基本结构与工作原理

1、Designed By CYQPrinciple and Application of MCU第2章 单片机的基本结构与工作原理v单片机的基本组成v80C51单片机的引脚功能和结构框图v80C51单片机CPU的结构和特点v80C51单片机的存储器结构和地址空间v80C51单片机的布尔(位)处理器v80C51单片机的工作方式Designed By CYQPrinciple and Application of MCU单片机的基本组成结构v中央处理器CPUv存储器v并行I/O口v串行I/O口v定时器/计数器v定时电路及元件Designed By CYQPrinciple and Applicati

2、on of MCU中央处理器v单片机中的中央处理器和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能。例如：位处理(SETB,CLR)、查表(MOVC)、多种跳转(JMP,LJMP,SJMP,AJMP)、乘除法运算(MUL,DIV)、状态检测(JBC)、中断处理(RETI)等，增强了实时性Designed By CYQPrinciple and Application of MCU存储器基本结构v普林斯顿(Princeton)结构将程序和数据合用一个存储器空间的结构并采用统一寻址方式，这种结构在通用微型计算机中被广泛采用v哈佛(Harvard)结构将程序存储器和数据存储器截然分开并采用独

3、立寻址的结构，MCS-51和80C51系列采用这种结构Designed By CYQPrinciple and Application of MCU存储器结构形式v程序存储器ROM片内掩膜ROM片内可编程的ROM：OTP,EPROM,E2PROM片外只读存储器v数据存储器RAM片内数据存储器片外数据存储器Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51单片机的封装图Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51的引脚功能v电源VCC:运行和程序校验时加+5V VSS :接地 v晶振

4、XTAL1:振荡器反相放大器输入XTAL2:振荡器反相放大器的输出当用外部振荡器时， XTAL1接收振荡器信号， XTAL2悬空Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51的引脚功能vI/O口（基本功能）P0：8位、漏极开路的双向I/O口P1：8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻P2：8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻P3：8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻vI/O口（第二功能）Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51的引脚功能端口引脚符号和作用端口引脚符号和作

5、用P3.0串行输入口 RXDP3.4定时器/计数器0 T0P3.1串行输出口 TXDP3.5定时器/计数器1 T1P3.2外部中断0 /INT0P3.6写选通信号 /WRP3.3外部中断1 /INT1P3.7读选通信号 /RDP1.0定时器T2的计数输入端（80C52系列）P1.1定时器T2的外部输入端（80C52系列） Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51的引脚功能v控制线RST：复位输入信号，需维持两个机器周期以上的高电平/EA：片外程序存储器访问允许信号ALE：地址锁存允许信号，输出频率为1/6振荡频率的方波/PSEN：

6、片外程序存储器选通信号，当/PSEN有效时，程序存储器的内容被锁存到P0口Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51的内部结构框图和组成 v算术逻辑单元ALUv累加器ACC（或A）v程序计数器PCv数据指针DPTRv程序状态标志寄存器PSWv堆栈指针寄存器SPDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU80C51 CPU的组成和作用v控制器用于指令识别和计算机组成部件工作控制v运算器主要用来实现对操作数的算术逻辑运算和位操作v工作寄存器v时序电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号De

7、signed By CYQPrinciple and Application of MCU程序计数器PCv作用存放下一条将从程序存储器中取出的指令的地址v寻址空间程序计数器的宽度决定了程序存储器可以直接寻址的范围。在80C51中，程序计数器PC是一个16位的计数器，故最大寻址空间为64KB(216)Designed By CYQPrinciple and Application of MCU程序计数器PC的基本工作方式v一般情况下，程序计数器PC自动加1v当执行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将根据跳转指令置入新的数值v当执行调用指令或响应中断时，PC的现行值先压栈保护，再将子程序的入口地

8、址或者中断矢量地址送入PC，执行子程序或中断服务程序，当遇到返回指令RET或RETI时，将栈顶的内容送到PC寄存器中，程序流程又返回到原来的地方，继续执行Designed By CYQPrinciple and Application of MCUPC的输出与P0、P2口之间的关系 Designed By CYQPrinciple and Application of MCU数据指针DPTRv从结构上说，DPTR是一个16位的特殊功能寄存器，主要功能是作为片外数据存储器寻址用的地址寄存器（间接寻址方式）vDPTR寄存器也可以作为访问程序存储器时的基址寄存器（基址+变址寻址方式）vDPTR既可以

9、作为一个16位寄存器处理，也可以作为两个8位寄存器处理，其高8位用DPH表示，低8位用DPL表示Designed By CYQPrinciple and Application of MCU算术逻辑运算单元ALU v从结构上，该单元实质上是一个全加器，其输入有两个：通过暂存器1的输入：寄存器、立即数、直接寻址单元（含I/O口）、内部RAM及寄存器B。通过暂存器2或累加器ACC的输入Designed By CYQPrinciple and Application of MCU累加器ACC或Av累加器是CPU中使用最频繁的一个寄存器ALU单元的输入之一，是处理数据源之一ALU运算结果的存放单元，即

10、ALU运算结果又通过内部总线送入累加器A中存放CPU中的数据传送大多都通过累加器，故又相当于一个数据的中转站Designed By CYQPrinciple and Application of MCUB寄存器v在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一乘法中：ALU的两个输入分别为AB，运算结果存放在AB寄存器对中，其中A中存放积的低8位，B中存放积的高8位除法中：被除数取自A，除数取自B，商数存放于A，余数存放于B在其它情况下，B寄存器可以作为内部RAM中的一个单元来使用Designed By CYQPrinciple and Application of MCU程序状态字PSWv作用是一个逐

11、位定义的8位的寄存器，其内容的主要部分是算术逻辑运算单元(ALU)的输出。它是一个程序可访问的寄存器，而且可以按位访问v格式MSBLSBCYACF0RS1RS0OV-PDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU程序状态字PSW位含义位名称符号含义PSW.0PP=1表示累加器A中值包含1的位数是奇数PSW.1-保留位PSW.2OVOV=1表示运算结果超出8位有符号数的范围PSW.3RS0工作寄存器选择控制位（低位）PSW.4RS1工作寄存器选择控制位（高位）PSW.5F0用户可使用的通用标志位PSW.6ACAC=1表示字节运算中低字节产生进位或

12、借位PSW.7CYCY=1表示运算结果中高位产生进位或借位Designed By CYQPrinciple and Application of MCU时钟电路v80C51单片机内带有时钟电路，只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和微调电容），即可构成一个稳定的自激振荡器Designed By CYQPrinciple and Application of MCU振荡器及定时控制元件参数v振荡器的工作频率一般在1.212MHz之间，目前所能采用的频率范围0Hz40MHzv电容C1和C2的大小影响振荡器振荡的稳定性和起振的快速性，通常选择在1030pF左右v在设

13、计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性v当由外部输入时钟信号时，对外部信号的占空比没有要求，但高低电平持续时间应不小于20nsDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU内部时钟发生器v内部时钟发生器实质上是一个2分频的触发器。其输入由振荡器引入的，输出为两个节拍的时钟信号。输出的前半周期，节拍1(P1)信号有效；后半周期，节拍2(P2)信号有效。每个输出周期为一个计算机CPU的状态周期，即时钟发生器的输出为状态时钟。每个状态周期内包括一个P1节拍和一个P2节拍，形成CPU内的基本定时时钟Design

14、ed By CYQPrinciple and Application of MCU时序定时单位v节拍最小的时序定时单位节拍周期=振荡周期=1/foscv状态包含两个节拍状态周期=2* 1/foscv机器周期包含六个状态机器周期=12* 1/foscv指令周期执行一条指令所需要的时间可包含1,2,4个机器周期Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51时序定时单位关系图Designed By CYQPrinciple and Application of MCU存储器地址空间v物理存储器地址空间（4个）片内程序存储器和片外程序存储器片内

15、数据存储器和片外数据存储器v逻辑存储器地址空间（3个）片内、片外统一的64 KB程序存储器地址空间片内256(或384)Byte数据存储器地址空间片外64 KB的数据存储器地址空间Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51存储器映象图Designed By CYQPrinciple and Application of MCU程序存储器v80C51单片机的程序存储器用于存放经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数v采用16位的程序计数器PC和16位的地址总线(P0和P2端口)，其可扩展的地址空间为64 KB，且这64 KB地址是空间

16、连续、统一的v程序存储器可以分为片内和片外两部分，CPU访问片内或片外存储器由/EA引脚所接的电平来确定Designed By CYQPrinciple and Application of MCU程序存储器的访问v/EA引脚接高电平时，CPU先访问片内存储器；当PC值超出片内ROM容量时，会自动转向片外程序存储器空间执行v/EA引脚接低电平时，迫使系统全部执行片外程序存储器程序v80C51系列单片机正常运行时，应将引脚接高电平；80C31/32单片机应将/EA引脚固定接低电平Designed By CYQPrinciple and Application of MCU程序存储器的特定入口地址

17、特定入口地址作用0000H复位或非屏蔽中断0003H外部中断0000BH定时器T0溢出中断0013H外部中断1001BH定时器T1溢出中断0023H串行口中断002BH定时器T2/T2EX下降沿Designed By CYQPrinciple and Application of MCU数据存储器v数据存储器用来存放随机数据v数据存储器分片内数据存储器和片外数据存储器v片内数据存储器通常采用直接寻址或利用Ri(i=0,1)寄存器的间接寻址，其最大寻址范围为256个字节v片外数据存储器可利用Ri(i=0,1)寄存器的间接寻址方式，其最大寻址范围为256个字节；也可以通过专门设置的16位数据指针寄

18、存器DPTR进行间接寻址，其最大寻址范围为64 KBDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU片内数据存储器v片内数据RAM区(00H7FH/0FFH)工作寄存器区(00H1FH)位寻址区(20H2FH)字节寻址区(30H7FH)堆栈区及堆栈指示器( (SP)=07H(默认) )v特殊功能寄存器SFR区(800FFH)Designed By CYQPrinciple and Application of MCU片内数据存储器地址空间分布图Designed By CYQPrinciple and Application of MCU工作寄存器区

19、v有4个通用工作寄存器组，每组包含8个8位寄存器，编号为R0R7，共32个单元，字节地址00H1FHv在某一时刻只能选用一个工作寄存器组使用。可通过软件对程序状态字PSW中的RS0、RS1位进行设置RS1RS0组号单元地址000组（0体）00H07H011组（1体）08H0FH102组（2体）10H17H113组（3体）18H1FHDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU位寻址区v有16个字节单元，共包含128位，既可进行字节寻址又可实现位寻址v字节地址20H2FH ，位地址00H7FH字节地址位地址765432102FH7FH7EH7DH

20、7CH7BH7AH79H78H20H07H06H05H04H03H02H01H00HDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU字节寻址区v对于80C51型单片机，字节寻址区共80个字节单元，字节地址30H7FH，可以采用直接字节寻址的方法访问v对于80C52型单片机，高128 B的RAM区和SFR区的地址空间是重叠的，字节地址80H0FFH 。访问高128B RAM区时，应选用间接寻址方式；访问SFR区，则应选用直接寻址方式Designed By CYQPrinciple and Application of MCU堆栈区及堆栈指示器SPv堆

21、栈是在片内数据RAM区中，数据先进后出或后进先出的区域， 80C51中利用一个8位寄存器即堆栈指示器SP存放当前的堆栈栈顶所指存储单元地址v堆栈有两种操作：进栈(PUSH)和出栈(POP)v80C51单片机的堆栈是向上生成的：进栈操作时，(SP) +1SP；出栈操作时，(SP) -1SPv系统复位后，(SP)=07H，可通过软件对SP的内容重新定义，堆栈深度以不超过片内RAM空间为限Designed By CYQPrinciple and Application of MCU特殊功能寄存器SFR区v特殊功能寄存器是80C51单片机中各功能部件所对应的寄存器，用以存放相应功能部件的控制命令、状态

22、或数据的区域v80C51系列单片机设有128Byte片内数据RAM结构的特殊功能寄存器空间，字节地址80H0FFHv80C51中共定义了21个特殊功能寄存器，80C52中中共定义了26个特殊功能寄存器，除此而外，其它地址访问无效Designed By CYQPrinciple and Application of MCU特殊功能寄存器名称和地址序号 标识符名称字节地址位地址1ACC累加器0E0H0E0H0E7H2BB寄存器0F0H0F0H 0F7H3PSW程序状态字0D0H0D0H 0D7H4SP堆栈指针81H5DPH数据指针（高位）83H6DPL数据指针（低位）82H7P0P0口80H80H

23、 87HDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU特殊功能寄存器名称和地址序号 标识符名称字节地址位地址8P1P1口90H90H 97H9P2P2口0A0H0A0H 0A7H10P3P3口0B0H0B0H0B7H11IP中断优先级控制0B8H0B8H0BFH12IE中断允许控制0A8H0A8H0AFH13TMOD定时/计数器方式控制89H14TCON定时/计数器控制88H88H8FHDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU特殊功能寄存器名称和地址序号 标识符名称字节地址位地址15T2CON

24、定时/计数器2控制0C8H0C8H0CFH16TH0定时/计数器0(高位)8CH17TL0定时/计数器0(低位)8AH18TH1定时/计数器1(高位)8DH19TL1定时/计数器1(低位)8BH20TH2定时/计数器2(高位)0CDH21TL2定时/计数器2(低位)0CCHDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU特殊功能寄存器名称和地址序号标识符名称字节地址位地址22RCAP2H定时/计数器2自动再装载(高位)0CBH23RCAP2L定时/计数器2自动再装载(低位)0CAH24SCON98H98H9FH25SBUF99H26PCON97HD

25、esigned By CYQPrinciple and Application of MCU布尔(位)处理器v在位处理中的累加器CYv位寻址的数据存储RAMv位寻址的寄存器v位寻址的并行I/O口v位操作指令系统Designed By CYQPrinciple and Application of MCU复位操作寄存器复位内容寄存器复位内容寄存器复位内容PC0000HP0P30FFHTL100HACC00HTMOD00HTH100HB00HTCON00HSCON00HPSW00HIE0XX00000BSBUF不定SP07HTL000HPCON0XXX0000BDPTR0000HTH000HIPXXX00000BDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU复位信号v片内复位电路在每个机器周期的S