期就是2μs，而如使用12MHz的時鐘頻率，一個機(jī)器周期就是1μs。指令周期----執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期。指令有單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)之分。根據(jù)指令的不同，指令周期可分別包含1~4個時鐘周期。一、幾個概念2025/2/21P1P2S1振蕩周期狀態(tài)周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2牢牢記住：振蕩周期=晶振頻率fosc的倒數(shù)；

1個機(jī)器周期=12個振蕩周期；

1個指令周期=1、2、4個機(jī)器周期。(很少用到此概念)2025/2/21可通過測量ALE確定CPU是否工作，ALE有時鐘的特點。

二、典型時序（教材34～36頁）2025/2/21訪問外部數(shù)據(jù)存儲器指令MOVX的時序（單字節(jié)雙周期）2025/2/21三、MCS-51單片機(jī)的時鐘電路(見教材37頁）內(nèi)部方式：電容C1、C2通常取30pF，晶振頻率可在2MHZ~12MHZ之間選擇（不同型號的單片機(jī)的上限頻率可能有差別）。時鐘電路是計算機(jī)的心臟，控制著計算機(jī)的工作節(jié)奏。2025/2/21四、MCS-51單片機(jī)的復(fù)位及省電方式

單片機(jī)剛開始工作時，需要復(fù)位以完成內(nèi)部初始化；程序出現(xiàn)錯誤、跑飛、死機(jī)等非正常狀態(tài)時，需要復(fù)位使單片機(jī)重新工作。復(fù)位的輸入引腳是RST，高電平有效，它是施密特觸發(fā)器的輸入端，要保持兩個時鐘周期以上。復(fù)位后，除了P0、P1、P2、P3、SP、SBUF寄存器外，其余SFR全部清零，但片內(nèi)SRAM中的數(shù)據(jù)不受影響。

<1>復(fù)位方式2025/2/21復(fù)位后特殊功能寄存器SFR初值注意：復(fù)位后，SP=07H2025/2/21<2>復(fù)位電路上電自動復(fù)位——利用電容上電壓不能突變而是按指數(shù)規(guī)律上升或下降的特性，產(chǎn)生所需的復(fù)位脈沖。按鍵脈沖復(fù)位——通過按鍵使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc接通，利用

RC微分電路得到短時的高電平。2025/2/21“看門狗”復(fù)位電路——為防止程序跑飛或死機(jī)，常采用看門狗電路，如

MAX813L、IMP813L、MAX706P等。☆上電時，RST端有160ms的高電平復(fù)位脈沖?！?/p>

P1.0輸出“喂狗”脈沖，如果超過時間不喂狗（