51单片机硬件结构

第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,本章将详细介绍MCS-51系列单片机的内部硬件结构、引脚定义、存储器配置、输入/输出端口、复位和时钟电路、工作模式等内容。2.1内部总体结构2.2引脚定义与功能2.3存储器配置2.4输入/输出接口2.5时钟电路与时序2.6复位和复位电路2.7工作方式,2.1内部总体结构,51子系列单片机的主要特点为：1个CPU，1个片内振荡器及时钟电路；4KBROM，128BRAM；21个特殊功能寄存器；32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O接口）；可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路；2个16位定时/计数器；5个中断源、2个优先级嵌套中断结构；1个可编程全双工串行接口；1个有位寻址功能、适于逻辑运算的位处理机。,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,51系列单片机的内部基本结构,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,中央处理器CPU其主要由运算电路和控制电路两大部分组成。运算电路以算术逻辑单元ALU为核心，包括累加器ACC、寄存器B、程序状态字PSW和两个暂存寄存器TMP等。运算电路的基本结构如图所示。,基本组成及功能：,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,中央处理器CPU控制电路是保证单片机各部分能在程序运行过程中自动而协调工作的指挥枢纽，其核心部分是指令地址的计算、取指和指令译码。主要包括程序计数器PC、PC加1寄存器（PC增量）、指令译码器、定时与控制电路等。运算电路的基本结构如图。,基本组成及功能：,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,位处理器内部数据存储器RAM内部程序存储器ROM定时/计数器并行I/O口串行口中断控制系统时钟电路总线,基本组成及功能：,MCS-51单片机内部整体结构原理图,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,2.2引脚定义与功能,MCS-51系列单片机引脚功能及总线结构,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,各引脚的定义和功能,主电源引脚Vcc（40脚）：一般接+5V电源正端。Vss（20脚）：一般接+5V电源地端。外接晶体振荡器引脚XTAL1（19脚）：外接晶体振荡器的一端。XLAT2（18脚）：外接晶体振荡器的另一端。,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,2.2引脚定义与功能,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,控制线RST/VPD（9脚）：复位/备用电源线。ALE/（30脚）：地址锁存允许/编程线（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。/VPP（31脚）：片外程序存储器选用端，低电平有效。,2.2引脚定义与功能,输入/输出口P0口（3932脚）：输入/输出线P0.0P0.7统称为P0口。P1口（18脚）：输入/输出线P1.0P1.7统称为P1口。P2口（2128脚）：输入/输出线P2.0P2.7统称为P2口。P3口（1017脚）：输入/输出线P3.0P3.7统称为P3口。,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,2.2引脚定义与功能,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,P3口的第二功能表,2.2引脚定义与功能,2.3存储器配置,微型计算机的存储器地址空间有两种结构形式：普林斯顿结构和哈佛结构。普林斯顿结构是将数据存储器和程序存储器空间合二为一，一个地址对应唯一的一个存储器单元，CPU访问ROM和RAM使用相同的指令；哈佛结构是将ROM和RAM分别安排在两个不同的地址空间，ROM和RAM可以有相同的地址，CPU访问ROM和RAM使用的是不同的指令。,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,MCS51单片机存储器结构,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,2.3.1程序存储器,程序存储器用于存放编好的程序和表格常数，它由只读存储器ROM或EPROM或FLASH组成。程序存储器以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址64KB的地址空间。编址与访问程序的7个特殊入口地址,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,MCS-51单片机复位、中断入口地址,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,2.3.1程序存储器,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,2.3.3内部数据存储器,工作寄存器区（00H1FH）工作寄存器组的选择表如下图所示。,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,片内通用RAM区分为工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区3个区域。,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,位寻址区20H2FH单元是位寻址区。这16个单元（共计168=128位）的每一位都有对应的位地址位地址范围为00H7FH。通用RAM区30H7FH是通用RAM区，共80个单元，一般用于存储用户数据,也称用户RAM区。,2.3.3内部数据存储器,堆栈和堆栈指针,数据08H入栈示意图。,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,堆栈是一个特殊的RAM区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”或“后进先出”的原则存取数据的，堆栈有入栈和出栈两种操作。以数据08H出栈入栈为例。,数据08H出栈示意图,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,堆栈和堆栈指针,2.3.4特殊功能寄存器,特殊功能寄存器（简称SFR），也称为专用寄存器，用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等特殊功能模块的工作。,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,特殊功能寄存器名称、表示符、地址、复位状态一览表,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,特殊功能寄存器名称、表示符、地址、复位状态一览表,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,特殊功能寄存器名称、表示符、地址、复位状态一览表,程序状态字（PSW）,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,进位标志位C辅助进/借位（或称半进位）标志位AC用户自定义标志位F0工作寄存器组选择位RS1、RS0溢出标志位OV奇偶标志位P,2.3.4特殊功能寄存器,2.4输入输出接口,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,单片机内部有P0、P1、P2和P3共4个8位双向I/O口。P0P3的每个端口可按字节输入或输出，也可按位进行输入或输出，共32根口线，对于需要位控制的场合使用十分方便。P0为三态双向口，能驱动8个TTL电路；P1P3为准双向口，负载能力为4个TTL电路。如果外设需要的驱动电流大，可加接驱动器。,2.4.1P0口,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,P0口结构P0口有位，每一位由一个锁存器、两个三态输入缓冲器以及控制电路和驱动电路组成，其位结构如图所示。,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,地址/数据分时复用功能,P0口作为地址/数据分时复用使用时的逻辑关系示意图,2.4.1P0口,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,通用I/O接口功能,P0口作为通用I/O口使用时的逻辑关系示意图,2.4.1P0口,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,端口操作,MCS-51单片机有不少指令可直接进行端口操作，例如：ANLP0，A；（P0）（P0）（A）ORLP0，#data；（P0）（P0）dataDELP0；（P0）（P0）-1,2.4.1P0口,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,综上所述，P0口在有外部扩展存储器时被作为地址/数据总线口，此时是一个真正的双向口；在没有外部扩展存储器时，P0口作为通用的I/O接口，但此时只是一个准双向口，在输入数据时，应先向端口写入1，在输出数据时，必须外接上拉电阻才能正常输出高电平。另外，P0口的输出级具有驱动8个TTL门的负载能力，即输出电流不大于800A。,2.4.1P0口,2.4.2P1口,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,P1口的位结构P1口是一个专用的8位准双向I/O口，只具有通用输入/输出口功能（对51子系列），每一位都能设定为输入或输出，它的位结构如图。,2.4.3P2口,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,P2口的位结构,P2具有通用I/O接口或高8位地址总线输出两种功能，所以同P0口类似，其电路结构中有一个多路转换开关MUX。,2.4.4P3口,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,P3口除了可作为通用准双向I/O接口外，每一根口线还具有第二功能。,P3口位结构,2.5时钟电路与时序,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,MCS-51单片机本身是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行指令。在执行指令时，CPU以时钟电路的主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU时序。CPU产生的时序信号有两类：一类用于片内各功能部件的控制；另一类用于片外存储器或I/O端口的控制。,2.5.1时钟电路,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,MCS-51单片机的时钟信号产生通常有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。,内部时钟方式,外部时钟方式,2.5.2单片机的时序单位,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,单片机的时序单位有以下几种。时钟周期机器周期指令周期,各时序单位的关系,2.6复位和复位电路,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,复位操作MCS-51单片机复位状态表,复位电路与其它计算机一样，MCS-51单片机系统通常有上电复位和按键复位两种方式。,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,最简单的一种上电复位及按键复位电路如图。,2.6复位和复位电路,2.7工作方式,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,MCS-51系列单片机中，8051及80C51的工作方式有：复位方式、程序执行方式、掉电方式、低功耗方式以及EPROM编程和校验方式。单片机不同的工作方式，代表单片机处于不同的状态。单片机工作方式的多少，是衡量单片机性能的一项重要指标。,2.7.1程序执行方式,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,程序执行方式可分为连续执行和单步执行两种。连续执行方式连续执行方式是从指定地址开始连续执行程序存储器ROM中存放的程序，每读一次程序，PC自动加1。单步运行方式程序的单步运行方式是在单步运行键的控制下实现的，每按一次单步运行键，程序顺序执行一条指令。,第二章MCS-51系列单片机的硬件结构,2.7.2掉电保护方式,当CPU执行一条置PCON.1位（PD）为1的指令后，系统即进入掉电工作方式。掉电的含义退出掉电方式的方法硬件复位,第二章M