第二章单片机的结构及工作原理

单片机系统设计闫丽华：办公地点：励耘楼B309办公电话：6126148QQ：327646775E-Mail：[e-mail]2.1AT89S51单片机的主要特性2.2单片机的硬件结构2.351系列单片机的引脚及功能2.4单片机的存储器配置2.5时钟电路与CPU时序2.6单片机的工作方式2.7单片机最小系统第二章单片机的结构Atmel公司的产品MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有：基本型：末位为“1”﹡8051/8751/8031(HMOS工艺)﹡MCS-51/87C51/80C31(CHMOS工艺)2.1AT89S51单片机的结构和特性增强型：末位为“2”8052/8752/803280C52/87C52/80C32Atmal89系列单片机的特点：AT89S51是一种低功耗、高性能、CMOS、8位微控制器，具有4K在系统可编程Flash存储器，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。另外，AT89S52（8KFLASH）可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.1AT89S51单片机的主要特性2.2单片机的硬件结构2.351系列单片机的引脚及功能2.4单片机的存储器配置2.5时钟电路与CPU时序2.6单片机的工作方式2.7单片机最小系统第二章单片机的结构2.2MCS-51单片机的硬件结构51系列单片机在结构上基本相同，只是在个别模块和功能上有些区别。时钟电路总线控制CPUROM/EPROM/FLASH4K字节RAM128字节SFR21个定时/计数器2个中断系统5中断源、2优先级串行口全双工2个并行口4个RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1P0P1P2P3VCCVSS1、中央处理器CPU：8位，运算和控制功能2、内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。3、内部ROM：4KBROM，用于存放程序、原始数据。4、定时/计数器：两个16位的定时/计数器，定时或计数功能。5、并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。6、串行口：一个全双工串行口。7、中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）8、时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ到12MHZ与MCS-51单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz～33Hz三级加密程序存储器32个可编程I/O口线3个16位定时器/计数器八个中断源一个全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒双数据指针掉电标识符一、AT89S52主要性能：P3口驱动器P1口驱动器P2口驱动器P0口驱动器RAM地址寄存器ARRAM128字节P0口锁存器P2口锁存器P1口锁存器P3口锁存器堆栈指针SPSCONSBUFPCONTCONTMODTL0TL1TH0TH1IEIPROM4K字节暂存器2ACCBPSWALU暂存器1指令寄存器IR指令译码器ID定时与控制DPHDPLPC增量器程序计数器PC地址寄存器AR缓冲器振荡器RSTEAALEPSENXTAL1XTAL2VSSVCC二、MCS-51的内部结构□○○○○○运算器控制器□□□□○三、中央处理器——CPU中央处理器简称CPU，是单片机的核心部件，其作用是读入和分析每条指令，根据每条指令的功能要求，完成运算和控制操作。中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。1．运算器电路运算器的功能是完成算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传送等功能，主要由以下五部分组成：算术逻辑单元(ALU)：算术逻辑运算累加器(ACC)：数据和计算结果多数要经过A累加器暂存寄存器(TMP1、TMP2)寄存器B:与A累加器配合执行乘、除运算程序状态字寄存器(PSW)堆栈寄存器2.控制器电路控制器向CPU发出控制时序，由程序计数器PC提供将要执行的指令所在的存储单元地址，微处理器根据该地址从内存中取出指令,存入指令寄存器IR，经过指令译码ID,并根据定时电路产生的时钟信号向其他部件发出各种控制信号，协调各部分的工作，完成指令规定的各种操作。PC存放下一条要执行的指令的地址，CPU总是按PC的值读取指令并执行。CPU读取指令后PC会自动加1/2，指向下一条指令。复位时，PC=0000H。2.1AT89S51单片机的主要特性2.2单片机的硬件结构2.351系列单片机的引脚及功能2.4单片机的存储器配置2.5时钟电路与CPU时序2.6单片机的工作方式2.7单片机最小系统第二章单片机的结构一、MCS-51单片机的信号引脚电源VCC（40脚）:接+5V电源正端;VSS（20脚）:接+5V电源地端。外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）:接外部石英晶体的一端。在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚接地;对于CHMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。1.电源和时钟信号（4个）XTAL2（18脚）:接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端;对于CHMOS芯片,该引脚悬空不接。（1）RST/VPD（9脚）:该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。RST即为RESET,VPD为备用电源。（2）（30脚）:地址锁存/编程ALE：当访问外部存储器时,ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低8位地址。PROG：编程脉冲输入/ALEPROG2.控制信号（4个）（3）（29脚）:片外程序存储器读选通信号输出端,低电平有效。（4）（31脚）:为访问外部程序存储器控制信号。EA=0：只能访问外部程序存储器。EA=1：访问内部和外部程序存储器。VPP：EPROM编程电源（21V）。PSEN/PPEAVEA引脚P0口、P1口、P2口及P3口（每个口8条线，共32条）1.P0口（P0.0～P0.7）：作一般I/O接口或地址（低8位）数据复用2.P1口（P1.0～P1.7）：作一般I/O接口使用3.P2口（P2.0～P2.7）：地址（高8位）或作一般I/O接口4.P3口（P3.0～P3.7）：作一般I/O接口或第二功能引脚3.输入/输出（I/O）P3口第2功能表二、MCS-51的I/O口及功能单元•四个8位的并行口，即P0~P3：它们均为双向口，既可作为输入，又可作为输出。每个口各有8条I/O线。•有一个全双工的串行口：P3口的两个引脚P3.0和P3.1•有2个16位的定时/计数器•有1套完善的中断系统。三总线结构51系列单片机是总线结构的单片机，总线分为数据总线、地址总线和控制总线。1．数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0口提供。2．地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，因此外部存储器直接寻址范围为64K，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0～A7），P2口直接提供高8位地址（A8～A15）。3．控制总线（CB）：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、PSEN、ALE组成。三、MCS-51单片机的应用模式123456789101112131415161718192040393837363534333231302928272625242322211234567891020191817161514131211P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0RSTP3.0/RXDP3.1/TXDXTAL2XTAL1P3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1GNDVCCP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1/AIN1P1.0/AIN0P3.7注：类似的还有Philips公司的87LPC64，20引脚8XC748/750/（751），24引脚8X749（752），28引脚8XC754，28引脚等等80C51/89C5189C2051总线型非总线型1.总线型单片机应用模式74LS373OEGALE80C31D7::D0Q7::Q0PSENEAP2P0ABDBCBWRRD89C51P2P0P3P18+5V888P3.0P3.5含第二功能总线型应用的“三总线”模式（扩展时）非总线型应用的“多I/O”模式非总线型单片机已经将用于外部总线扩展用的I/O口线和控制功能线去掉，从而使单片机的引脚数减少、体积减小。对于不需进行并行外围扩展，装置的体积要求苛刻且程序量不大的系统极其适合。非总线型单片机典型产品如：AT89C2051/AT89C4051。该产品的特点是低电压，高性能。具有用软件设置的系统睡眠、省电功能，需要时可唤醒进入工作状态。2.非总线型应用模式2.1AT89S51单片机的主要特性2.2单片机的硬件结构2.351系列单片机的引脚及功能2.4单片机的存储器配置2.5时钟电路与CPU时序2.6单片机的工作方式2.7单片机最小系统第二章单片机的结构在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间（称为哈佛结构）：89S51片内有：﹡内部ROM容量4K字节范围是：0000H~0FFFH﹡内部RAM容量128字节范围是：00H~7FH一、MCS-51的片内存储器二、ROM和RAM的区别1、ROM是一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，ROM中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。2、RAMCPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。51的内部存储器容量较小，应用时经常需要进行外部存储器的扩充。三、单片机的存储器配置51系列单片机在物理上分为4个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器，片内数据存储器和片外数据存储器。在逻辑上可分为3个存储空间：2、128B（256B）内部数据存储器3、64KB外部数据存储器此外还有21个特殊功能寄存器逻辑上分为3个存储空间：内外程序存储器统一编址，内外数据存储器分别编址，即：1、64KB程序存储器（内部4KB加外部）四、程序存储器配置MCS-51内部有4KB的ROM，地址：0000H-0FFFH。当EA=1，CPU首先访问内部存储器，当地址超过0FFFH时，自动转向外部ROM（地址范围：1000H-FFFFH）进行访问。80318051/87510000H0FFFH1000HFFFFHEA=1内部EA=0外部外部PSEN程序存储器用于存放编好的程序、表格和常数。片外最多可扩展64KROM，两者统一编址。五、数据存储器配置数据存储器分为内外两部分，51单片机内部有128BRAM，地址为00H～7FH；片外最多可扩展64KRAM，地址外0000H～FFFFH。工作寄存器区位寻址区通用RAM区00H1FH30H7FH32个字节16个字节80个字节80HFFHSFR区直接寻址访问间接寻址访问增强型附加空间外部RAM（或I/O）64K0000HFFFFHRDWR片内片外内部128B分为三个区外部可扩充64KB特殊功能寄存器区内部数据存储器地址从：00H~7FH共128B。组通用寄存器区第0组通用寄存器区第1组通用寄存器区第2组通用寄存