單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和原理

1、第第2章章 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和原理單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和原理 2.1 MCS -51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2.4 存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu) 2.3 單片機(jī)的引腳及其功能單片機(jī)的引腳及其功能 2.7 單片機(jī)工作的基本時(shí)序單片機(jī)工作的基本時(shí)序 2.1 MCS - 51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 2.2.1 MCS - 51系列單片機(jī)的分類系列單片機(jī)的分類 表表 2.1 MCS - 51 系列單片機(jī)配置一覽表系列單片機(jī)配置一覽表 2.2.2 MCS - 51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖圖 2.1 MCS - 51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 8031：無(wú)內(nèi)部：無(wú)內(nèi)部ROM8051：內(nèi)部

2、：內(nèi)部4KB掩膜掩膜ROM8751：內(nèi)部：內(nèi)部4KBEPROM2.4 MCS-51 存貯器組織存貯器組織普林思頓結(jié)構(gòu)：普林思頓結(jié)構(gòu)：哈佛結(jié)構(gòu)：哈佛結(jié)構(gòu)：51單片機(jī)的存貯器組織是哈佛結(jié)構(gòu)。單片機(jī)的存貯器組織是哈佛結(jié)構(gòu)。物理上：片內(nèi)程序存貯器物理上：片內(nèi)程序存貯器 片外程序存貯器片外程序存貯器 64KB程序存貯空間程序存貯空間 片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器 256B片內(nèi)片內(nèi)RAM 邏輯空間邏輯空間 片外數(shù)據(jù)存貯器片外數(shù)據(jù)存貯器 64KB片外片外RAM圖圖 2.2 MCS - 51 單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 1. 程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器P41 對(duì)于對(duì)于8051來(lái)說(shuō)來(lái)說(shuō), 程序存儲(chǔ)器（程序存

3、儲(chǔ)器（ROM）的內(nèi)部地址為）的內(nèi)部地址為 0000H0FFFH, 共共 4 KB; 外部地址為外部地址為 1000HFFFFH, 共共 60 KB。 當(dāng)程序計(jì)數(shù)器由內(nèi)部當(dāng)程序計(jì)數(shù)器由內(nèi)部 0FFFH執(zhí)行到外部執(zhí)行到外部 1000H 時(shí)時(shí), 會(huì)自會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)。對(duì)于動(dòng)跳轉(zhuǎn)。對(duì)于 8751 來(lái)說(shuō)來(lái)說(shuō), 內(nèi)部有內(nèi)部有 4 KB的的EPROM, 將它作為內(nèi)將它作為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器部程序存儲(chǔ)器; 8031 內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器, 必須外接程序存儲(chǔ)器。必須外接程序存儲(chǔ)器。 8031 最多可外擴(kuò)最多可外擴(kuò) 64 KB程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器, 其中其中 6 個(gè)單元地址具有特個(gè)單元地址具有特殊用途殊用途,

4、是保留給系統(tǒng)使用的。是保留給系統(tǒng)使用的。0000H是系統(tǒng)的啟動(dòng)地址是系統(tǒng)的啟動(dòng)地址, 一般一般在該單元中存放一條絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令。在該單元中存放一條絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令。0003H、000BH、 000BH、001BH和和 0023H對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) 5 種中斷源的中斷服務(wù)入口地址。種中斷源的中斷服務(wù)入口地址。 2. 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 MCS-51 單片機(jī)片內(nèi)單片機(jī)片內(nèi)RAM的配置如圖的配置如圖 2.4（b）所示。）所示。片內(nèi)片內(nèi)RAM為為 256 字節(jié)字節(jié), 地址范圍為地址范圍為00HFFH, 分為兩大部分分為兩大部分: 低低 128 字節(jié)（字節(jié)（00H7FH）為真正的）為真正的RAM區(qū)區(qū); 高高

5、128 字節(jié)字節(jié)（80HFFH）為特殊功能寄存器區(qū)）為特殊功能寄存器區(qū)SFR。 在低在低 128 字節(jié)字節(jié)RAM中中, 00H1FH共共 32 單元是單元是 4 個(gè)通用個(gè)通用工作寄存器區(qū)。工作寄存器區(qū)。每一個(gè)區(qū)有每一個(gè)區(qū)有 8 個(gè)通個(gè)通用寄存器用寄存器R0R7。寄存器。寄存器和和RAM地址對(duì)應(yīng)關(guān)系如表地址對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 2.4。 表表 2.4 寄存器與寄存器與RAM 地址對(duì)照表地址對(duì)照表 表表 2.2 RS1、 RS0與片內(nèi)工作寄存器組的對(duì)應(yīng)關(guān)系與片內(nèi)工作寄存器組的對(duì)應(yīng)關(guān)系 RS1RS0寄存器組寄存器組片內(nèi)片內(nèi)PAM地址地址通用寄存器通用寄存器名稱名稱000組組00H07HR0R7011組組08

6、H0FHR0R7102組組10H17HR0R7013組組18H1FHR0R7表表 2.5 RAM中的中的位尋址區(qū)位尋址區(qū)地址表地址表 表表 2.6 SFR特殊功能寄存器特殊功能寄存器地址表地址表 表表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表特殊功能寄存器地址表 表表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表特殊功能寄存器地址表 1）. 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC（Program Counter）物理上獨(dú)立。物理上獨(dú)立。 PC用于存放用于存放CPU下一條要執(zhí)行的指令地址下一條要執(zhí)行的指令地址, 是一個(gè)是一個(gè) 16 位的專用寄存器位的專用寄存器, 可尋址范圍是可尋址范圍是0000H0FFFFH共共 64 K.

7、。 程序中的每條指令存放在程序中的每條指令存放在ROM區(qū)的某一單元區(qū)的某一單元, 并都有自己并都有自己的存放地址。的存放地址。 CPU 要執(zhí)行哪條指令時(shí)要執(zhí)行哪條指令時(shí), 就把該條指令所在就把該條指令所在的單元的地址送上地址總線。的單元的地址送上地址總線。 在順序執(zhí)行程序中在順序執(zhí)行程序中, 當(dāng)當(dāng)PC的的內(nèi)容被送到地址總線后內(nèi)容被送到地址總線后, 會(huì)自動(dòng)加會(huì)自動(dòng)加 1, 即即(PC) (PC)+1, 又又指向指向CPU 下一條要執(zhí)行的指下一條要執(zhí)行的指令地址。令地址。 2）累加器）累加器A ： 地址地址E0H，可以位尋址。，可以位尋址。3）寄存器）寄存器B：地址：地址F0H，可以位尋址。，可以

8、位尋址。4）程序狀態(tài)字）程序狀態(tài)字PSW：存放各種標(biāo)志。：存放各種標(biāo)志。 5）. 堆棧指針堆棧指針SP（Stack Pointer） 堆棧操作是在內(nèi)存堆棧操作是在內(nèi)存RAM區(qū)專門開(kāi)辟出來(lái)的按照區(qū)專門開(kāi)辟出來(lái)的按照“先進(jìn)先進(jìn)后出后出”原則進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的一種工作方式原則進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的一種工作方式, 主要用于子程序主要用于子程序調(diào)用及返回和中斷處理斷點(diǎn)的保護(hù)及返回調(diào)用及返回和中斷處理斷點(diǎn)的保護(hù)及返回, 它在完成子程序它在完成子程序嵌套和多重中斷處理中是必不可少的。為保證逐級(jí)正確返回嵌套和多重中斷處理中是必不可少的。為保證逐級(jí)正確返回, 進(jìn)入棧區(qū)的進(jìn)入棧區(qū)的“斷點(diǎn)斷點(diǎn)”數(shù)據(jù)應(yīng)遵循數(shù)據(jù)應(yīng)遵循“先進(jìn)后出先

9、進(jìn)后出”的原則。的原則。SP用用來(lái)指示堆棧所處的位置來(lái)指示堆棧所處的位置, 在進(jìn)行操作之前在進(jìn)行操作之前, 先用指令給先用指令給SP賦值賦值, 以規(guī)定棧區(qū)在以規(guī)定棧區(qū)在RAM區(qū)的起始地址（棧底層）。當(dāng)數(shù)據(jù)推入?yún)^(qū)的起始地址（棧底層）。當(dāng)數(shù)據(jù)推入棧區(qū)后棧區(qū)后, SP的值也自動(dòng)隨之變化。的值也自動(dòng)隨之變化。MCS - 51 系統(tǒng)復(fù)位后系統(tǒng)復(fù)位后, SP初始化為初始化為07H。 6）. 數(shù)據(jù)指針寄存器數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR 數(shù)據(jù)指針數(shù)據(jù)指針DPTR是一個(gè)是一個(gè) 16 位的專用寄存器位的專用寄存器, 其其高位字節(jié)寄存器用高位字節(jié)寄存器用DPH表示表示,低位字節(jié)寄存器用低位字節(jié)寄存器用DPL表示。既可作為

10、一個(gè)表示。既可作為一個(gè) 16 位寄存器位寄存器DPTR來(lái)處來(lái)處理理, 也可作為兩個(gè)獨(dú)立的也可作為兩個(gè)獨(dú)立的 8 位寄存器位寄存器DPH和和DPL來(lái)來(lái)處理。處理。 DPTR 主要用來(lái)存放主要用來(lái)存放 16 位地址位地址, 當(dāng)對(duì)當(dāng)對(duì) 64 KB外外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間尋址時(shí)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間尋址時(shí), 作為間址寄存器作為間址寄存器用。在用。在訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器時(shí)訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器時(shí), 用作基址寄存器。用作基址寄存器。 7）I/O端口（端口（P0P3）8）SBUF9）定時(shí)器）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器T0，T110）其他控制寄存器）其他控制寄存器 IE，IP中斷中斷 SCON：串行口：串行口 TMOD，TCON：定時(shí)：定

11、時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 PCON：供電方式：供電方式 3. 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一般由靜態(tài)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一般由靜態(tài)RAM構(gòu)成，其容量構(gòu)成，其容量大小由用戶根據(jù)需要而定大小由用戶根據(jù)需要而定, 最大可擴(kuò)展到最大可擴(kuò)展到 64 KB RAM , 地址是地址是 0000H0FFFFH。 CPU通過(guò)通過(guò)MOVX指令訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器指令訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器, 用間接尋址方式用間接尋址方式, R0、R1和和 DPTR都可作間接寄存器。注意都可作間接寄存器。注意, 外部外部RAM和和擴(kuò)展的擴(kuò)展的I/O接口是統(tǒng)一編址的接口是統(tǒng)一編址的, 所有的所有的外擴(kuò)外擴(kuò)I/O 口口都要占用都要占用 64

12、 KB中的地址單元。中的地址單元。 2.6 單片機(jī)的引腳及其功能單片機(jī)的引腳及其功能 圖圖 2.6 MCS - 51單片機(jī)引腳及總線結(jié)構(gòu)單片機(jī)引腳及總線結(jié)構(gòu)(a) 管腳圖；管腳圖； (b) 8031 引腳功能分類引腳功能分類 1. 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路 圖圖 2.2 單片機(jī)時(shí)鐘電路單片機(jī)時(shí)鐘電路（a） 內(nèi)部時(shí)鐘電路；內(nèi)部時(shí)鐘電路； （b） 外部振蕩源外部振蕩源 2并行輸入并行輸入/輸出口輸出口 圖圖 2.5 P0 口內(nèi)部一位結(jié)構(gòu)圖口內(nèi)部一位結(jié)構(gòu)圖 1. P0口口 2. P1、P2和和P3口口 P1、P2 和和P3 口為準(zhǔn)雙向口口為準(zhǔn)雙向口, 在內(nèi)部差別不大在內(nèi)部差別不大, 但使用功能但使用功能有所

13、不同。有所不同。 P1口是用戶專用口是用戶專用 8 位準(zhǔn)雙向位準(zhǔn)雙向I/O口口, 具有通用輸入具有通用輸入/輸出功輸出功能能, 每一位都能獨(dú)立地設(shè)定為輸入或輸出。當(dāng)有輸出方式變?yōu)槊恳晃欢寄塥?dú)立地設(shè)定為輸入或輸出。當(dāng)有輸出方式變?yōu)檩斎敕绞綍r(shí)輸入方式時(shí), 該位的鎖存器必須寫(xiě)入該位的鎖存器必須寫(xiě)入“1”, 然后才能進(jìn)入輸入操然后才能進(jìn)入輸入操作。作。 P2口是口是 8 位準(zhǔn)雙向位準(zhǔn)雙向I/O口。外接口。外接I/O設(shè)備時(shí)設(shè)備時(shí), 可作為擴(kuò)展系可作為擴(kuò)展系統(tǒng)的地址總線統(tǒng)的地址總線, 輸出高輸出高8位地址位地址, 與與P0 口一起組成口一起組成 16 位地址總位地址總線。線。 對(duì)于對(duì)于 8031 而言而言

14、, P2 口一般只作為地址總線使用口一般只作為地址總線使用, 而不而不作為作為I/O線直接與外部設(shè)備相連。線直接與外部設(shè)備相連。 表表 2.7 P3口的第二功能口的第二功能 說(shuō)明：說(shuō)明：1. 各個(gè)端口引腳在作輸入口之前，都要先向?qū)?yīng)的各個(gè)端口引腳在作輸入口之前，都要先向?qū)?yīng)的口寄存器中寫(xiě)口寄存器中寫(xiě)“1”，不然不能作輸入口用。，不然不能作輸入口用。2. P0口內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻（其他都有），所以作通口內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻（其他都有），所以作通用用IO口用時(shí)為口用時(shí)為“開(kāi)漏開(kāi)漏”輸出，必須外加上拉電阻。輸出，必須外加上拉電阻。在作總線使用時(shí)不需要加上拉。其他的口可加可不在作總線使用時(shí)不需要加上拉。其他

15、的口可加可不加。加。 （上拉電阻的阻值確定，（上拉電阻的阻值確定，5.1K或者或者4.7K都可都可以）。以）。3. P3口作第二功能使用時(shí)，相應(yīng)的口鎖存器必須為口作第二功能使用時(shí)，相應(yīng)的口鎖存器必須為 “1” 狀態(tài)。狀態(tài)。4. 如果使用了外部存儲(chǔ)器，不要再寫(xiě)如果使用了外部存儲(chǔ)器，不要再寫(xiě)P0口?？凇?.控制信號(hào)控制信號(hào)3.1 復(fù)位信號(hào)復(fù)位信號(hào)RST 此引腳出現(xiàn)此引腳出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期（個(gè)機(jī)器周期（12個(gè)時(shí)鐘周期）的高電平，芯片內(nèi)部初始復(fù)位。個(gè)時(shí)鐘周期）的高電平，芯片內(nèi)部初始復(fù)位。 圖圖 2.3 單片機(jī)復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路（a）上電復(fù)位電路；）上電復(fù)位電路；(b) 開(kāi)關(guān)復(fù)位電路開(kāi)關(guān)復(fù)位電路 表表

16、 2.3 復(fù)位后內(nèi)部寄存器狀態(tài)復(fù)位后內(nèi)部寄存器狀態(tài) （SP）=07，P0P3輸出高電平。輸出高電平。SFR和和PC 清零。不影響片內(nèi)清零。不影響片內(nèi)RAM的狀態(tài)。的狀態(tài)。3.2 ALE/PROGALE：地址鎖存允許信號(hào)：地址鎖存允許信號(hào)當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存貯器時(shí)，當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存貯器時(shí)，P0是地址是地址/數(shù)據(jù)復(fù)用，在數(shù)據(jù)復(fù)用，在ALE 下降沿時(shí)將下降沿時(shí)將P0口上地口上地址信息鎖存在片外鎖存器。址信息鎖存在片外鎖存器。不訪問(wèn)外部存貯器時(shí)，以不訪問(wèn)外部存貯器時(shí)，以1/6固定頻率輸出正脈沖，可做外部時(shí)鐘源固定頻率輸出正脈沖，可做外部時(shí)鐘源。3.3PSEN：片外程序存貯器選通信號(hào)，低電平有效。：片外

17、程序存貯器選通信號(hào)，低電平有效。 訪問(wèn)外部程序存貯器時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生，訪問(wèn)片外訪問(wèn)外部程序存貯器時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生，訪問(wèn)片外RAM時(shí)不產(chǎn)生。時(shí)不產(chǎn)生。3.4 EA：內(nèi)外部：內(nèi)外部ROM選擇信號(hào)選擇信號(hào)對(duì)對(duì)8051，8071：EA=1，CPU訪問(wèn)訪問(wèn)ROM時(shí)，地址小于時(shí)，地址小于4KB， 訪問(wèn)內(nèi)部訪問(wèn)內(nèi)部ROM， 地址大于地址大于4KB，訪問(wèn)外部，訪問(wèn)外部ROM。EA=0，只訪問(wèn)外部，只訪問(wèn)外部ROM。對(duì)對(duì)8031，EA引腳必須接地。引腳必須接地。系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)三總線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)三總線結(jié)構(gòu)P391. AB：P0 低八位低八位 P2高八位高八位2. DB：P03. CB：2.7 單片機(jī)工作的基本時(shí)序單片機(jī)工作的基

18、本時(shí)序 所謂時(shí)序就是所謂時(shí)序就是CPU總線信號(hào)在時(shí)間上的順總線信號(hào)在時(shí)間上的順序關(guān)系。序關(guān)系。 CPU控制器實(shí)際上是復(fù)雜的同步時(shí)序電路，控制器實(shí)際上是復(fù)雜的同步時(shí)序電路，所有的工作都是在時(shí)鐘信號(hào)的控制下進(jìn)行的。所有的工作都是在時(shí)鐘信號(hào)的控制下進(jìn)行的。每執(zhí)行一條指令，每執(zhí)行一條指令，CPU控制器都要發(fā)出一系列控制器都要發(fā)出一系列特定的控制信號(hào)，這些控制信號(hào)在時(shí)間上的相特定的控制信號(hào)，這些控制信號(hào)在時(shí)間上的相互關(guān)系就是互關(guān)系就是CPU的時(shí)序。的時(shí)序。 一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)要想正常工作，除了要做一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)要想正常工作，除了要做到電平匹配、功率匹配外，還要做到時(shí)序匹到電平匹配、功率匹配外，還要做到時(shí)序匹配。配。 1. 機(jī)器周期和指令