2022年單片機-單片機硬件結(jié)構(gòu)和原理

第1章單片機的硬件結(jié)構(gòu)和原理概述

在一塊芯片上集成了ＣＰＵ、存儲器、I/O接口，構(gòu)成一個完整的微型計算機。單片機1.1單片機的發(fā)展簡史1.4位單片機（1971～1974）Intel40042.低檔8位單片機（1974～1978）Intel8048(無串行I/O口、尋址范圍4KB）3.高檔8位單片機（1978～1982）Intel8051(含串行I/O口、多級中斷處理、16位定時/計數(shù)器、尋址范圍64KB）4.16位單片機（1982～1990）Intel8096（速度、控制功能、分辨率高）5.新一代單片機（90年代以來）(1)雙CPU(2)內(nèi)部流水線(3)20MHz時鐘頻率(4)PWM輸出(5)監(jiān)視定時器WDT(6)可編程計數(shù)器陣列PCA(7)DMA傳輸(8)Modem總而言之，向著高集成度、低功耗方向發(fā)展。兩個發(fā)展方向：高精度、多功能；專一功能1.2單片機的應用1.單機應用

（1）測控系統(tǒng)。（2）智能儀表。（3）機電一體化產(chǎn)品。（單片機用于機械產(chǎn)品）（4）智能接口。（含單片機的接口）（5）智能民用產(chǎn)品。

2.多機應用

（1）功能集散系統(tǒng)。（2）并行多控制系統(tǒng)。并行數(shù)據(jù)采集，處理系統(tǒng)、實時圖象處理系統(tǒng)等。（3）局部網(wǎng)絡系統(tǒng)。分布式測控系統(tǒng)，單片機負責系統(tǒng)中的通信控制，或構(gòu)成各種子系統(tǒng)。

（1）嵌入式計算機系統(tǒng)內(nèi)部包含微計算機用于完成特定任務的電子系統(tǒng)。

由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、潛入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序組成。以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的應用領域。具有良好的控制效果和極高的控制效率。對精通嵌入式系統(tǒng)的設計人員有很大的需求（2）嵌入式系統(tǒng)的設計；需要計算機技術(shù)（軟、硬件設計、數(shù)字信號處哩、計算機網(wǎng)絡等）電子技術(shù)、半導體技術(shù)及相應行業(yè)的應用技術(shù)。單片機：將組成計算機的各部分集成于一個芯片。是嵌入式系統(tǒng)計算機的最加選擇。嵌入式計算機系統(tǒng)：對象的智能化控制能力，對象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。4.網(wǎng)絡與通信（1)網(wǎng)絡通信設備(如:程控交換機、路由器、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋等）。（2）網(wǎng)絡增值服務（如VOIP）VoiceOvorInternetProtocol,（如：基于Internet的網(wǎng)絡電話）第2章MCS-51單片機硬件結(jié)構(gòu)2.1MCS-51單片機總體結(jié)構(gòu)

2.1.1MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及應用P23

圖2.28051單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3中央處理器CPU2.3.1運算器算術(shù)邏輯單元ALU①二進制數(shù)算術(shù)、邏輯運算；②位處理。

2.累加器ACC（Accumulator）

最活躍！3.寄存器B①用于乘、除運算；②通用4.程序狀態(tài)字PSW（ProgrameStateWord）CyACF0RS1RS0OV…PD7D6D5D4D3D2D1D0PSW表2.2RS1、RS0與片內(nèi)工作寄存器組的對應關(guān)系RS1RS0寄存器組片內(nèi)PAM地址通用寄存器名稱000組00H~07HR0~R7011組08H~0FHR0~R7102組10H~17HR0~R7013組18H~1FHR0~R7提請注意：P（PSW.0)奇/偶標志若ACC中的1的個數(shù)為”奇”數(shù),P=1ACC中的1的個數(shù)為”偶”數(shù),P=0

2.復位電路使單片機內(nèi)各寄存器值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作。

圖2.3單片機復位電路（a）上電復位電路；(b)開關(guān)復位電路需要：在RESET引腳上持續(xù)兩個機器周期的高電平。

表2.3復位后內(nèi)部寄存器狀態(tài)3.指令寄存器和指令譯碼器指令寄存器中存放指令代碼。CPU執(zhí)行指令時,由程序存儲器中讀取的指令代碼送入指令存儲器,經(jīng)譯碼器譯碼后由定時與控制電路發(fā)出相應的控制信號,完成指令所指定的操作。4.程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）

PC用于存放CPU下一條要執(zhí)行的指令地址,是一個16位的專用寄存器,可尋址范圍是0000H~0FFFFH共64KB。在順序執(zhí)行程序中,當PC的內(nèi)容被送到地址總線后,會自動加1,即(PC)←(PC)+1,又指向CPU下一條要執(zhí)行的指令地址。

不能用指令修改PC值。

5.堆棧指針SP（StackPointer）

堆棧設在內(nèi)部RAM中;

向大地址方向生成；單字節(jié)操作；

SP為8位堆棧指針，可用指令設置

MCS-51系統(tǒng)復位后，SP=07H；在進行操作之前,先用指令給SP

賦值,以規(guī)定棧區(qū)在RAM區(qū)的起始地址（棧底層）。當數(shù)據(jù)推入棧區(qū)后,SP的值也自動隨之變化。SP初始化為07H。2.4存儲器的結(jié)構(gòu)圖2.4MCS-51單片機的存儲器結(jié)構(gòu)SP為8位堆棧指針，可用指令設置（1）功能集散系統(tǒng)。在進行操作之前,先用指令給SP賦值,以規(guī)定棧區(qū)在RAM區(qū)的起始地址（棧底層）。在一個機器周期內(nèi),CPU可以完成一個獨立的操作。2RS1、RS0與片內(nèi)工作寄存器組的對應關(guān)系(6)可編程計數(shù)器陣列PCAMCS-51系統(tǒng)復位后，SP=07H；5P0口內(nèi)部一位結(jié)構(gòu)圖p26存儲器、外接定時元件，內(nèi)部電路自激振蕩外接振蕩器頻率低于12MHzMCS-51系統(tǒng)復位后，SP=07H；3.既可作為一個16位寄存器DPTR來處理,也可作為兩個獨立的8位寄存器DPH和DPL來處理。InternetProtocol,（如：基于Internet6單片機的引腳及其功能2.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器

MCS-51單片機片內(nèi)RAM的配置如圖2.4（b）所示。片內(nèi)RAM為256字節(jié),地址范圍為00H~FFH,分為兩大部分:低128字節(jié)（00H~7FH）為真正的RAM區(qū);高128字節(jié)（80H~FFH）為特殊功能寄存器區(qū)SFR。在低128字節(jié)RAM中,00H~1FH共32單元是4個通用工作寄存器區(qū)。每一個區(qū)有8個通用寄存器R0~R7。寄存器和RAM地址對應關(guān)系如表2.4。表2.4寄存器與RAM地址對照表表2.5RAM中的位尋址區(qū)地址表表2.6SFR特殊功能寄存器地址表表2.6SFR特殊功能寄存器地址表表2.6SFR特殊功能寄存器地址表3.外部數(shù)據(jù)存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器一般由靜態(tài)RAM構(gòu)成，其容量大小由用戶根據(jù)需要而定,最大可擴展到64KBRAM,地址是0000H~0FFFFH。CPU通過MOVX指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲器,用間接尋址方式,R0、R1和DPTR都可作間接寄存器。注意,外部RAM和擴展的I/O接口是統(tǒng)一編址的,所有的外擴I/O口都要占用64KB中的地址單元。2.5并行輸入/輸出接口4個8位雙向、并行I/O接口；輸入有緩沖作用，輸出時，數(shù)據(jù)可以被鎖存；每一條I/O口線都能單獨使用；允許有三種工作方式：輸入、輸出、讀-修改-寫。輸出時，P0口可驅(qū)動8個LSTTL負載，

其余口只能驅(qū)動4個LSTTL負載。圖2.5P0口內(nèi)部一位結(jié)構(gòu)圖p26

1.P0口地址/數(shù)據(jù)分時復用2.P1、P2和P3口準雙向口

P1口專用8位準雙向I/O口

每一位都能獨立地設定為輸入或輸出。當由輸出方式變?yōu)檩斎敕绞綍r,該位必須寫入“1”,然后才能進入輸入操作。

P2口

8位準雙向I/O口?？勺鳛閿U展系統(tǒng)的地址總線,輸出高8

位地址,與P0口一起組成16位地址總線。

對于8031而言,P2口一般只作為地址總線使用。表2.7P3口的第二功能P3口為雙功能口或通用I/O口2.6單片機的引腳及其功能

圖2.6MCS-51單片機引腳及總線結(jié)構(gòu)(a)管腳圖；(b)8031引腳功能分類關(guān)于控制引腳:ALE/PROG

地址鎖存允許/編程信號線ALE

鎖存P0口輸出的低8位地址信號;頻率為1/6震蕩頻率;PROG用于8755時,輸入編程脈沖信號。PSEN程序存儲器選通信號。EA/VPP

EA訪問程序存儲器控制信號。EA=1，CPU從片內(nèi)開始讀取指令；EA=0，CPU從片外開始讀取指令。RST/VPD

RST復位。（需要兩個機器周期以上的高電平）。VPD后備電源輸入端（掉電保護）。2.7單片機工作的基本時序1.機器周期和指令周期（1）振蕩周期:也稱時鐘周期,是指為單片機提供時鐘脈沖信號的振蕩源的周期。（2）狀態(tài)周期:

每個狀態(tài)周期為時鐘周期的2倍,是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。（3）機