1、151 单片机基本结构详解1.什么是单片机单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调试电路电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。图 1-1 单片机外形图2.单片机的引脚排列常用的单片机有 40 个引脚，其排列和功能如图 2-1 所示。外 ROM读 选 通 信 号外 接 晶 体 引 线 端地 址 锁 存 控 制 引 脚内 外 ROM选 择 引 脚2122232425262
2、7282930313233343536373839402019181716151413121110987654321VSSXTAL1XTAL2T1/P3.5TO/P3.4TXD/P3.1RXD/P3.0RST/VPDP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0INT0/P3.2INT1/P3.3P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0VCCEA/VPPALE/PROGPSENRD/P3.7WR/P3.6电 源 引 脚接 地 引 脚复 位 信 号P1口 P0口P3口P2口图 2-1 单片机
3、的引脚排列和功能23.单片机最小系统单片机最小系统是单片机正常工作的最小硬件要求，包括供电电路、时钟电路、复位电路，如图 3-1 所示。图 3-1 单片机的最小应用系统判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的办法，就是用万用表测量单片机晶振引脚（18、19 脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：18 脚对地约 2.24V，19 脚对地约 2.09V。对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第 9 脚对地电压为零，可以用导线短时间和5V 连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路有问题。4.
4、单片机的内部结构单片机由 5 个基本部分组成，包括中央处理器 CPU、存储器、输入/输出口、定时/ 计数器、中断系统等，如图 4-1 所示。GNDVCC1234567891011121314151617181920P1.0P1.1P1.3P1.2RXD/P3.0RST/VPDP1.7P1.6P1.5P1.4P2.7RSENALE/PROGP2.6P2.5WR/P3.6T1/P3.5T0/P3.4INT1/P3.3INT0/P3.2TXD/P3.1XTAL1XTAL2RD/P3.7VSSP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPP21222324252627282
5、93130323334353637383940P2.4P2.1P2.3P2.2P2.08051+5V +5VGNDGND5604.7K22uF/50V30P30P时 钟 电 路复 位 电 路 供电电路1K30INTCPU ROM RAM1INT0I总线时钟电路并行接口 串行接口 中断系统定时/计数器图 4-1 单片机的内部结构4.1 单片机 CPU 内部结构及功能51 单片机内部有一个 8 位的 CPU，包含运算器，控制器及若干寄存器等，如题4-2 所示。4-2 单片机 CPU 结构4从上图中我们可以看到，在虚线框内的就是 CPU 的内部结构了，8 位的MCS-51 单片机的 CPU 内部有数
6、术逻辑单元 ALU（Arithmetic Logic Unit）、累加器 A（8 位）、寄存器 B（8 位）、程序状态字 PSW（8 位）、程序计数器PC（有时也称为指令指针，即 IP，16 位）、地址寄存器 AR（16 位）、数据寄存器 DR（8 位）、指令寄存器 IR（8 位）、指令译码器 ID、控制器等部件组成。1、运算器（ALU）的主要功能A）算术和逻辑运算，可对半字节（一个字节是 8 位，半个字节就是 4 位）和单字节数据进行操作。B）加、减、乘、除、加 1、减 1、比较等算术运算。C）与、或、异或、求补、循环等逻辑运算。D）位处理功能（即布尔处理器）。由于 ALU 内部没有寄存器，
7、参加运算的操作数，必须放在累加器 A 中。累加器A 也用于存放运算结果。例如：执行指令 ADD A，B 执行这条指令时，累加器 A 中的内容通过输入口 In_1 输入 ALU，寄存器 B 通过内部数据总线经输入口 In_2 输入 ALU，A+B 的结果通过 ALU 的输出口 Out、内部数据总线，送回到累加器 A。2、程序计数器 PCPC 的作用是用来存放将要执行的指令地址，共 16 位，可对 64K ROM 直接寻址，PC 低 8 位经 P0 口输出，高 8 位经 P2 口输出。也就是说，程序执行到什么地方，程序计数器 PC 就指到哪里，它始终是跟蹿着程序的执行。我们知道，用户程序是存放在内
8、部的 ROM 中的，我们要执行程序就要从 ROM 中一个个字节的读出来，然后到 CPU 中去执行，那么 ROM 具体执行到哪一条呢？这就需要我们的程序计数器 PC 来指示。程序计数器 PC 具有自动加 1 的功能，即从存储器中读出一个字节的指令码后，PC 自动加 1（指向下一个存储单元）。3、指令寄存器 IR指令寄存器的作用就是用来存放即将执行的指令代码。在这里我们先简单的了解下 CPU 执行指令的过程，首先由程序存储器（ROM）中读取指令代码送入到指令寄存器，经译码器译码后再由定时与控制电路发出相应的控制信号，从而完成指令的功能。关于指令在单片机内部的执行过程，我们在后面将会以另一节课来进行
9、详细的讲解。4、指令译码器 ID用于对送入指令寄存器中的指令进行译码，所谓译码就是把指令转变成执行此指令所需要的电信号。当指令送入译码器后，由译码器对该指令进行译码，5根据译码器输出的信号，CPU 控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，使单片机正确的执行程序所需要的各种操作。5、地址寄存器 AR（16 位）AR 的作用是用来存放将要寻址的外部存储器单元的地址信息，指令码所在存储单元的地址编码，由程序计数器 PC 产生，而指令中操作数所在的存储单元地址码，由指令的操作数给定。从上图中我们可以看到，地址寄存器 AR 通过地址总线 AB 与外部存储器相连。6、数据寄存器 DR用于存放写入外
10、部存储器或 I/O 端口的数据信息。可见，数据寄存器对输出数据具有锁存功能。数据寄存器与外部数据总线 DB 直接相连。7、程序状态字 PSW用于记录运算过程中的状态，如是否溢出、进位等。例如，累加器 A 的内容 83H，执行：ADD A，#8AH ；累加器 A 与立即数 8AH 相加，并把结果存放在 A 中。指令后，将产生和的结果为10DH，而累加器 A 只有 8 位，只能存放低 8 位，即 0DH，元法存放结果中的最高位 B8。为些，在 CPU 内设置一个进位标志位C，当执行加法运算出现进位时，进位标志位 C 为 1。8、时序部件由时钟电路和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉
11、冲信号。4.2 单片机的存储器存储器是用来存放程序和数据的部件，MCS-51 单片机芯片内部存储器包括程序存储器和数据存储器两大类。程序存储器（ROM）一般用来存放固定程序和数据，特点是程序写入后能长期保存，不会因断电而丢失，MSC-51 系列单片机内部有 4KB 的程序存储空间，可以通过外部扩展到 64KB，如图 4-3所示。60FFFH0000H1EA外部0FFFH0000H内部 0EA4KB64KB0000HFFFFH4KBFFFFH1000H60KB图 4-3 内部程序存储器和外部程序存储器数据存储器（RAM）主要用于存放各种数据，内部结构如图 4-4 所示。优点：可以随机读入或读出，
12、读写速度快，读写方便。缺点：电源断电后，存储的信息丢失。00H07H08H0FH10H17H18H1FHR0R7R0R7R0R7R0R7 第3 组第2 组第1 组第0 组通用工作寄存器区20H2FH 位寻址区30H7FH用户数据存储区低128高12821SFR 特殊功能寄存器区图 4-4 数据存储器的内部结构位寻址区的位地址映象如表 1-1 所示。7表 1-1 位寻址区的位地址映象表4.2. 单片机的并行 I/OP0 口P0 口的口线逻辑电路如图 4-5 所示vcc/P0.XDCPQQ MUXT1T21 P0.X&图 4-5 P0 口的口线逻辑电路如图P1 口P1 口的口线逻辑电路如图 4-6
13、 所示单 元 地 址位 地 址2FH 7FH 7EH 7DH 7CH 7BH 7AH 79H 78H2EH 77H 76H 75H 74H 73H 72H 71H 70H2DH 6FH 6EH 6DH 6CH 6BH 6AH 69H 68H2CH 67H 66H 65H 64H 63H 62H 61H 60H2BH 5FH 5EH 5DH 5CH 5BH 5AH 59H 58H2AH 57H 56H 55H 54H 53H 52H 51H 50H29H 4FH 4EH 4DH 4CH 4BH 4AH 49H 48H28H 47H 46H 45H 44H 43H 42H 41H 40H27H 3
14、FH 3EH 3DH 3CH 3BH 3AH 39H 38H26H 37H 36H 35H 34H 33H 32H 31H 30H25H 2FH 2EH 2DH 2CH 2BH 2AH 29H 28H24H 27H 26H 25H 24H 23H 22H 21H 20H23H 1FH 1EH 1DH 1CH 1BH 1AH 19H 18H22H 17H 16H 15H 14H 13H 12H 11H 10H21H 0FH 0EH 0DH 0CH 0BH 0AH 09H 08H20H 07H 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H高 位 低 位8vccP1.XDCPQQP1.X图
15、 4-6 P1 口的口线逻辑电路图P2 口P2 口的口线逻辑电路如图 4-7 所示P2.XDCPQQvccP2.XMUX1图 4-7 P2 口的口线逻辑电路图 P3 口P3 口的口线逻辑电路如图 4-8 所示P3.XDCPQQvccP3.X&图 4-8 P3 口的口线逻辑电路图4.3.单片机的时钟和时序时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式：内部振荡方式和外部振荡方式MCS-51 单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端 。把放大器与晶体振荡器连接，就构成了内部9自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号直接连接到 XTAL1 端引入单片机内，XTAL2 端悬空不用。时序振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。因此时钟周期是振荡周期的两倍，即一个 S 周期，被分成两个节拍P1、P2指令周期：CPU 执行一条指令所需要的时间( 用机器周期表示)。各时序之间的关系如图 4-9 所示。图 4-9 各时序之间的关系S1P1 S2 S3 S4 S5 S6 S1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2机 器 周 期OSC时 钟时 钟 周 期状 态 拍 节
