51單片機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2.151單片機(jī)系列 2.251單片機(jī)總體結(jié)構(gòu) 2.3存儲(chǔ)器及位處理器2.4復(fù)位電路2.5時(shí)序與時(shí)鐘電路第2章51單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2.151單片機(jī)系列

51單片機(jī)是對(duì)所有兼容Intel8051指令系統(tǒng)單片機(jī)的統(tǒng)稱。

目前，常用51單片機(jī)系列產(chǎn)品主要有Intel（英特爾）、ATMEL（艾德梅爾）、STC（國(guó)產(chǎn)宏晶）單片機(jī)等等。

典型產(chǎn)品有8051、87C51、AT89S51、STC89S51、STC12C5A系列、STC12C2052系列等。

2.251單片機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2.2.151單片機(jī)的基本組成

8051單片機(jī)內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖

8051單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。2.2.151單片機(jī)的基本組成1.CPUCPU是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，是單片機(jī)的指揮和控制中心。CPU可分為運(yùn)算器和控制器兩大部分。(1)控制器控制器的功能是：接受來自程序存儲(chǔ)器ROM存儲(chǔ)單元的指令，并對(duì)其進(jìn)行譯碼，通過定時(shí)和控制電路，按時(shí)序規(guī)定發(fā)出指令功能所需要的各種（內(nèi)部和外部）控制信息，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令功能所需的操作?？刂破髦饕ǔ绦蛴?jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器及定時(shí)控制電路等。(2)運(yùn)算器ALU運(yùn)算器的功能是：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。計(jì)算機(jī)對(duì)任何數(shù)據(jù)的加工、處理必須由運(yùn)算器完成。2.2.151單片機(jī)的基本組成2.RAMRAM為單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其存儲(chǔ)空間包括隨機(jī)存儲(chǔ)器區(qū)、寄存器區(qū)、特殊功能寄存器及位尋址區(qū)。3.ROMROM為單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。4.并行I/O口P0～P3是四個(gè)8位并行I/O口，每個(gè)口既可作為輸入，也可作為輸出。單片機(jī)在與外部存儲(chǔ)器及I/O端口設(shè)備交換信息時(shí)，必須由P0～P3口完成。5.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器用于定時(shí)和對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。2.2.151單片機(jī)的基本組成6.中斷系統(tǒng)51單片機(jī)有5個(gè)中斷源，中斷處理系統(tǒng)靈活、方便，使單片機(jī)處理問題的靈活性和工作的效率大大提高。7.串行接口串行接口提供對(duì)數(shù)據(jù)各位按序一位一位地傳送。8.時(shí)鐘電路OSC時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)中最基本的時(shí)間單位。

2.2.151單片機(jī)的基本組成51單片機(jī)采用40腳雙列直插式封裝，其引腳排列及邏輯符號(hào)如圖所示。2.2.251單片機(jī)芯片引腳功能

STC12C5A系列單片機(jī)引腳圖

2.2.251單片機(jī)芯片引腳功能1．主電源引腳VCC和VSSVCC：接主電源+5V。VSS：電源接地端。2．時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端，XTAL2是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端，也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。2.2.251單片機(jī)芯片引腳功能3.控制信號(hào)引腳(1)RST/VPDRST/VPD為復(fù)位/備用電源輸入端。(2)ALE/ALE/為低8位地址鎖存使能輸出/編程脈沖輸入端。(3)為外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)，即讀選通信號(hào)(4)/VPP為外部程序存儲(chǔ)器允許訪問/編程電源輸入。

2.2.251單片機(jī)芯片引腳功能

4.并行I/O口P0～P4端口引腳(1)P0口（P0.0～P0.7）P0口是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/O端口。P0口可作通用I/O口使用，但在端口進(jìn)行輸入操作前，應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫“1”。

(2)P1口（P1.0～P1.7）P1口是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。當(dāng)P1輸出高電平時(shí)，能向外部提供拉電流負(fù)載，因此，不需再外接上拉電阻。

(3)P2口（P2.0～P2.3）P2口也是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。當(dāng)CPU訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2口自動(dòng)用于輸出高8位地址，與P0口的低8位地址一起形成外部存儲(chǔ)器的16位地址總線。(4)P3口（P2.0～P2.7）P3口是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位多功能雙向I/O端口。2.2.251單片機(jī)芯片引腳功能2.3存儲(chǔ)器及位處理器2.3.1AT89S51單片機(jī)存儲(chǔ)配置簡(jiǎn)介51系列的存儲(chǔ)器把程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間嚴(yán)格區(qū)分開。MCS-51（8051）存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖所示。51單片機(jī)存儲(chǔ)器的劃分方法如下：(1)從物理結(jié)構(gòu)上劃分，有4個(gè)存儲(chǔ)空間。

片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。

片外程序存儲(chǔ)器。

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。(2)從邏輯上劃分，有3個(gè)存儲(chǔ)器地址空間。

片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB的程序存儲(chǔ)器地址空間。

片內(nèi)（128+128）B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間。

片外64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間。在訪問不同的邏輯存儲(chǔ)空間時(shí)，MCS-51提供了不同形式的指令：

MOV指令用于訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

MOVC用于訪問片內(nèi)外程序存儲(chǔ)器。

MOVX用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。2.3.2程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器用于存放已編制好的程序及程序中用到的常數(shù)。程序存儲(chǔ)器由ROM構(gòu)成，單片機(jī)掉電后ROM內(nèi)容不會(huì)丟失。

2.3.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放程序運(yùn)算的中間結(jié)果、狀態(tài)標(biāo)志位等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由RAM構(gòu)成，一旦掉電，其數(shù)據(jù)將丟失。1.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，是兩個(gè)獨(dú)立的地址空間，應(yīng)分別單獨(dú)編址。

1）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器256B地址空間和SFR。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是最活躍、最靈活的存儲(chǔ)空間，MCS-51指令系統(tǒng)尋址方式及應(yīng)用程序大部分是面向內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器SFR兩大部分統(tǒng)一編址。片內(nèi)RAM低128B，地址空間為00H～7FH。高128B為特殊功能寄存器（SFR）區(qū)，地址空間為80H～FFH，其中僅有21個(gè)字節(jié)單元是有定義的。2）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器最大可擴(kuò)充為64KB，其指示地址靠數(shù)據(jù)指針DPTR（16位）。2.工作寄存器區(qū)

在低128B的RAM區(qū)中，將地址00～1FH共32個(gè)單元設(shè)為工作寄存器區(qū)，這32個(gè)單元又分為4組，每組由8個(gè)單元按序組成通用寄存器R0～R7。通用寄存器R0～R7不僅用于暫存中間結(jié)果，而且是CPU指令中尋址方式不可缺少的工作單元。3.可位尋址區(qū)地址為20H～2FH的16個(gè)RAM（字節(jié)）單元，既可以像普通RAM單元按字節(jié)地址進(jìn)行存取，又可以按位進(jìn)行存取，這16個(gè)字節(jié)共有128(16×8)個(gè)二進(jìn)制位，每一位都分配一個(gè)位地址，編址為00H～7FH。4.數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在30H～7FH區(qū)的80個(gè)RAM單元為用戶RAM區(qū)，只能按字節(jié)存取。所以，30H～7FH區(qū)是真正的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。2.3.4特殊功能寄存器

在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的80H～FFH單元（高128B）中，有21個(gè)單元作為專用寄存器（SFR），又稱特殊功能寄存器。

例如：

累加器ACC：字節(jié)地址為E0H，并可對(duì)其D0～D7各位進(jìn)行位尋址。D0～D7位地址相應(yīng)為E0H～E7H。

程序狀態(tài)字PSW：字節(jié)地址為D0H。

D0～D7數(shù)據(jù)位的位地址相應(yīng)為D0H～D7H。并可對(duì)其D0～D7各位進(jìn)行位尋址。主要用于寄存當(dāng)前指令執(zhí)行后的某些狀態(tài)信息。

Cy表示進(jìn)位/借位標(biāo)志，指令助記符為C，位地址為D7H（也可表示為PSW.7）。

堆棧指針SP：字節(jié)地址為81H，不能進(jìn)行位尋址。

端口P1：字節(jié)地址為90H，并可對(duì)其D0～D7各位進(jìn)行位尋址。D0～D7數(shù)據(jù)位的位地址相應(yīng)為90H～97H（也可表示為P1.0～P1.7）。2.3.5位處理器

所謂位處理，是指對(duì)一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)（即0和1）的處理，一位二進(jìn)制數(shù)的典型應(yīng)用就是開關(guān)量應(yīng)用，單片機(jī)具有較強(qiáng)的位處理能力。

在51單片機(jī)中，8位微型機(jī)和布爾處理機(jī)的硬件資源是復(fù)合在一起的，二者相輔相成。例如，8位CPU的程序狀態(tài)字PSW中的進(jìn)位標(biāo)志Cy，在布爾處理機(jī)中用作累加器C；又如，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器既可字節(jié)尋址，又可位尋址，這正是51單片機(jī)在設(shè)計(jì)上的精美之處。2.4復(fù)位電路2.4.1復(fù)位的概念單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)需要復(fù)位，使CPU以及其他功能部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)（如PC的值為0000H），并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，單片機(jī)應(yīng)用程序必須以此作為設(shè)計(jì)前提。另外，在單片機(jī)工作過程中，如果出現(xiàn)死機(jī)時(shí)，也必須對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，使其重新開始工作。2.4.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)51單片機(jī)的復(fù)位電路包括上電復(fù)位電路和按鍵（外部）復(fù)位電路。復(fù)位電路a）上電復(fù)位b）按鍵脈沖復(fù)位c）按鍵（手動(dòng)）電平復(fù)位2.5時(shí)鐘電路與時(shí)序2.5.1CPU時(shí)序時(shí)序就是計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行時(shí)各種微操作在時(shí)間上的順序關(guān)系。計(jì)算機(jī)所執(zhí)行的每一操作都是在時(shí)鐘信號(hào)的控制下進(jìn)行的。每執(zhí)行一條指令，CPU都要發(fā)出一系列特定的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)指令的正確執(zhí)行。1.時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期(1)時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期也稱振蕩周期，即振蕩器的振蕩頻率fosc的倒數(shù)，是時(shí)序中最小的時(shí)間單位。(2)機(jī)器周期執(zhí)行一條指令的過程可分為若干個(gè)階段，每一階段完成一規(guī)定的操作，完成一個(gè)規(guī)定操作所需要的時(shí)間稱為一個(gè)機(jī)器周期。(3)指令周期指令周期定義為執(zhí)行一條指令所用的時(shí)間。

2.51單片機(jī)的取指／執(zhí)行時(shí)序取指令階段把程序計(jì)數(shù)器PC中的指令地址送到程序存儲(chǔ)器，選中指定單元并從中取出需要執(zhí)行的指令。指令執(zhí)行階段對(duì)指令操作碼進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生一系列控制信號(hào)完成指令的執(zhí)行。2.5.2時(shí)鐘電路51單片機(jī)的時(shí)鐘電路有以上三種接法，如圖所示。實(shí)際使用時(shí)一般是采用a圖接法，即只需一個(gè)晶振（頻率根據(jù)需要選擇），2個(gè)30PF的微調(diào)電容（起穩(wěn)定振蕩頻率的作