1、第2章 单片机的硬件结构和原理,2.1 概述 2.2 MCS -51单片机硬件结构 2.3 中央处理器CPU 2.4 存储器的结构 2.5 并行输入/输出接口 2.6 单片机的引脚及其功能 2.7 单片机工作的基本时序,2.1 概 述,2.1.1 单片机的发展简史,70年代：单板机 80年代：单片机 90年代 以后：大规模、专业化单片机,1. 4位机（单板机）（19711974） 2. 低档8位机（单板机）（19741978） 3. 高档8位单片机（19781982） 4. 16位单片机（19821990） 5. 新一代单片机（90年代以来）,2.1.2 单片机的应用,1. 单机应用,（1）
2、测控系统。 （2） 智能仪表。 （3） 机电一体化产品。 （4） 智能接口。 （5） 智能民用产品。,单片机的特点 小巧灵活、成本低、易于产品化 可靠性好，适应温度范围宽 易扩展，易构成各种应用系统 方便地实现多机和分布式控制系统,2. 多机应用 （1） 功能集散系统。 （2） 并行多控制系统。 （3） 局部网络系统。,1.工业 生产过程流水线控制 各种工业产品的自动控制 2.农业 农业自动化生产过程控制 农副产品加工自动化生产过程控制 3.国防 航天飞行器、人造卫星控制； 飞行器驾驶、作战自动控制； 雷达、导弹自动控制 4.民用产品： 家用电器； 玩具； 个人用微机及外设； 智能仪器、仪表；
3、 通讯仪器,2.2 MCS - 51单片机硬件结构,2.2.1 MCS - 51系列单片机的分类,表 2.1 MCS - 51 系列单片机配置一览表,Atmel()51系列: AT89c51/52/s53/c2051/c1051;,2.2.2 MCS - 51单片机的内部结构,图 2.1 MCS - 51单片机结构框图,2.2.3 MCU主要厂家1. Intel()51 系列:8031/8051/8751, 8032/8052;96系列:8097/8098/80196KB/KC/KD; 2. Atmel()51系列:AT89c51/52/s53/c2051/c1051;RISC系列; ARM系
4、列等; 3.Microchip(WWW)PIC系列:Pic16c5x/6x/7x/f8x;,4.Analog device()Soc系列: ADuC812/814/824; 5.Cygnal()Soc 系列:C8051F020/040/060/080; 6.TI()MSP系列:MSP430F11x/13x/14x; 7.Motorola()68HC 系列:68HCxx,参考书: 1. 单片机原理及接口技术 曹国华 西电科大;2. 单片微机原理及应用 丁元杰 机工版;3. Mcs51单片机应用设计 张毅刚 哈工版;4. 单片微型计算机原理及应用 张毅坤 西电版,2.4 存储器的结构,图 2.4
5、MCS - 51 单片机的存储器结构,1. 程序存储器对于8051来说, 程序存储器（ROM）的内部地址为 0000H0FFFH, 共4 KB; 外部地址为1000HFFFFH, 共 60 KB。当程序计数器由内部 0FFFH执行到外部 1000H 时, 会自动跳转。对于 8751 来说, 内部有 4 KB的EPROM, 将它作为内部程序存储器; 8031 内部无程序存储器, 必须外接程序存储器。8031最多可外扩64 KB程序存储器, 其中6个单元地址具有特殊用途, 是保留给系统使用的。0000H是系统的启动地址, 一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。0003H、000BH、 0013H、0
6、01BH和 0023H对应 5 种中断源的中断服务入口地址。,51单片机程序存储器中的特殊单元: 0000H-复位后程序的起点位置(PC)=0000H 0003H-外部中断0(INT0) 中断服务入口地址 000BH-计数器定时器0(T0)的中断服务入口地址 0013H -外部中断1(INT1) 中断服务入口地址 001BH -计数器定时器1(T1)的中断服务入口地址 0023H-串行口(SIO)的中断服务入口地址002BH - (T2)的中断服务入口地址-(52子系列),2. 内部数据存储器MCS-51 单片机片内RAM的配置如图 2.4（b）所示。片内RAM为 256 字节, 地址范围为0
7、0HFFH, 分为两大部分: 低 128 字节（00H7FH）为真正的RAM区; 高 128 字节（80HFFH）为特殊功能寄存器区SFR。在低 128 字节RAM中, 00H1FH共 32 单元是 4 个通用工作寄存器区。每一个区有 8 个通用寄存器R0R7。寄存器和RAM地址对应关系如表 2.4。,表 2.4 寄存器与RAM 地址对照表,表 2.5 RAM中的位寻址区地址表,表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表,表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表,表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表,3. 外部数据存储器外部数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由用户根据需要而定, 最大可扩展
8、到 64 KB RAM , 地址是 0000H0FFFFH。CPU通过MOVX指令访问外部数据存储器, 用间接寻址方式, R0、R1和 DPTR都可作间接寄存器。注意, 外部RAM和扩展的I/O接口是统一编址的, 所有的外扩I/O口都要占用 64 KB中的地址单元。,2.3 中央处理器CPU,2.3.1 运算器,1. 算术逻辑单元ALU 2. 累加器ACC （Accumulator） 3. 寄存器B 4. 程序状态字PSW （Programe State Word）,Cy 或C-进位借位标志位; 位累加器 AC-辅助进位借位标志位 F0-用户标识位 RS0,RS1-工作寄存器组选择位 OV-溢
9、出标志位 D1- 保留位 P-奇偶标志位,表 2.2 RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系,2.3.2 控制器,1. 时钟电路,图 2.2 单片机时钟电路 （a） 内部时钟电路； （b） 外部振荡源,2. 复位电路,图 2.3 单片机复位电路 （a）上电复位电路；(b) 开关复位电路,表 2.3 复位后内部寄存器状态,3. 指令寄存器和指令译码器指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时, 由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器, 经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号, 完成指令所指定的操作。,4. 程序计数器PC（Program Counter）PC用于存放CPU下一
10、条要执行的指令地址, 是一个 16 位的专用寄存器, 可寻址范围是0000H0FFFFH共 64 KB。 程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元, 并都有自己的存放地址。 CPU 要执行哪条指令时, 就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。 在顺序执行程序中, 当PC的内容被送到地址总线后, 会自动加 1, 即(PC) (PC)+1, 又指向CPU 下一条要执行的指令地址。,5. 堆栈指针SP（Stack Pointer）堆栈操作是在内存RAM区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一种工作方式, 主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回, 它在完成子程序嵌套和多重中断
11、处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回, 进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。SP用来指示堆栈所处的位置, 在进行操作之前, 先用指令给SP赋值, 以规定栈区在RAM区的起始地址（栈底层）。当数据推入栈区后, SP的值也自动随之变化。MCS - 51 系统复位后, SP初始化为07H。,6. 数据指针寄存器DPTR数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器, 其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器DPTR来处理, 也可作为两个独立的 8 位寄存器DPH和DPL来处理。 DPTR 主要用来存放 16 位地址, 当对 64 KB外部数据
12、存储器空间寻址时或在访问程序存储器时, 用作基址寄存器。,2.5 并行输入/输出接口,图 2.5 P0 口内部一位结构图,1. P0口,2. P1、P2和P3口,P1、P2 和P3 口为准双向口, 在内部差别不大, 但使用功能有所不同。 P1口是用户专用 8 位准双向I/O口, 具有通用输入/输出功能, 每一位都能独立地设定为输入或输出。当有输出方式变为输入方式时, 该位的锁存器必须写入“1”, 然后才能进入输入操作。 P2口是 8 位准双向I/O口。外接I/O设备时, 可作为扩展系统的地址总线, 输出高8位地址, 与P0 口一起组成 16 位地址总线。 对于 8031 而言, P2 口一般只
13、作为地址总线使用, 而不作为I/O线直接与外部设备相连。,表 2.7 P3口的第二功能,P3口为双功能口。当作为通用I/O口时，是准双向口；当作为第二功能使用时，每一位的功能如表2.7所示。,2.6 单片机的引脚及其功能,图 2.6 MCS - 51单片机引脚及总线结构 (a) 管脚图； (b) 8031 引脚功能分类,2.6 单片机的引脚及其功能,2.7 单片机工作的基本时序,1. 机器周期和指令周期（1） 振荡周期: 也称时钟周期, 是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 （2） 状态周期: 每个状态周期为时钟周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。 （3） 机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期S1S6, 也就是 12 个时钟周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。 （4） 指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。,2. MCS - 51 指令的取指/执行时序,图2.7 MCS - 51 单片机取指/执行时序,3. 访问外部ROM和RAM的时序,图 2.8 读外部程序ROM时序,图 2 - 9 读外部数据RAM时序,图 2.10 写外部数据RAM的时序,
