单片机的硬件结构基本框架

第二章章单单片机机的硬硬件结结构2.1MCS-51单片片机的的逻辑辑结构构及信信号引引脚2.2MCS-51单片片机的的内部部存储储器2.3MCS-51单单片机机并行行输入入/输输出口口电路路2.4MCS-51单单片机机时钟钟电路路与时时序2.5MCS-51的的工作作方式式2.1MCS-51单片片机逻逻辑结结构及及信号号引脚脚

频率基准源

计数器

内部总线

中断

中断

控制

并行I/O口

串行输入/输出

振荡器及定时电路4K/8K字节程序存储器ROM128/256字节数据存储器RAM2个16位定时器/计数器CPU64K字节总线扩展控制可编程I/O口4×8位可编程串行口1、中央处处理单单元CPU（8位））用于数数据处处理、、位操操作（（位测测试、、置位位、复复位））2、片内程程序存存储器器ROM（（4KB））用于存存放程程序、、原始始数据据及表表格3、片内数数据存存储器器RAM（（128B）用于存存放可可以读读或写写的数数据，，如运运算的的中间间结果果，最最终结结果以以及欲欲显示示的数数据等等4、并行输输入/输出出口I/O（（32线））用作系系统总总线、、扩展展外存存、I/O接口口芯片片5、串行输输入/输出出口UART（（二二线））串行通通信、、扩展展I/O接接口芯芯片6、定时/计数数器T（16位位增量量可编编程））每个定定时器器/计计数器器都是是可以以设置置成计计数方方式，，用以以对外外部事事件计计数，，也可可以设设置成成定时时方式式，并并可以以根据据计数数或定定时的的结果果实现现计算算机控控制7、时钟电电路fosc分为内内部振振荡器器、外外接振振荡电电路，，最高高允许许振荡荡频率率是12MHZ8、中断系系统五源中中断、、两级级优先先，可可编程程进行行控制制。9、位处理理器10、、总线MCS-51单单片机机芯片片内部部逻辑辑结构构1.CPU又称称为微微处理理器，，由运运算器器和控控制器器二部部组成成。1.运运算器器组成：：由算术术运算算单元元ALU及及相关关的专专用寄寄存器器组组组成。。功能：1））算术术逻辑辑单元元ALU在在控制制信号号作用用下可可进行行各种种算术术运算算操作作各逻逻辑操操作。。2）专专用寄寄存器器组主主要用用于指指示当当前所所执行行指令令的内内存地地址、、存放放操作作数和和指示示指令令执行行后的的状态态等。。MCS-51单单片机机芯片片内部部逻辑辑结构构说明明：：1））运运算算器器包包括括一一个个可可进进行行8位位算算术术运运算算和和逻逻辑辑运运算算的的单单元元ALU，，MCS-51CPU的的字字长长为为8位位.2））8位位的的暂暂存存器器1、、暂暂存存器器2。。3））8位位的的累累加加器器ACC累加加器器A是是一一个个最最常常用用的的专专用用寄寄存存器器，，大大部部分分操操作作指指令令的的操操作作数数取取自自累累加加器器A，，其其运运算算结结果果大大多多也也存存放放于于累累加加器器A中中，，指指令令系系统统用用A作作为为累累加加器器的的助助记记符符。。4））寄寄存存器器B：：与与累累加加器器A一一起起完完成成乘乘除除运运算算，，乘乘法法指指令令的的两两个个操操作作数数分分别别取取自自A和和B，，相相乘乘结结果果高高8位位存存于于B中中，，低低8位位存存于于A中中。。其其他他指指令令，，B可可当当作作一一般般寄寄存存器器存存取取数数据据。。2.控控制制器器控制制器器包包括括程程序序计计数数器器PC、、指指令令寄寄存存器器IR、、指指令令译译码码器器ID、、堆堆栈栈指指针针SP、、数数据据指指针针DPTR、、振振荡荡器器及及定定时时电电路路等等。。1））程程序序计计数数器器PC：：由由两两个个8位位的的计计数数PCH及及PCL组组成成，，共共16位位。。PC实实际际上上是是程程序序的的字字节节地地址址计计数数器器，，PC中中的的内内容容是是将将要要执执行行的的下下一一条条指指令令的的地地址址。。改改变变PC的的内内容容就就可可改改变变程程序序执执行行的的方方向向。。PC可可对对64KB的的ROM（（程程序序存存储储器器））直直接接寻寻址址。。2）指令令寄存器器IR及及指令译译码器ID:由由PC中中的内容容指定ROM地地址，取取出来的的指令经经指令寄寄存器IR送至至指令译译码器ID,由由ID对对指令译译码并送送PLA产生一一定序列列的控制制信号，，以执行行指令所所规定的的操作。。3）堆栈栈指针SP4）数据据指针DPTR:程序的切切换（两两句话））处理器是是个傻瓜瓜，PC让它干啥啥，它就就干啥。。PC是个指路路器，它它指向哪哪儿，处理理器就去去哪儿。。从此可以以知道，，哪个语语句占有有了PC，哪个语语句就占占有了处处理器。。

=PC深刻地理理解PC是理解系系统进行程序序执行的的关键。。PC的功功能：1、提供供初始状状态功能能。系统复位位时PC=0000H,即指指向ROM的一一开始单单元，找找到程序序第一条条指令所所在的单单元。2、提供供计数功功能。在顺序结结构的程程序执行行时，系系统自动动执行(PC)+1送送入PC，最终终PC的的值就是是相对第第一指令令的偏移移地址，，即程序序执行的的指令条条数。3、提供供程序的的转移功功能。在跳跃结结构的程程序执行行时，系系统自动动执行目目的地址址送入PC，即即通过改改变PC的值来来改变程程序的执执行方向向。MCS-51单单片机信信号引脚脚封装形式式，见右图：：引脚及功功能1、主电电源引脚脚Vss、Vcc2、外接接晶振引引脚XTAL1、XTAL23、控制或或复位引引脚RST/VPD———当当出现现两个机机器周期期高电平平时，单单片机复复位。。复位后，，PC=0000H,P0~P3输输出高电电平；SP寄存存器为07H；；其它寄寄存器全全部清0；不影影响RAM状态态。复位电路路的实现现：=0时时，只只访问外外部程序序存储器器,即外外ROM=1时时，访访问内部部程序存存储器,即内ROM/Vpp———内内\外外ROM选择端端对于8751单单片机编编程时，，该端施施加编程程电压4、输入入/输出出引脚P0.0~P0.7；；P1.0~P1.7；；P2.0~P2.7；；P3.0~P3.7四个I/O口，每每口八条条线；还还兼作地地址/数数据线。。EAEAEAALE/PROG———地址址锁存控控制端提供1/6fosc振荡频频率；为为其内的的EPROM输输入编程程脉冲PSEN————外外部程序序存储器器的读选选通信号号端2.2MCS-51单片机机的内部部存储器器）（外部K64RAM数据存储器

程序存储器外部ROM/EA=02.2MCS-51单片机机的内部部存储器器）（外部K64RAM数据存储器

程序存储器外部ROM/EA=0物理上分分为：4个空间间即片内ROM、、片外ROM片内RAM、片片外RAM2.2MCS-51单片机机的内部部存储器器）（外部K64RAM数据存储器

程序存储器外部ROM/EA=0逻辑上分分为:3个空间间（程序员员的角度度）1、片内内、外统统一编址址的程序序存储空空间，0000H~FFFFH共64KB（16位地址址）2、片外外数据存存储空间间，0000H~FFFFH共64KB（（16位地址址）3、片内内数据存存储空间间，00H~7FH共共128B（（8位地地址）。。2.2MCS-51单片机机的内部部存储器器）（外部K64RAM数据存储器

程序存储器外部ROM/EA=0三类不同同存储空空间（逻辑空空间）的访问方方法：用不同的的指令区区别：访问片内内外ROM用MOVC指令；；访问片外外RAM用MOVX指指令；访问片内内RAM用MOV指令令；一、程序序存储器器寻址范围围：0000H~FFFFH容量64KB，即地址长度度：16位

，寻址内部ROM；

，寻址外部ROM。

当PC值值超过片片内ROM容量量时会自自动转向向外部部存储器器空间。。8031单片机接低电平。作用用：：存放程程序及及程序序运行行时所所需的的常数数。七个具具有特特殊含含义的的单元元是：：0000H——系统复复位，，PC指向此此处；；0003H——外部中中断0入口000BH——T0溢出中中断入入口0013H——外中断断1入口001BH——T1溢出中中断入入口0023H——串口中中断入入口002BH——T2溢出中中断入入口二、内部数数据存储器器物理上上分为为两大大区域域：00H~7FH即128B内内RAM区区80H~FFH即SFR区。1、低低128BRAM（00H~7FH）可直接接、间间接访访问。。分为三三个区区域（1））工作作寄存存器组组区（字节节地址址00H~1FH））4组32个个单元元，每每组8个寄寄存器器R0、R1、、R2………R7工作寄寄存器组区区（1））工作作寄存存器组组区（字节节地址址00H~1FH））4组32个个单元元，每每组8个寄寄存器器R0、R1、、R2………R700H01H02H04H03H05H06H07HR0R1R2R3R4R5R6R712HMOV00H,#12HMOVR0,#12H通过直直接数数值地址进进行访访问通过寄寄存器器名字（即即符号号地址））进行行访问问（1））工作作寄存存器组组区（字节节地址址00H~1FH））4组32个个单元元，每每组8个寄寄存器器R0、R1、、R2………R708H09H0AH0CH0BH0DH0EH0FHR0R1R2R3R4R5R6R712HMOV08H,#12HMOVR0,#12H通过寄寄存器器PSW的的两个位位RS1、、RS0来控制当前前工作寄存器组的选选择。（1）工作作寄存器组组区（字节地址址00H~1FH））4组32个个单元，每每组8个寄寄存器R0、R1、、R2………R7RS1RS0工作寄存器组数值地址范围00第0组工作寄存器组01第1组工作寄存器组10第2组工作寄存器组11第3组工作寄存器组（2）位寻寻址区（字节地址址20H~2FH））16个字节节，128个可操作作位。每一位都有有一个位地地址，范围围为：00H—7FH（2）位寻寻址区位操作：置置1或清0置1:SETB清0:CLRSETB0DHSETB21H.5访问方式：：1、直接位位地址2、字节地地址.位序序号位寻址区（（20H——2FH））16个字字节。16*8=128位位，每一位位都有一个个位地址，，范围为：：00H——7FH，，位地址区也也可作为一一般RAM使用。（3）用户户RAM区区（字节地地址30H~7FH）共80个字字节单元，，为用户RAM区（（堆栈、数数据缓冲））注意：在源程序中中用到子程程序调用时时或者说是是用到堆栈栈时，首先先设置SP的值在（（30H～～7FH））之间。因因系统复位位时SP的的值为07H，即指指向第0组组工作寄存存器的R7单元。3.特殊功功能寄存器器MCS-51单片机机内共有22个专用用功能寄存存器，包括括PC及SFR。PC为程序序计数器。。它是一个个双字节寄寄存器,寻寻址范围为为:0000H~FFFFH，即0~64KB。SFR为特特殊功能寄寄存器。其其寻址空间间：80H~FFH其中，51子系列有有18个寄寄存器，占占有21个个字节；52子系列列有21个个寄存器，，占有26个字节。。51子系列列SFR的的地址分配配及位地址址见下页表表：

寄存器

位地址/位定义

地址

F7

F6

F5

F4

F3

F2

F1

F0

B

F0H

E7

E6

E5

E4

E3

E2

E1

E0

ACC

E0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PSW

CY

AC

F0

RS1

RS0

OV

/

P

D0H

BF

BE

BD

BC

BB

BA

B9

B8

IP

B8H

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

P3

P3.7

P3.6

P3.5

P3.4

P3.3

P3.2

P3.1

P3.0

B0H

IE

A8H

A7

A6

A5

A4

A3

A2

A1

A0

P2

P2.7

P2.6

P2.5

P2.4

P2.3

P2.2

P2.1

P2.0

A0H

SBUF

99H

++注意：1、表中共有3个双字节寄寄存器。2、PC也为双字节节寄存器，，但是不在80H~FFH范围内。3、表中，凡凡地址能被被8整除的的寄存器都都是可位寻址的寄存存器。各寄存器的的名称：1、算术运算算寄存器（1）A——累加器。功能:A.累加器用用于存放操操作数,是是ALU数数据输入的的一个重要要来源,单单片机中大大部分单操操作数指令令的操作数数取自累加加器,许多多双操作数数指令的一一个操作数数也取自累累加器.B.累加器器是ALU运算结果果的暂存单单元,用于于存放运算算的中间结结果.C.累加器器是数据传传送的中转转站,单片片机中的大大部分传送送都通过累累加器进行行.D.在变址址寻址方式式中把累加加器作为变变址寄存器器用.（2）B——B寄存器，乘乘、除法运运算用。B寄存器是是一个8位位寄存器,主要用于于乘除运算算.乘法运运算时,B为乘数.乘法操作作后,乘积积的高8位位存于B中中.除法运运算时,B为除数.除法操作作后,余数数存于B中中.此外B寄存器也也可作为一一般数据寄寄存器使用用.CY———进位位/借位位标标志志；；位位累累加加器器。。AC———辅助助进进/借位位标标志志；；用用于于十十进进制制调调整整。。F0———用户户定定义义标标志志位位；；软软件件置置位位/清零零。。OV———溢出出标标志志；；硬件件置置位位/清零零。。P———奇偶偶标标志志；；A中1的个个数数为为奇奇数数P=1；否否则则P=0。RS1、RS0———寄寄存存器器区区选选择择控控制制位位。。00：0区R0~R701：1区R0~R710：2区R0~R711：3区R0~R7P—RS0RS1OVF0ACCYPSW（3））PSW————程程序序状状态态字字寄寄存存器器：：包包含含程程序序运运行行状状态态、、信信息息。。2、指指针针寄寄存存器器（1）程程序序计计数数器器PC指明明即即将将执执行行的的下下一一条条指指令令的的地地址址(程序序存存储储器器地地址址)，在在物物理理上上独独立立，，复复位位时时PC=0000H。。（2）堆堆栈栈指指针针SP指明明栈栈顶顶元元素素的的地地址址，，8位，，可可软软件件设设置置初初值值，，复复位位时时SP=07H。（3）数据指针DPTR@DPTR；指明访问的的数据存储器器的单元地址址，16位，寻址范围围64KB。DPTR=DPH+DPL，也可单独使使用。3、并行输入/输出端口寄存器P0、P1、P2、P3实为相应端口口锁存器。4、串行输入/输出端口（1）串行数据缓缓冲器SBUF是物理上独立立的两个寄存存器，共同使使用一个地址址（99H）。（2）串行控制/状态寄存器SCON控制监视串行行口的工作状状态（3）电源控制寄寄存器PCON控制单片机的的低功耗工作作方式及波特特率选择。5、中断系统（1）中断优先级级寄存器IP：2级优先，可软软件设定（2）中断允许寄寄存器IE6、定时/计数器（1）定时器方式式寄存器：TMOD（2）定时器控制制寄存器：TCON（3）计数寄存器器：TH0、TL0；TH1、TL1。可用于设定定计数初值。。五、地址空间间（1）内部RAM20H~2FH共16个单元可按位位寻址128位。（2）SFR80H~FFH51子系列，有11个寄存器，83位；52子系列，有12个寄存器，93位。六、外部数据据存储器（1）容量最大扩扩展到64KB（2）寻址范围：：0000H~FFFFH（3）寻址方式：：间接寻址可可用R0，R1，DPTR3.MCS-51的堆栈栈操作1)何为堆栈栈是一个按照””先进后出””或”后进先先出”原则存存取数据的RAM区域.2)堆栈的作作用堆栈主要是为为子程序调用用和中断操作作而设立的.其具体功能能有两个:保保护断点和保保护现场.子程序2子程序1主程序中断中断2.3并并行行输入/输出接接口图2.5P0口口内部一一位结构构图1.P0口2.3I/O口的结结构和功功能四个端口口、双向向、每个个口包含含一个锁锁存器、、一个输输出驱动动器和二二个输入入缓冲器器。1、结构P0口电路图图如下图图一、P0口P0口的的字节地地址为80H,位地址址为80H~87H.P0口：：是漏极极开路的的准双向向口低8位地地址/数数据总线线口P0口：：地址/数据复复用口G1G2G3G4T2T12、通用I/O口作为通用用I/O口用时时，它的的控制C为0,这时多多路开关关是与/Q端相相连。它它有两个个功能。。2、通用I/O口1）读（端端口外数数据内部寄存存器）方式1（读锁存存器）QG2D内部总线线,适于“读读—修改改—写””方式2（读引脚脚）：P0.xG1D内部总线线。作为通用用I/O使用，是一个准准双向口口：“在输入入数据时时应先把把口置1，使两个个FET都截止，，引脚处处于悬浮浮状态，，可作高高阻抗输输入”2）写（片片内数据据端口）数据锁存MUXP0.x作为通用用I/O口用时时，它的的控制C为0,这时多多路开关关是与/Q端相相连。它它有两个个功能：：3）地址/数据总线线口控制MUX写：地址址/数据为1，P0·x——高地址/数据为0，P0·x——低读：经缓缓冲器G1读入4)负载能能力可带8个TTL输入，驱驱动NMOS时，接上上拉电阻阻。总结特点点：（1）P0口可作通通用I/O口使用，，又可作作地址/数据总线线口；（2）P0既可按字字节寻址址，又可可按位寻寻址；（3）P0作为输入入口使用用时：是是准双向向口；（4）作通用用I/O口输出时时：是开开漏输出出；（5）作地址址/数据总线线口时，，P0是一真正正双向口口，而作作通用I/O口时，只只是一个个准双向向口。二、P1口1、结构：：只能作I/O口用，且且是一个个准双向向口。内部已有有上拉电电阻，不不是开漏漏输出口口。2、特点：：（1）无地址址/数据口功功能（2）可按字字节寻址址，也可可按位寻寻址（3）作I/O输入口时时：是一一准双向向口，不不是开漏漏输出。。三、P2口1、结构构2、特点：：（1）当P2口作为通通用I/O时，是一一准双向向口。（2）从P2口输入数数据时，，先向锁锁存器写写“1”。（3）可位寻址址，也可可按字节节寻址（4）可输出地地址高8位。四、P3口1、结构2、特点：：（1）作通用I/O时，“选选择输出出功能””应保持持高电平平，（2）工作于第第二功能能时，该该位锁存存器应置置1，（3）作输入口口时，输输出锁存存器和选选择输出出功能端端都应置1（4）第二