1、第2章 单片机基本结构和工作原理主要介绍MCS-51单片机的内部结构及外部引脚、存储器结构及特殊功能寄存器功能、并行I/O端口结构和工作原理、CPU工作时序和工作方式等内容。第2章 单片机的基本结构和工作原理单片机的单片机的组成组成和和内部结构内部结构2.1单片机的单片机的外部引脚外部引脚及及功能功能2.2单片机的单片机的存储器结构存储器结构2.3单片机的单片机的I/O电路电路2.4单片机的单片机的辅助电路辅助电路2.5单片机的单片机的工作时序工作时序和和工作方式工作方式2.62.1 单片机的组成和内部结构MCS-51单片机的功能框图2.1.1单片机的组成单片机是在一块芯片中集成了CPU、RA
2、M、ROM、定时器/计数器和I/O端口等多种基本功能部件。单片机内部通常包含以下部件：一个8位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；4KB ROM（8031没有片内ROM，增强型为8KB）；128B RAM（增强型为256B）；两个16位定时器/计数器（增强型为三个）；可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路；32条可编程的I/O口（四个8位并行I/O端口）；一个可编程全双工串行口；具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构（增强型为六个中断源）。2.1.1 单片机的组成2.1.2 单片机的内部逻辑结构n单片机内部核心部分是一个8位高性能中央处理器CPU。n它的作用是读入和分
3、析每条指令，根据各指令的功能要求，控制单片机的各功能部件，具体地执行指令的操作。nCPU由运算器、控制器和一些寄存器构成。2.1.3 CPU的内部结构u包括：算术/逻辑运算单元ALU、布尔处理器、累加器、B寄存器、暂存器、程序状态字PSW等部件。u功能：实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。一.运算器2.1.3 CPU的内部结构1算术逻辑单元ALU运算器的核心部件，实质上是全加器。对数据进行加、减、乘、除等算术运算以及对数据进行与、或、异或、循环、置1、清0等逻辑运算。不能由程序读写！不能由程序读写！2累加器ACC或A是一个8位寄存器，很多运算都要通过累加器提供操作数，多数运算结
4、果也在ACC中存放。2.1.3 CPU的内部结构3B寄存器暂时存储数据总线或其他寄存器送来的操作数。不能由程序读写4暂存寄存器(TMP1和TMP2)5程序状态字寄存器(PSW)一个8位的专用寄存器，主要用于存放当前运算结果的状态。B寄存器是为乘法和除法而设置的，在进行乘法和除法运算时A和B组成寄存器对，记为AB。在不执行乘法和除法时，B寄存器可以作为一个普通寄存器使用。2.1.3 CPU的内部结构二.控制器 控制器是单片机的指挥控制部件。功能：n接受来自程序存储器中的指令n并对指令进行译码和分析n并根据指令的性质控制单片机各功能部件从而保证单片机各部分能自动而协调的工作。包括：程序计数器、指令
5、寄存器、指令译码器、数据指针、堆栈指针、定时与控制逻辑电路等。2.1.3 CPU的内部结构1程序计数器(PC)16位专用寄存器，用于存放一条将要执行指令的地址，具有自动加1功能。执行转移、子程序调用指令和中断响应时，PC内容不再加1。单片机复位时，PC装入0000H。不能由程序读写2指令寄存器(IR)一个8位寄存器，用于寄存等待执行的指令。不能由程序读写2.1.3 CPU的内部结构3指令译码器(ID)对指令寄存器中的指令进行译码。不能由程序读写4数据指针(DPTR)一个16位专用寄存器，通常在访问外部数据存储器时作地址指针。5堆栈指针(SP)一个8位专用寄存器，用于存放堆栈栈顶地址。6定时与控
6、制逻辑电路产生各种控制信号，协调各功能部件的工作。2.1.3 CPU的内部结构2.2 单片机的外部引脚及功能I/O引脚即输入/输出端口，有P0（P0.0P0.7）、P1（P1.0P1.7）、P2（P2.0P2.7）、P3（P3.0P3.7）4个8位准双向输入/输出端口。P0、P2和P3口可以组成三总线，用于外围芯片扩展。2.2.1 I/O引脚地址总线(AB)805187518031P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7PSENEAALERST用户I/O控制总线(CB)锁存器P2.7P2.6P2.5P2.4
7、P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0ALEA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0VCCVSS数据总线(DB)VCCVSSRST：复位输入端，该引脚出现连续2个周期高电平使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE为地址锁存器提供锁存信号，用于锁存地址的低位字节，不访问外部存储器时，ALE端仍以不变的频率（为振荡频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。注意：访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对片内ROM编程时，该引脚的第二功能用于输入编程脉冲。
8、2.2.2 控制引脚pPSEN：外部程序存储器取指使能。在访问外部ROM时，该信号自动产生，每个机器周期输出两个脉冲。pEA/Vpp：外部访问允许；u当EA为高电平时，CPU从内部程序存储器执行指令，当PC值超过片内程序存储器最大地址范围时，将自动转向外部存储器执行程序。u当EA为低电平时，CPU只从外部程序存储器执行指令。u在片内ROM编程期间，该引脚的第二功能用于加12V的编程允许电源。2.2.2 控制引脚Vcc：电源端。GND：接地端。XTAL1：接外部晶振的一个引脚。当采用外部时钟时，该引脚接外部时钟信号。XTAL2：接外部晶振的另一个引脚。当采用外部时钟时，此引脚应悬空。内部时钟方式
9、 外部时钟方式 2.2.3 电源与晶振引脚从物理上看，MCS-51单片机有4个存储空间：内部ROM、外部ROM、内部RAM、外部RAM。从用户角度看，MCS-51单片机有3个存储地址空间：片内外统一寻址的ROM空间-用MOVC指令访问片内RAM空间和SFR-用MOV指令访问片外RAM空间-用MOVX指令访问MCS-51单片机的存储器组织采用哈佛结构，即程序存储器与数据存储器使用不同的逻辑空间、不同的物理存储、不同的寻址方式和不同的访问时序。2.3 单片机的存储器结构程序存储器用来存放程序、表格和常数，也称为ROM。以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64K字节，
10、地址范围为0000HFFFFH。对于MCS-51系列单片机，ROM主要有3种形式：80C31/80C32片内无ROM，必须外部扩展80C51/87C51片内有4KB的ROM/EPROM80C52/87C52片内有8KB的ROM/EPROM2.3.1 程序存储器要使用外部ROM，引脚必须接低电平；要使用内部ROM，引脚必须接高电平。2.3.1 程序存储器-片内与片外程序存储器的选择2.3.1 程序存储器-程序存储器低端的特殊单元地址地址功能功能0000H复位0003H外部中断0000BH定时器/计数器00013H外部中断1001BH定时器/计数器10023H串行口中断程序存储器低端的特殊单元如下
11、表所示：2.3.1 程序存储器-程序代码及其观察在单片机应用系统开发过程中，程序存储器中程序代码（十六进制）可以在Keil Vision4的存储器窗口中看到，程序存储器的映射关系及观察界面如下图所示。数据存储器用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈，也称为RAM。内部数据存储器 外部数据存储器2.3.2 数据存储器2.3.2 数据存储器-工作寄存器区内部RAM的00H1FH区域为工作寄存器区。工作寄存器一共有4组，每组又包括8个寄存器，记为R0R7。4组工作寄存器可根据PSW中的RS1、RS0选择。RS1RS0组对应RAM中的地址00000H07H01108H0FH10210H
12、17H11318H1FH内部RAM的20H2FH区域为位寻址区。字节字节地址地址位地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D020H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H4
13、1H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2.3.2 数据存储器-位寻址区内部RAM的30H7FH区域为普通存储区，只能按字节寻址。数据缓冲 堆栈 SP指示栈顶 复位时SP=07H 系统初始化通常重新设置2.3.2 数据存储器-普通存储区基本型单片机有2
14、1个SFR离散地分布在80HFFH空间。与运算器相关3个 ACC B PSW与定时/计数器相关6个 TH0,TL0 TH1,TL1 TMOD TCON指针类3个 SP DPH,DPL与口相关7个 P0,P1,P2,P3 SBUF SCON PCON与中断相关2个 IE IP2.3.3 特殊功能寄存器标 志 符名 称地 址ACC累加器E0HBB寄存器F0HPSW程序状态字寄存器D0HSP堆栈指针81HDPH数据指针DPTR高字节83HDPL数据指针DPTR低字节82HP0P0口80HP1P1口90HP2P2口A0HP3P3口B0HIE中断允许控制寄存器A8HIP中断优先级控制寄存器B8HTMOD
15、定时器/计数器工作方式寄存器89HTCON中断请求标志寄存器88H2.3.3 特殊功能寄存器标 志 符名 称地 址TH0定时器/计数器0（高字节）8CHTL0定时器/计数器0（低字节）8AHTH1定时器/计数器1（高字节）8DHTL1定时器/计数器1（低字节）8BHSCON串行口控制寄存器98HSBUF串行口收发数据寄存器99HPCON电源控制寄存器87H地址的尾数是0和8的寄存器不仅可以按字节访问，也可以按位寻址，常用的访问方法“寄存器名.位序号”2.3.3 特殊功能寄存器2.3.3 特殊功能寄存器-寄存器在RAM中的映射1累加器 8位寄存器，ACC表示地址（E0H），寄存器名称为A。为AL
16、U提供操作数、存放运算结果。大部分指令要通过累加器ACC进行，通常用A表示。2.3.3 特殊功能寄存器其中F0、RS1、RS0可以软件设置，Cy、Ac、OV和P由CPU决定。PSWPSWD7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D0D0HD0HCyCyAcAcF0F0RS1RS1RS0RS0OVOV-P P Cy：进位标志位。当最高位有进位(加法)或有借位(减法)时，Cy=1，否则Cy=0。在布尔(位)处理器中作位累加器使用，常用“C”表示。Ac：辅助进位标志位。当低4位相加(或相减)时，若D3位向D4位有进位(或借位)，AC=1，否则AC=0。2程序状态字寄存器PSW 2.
17、3.3 特殊功能寄存器 F0（用户标志位）：F0是开发者可以定义的一个状态标记，用软件来使它置1或清0。RS1、RS0：工作寄存器组选择控制位。OV：溢出标志位。用于指示带符号数运算的溢出。当两个带符号数进行运算时，OV逻辑表达式为OV=C7C6。P：奇偶标志位，ACC中“1”的个数为奇数，P置1。RS1RS0组对应RAM中的地址00000H07H01108H0FH10210H17H11318H1FH2.3.3 特殊功能寄存器 3.数据指针DPTR 16位特殊功能寄存器，可分为2个8位寄存器：高8位字节寄存器用DPH表示；低8位字节寄存器用DPL表示。常用作访问外部存储器的地址寄存器。寻址范围
18、为64KB。2.3.3 特殊功能寄存器 4堆栈指针SP 8位特殊功能寄存器，总是指向栈顶。堆栈操作遵循“后进先出”的原则，并由压入指令 (PUSH)和弹出指令(POP)完成。数据入栈时SP先加1，然后压入数据；数据出栈时先弹出数据，SP再减1。主机复位后，SP的初始值为07H，为避免与工作寄存器、位寄存器重叠，通常设在30H7FH。工作寄存器一直使用0组时，SP也可默认初始值而不做改变。2.3.3 特殊功能寄存器有4个8位并行I/O端口，占32根引脚。每位都有自己的锁存器(即特殊功能寄存器P0P3)、输出驱动器和输入缓冲器。不需外部功能扩展时，都可以作典型的并行I/O端口，P3还可以作第二功能
19、口。进行外部功能扩展时，P2口作高8位地址线，P0口为低8位地址/数据线复用，P1作典型的I/O口。2.4 单片机的I/O电路p 当控制信号为0时，P0口输入数据或作I/O口p 控制信号为1时，P0口输出地址/数据信息输出锁存器两个输入缓冲器输出驱动电路P0口内部结构输出控制电路2.4.1 P0口-P0口的结构1.P0作通用I/O口截止0控制电平为“0”，锁存器的Q与V2接通与门封锁，V1截止，P0口的输出是漏极开路电路需要外接上拉电阻，一般选R=4.7K或5.1K。0VCCR2.4.1 P0口-P0口的功能01（1）输出时00010VCC截止1导通R2.4.1 P0口-P0口的功能1.P0作
20、通用I/O口（2）输入时读锁存器(“读-修改-写”类指令，如ANL P0,A)读引脚(“MOV”类指令，如MOV A,P0),要先写“1”2.4.1 P0口-P0口的功能1.P0作通用I/O口读引脚时为什么要先给锁存器写“1”？为使输入信号正确送入内部总线，要在输入操作前，内部总线先输出1，使V2截至，引脚处于悬浮状态，变为高阻抗输入。因为作输入端口时，要先执行输出“1”的操作，所以这种口不是真正的双向I/O口，被称为准双向口。在读入端口数据时，如果V2导通，就会将输入的高电平拉成低电平，产生误读。2.4.1 P0口-P0口的功能为什么需要读锁存器？对P0口进行“读-修改-写”操作时，如执行“
21、ANL P0，A”指令，此时要读取锁存器的内容。因为从引脚读出的电平有时不正确(例如用端口驱动晶体管的基极时)。VCC2.4.1 P0口-P0口的功能2.P0作地址数据总线地址/数据信息分时出现在输出引脚。控制电平为“1”，与门打开，地址/数据信息与V1接通。地址/数据信息经反相器与V2接通。上下两个FET处于反相，构成了推拉式的输出电路，其负载能力大大增强。此时，P0口不需要外接上拉电阻！（1）输出时（C=1）2.4.1 P0口-P0口的功能输入信号是从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。CPU会在读入数据之前自动向P0口写入“FFH”，V2截止。输入数据前无需额外操作，此时P0口是真正的双向口
22、。2.P0作地址数据总线（2）输入时（C由1变成0）2.4.1 P0口-P0口的功能本身有上拉电阻由输出锁存器、输入缓冲器和输出驱动电路组成。只有一种功能通用I/O口读引脚时先向该口写“1”准双向I/O口。2.4.2 P1口p控制信号为0时，P2口为通用I/O口，功能与P1相同p控制信号为1时，P2口为地址口P2口既可作I/O口，也可作高8位地址口。输出锁存输入缓冲输出驱动输出控制本身有上拉电阻2.4.3 P2口P2作地址总线高8位控制电平为“1”地址口经反相器与V1接通P2输出高8位地址2.4.3 P2口既可作通用I/O口，又可实现变异功能。1.1.P3P3作通用作通用I/OI/O口口变异功
23、能输出端W的状态为“1”1准双向口本身有上拉电阻2.4.4 P3口2.P3实现第二功能输出：Q=1输入：Q=1，W=12.4.4 P3口 第二功能 P3.0：RxD（串行口输入）P3.1：TxD（串行口输出）P3.2：INT0（外部中断0输入）P3.3：INT1（外部中断1输入）P3.4：T0（定时器/计数器0的外部输入）P3.5：T1（定时器/计数器1的外部输入）P3.6：WR（片外数据存储器“写选通控制”输出）P3.7：RD（片外数据存储器“读选通控制”输出）2.4.4 P3口实际应用时：nP0口和P2口构成16位地址总线nP0口分时复用为8位数据总线nP3口作第二变异功能nP1口作I/O
24、用 nP0口可驱动8个LSTTL的电路，作通用I/O口时要加上拉电阻，作地址/数据总线时，不必加上拉电阻。nP1、P2、P3口可驱动4个LSTTL的电路。2.4 单片机的I/O电路-总结时钟电路复位电路2.5 单片机的辅助电路辅助电路是单片机正常工作的必要条件。单片的主要辅助电路为：MCS-51的时钟信号通常有两种产生方式：内部方式和外部方式。内部方式：在XTAL1和XTAL2之间连上晶振和电容。内部时钟方式 晶体的振荡频率在1.2MHz24MHz之间，典型值为6MHz、12MHz或11.0592MHz。C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在10 30pF之间，典型值为30pF。2.5
25、.1 时钟电路-内部方式外部时钟方式（CHMOS）l 外部方式：将外部已有的时钟信号引入单片机。常用于多片单片机同时工作，为使各单片机时序同步。2.5.1 时钟电路-外部方式MCS-51单片机启动时需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作。如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)或更多，则CPU可响应并将系统复位。2.5.2 复位方式和复位电路一.上电复位电路2.5.2 复位方式和复位电路-复位电路二.手动复位电路2.5.2 复位方式和复位电路-复位电路三.WDT复位电路2.5.2 复位方式和复位电路-复位电路单片机复位后的状态如下表所示。
26、寄存器复位后内容寄存器复位后内容PC0000HTH000HACC00HTL000HB00HTH100HPSW00HTL100HSP07HIP00000BDPTR0000HIE000000BP0P3FFHSCON00HTMOD00HSBUF不定TCON00HPCON00000B2.5.2 复位方式和复位电路-复位状态最小应用系统：维持单片机运行的最简单配置的系统。2.5.3 单片机最小系统MCS-51单片机的时序定时单位从小到大依次为时钟周期、S状态、机器周期和指令周期。2.6 单片机的工作时序和工作方式S1S2S3S4 S5S6S1S2P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
27、 P1 P2 P1 P2 P1 P2一个机器周期X21.时钟周期也称振荡周期，指为单片机提供时钟信号的振荡源的周期或外部输入时钟的周期。若晶体振荡频率为fosc，则时钟周期T=1/fosc。2.6.1 时序的基本概念2.机器周期完成一条指令的一个基本操作所需的时间称为机器周期。一个机器周期包含6个S状态，12个节拍：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P1、S6P2若晶体振荡频率为fosc，则机器周期=12/fosc。S1S2S3S4 S5S6S1S2P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2一个机器周期一个机器周期X22.6.1 时
28、序的基本概念3.指令周期单片机CPU执行一条指令所需的时间。执行不同指令所需时间也不尽相同，有单机器周期、双机器周期、四机器周期三种指令周期。MCS-51系列单片机除乘法、除法指令是四周期指令外，其余都是单周期指令或双周期指令。2.6.1 时序的基本概念l 单字节单周期指令l 单字节双周期指令l 双字节单周期指令l 双字节双周期指令l 三字节双周期指令l 单字节四周期指令取址和执行指令的时序关系 S1P1 P2 S2P1 P2 S3P1 P2 S4P1 P2 S5P1 P2 S6P1 P2 S1P1 P2 S2P1 P2 S3P1 P2 S4P1 P2 S5P1 P2 S6P1 P2ALES1
29、S2S3S4S5S6S1S1S1S2S3S4S5S6S6S6S5S5S4S4S3S3S2S2S1S1S2S2S3S3S4S4S5S5S6S6机器周期机器周期（a）单字节单周期指令如：INC A（b）双字节单周期指令如：ADD A，#data（c）单字节双周期指令如：MOVC类型（d）单字节双周期指令如：MOVX类型读操作码读操作码读操作码读操作码读第二个字节读下一个操作码（丢弃）读下一个操作码读下一个操作码（丢弃）读下一个操作码读下一个操作码读下一个操作码读下一个操作码（丢弃）无ALE不取指不取指地址数据访问片外存储器晶振周期时钟2.6.2 单片机的工作时序ALE信号是地址锁存信号。该信号每有
30、效一次，就能对程序存储器执行一次读指令操作。ALE信号的频率为1/6振荡频率，即在一个机器周期中，ALE信号两次有效：第一次在S1P2和S2P1期间，第二次在S4P2和S5P1期间，有效宽度为一个状态周期。122.6.2 单片机的工作时序1.正常工作方式是单片机自动完成任务的工作方式，顺序执行。单片机完成复位后，进入正常工作方式，由Vcc供电。2.2.掉电工作方式掉电工作方式通过对SFR中的电源控制寄存器PCON的操作进入掉电工作方式。SMOD -GF1 GF0 PD IDL D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 (87H)PCONPCON不能进行位操作，只能按字节操作SMOD：波特
31、率加倍位GF1、GE0：通用标志位PD：掉电方式控制位。PD=1，启用掉电方式。IDL：待机方式控制为。IDL=1，启用待机模式。2.6.3 单片机的工作方式当单片机检测到故障时，立即通过外部中断引脚中断运行程序。CPU转而执行中断服务程序，首先进行信息保护，然后执行一条置PD为1的指令，系统进入掉电工作方式。硬件复位。在准备退出掉电方式前，Vcc必须恢复到正常工作电压值，并维持一段时间，使振荡器重新启动并稳定后，退出掉电方式。掉电方式进入 掉电方式退出 2.6.3 单片机的工作方式3.3.低功耗工作方式（待机工作方式）低功耗工作方式（待机工作方式）当CPU执行完置IDL位为1的指令后,系统进入了待机工作方式。一种方法是任何的中断请求都可由硬件将IDL清0而终止待机工作方式。另一种方法是硬件复位,需要在RST引脚加入正脉冲。低功耗工作方式进入低功耗工作方式进入 低功耗工作方式退出低功耗工作方式退出 2.6.3 单片机的工作方式作业P342、3、4、5、6、7、8、9、10、12
