第3章单片机的结构与原理-1(组成)

1、单片机应用技术单片机应用技术主讲：王春梅第第3 3章章 单片机的结构及原理单片机的结构及原理1 1、单片机的结构、单片机的结构 2 2、单片机的工作原理、单片机的工作原理3 3、80C5180C51的存储器的存储器4 4、输入、输入/ /输出端口输出端口 5 5、CPUCPU时序及时钟电路时序及时钟电路6 6、复位和复位电路、复位和复位电路 7 7、80C5180C51系列单片机的低功耗方式系列单片机的低功耗方式 教学目的和要求 掌握单片机的结构及工作原理掌握单片机的结构及工作原理 掌握掌握80C5180C51的存储器结构的存储器结构 掌握输入输出端口的结构、作用、使用方法掌握输入输出端口的结

2、构、作用、使用方法 了解了解CPUCPU时序及时钟电路时序及时钟电路 掌握单片机的复位及复位方式掌握单片机的复位及复位方式 了解了解80C5180C51系列单片机的两种低功耗方式系列单片机的两种低功耗方式一、一、 标准型单片机的组成标准型单片机的组成图图 31 AT89S51/S52的基本组成功能框图的基本组成功能框图单片机各功能部件单片机各功能部件中央处理器（中央处理器（CPUCPU）数据存储器（内部数据存储器（内部RAMRAM） 程序存储器（内部程序存储器（内部ROMROM） 定时定时/ /计数器计数器 并行并行I/OI/O口口 串行口串行口 时钟电路时钟电路 中断系统中断系统 l图图 3

3、2 AT89S51/52内部结构框图内部结构框图（一）、运算器（一）、运算器1 1、运算器的组成、运算器的组成算术逻辑单元算术逻辑单元( (简称简称ALUALU）运算器运算器累加器累加器 寄存器寄存器2 2、运算器的作用运算器的作用是把传送到微处理器的数据进行运算或逻辑运算。是把传送到微处理器的数据进行运算或逻辑运算。举例举例ALUALU可对两个操作数进行加、减、与、或、可对两个操作数进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。比较大小等操作，最后将结果存入累加器。ALUALU执行不同的运算操作是由不同控制线上执行不同的运算操作是由不同控制线上的信息所确定的。的信息所确定的。例如

4、：例如： 两个数（两个数（7 7和和9 9）相加，在相加之前，操作）相加，在相加之前，操作数数9 9放在累加器中，放在累加器中，7 7放在数据寄存器中，执放在数据寄存器中，执行两数相加运算的控制线发出行两数相加运算的控制线发出“加加”操作信操作信号，号，ALUALU即把两个数相加并把结果（即把两个数相加并把结果（1616）存入）存入累加器，取代累加器前面存放的数累加器，取代累加器前面存放的数9 9。3 3、ALUALU的两个主要的输入来源的两个主要的输入来源输入来源输入来源数据寄存器数据寄存器累加器累加器4 4、运算器的两个主要功能运算器的两个主要功能（1 1）执行各种算术运算。）执行各种算术

5、运算。（2 2）执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试。）执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试。如零值测试或两个值的比较。如零值测试或两个值的比较。控制器的组成控制器的组成程序计数器程序计数器指令寄存器指令寄存器指令译码器指令译码器时序产生器时序产生器操作控制器操作控制器1 1、控制器的组成、控制器的组成（二）、控制器（二）、控制器2 2、作用、作用它是发布命令的它是发布命令的“决策机构决策机构”，即协调，即协调和指挥整个计算机系统的操作。和指挥整个计算机系统的操作。3 3、控制器的主要功能、控制器的主要功能对指令进行译码或测试，并产生相应对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动

6、作。的操作控制信号，以便启动规定的动作。指挥并控制指挥并控制CPUCPU、内存和输入内存和输入/ /输出设输出设备之间数据流动的方向。备之间数据流动的方向。从内存中取出一条指令，并指出下一从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。条指令在内存中的位置。（三）、（三）、CPUCPU中的主要寄存器中的主要寄存器1 1、累加器（、累加器（A A）在算术和逻辑运算时，它具有双重功能：在算术和逻辑运算时，它具有双重功能： 运算前，用于保存一个操作数；运算前，用于保存一个操作数； 运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。累加器是微处理器中最繁忙的

7、寄存器。累加器是微处理器中最繁忙的寄存器。2 2、数据寄存器（、数据寄存器（DRDR）数据（缓冲）寄存器（数据（缓冲）寄存器（DRDR）是通过数据总线）是通过数据总线（DBUSDBUS）向存储器（）向存储器（M M）和输入）和输入/ /输出设备输出设备I/OI/O送送（写）或取（读）数据的暂存单元。（写）或取（读）数据的暂存单元。3 3、指令寄存器（、指令寄存器（IRIR）指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时先把它从内存取到数据寄当执行一条指令时先把它从内存取到数据寄存器中，然后再传送到指令译码器中。存器中，然后再传送到指令译码器

8、中。4 4、指令译码器（、指令译码器（IDID）指令分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。指令分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。当执行任何给定的指令，必须对操作码进行译码，以当执行任何给定的指令，必须对操作码进行译码，以便确定所要求的操作。便确定所要求的操作。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。的输入。操作码一经译码后，即可向控制器发出具体操作操作码一经译码后，即可向控制器发出具体操作的特定信号。的特定信号。5 5、程序计数器（、程序计数器（PCPC） 通常又称为指令地址计数器。通常又称为指令地址计数器。在程序开始执行前，必须

9、将其起始地址，即程在程序开始执行前，必须将其起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地址送到序的第一条指令所在的内存单元地址送到PCPC。当执行指令时，当执行指令时，CPUCPU将自动修改将自动修改PCPC的内容，使之总是的内容，使之总是保存将要执行的下一条指令的地址。保存将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序执行的，所以修改的由于大多数指令都是按顺序执行的，所以修改的过程通常是简单的加过程通常是简单的加1 1操作。操作。6 6、地址寄存器、地址寄存器 （ARAR）地址寄存器用来保存当前地址寄存器用来保存当前CPUCPU所要访问的内存单元或所要访问的内存单元或I/OI/O设备的

10、地址。设备的地址。因为内存（因为内存（I/OI/O设备）和设备）和CPUCPU之间存在着速度上的之间存在着速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保存地址信息，差别，所以必须使用地址寄存器来保存地址信息，直到内存（直到内存（I/OI/O设备）读设备）读/ /写操作完成为止。写操作完成为止。存储器存储器地址总线、数据总线和若干控制线把存储器和微地址总线、数据总线和若干控制线把存储器和微处理器连接起来。处理器连接起来。存储器从存储器从CPUCPU接收控制信号，以确定存储器执行接收控制信号，以确定存储器执行读读/ /写操作。写操作。地址总线将地址总线将8 8位地址信息送入地址译码器，位地址信息送入地址

11、译码器，地址译码器的输出可以确定唯一的存储单地址译码器的输出可以确定唯一的存储单元。元。数据总线用来传送存储器到数据总线用来传送存储器到CPUCPU或或CPUCPU到存到存储器的数据信息储器的数据信息。1、程序存储器（、程序存储器（ROM）2、数据存储器（、数据存储器（RAM）1、程序存储器（、程序存储器（ROM）2地址从地址从0000H0000H开始。开始。2用于存放程序和表格常数。用于存放程序和表格常数。2、数据存储器（、数据存储器（RAM）2地址为地址为00H00H7FH7FH。2用于存放运算的中间结果、数据暂存以用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。及数据缓冲等。2这这128

12、B128B的的RAMRAM中有中有3232个字节单元可指定为个字节单元可指定为工作寄存器。工作寄存器。2片内还有片内还有2121个特殊功能寄存器（个特殊功能寄存器（SFRSFR），），它们同它们同128128字节字节RAMRAM统一编址，地址为统一编址，地址为80H80HFFHFFH。后面详细介绍。后面详细介绍。双双列列直直插插式式DIP二、二、 AT89S51/52单片机的封装形式单片机的封装形式 AT89S51/52 AT89S51/52单片机的封装形式单片机的封装形式双列直插式双列直插式DIPDIP PLCCPLCC带引线的塑料芯片载体.表面贴装型封装PQFPPQFP塑料方块平面封装塑料

13、方块平面封装 PQFP封装的芯片的四周均有引脚，其引脚总数一般都在100以上，而且引脚之间距离很小，管脚也很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式。用这种形式封装的芯片必须采用SMT(Surface Mount Tectlfqology，表面组装技术)将芯片边上的引脚与主板焊接起来。采用SMT安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。PQFP封装适用于SMT表面安装技术在PCB上安装布线，适合高频使用，它具有操作方便、可靠性高、工艺成熟、价格低廉等优点。但是，PQFP封装的缺点也很明显，由于芯片边长有限，使得

14、PQFP封装方式的引脚数量无法增加.平行针脚也是阻碍PQFP封装继续发展的绊脚石，由于平行针脚在传输高频信号时会产生一定的电容 .BGA封装(Ball Grid Array Package)球栅阵列封装 BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，BGA技术的优点是I/O引脚数虽然增加了，但引脚间距并没有减小反而增加了，从而提高了组装成品率；虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能；厚度和重量都较以前的封装技术有所减少；寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高；组装可用共面焊接，可靠性高。 3.1.2 AT89S51单片机引脚单片机引

15、脚 单片机引脚如图单片机引脚如图3-33-3所示。所示。AT89S51单片机引脚功能单片机引脚功能 一、电源引脚：一、电源引脚：Vcc和和Vss 二、时钟电路引脚：二、时钟电路引脚：XTAL1和和XTAL2 三、控制信号引脚三、控制信号引脚RST、ALE、PSEN和和EA 四、四、I/O端口端口P0、P1、P2和和P3一、电源引脚：一、电源引脚：Vcc和和Vss 1Vcc(40脚)：电源端，为+5V。 2Vss(20脚)：接地端。图图3-33-3二、时钟电路引脚：二、时钟电路引脚：XTAL1和和XTAL2 XTAL2XTAL2（1818脚）：接外部晶体和微调电容的一端；脚）：接外部晶体和微调电

16、容的一端；在在89C51 89C51 片内它是振荡电路反向放大器的输出端，片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。89C51/803189C51/8031正常工作时，该引脚应有脉冲信号输出。正常工作时，该引脚应有脉冲信号输出。 XTAL1XTAL1（1919脚）：接外部晶体和微调电脚）：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反向容的另一端；在片内它是振荡电路反向放大器的输入端，在采用外部时钟时，放大器的输入端，在采用外部时钟时，该

17、引脚接地。该引脚接地。二、时钟电路引脚：二、时钟电路引脚：XTAL1和和XTAL2 三、控制信号引脚：三、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和和EA RST/VRST/VPDPD（9 9脚）：脚）：RSTRST：复位信号输入端，高电平有效。当：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期的高电平时，此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。就可以完成复位操作。 RST/VRST/VPDPD（9 9脚）：脚）：V VPDPD ：RSTRST引脚的第二功能，备用电源输入引脚的第二功能，备用电源输入端。当主电源端。当主电源Vcc Vcc 发生故障，降低到低电发生故障，降低

18、到低电平规定值时，将平规定值时，将+5V+5V电源自动接入该引脚，电源自动接入该引脚，为为RAMRAM提供备用电源，以保证提供备用电源，以保证RAMRAM中的信息中的信息不丢失，使得复位后能继续正常运行。不丢失，使得复位后能继续正常运行。 三、控制信号引脚：三、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和和EA ALE/PROG（30脚）：ALEALE：地址锁存允许信号端。正常工：地址锁存允许信号端。正常工作时，该引脚以振荡频率的作时，该引脚以振荡频率的1/61/6固定输固定输出正脉冲。出正脉冲。CPUCPU访问片外存储器时，该访问片外存储器时，该引脚输出信号作为锁存低引脚输出信号作为锁存低8 8

19、位地址的控位地址的控制信号。它的负载能力为制信号。它的负载能力为8 8个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。三、控制信号引脚：三、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和和EA ALE/PROG（30脚）：PROGPROG：是对片内带有：是对片内带有4KB EPROM4KB EPROM的的87518751编程写入时的编程脉冲输入端。编程写入时的编程脉冲输入端。三、控制信号引脚：三、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和和EA PSEN（29脚）：程序存储器允许信号输出端。程序存储器允许信号输出端。在访问片外在访问片外ROMROM时，定时输出负脉冲时，定时输出负脉冲作为读片外作为读片外ROM

20、ROM的选通信号，接片外的选通信号，接片外ROMROM 的的OEOE端。端。它的负载能力为它的负载能力为8 8个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。三、控制信号引脚：三、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和和EA EA/Vpp（31脚）：EAEA： 外部程序存储器地址允许输入端。外部程序存储器地址允许输入端。当该引脚接高电平时，当该引脚接高电平时，CPUCPU访问片内访问片内EPROM/ROMEPROM/ROM并执行片内程序存储器中的指并执行片内程序存储器中的指令，但当令，但当PCPC值超过值超过0FFFH0FFFH（片内（片内ROMROM为为4KB4KB）时，将自动转向执行片外时，将自

21、动转向执行片外ROMROM中的程序。中的程序。当该引脚接低电平时，当该引脚接低电平时，CPUCPU只访问片外只访问片外EPROM/ROMEPROM/ROM并执行外部程序存储器中的程并执行外部程序存储器中的程序。序。三、控制信号引脚：三、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和和EA EA/Vpppp（31脚）：脚）：V Vpppp：对：对87518751片内片内EPROMEPROM固化编程时，固化编程时，编程电压输入端（编程电压输入端（12-21V12-21V）。）。三、控制信号引脚：三、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和和EA四、四、I/OI/O端口端口P0P0、P1P1、P2P2和和

22、P3P3 1 1、准双向、准双向 2 2、P0P0口口 3 3、P1P1口口 4 4、P2P2口口 5 5、P3P3口口1、准双向、准双向当当I/OI/O口作为输入时，应先向此口锁存口作为输入时，应先向此口锁存器写入全器写入全1 1， 此时该口引脚浮空，可作此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。高阻抗输入。2、P0口：口：漏极开路的漏极开路的8 8位准双向位准双向I/OI/O口，每位口，每位能驱动能驱动8 8个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。P0P0口可作为一个数据输入口可作为一个数据输入/ /输出口；输出口；在在CPUCPU访问片外存储器时，访问片外存储器时，P0P0口为分口为分时复用的低

23、时复用的低8 8位地址总线和位地址总线和8 8位数据位数据总线。总线。3、P1口：口：带内部上拉电阻的带内部上拉电阻的8位准双向位准双向I/O端口，端口，每位能驱动每位能驱动4个个LS型型TTL负载。负载。4、P2口：口：P2口：带内部上拉电阻的口：带内部上拉电阻的8位准双向位准双向I/O端口，每位能驱动端口，每位能驱动4个个LS型型TTL负载。负载。在在CPU访问片外存储器时，它输出高访问片外存储器时，它输出高8位地址位地址。5、P3口：口：带内部上拉电阻的带内部上拉电阻的8 8位准双向位准双向I/OI/O端口，端口，每位能驱动每位能驱动4 4个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。P3P3

24、口除作口除作为一般为一般I/OI/O口外，每个引脚都有第二功口外，每个引脚都有第二功能。能。单片机的工作原理单片机的工作原理 CPU CPU的工作原理的工作原理控制器控制器指令部件指令部件程序计数器程序计数器PCPC：1616位专用寄存器，用于存放和指示位专用寄存器，用于存放和指示下一条要执行指令的地址下一条要执行指令的地址 指令寄存器：指令寄存器：8 8位寄存器，用于暂时存放指令，等位寄存器，用于暂时存放指令，等待译码待译码 指令译码器：对送入指令译码器中的指令进行译码指令译码器：对送入指令译码器中的指令进行译码 时序部件：产生操作控制部件所需的时序信号。由时序部件：产生操作控制部件所需的时序信号。由时钟电路和脉冲分配器组成时钟电路和脉冲分配器组成操作控制部件：为指令译码器的输出信号配上节拍操作控制部件：为指令译码器的输出信号配上节拍电位和节拍脉冲电位和节拍脉冲 运算器：对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部运算器：对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件件 。包括。包括ALUALU、ACCACC、暂存寄存器、暂存寄存器、PSWPSW、通用寄存、通用寄存器、器、BCDBCD码运算调整电路等码运算调整电路等 算术算术/ /逻辑部件逻辑部件ALUALU对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件。它