MCS单片机的硬件结构概要PPT学习教案

1、会计学1 MCS单片机的硬件结构概要单片机的硬件结构概要PPT课件课件 2 一、微型计算机的基本结构一、微型计算机的基本结构 由微处理器由微处理器（CPU）、）、存储器、输入输出接口存储器、输入输出接口（I/O口）口）三大部分组成，用数据总线、地址总线、控制总线连接。三大部分组成，用数据总线、地址总线、控制总线连接。 2-1 2-1 单片机的基本组成单片机的基本组成 自自1946年诞生第一台计算机以来，计算机发展到现在向第五代年诞生第一台计算机以来，计算机发展到现在向第五代 过渡，单片机是微机的一个分支，其结构与微机相似。过渡，单片机是微机的一个分支，其结构与微机相似。 台式微机台式微机立式微

2、立式微 机机 便携式微机便携式微机 常见的微机外形常见的微机外形 第1页/共32页 3 微机硬件组成：微机硬件组成： 显示器显示器 主机主机 键盘键盘 鼠标鼠标 运运 算算 器器 控控 制制 器器 CPU 存存 储储 器器 输输 入入 接接 口口 电电 路路 输输 入入 设设 备备 输输 出出 设设 备备 输输 出出 接接 口口 电电 路路 硬件系统硬件系统 微型计算机的组成：微型计算机的组成： CPU 存储器存储器 输入输入/ /输出接口输出接口 系统总线系统总线 第2页/共32页 4 CPU 存储器存储器 输入输入/出出 接口接口 外外 围围 设设 备备 地址总线地址总线 Address

3、Bus 控制总线控制总线 Control Bus 数据总线数据总线 Data Bus 微型计算机的组成微型计算机的组成 1、三总线、三总线 数据总线数据总线DB双向，传送数据、指令，数据交换。双向，传送数据、指令，数据交换。 地址总线地址总线AB单向，指出存储器、外设地址。单向，指出存储器、外设地址。 控制总线控制总线CB传送控制信息，使各部分协调工作。传送控制信息，使各部分协调工作。 2、CPU由运算器和控制器组成由运算器和控制器组成 三总线结构三总线结构 第3页/共32页 5 3、存储器、存储器 是计算机与外部设备的桥梁。外设种类多，不能直接与是计算机与外部设备的桥梁。外设种类多，不能直接

4、与CPU相连，必须通过相连，必须通过I/O接口电路，经转换、匹配后才能接接口电路，经转换、匹配后才能接CPU。 随机存储器随机存储器RAM（Random Access Memory） 只读存储器只读存储器ROM（Read-Only Memory） 可读可写，用于存放数据可读可写，用于存放数据 只能读不能写，用于存放程序只能读不能写，用于存放程序 微型机微型机 外部设备外部设备 I/O接口接口 存放数据和程序的部件，分存放数据和程序的部件，分RAM，ROM 4、输入输出接口、输入输出接口 第4页/共32页 6 硬件系统硬件系统构成微机的实体和装置构成微机的实体和装置 软件系统软件系统微机系统所使

5、用的各种程序的总称微机系统所使用的各种程序的总称 软软 件件 系系 统统 + 微型计算机系统微型计算机系统 微型计算机系统微型计算机系统 运运 算算 器器 控控 制制 器器 CPU 存存 储储 器器 输输 入入 接接 口口 电电 路路 输输 入入 设设 备备 输输 出出 设设 备备 输输 出出 接接 口口 电电 路路 硬件系统硬件系统 硬件硬件与与软件软件构成构成 实用的微机系实用的微机系统统 第5页/共32页 7 二、单片机的基本结构二、单片机的基本结构 输输 入入 设设 备备 输输 出出 设设 备备 运运 算算 器器 控控 制制 器器 CPU 存存 储储 器器 输输 入入 接接 口口 电电

6、 路路 输输 出出 接接 口口 电电 路路 硬件系统硬件系统 单片机体积小，重量轻，价格低，功单片机体积小，重量轻，价格低，功 能强，可靠性高，可能强，可靠性高，可嵌入到产品中构嵌入到产品中构 成嵌入式应用系统。成嵌入式应用系统。 单片机外形单片机外形 第6页/共32页 8 单片机应用系统单片机应用系统 软软 件件 单单 片片 机机 接口接口 电路电路 及外及外 设设 硬件硬件 单片机应用系统单片机应用系统 单片机应用系统由单片机应用系统由硬件硬件和和软件软件组成组成 第7页/共32页 9 时钟电路时钟电路 CPU ROMRAM T0 T1 中断系统中断系统串行接口串行接口并行接口并行接口 P

7、0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1 定时计数器定时计数器 8位的位的CPU 内部内部RAM： 共共256个单元个单元 内部内部ROM： 4K字节字节ROM 2个个16位的位的定定 时时/计数器计数器 4个个8位的位的并行并行 I/O口口 一个全双工一个全双工串行串行 口。口。 5个中断源的个中断源的 中断系统中断系统 时钟电路：时钟电路： 产生时钟脉冲序列产生时钟脉冲序列 单片机功能框图单片机功能框图 第8页/共32页 10 P 0 口 驱 动口 驱 动 器器 P 2 口 驱 动口 驱 动 器器 RAM地地 址锁存器址锁存器RAMP 0 口口 锁存器锁存器 P2口锁口锁

8、存器存器 ROM/ E P R O M B寄存器寄存器 程序地址寄存器程序地址寄存器 缓冲器缓冲器 PC递增器递增器 程序计数器程序计数器PC DPTR指针指针 VCC GND P1.0P1.7 堆 栈 指 针堆 栈 指 针 SP ACC TMP2 PSW P3口锁存器口锁存器 P1口锁存口锁存 器器 P1口驱动口驱动 器器 P3口驱动器口驱动器 TMP1 SCON TMODPCONTCON TL0TH1TH0TL1 IESBUF(TX/RX)IP 中断、串行口和定时器逻辑中断、串行口和定时器逻辑 振荡器振荡器 P3.0P3.7 RST EA ALE PSEN XTAL2XTAL1 ALU (

9、+5V) 指指 令令 寄寄 存存 器器 定时定时 和和 控制控制 逻辑逻辑 指指 令令 译译 码码 器器 5151单片机内部结构框图单片机内部结构框图 第9页/共32页 11 1运算器运算器 运算器完成算术逻辑运算，它由运算器完成算术逻辑运算，它由8位算术逻辑运算单元位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、）、8位累加器位累加器ACC（Accumulator）、）、8位寄存器位寄存器B、程序状态字寄存器、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、）、8位暂存寄存器位暂存寄存器TMP1和和TMP2等组成。等组成。 5151单片机内部结构单片

10、机内部结构 2控制器控制器 控制器是指挥控制单片机协调工作的部件，由程序计数器控制器是指挥控制单片机协调工作的部件，由程序计数器PC、指令寄存器、指令寄存器IR和译码器和译码器ID、堆栈指针、堆栈指针SP、数据指针、数据指针DPTR、时钟发生器及定时控制逻辑等组成。、时钟发生器及定时控制逻辑等组成。 核心部分是核心部分是CPU，由，由运算器运算器和和控制器控制器组成。组成。 返返 回回 第10页/共32页 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 4 0 3 9 3 8 3 7 3 6 3 5 3 4 3

11、3 3 2 3 1 3 0 2 9 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 4 2 2 2 1 8031 8051 8751 89C51 2-2 2-2 单片机引脚功能单片机引脚功能 P3口的第二功能口的第二功能 VCC VSS XTAL 2 XTAL 1 RST P0. 0 P0. 1 P0. 2 P0. 3 P0. 4 P0. 5 P0. 6 P0. 7 P1. 0 P1. 1 P1. 2 P1. 3 P1. 4 P1. 5 P1. 6 P1. 7 P2. 7 P2. 6 P2. 5 P2. 4 P2. 3 P2. 2 P2. 1 P2. 0 ALE P3. 0 P3. 1 P3. 2

12、 P3. 3 P3. 4 P3. 5 P3. 6 P3. 7 2、振荡电路：、振荡电路：XTAL1、XTAL2 3、复位引脚：、复位引脚：RST 4、并行口：、并行口：P0、P1、P2、P3 7、ALE：地址锁存控制信号：地址锁存控制信号 1、电源线：、电源线：VCC(+5V)、VSS(地地) EA PSEN 5、EA：访问程序存储控制信号：访问程序存储控制信号 6、PSEN：外部：外部ROM读选通信号读选通信号 RXD/ TXD/ INT0/ INT1/ T0/ T1/ WR/ RD/ 第11页/共32页 13 5151单片机为单片机为4040个引脚双列直插式个引脚双列直插式(DIP)(DI

13、P) 1、电源引脚、电源引脚 VCC+5V VSS地地 PSEN：外部程序存储器读选通信号，低电平有效。：外部程序存储器读选通信号，低电平有效。 2、时钟信号引脚、时钟信号引脚 XTAL1振荡电路输入端，外接晶振时接一个脚振荡电路输入端，外接晶振时接一个脚 XTAL2振荡电路输出端，外接晶振时接另一脚振荡电路输出端，外接晶振时接另一脚 3、控制信号引脚、控制信号引脚 RST复位信号输入端，复位信号输入端，2个机器周期高电平完成复位。个机器周期高电平完成复位。 ALE地址锁存允许信号，用于将地址锁存允许信号，用于将P0口分时输出的低口分时输出的低8位地址锁存到外部锁存器位地址锁存到外部锁存器74

14、LS373。 引脚功能引脚功能 第12页/共32页 14 引脚功能引脚功能 EA访问内部或外部程序存储器选择信号。访问内部或外部程序存储器选择信号。 EA=0，CPU从外部从外部程序存储器程序存储器0000H开始执行程序。开始执行程序。 EA=1，CPU从内部从内部程序存储器程序存储器0000H开始执行程序。开始执行程序。 4、输入、输入/输出口线输出口线 P0口口双向并行双向并行I/O口，分时输出低口，分时输出低8位地址位地址/8位数据。位数据。 P1口口8位准双向位准双向I/O口，用户使用最多的口线。口，用户使用最多的口线。 P2口口8位准双向位准双向I/O口，高口，高8位地址输出口。位地

15、址输出口。 P3口口8位准双向位准双向I/O口，多功能口。口，多功能口。 第一功能为普通双向第一功能为普通双向I/O口。口。 第二功能为特殊功能。第二功能为特殊功能。 象象P1P1口一样作输入输出控制口使用口一样作输入输出控制口使用 串行口、外部中断、定时器、读写控制串行口、外部中断、定时器、读写控制 第13页/共32页 15 P3口特殊功能口特殊功能 P3.4T0，定时器，定时器0外部事件计数输入端。外部事件计数输入端。 P3.6WR，外部数据存储器写选通信号。，外部数据存储器写选通信号。 P3.7RD，外部数据存储器读选通信号。，外部数据存储器读选通信号。 P3.0RXD，串行口接收端。，

16、串行口接收端。 P3.2INT0，外部中断，外部中断0输入端。输入端。 P3.3INT1，外部中断，外部中断1输入端。输入端。 P3.1TXD，串行口发送端。，串行口发送端。 P3.5T1，定时器，定时器1外部事件计数输入端。外部事件计数输入端。 返返 回回 第14页/共32页 16 2-3 2-3 单片机单片机存储器配置存储器配置 存储器存储器 程序存储器：存放程序和表格常数程序存储器：存放程序和表格常数 数据存储器：存放中间结果，采集数据等数据存储器：存放中间结果，采集数据等 256 B 片内片内RAM 片外片外RAM 程序存储器程序存储器 64K RAM 片内片外片内片外 数据存储器数据

17、存储器 64K ROM 片内片外统一编址的片内片外统一编址的64K程序存储器程序存储器 64K片外数据存储器片外数据存储器 256B片内数据存储器片内数据存储器 哈佛结构哈佛结构 8031无片内无片内ROM 8051有有4K片内片内ROM 最大配最大配 置置 0000H FFFFH 0000H FFFFH 00H FFH 第15页/共32页 17 8031/8032无片内无片内ROM，需外部扩展，需外部扩展 不同型号的单片机不同型号的单片机 8051/8751片内有片内有4KROM/EPROM 0000H FFFFH 0000H FFFFH 00H FFH 256 B 片内片内RAM片外片外R

18、AM 64K64K 片片 外外 EA=0 EA=1 0000H FFFFH 0000H FFFFH 00H FFH 256 B 片内片内RAM片外片外RAM 64K60K 片外片外 片内片内 0FFFH 1000H 片外片外60K 片内片内 4K 第16页/共32页 18 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 9 1 8 1 7 1 6 1 5 EPROM 2764 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4

19、2 3 2 2 2 1 2 0 1 9 1 8 1 7 1 6 1 5 EPROM 2764 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 4 0 3 9 3 8 3 7 3 6 3 5 3 4 3 3 3 2 3 1 3 0 2 9 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 4 2 2 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 9 1 8 1 7 1 6 1 5 RAM 6264 1 2 3 4

20、5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 9 1 8 1 7 1 6 1 5 RAM 6264 8031 8751 8051 89C51 256字节 4K 64K 64K 第17页/共32页 19 程序存储器存放已编好的程序和固定数据，程序存储器存放已编好的程序和固定数据，CPU用用16位程序位程序 计数器计数器PC作指针，取指令、数据，可寻址作指针，取指令、数据，可寻址64K地址空间。地址空间。 一、程序存储器一、程序存储器 程序程序存储器空存储器空 间间 内部内部 外部外部 0000H0000H

21、0FFFH0FFFH (4K)(4K) 0000H0000H FFFFHFFFFH (64K) 0000H0000H 0FFFH0FFFH (4K)(4K) 0000H 0001H 0002H (PC) 0000H0000H是程序执行的起始单元是程序执行的起始单元, , 在这三个单元存放一条在这三个单元存放一条 无条件转移指令无条件转移指令 中断中断 5 中断中断 4 中断中断 3 中断中断 2 中断中断 1 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 002BH 外部中断外部中断 0 定时器定时器0中中 断断 外部中断外部中断 1 定时器定时器1中断中断 串行口中断串行口中断

22、 8位位 0FFFH 0FFEH EA=1 EA=0EA=1 EA=0 程序程序存储器资源分布存储器资源分布 中断入口地址中断入口地址 第18页/共32页 20 0000H0000H FFFFHFFFFH (64K)(64K) 内部 外外 部部 二、数据存储器二、数据存储器 00H00H FFHFFH 7FH7FH 80H80H ( (高高128B)128B) ( (低低128B)128B) RAM SFR 数据存储器可读可写，物理上为两个地址空间：数据存储器可读可写，物理上为两个地址空间： 片内数据存储器，片内数据存储器，256字节，字节，00HFFH 片外数据存储器，片外数据存储器，64K

23、，0000H FFFFH 片内低片内低128字节字节RAM区区 ，00H7FH 特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFR区，区， 80HFFH 片内片内RAM分为：分为： 第19页/共32页 21 00H FFH 20H 1FH 30H 2FH 80H 7FH 工作寄工作寄 存器组存器组 区区 位寻址位寻址 区区 用户用户 RAM区区 SFR 片内片内RAM 00H1FH共共32个单元为工作寄存器个单元为工作寄存器 区，分为区，分为4组，每组组，每组8个字节，用个字节，用R0 R7表示，用表示，用PSW的的RS1 RS0设置设置 20H2FH共共16个单元为位寻址区，个单元为位寻址区， 128个位（

24、个位（00H 1FH），也可字节寻址，），也可字节寻址， 作一般作一般RAM用用 30H7FH共共80个单元为用户区，作个单元为用户区，作 数据缓冲和堆栈区用数据缓冲和堆栈区用 80HFFH为特殊功能寄存器为特殊功能寄存器SFR区，区， 离散分布着离散分布着21个专用寄存器个专用寄存器 RS1 RS0 寄存器寄存器 组组 RAM地址地址 0 0第第 0 组组00H07 H 1 0第第 2 组组10H17 H 1 1第第 3 组组18H1F H 0 1第第 1 组组08H0F H 第20页/共32页 22 字节地址字节地址 2FH2FH 2EH2EH 2DH2DH 2CH2CH 2BH2BH 2

25、AH2AH 29H29H 28H28H 27H27H 26H26H 25H25H 24H24H 23H23H 22H22H 21H21H 20H20H 7F7F 7777 6F6F 6767 5F5F 5757 4F4F 4747 3F3F 3737 2F2F 2727 1F1F 1717 0F0F 0707 7E7E 7676 6E6E 6666 5E5E 5656 4E4E 4646 3E3E 3636 2E2E 2626 1E1E 1616 0E0E 0606 7D7D 7575 6D6D 6565 5D5D 5555 4D4D 4545 3D3D 3535 2D2D 2525 1D1D

26、 1515 0D0D 0505 7C7C 7474 6C6C 6464 5C5C 5454 4C4C 4444 3C3C 3434 2C2C 2424 1C1C 1414 0C0C 0404 7B7B 7373 6B6B 6363 5B5B 5353 4B4B 4343 3B3B 3333 2B2B 2323 1B1B 1313 0B0B 0303 7A7A 7272 6A6A 6262 5A5A 5252 4A4A 4242 3A3A 3232 2A2A 2222 1A1A 1212 0A0A 0202 7979 7171 6969 6161 5959 5151 4949 4141 3939

27、 3131 2929 2121 1919 1111 0909 0101 7878 7070 6868 6060 5858 5050 4848 4040 3838 3030 2828 2020 1818 1010 0808 0000 D7D6D5D4D3D2D1D0 位地址位地址 注意注意: : 一个字节地址对应有一个字节地址对应有8 8个位地址个位地址 位寻址区位地址位寻址区位地址 第21页/共32页 23 离散分布有离散分布有2121个特殊功能寄存器个特殊功能寄存器SFRSFR。 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 1111个可以位寻址，其它只能字节寻址。个可以位寻址，其它只能字节寻址。 对对SF

28、RSFR只能使用直接寻址方式，指令中可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。只能使用直接寻址方式，指令中可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。 Special Function Register SFR 第22页/共32页 24 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 1、累加器、累加器ACC（0E0H） Accumulator，是一，是一8位特殊功能寄存器，很多运算都要用位特殊功能寄存器，很多运算都要用A，结果一般放在，结果一般放在A中。中。A是是51单片机中使用最频繁的寄存器。单片机中使用最频繁的寄存器。 2、寄存器、寄存器B（0F0H） 8位位R，与，与A配合，用于乘、除法指令中。配合，用于乘、

29、除法指令中。 3、程序状态字、程序状态字PSW（0D0H） Program Status Word，是一，是一8位寄存器，用来存放程序执行后的状态信息，供程序查询或判断。位寄存器，用来存放程序执行后的状态信息，供程序查询或判断。 CY AC F0 RS1 RS0 OV - P D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PSW (D0H ) 第23页/共32页 25 CY AC F0 RS1 RS0 OV - P D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PSW (D0H ) CY 进位标志位，有进进位标志位，有进/借位借位CY=1，否则，否则CY=0 AC 半进位标志位，低半字节向

30、高半字节有进半进位标志位，低半字节向高半字节有进/借位，借位， AC=1，否则，否则AC=0 ，可用于，可用于BCD码运算判断位码运算判断位 F0 用户标志位，用户自己定义用用户标志位，用户自己定义用 RS1、RS0 工作寄存器组选择位工作寄存器组选择位 RS1 RS0 选择工作寄存器组选择工作寄存器组 0 00组（组（00H07H） 0 11组（组（08H0FH） 1 02组（组（10H17H） 1 13组（组（18H1FH） OV 溢出标志位，补码运算有溢出，结果超过溢出标志位，补码运算有溢出，结果超过-128127， OV=1，无溢出，无溢出，OV=0。OV=D7C D6C P 奇偶标志

31、位，指令执行后奇偶标志位，指令执行后A中中1的个数为奇数，的个数为奇数，P=1， 为偶数，为偶数，P=0 第24页/共32页 26 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 4、堆栈指针、堆栈指针SP（81H） Stack Pointer，是一，是一8位专用寄存器，位专用寄存器，8位指针。位指针。 堆栈是一个特殊的存储区，设在片内堆栈是一个特殊的存储区，设在片内RAM中。中。 5、数据指针、数据指针DPTR（82H、83H） 16位寄存器，存放位寄存器，存放16位地址，可分为位地址，可分为DPH和和DPL两个两个8位寄存器使用。位寄存器使用。DPTR主要用于操作片外主要用于操作片外RAM。 6、I/O口口

32、P0P3 专用寄存器专用寄存器P0P3是输入输出端口是输入输出端口P0P3的锁存器。的锁存器。I/O口的操作没有专用指令，用操作口的操作没有专用指令，用操作RAM的指令。的指令。 7、程序计数器、程序计数器PC Program Counter，是一个，是一个16位的指针，存放将要执行指令的地址。用户不可读写它，复位时位的指针，存放将要执行指令的地址。用户不可读写它，复位时PC=0000H。 返返 回回 第25页/共32页 27 2-4 CPU2-4 CPU的时钟及复位电路的时钟及复位电路 一、单片机时钟电路一、单片机时钟电路 XTAL2 XTAL 1 M C S - 51 C 1 C 2 XTAL2 XTAL1 M C S - 51 + 5 V VSS 外部时钟源外部时钟源 把外部已有的时钟信把外部已有的时钟信 号引入单片机内号引入单片机内 利用片内振荡电路，将利用片内振荡电路，将XTAL1和和 XTAL2外接晶体振荡器或陶瓷谐外接晶体振荡器或陶瓷谐 振器，构成内部自激振荡器，产振器，构成内部自激振荡器，产 生振荡时钟脉冲。生振荡时钟脉冲。 2.外部时钟方式外部时钟方式 1.内部时钟方式内部时钟方式 第26页/共32页 28 二、系统时钟的概念二、系统时钟的概念 振荡周期振荡周期 状态周期状态周期 P 1 P 2 S1 P 2 机器周期机器周期机器周期机器周期 指