单片机的体系结构

会计学1单片机的体系结构学习要点：

(1)8051单片机内部结构、功能部件；

(2)8051单片机引脚名称、功能和三总线信号；

(3)单片机的存储结构、编址、特殊功能寄存器；

(4)单片机工作时序、时钟电路、复位电路；

(5)单片机I/O的结构功能特点；

(6)单片机的工作模式。

第1页/共63页18051单片机内部结构八大功能部件：（1）微处理器（8位CPU）（2）程序存储器（ROM、EPROM或Flash等）（3）数据存储器（RAM、E2PROM）（4）四个8位并行可编程I/O端口（P0、P1、P2、P3）（5）一个串行口（UART）（6）两个16位定时器/计数器（T0/T1）（7）中断系统（含５～8个中断源、2个优先级）（8）特殊功能寄存器（SFR）

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还包含：时钟振荡器、总线控制器和供电电源此外，有的还有其它功能部件，如：

A/D、D/APWM、PCAWDTSPI、I2C、ISP、IAP第3页/共63页8051单片机内部结构图

第4页/共63页28051单片机芯片引脚功能单片机芯片双列直插封装方式引脚图

第5页/共63页28051单片机芯片引脚功能单片机芯片方形封装方式引脚图

第6页/共63页28051单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能1．主电源引脚（1）GND接地（2）VCC正常操作时为十5V电源。2．时钟电路引脚（1）XTAL1：（2）XTAL2：第7页/共63页3．控制线与电源复用引脚（1）RST/VPD：RST是复位信号，高电平有效。

VPD为第二功能，即备用电源输入端。（2）ALE/PROG：ALE为地址锁存允许信号输出引脚。

PROG为编程信号，第二功能，低电平有效。（3）PSEN：片外ROM选通信号输出端，低电平有效。（4）EA／VPP：EA为内部和外部ROM控制端

当EA＝1时，从内ROM开始访问当EA＝0时，只访问外部ROM

VPP是编程电源输入端第8页/共63页4．并行输入/输出引脚（1）P0口：P0.0～P0.7统称为P0口（2）P1口：P1.0～P1.7统称为P1口（3）P2口：P2.0～P2.7统称为P2口（4）P3口：P3.0～P3.7统称为P3口

P3口每一位可用作第二功能，而且P3口的每一条引脚都可以独立设置为第一功能的I/O口功能和第二功能。第9页/共63页38051中央处理器

单片机的CPU是完整的1位微计算机。这个1位微计算机包含CPU、位寄存器、I/O口和指令集。

CPU内部包含：

1、运算器

2、控制器

3、存储器。第10页/共63页3.1运算器

运算器包含：

1.算术逻辑运算单元ALU---算术运算、逻辑运算

2.累加器A---相当于数据加工厂

3.位处理器---位运算

4.BCD码修正电路---十进制数的运算处理

5.PSW---记录程序运行状态第11页/共63页3.2控制器

单片机的指挥部件，主要任务是识别指令，控制各功能部件，保证各部分有序工作。主要包括指令寄存器、指令译码器、程序计数器、程序地址寄存器、条件转移逻辑电路、时序控制逻辑电路。

第12页/共63页1、指令、指令译码及控制器指令---就是完成某项操作的命令。指令译码---对指令进行解析和翻译控制器---发出相应的控制信息，指挥运算器和存储器协同完成指令所要求的操作。例如：下面是单片机的一条指令：

0010010100110000(A)+(30H)

该指令是加法指令,指令占2字节第13页/共63页2、指令集和指令助记符指令译码器所能解析系统在设计时规定的。为直观表达，用指令助记符表示。例如，上面的加法指令的助记符为：

ADDA，30H第14页/共63页3、程序及程序计数器PC

什么叫计算机程序：为完成一个完整的运算任务，按照执行步骤用计算机指令编写的指令集合。

执行程序指示：地址由PC指示。

执行程序时，在计算机控制器的控制下，取指令装置会按PC的指向从存储器中读出第一条指令并译码，执行指令所要求的操作。第15页/共63页3.3程序执行过程执行程序线路实际上按PC的指取指令运行，PC就象引路人，称为程序指针。执行流程如下图：第16页/共63页程序指令取指执行过程1、复位PC=00002、从PC取指，PC+13、取数据4、执行指令5、取下一条指令……第17页/共63页48051单片机的存储结构

8051单片机存储器采用哈佛结构：

1、有一根地址和数据总线。

2、程序存储器空间和数据存储器空间采用独立编址。

3、拥有各自的寻址方式和寻址空间。第18页/共63页4.18051单片机的存储器结构8051单片机存储器从物理结构上分四种：

1、片内程序存储器（只读存储器ROM）

（类型：ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash）

2、片外程序存储器(类型同上)

3、片内数据存储器（读写存储器RAM）

(类型：SRAM、DRAM、E2PROM、Flash)

4、片外数据存储器(类型同上)第19页/共63页从寻址空间分布上分三种：程序存储器、内部数据存储器外部数据存储器。从功能作用上可五种：程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间存储器和外部数据存储器。第20页/共63页4.18051单片机的存储器结构图第21页/共63页4.2程序存储器：可寻址的地址空间为64KB，从0000H开始编址，最大地址可至FFFFH。

用EA信号选择片内、片外程序存储器：对于STC89C51单片机（片内有4KB），编址为0000～0FFFH，EA接高电平，从片内0000H开始执行程序。对于8031单片机无内部程序存储器，EA接低电平，从片外读取程序执行。第22页/共63页中断向量：

单片机至少有5个中断地址，在0000～002FH程序存储器地址之间占5个特殊地址，被固定用于5个中断源的中断服务程序入口地址。中断地址如下：第23页/共63页4.3片内数据存储器1、片内RAM编址片内数据存储器(RAM)，128B/256B)，用来存放程序运行时所需要的常数或变量。编址如下：51子系列片内RAM有128字节编址为00～7FH

特殊功能寄存器块有128字节编址为为80～FFH52子系列片内RAM有256字节低128字节编址为00～7FH（直接寻址）高128字节编址为80～FFH（间接寻址）

SFR有128字节编址为为80～FFH

（间接寻址）第24页/共63页2、内部数据存储器的划分

片内RAM编址为00～7FH，分工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区和堆栈数据区三个部分。结构如下图：第25页/共63页(1)工作寄存器区从上图中可以看到，单片机内部RAM的00～1FH区是R工作寄存器区，分为四个组，由RS1、RS0配置选择：第26页/共63页(2)位寻址区内部RAM的20H～2FH为位寻址区域(见表2-4)。这16个单元(共128位)的位地址编址范围为00H～7FH。第27页/共63页(3)数据缓冲区内部RAM的30H～7FH是数据缓冲区，也称为用户RAM区，共80个单元。

52子系列内部有256个单元的数据存储器，用户RAM区范围为30H～FFH，共208个单元。工作寄存器区和位寻址区的地址及单元数与上述一致。第28页/共63页3、堆栈和堆栈指针

堆栈的概念：是一种数据项按序排列的数据结构，采用后进先出，这种后进先出操作的缓冲器区称为堆栈。堆栈指针总是指向栈顶。堆栈就好比水桶或手枪中的弹匣，更象一个装兵乓球的小圆筒。堆栈的几个名词：

满堆栈、空堆栈、递增堆栈和递减堆栈第29页/共63页堆栈特点：后进先出堆栈有3个具体功能：

(1)保护断点

(2)现场保护

(3)临时暂存数据第30页/共63页4.4特殊功能寄存器单片机是通过特殊功能寄存器（SFR）对各种功能部件进行集中控制。如下表：第31页/共63页4.5外部数据存储器单片机一般的内部RAM只有128B或256B。现在有大RAM容量单片机或集成了DataFlash的单片机。系统需要海量存储器必须扩展外部存储器。

扩展外部存储器方式：（1）并行方式扩展（最大64KB）（2）串行方式扩展（最大1MB以上）第32页/共63页存储器使用总结如下：

(1)地址有重叠性，用不同的控制命令分开。

(2)(RAM)和(ROM)在操作使用上是严格区分的，不同的操作指令不能混用。

(3)位地址空间有两个区域：

20H～2FH区和SFR区

(4)片外数据存储器区中，RAM存储单元与单片机外部扩展的I/O端口是统一编址的。第33页/共63页5并行I/O端口

共有4个8位双向I/O口，共32口线。每位均有自己的锁存器(SFR)，输出驱动器和输入缓冲器。第34页/共63页多路开关功能：用于控制选通I/O方式还是地址/数据输出方式方式控制：由内部控制信号产生输入锁存器两个输入缓冲器(BUF1和BUF2)推拉式I/O驱动器5.1P0口位图内部结构BUF2BUF15、P0R2为读引脚信号，执行“MOVA,P0”时该信号有效6、读引脚（端口）时，输出锁存器应为“1”说明：1、当控制信号为0时，P0口做双向I/O口，为漏极开路（三态）2、控制信号为1时，P0口为地址/数据复用总线（用于口扩展）3、P0W为端口输出写信号，用于锁存输出状态4、P0R1为读锁存器信号，执行“ANLP0,#0FH”时该信号有效QQDCVcc控制AD0P0R1

P0R2D0P0W图1、P0口内部结构读锁存器读引脚锁存器内部总线写锁存器地址/数据P00多路开关10第35页/共63页5.2P1口内部结构P1口内部结构如图2所示输出部分有内部上拉电阻R*约为20K。其他部分与P0端口使用相类似（读引脚时先写入1）。写数据读端口第36页/共63页5.3P2口内部结构2、当控制信号为1时P2口输出地址信息，此时单片机完成外部的取指操作或对外部数据存储器16位地址的读写操作。3、当P2口作为普通I/O口使用时用法和P1口类似。说明：1、P2可以作为通用的I/O，也可以作为高8位地址输出。第37页/共63页P0.3地址锁存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2MCS-51片外总线结构示意图返回MCS-51单片机片外总线

P0.4第38页/共63页返回单片机

8031P2.0P2.1P2.2A8A9A10ALERD74LS373G6264A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2O3O4O5O6O7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7OECEQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7WEWRP2.7P2.3P2.4A11A126264WE单片机

8031P2.0:.A8..ALERD74LS373GA7..A0P0.0

:P0.7OECEQ0..Q7D0..D7A12P2.4WRD7..D0第39页/共63页5.4P3口内部结构说明：1、做普通端口使用时，第二功能应为“1”。2、使用第二功能时，输出端口锁存器应为“1”。3、变异功能（）

P3.0TXDP3.4T0P3.1RXDP3.5T1P3.2INT0P3.6WRP3.3INT1P3.7RD1输出I/O口1读I/O口11第40页/共63页5.5P0～P3端口功能总结使用中应注意的问题：（1）P0～P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口还可用来构建数据总线和地址总线，所以电路中有一个MUX，进行转换。（2）而P1口和P3口无构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，无需转接开关MUX。第41页/共63页（3）只有P0口是一个真正的双向口，P1～P3口都是准双向口。原因:P0口作数据总线使用时，为保证数据正确传送，需解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传送时芯片内外才接通；否则应处于隔离状态。为此，P0口的输出缓冲器应为三态门。（4）P3口具有第二功能。因此在P3口电路增加了第二功能控制逻辑。这是P3口与其它各口的不同之处。第42页/共63页P3口的第二功能第43页/共63页6单片机时序与复位时钟电路用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号。6.1时钟电路时钟频率直接影响单片机的速度，电路的质量直接影响系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。第44页/共63页一、内部时钟方式

内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，其输入端：XTAL1，输出端：XTAL2。

C1和C2典型值通常选择为30pF左右。晶体的振荡频率在1.2MHz～12MHz之间。某些高速单片机芯片的时钟频率已达40MHz。第45页/共63页二、外部时钟方式

常用于多片单片机同时工作。

第46页/共63页

三、时钟信号的输出为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需增加驱动能力。

第47页/共63页6.2机器周期、指令周期与指令时序一、时钟周期单片机的基本时间单位。若时钟的晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。二、机器周期CPU完成一个基本操作所需要的时间。执行一条指令分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作。MCS-51单片机每12个时钟周期为一个机器周期，第48页/共63页一个机器周期又分为6个状态：S1～S6。每个状态又分为两拍：P1和P2。因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、SP6P1、S6P2第49页/共63页三、指令周期执行一条指令时，可分为取指令阶段和指令执行阶段。取指令阶段，PC中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。ALE信号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲1/6的频率出现，在一个机器周期中，ALE信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令MOVX时，将会丢失一个ALE脉冲）第50页/共63页8051X2X1VssTTL外接时钟源Vcc时钟电路需外接晶振的频率1.2~12MHZ，C1和C2取30±10PFX1X2C2

C1X

8051振荡电路S1S2S3S4S5S6S1S2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2fosc一个状态周期一个机器周期T=12*(1/fosc)X2CPU的时序（时钟周期、状态周期、机器周期）第51页/共63页若外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：

时钟周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs

状态周期＝1/6μs＝0.167μs

机器周期＝1μs

指令周期＝1～4μs可用于计算指令、程序的执行时间，以及定时器的定时时间第52页/共63页6.3复位电路单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。

引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使MCS-51复位。