第2章單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)單片機(jī)原理及應(yīng)用2.1單片機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)及引腳2.2單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器2.3并行輸入/輸出口電路

2.4時(shí)鐘電路及時(shí)序2.5復(fù)位操作及復(fù)位電路7/27/20231電信學(xué)院2.1.1結(jié)構(gòu)框圖2.1.2信號(hào)引腳2.1邏輯結(jié)構(gòu)及信號(hào)引腳7/27/202322.1.1結(jié)構(gòu)框圖8031無(wú)7/27/20233MCS—51CPUCPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)：（1）運(yùn)算器電路：算術(shù)邏輯單元ALU、2個(gè)暫存器和累加器A(ACC)、寄存器B、程序狀態(tài)字PSW等。算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU(8位)：

+、–、×、÷算術(shù)運(yùn)算，與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，循環(huán)移位、位處理。（2）控制器電路：程序計(jì)數(shù)器PC、PC+1寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、定時(shí)與控制電路等。7/27/202342.1.2信號(hào)引腳1、I/O口線功能4個(gè)8位并行I/O接口引腳P0.0～P0.7

、P1.0～P1.7

、P2.0～P2.7和

P3.0～P3.72、控制線ALE：地址鎖存允許信號(hào)端PSEN：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)端EA/VPP

：程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)端/

編程電源輸入端為多功能引腳，可自動(dòng)切換用作數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和或I/O接口外部引腳。80C517/27/202352、控制線

RST/VPD：復(fù)位信號(hào)端和后備電源輸入端。輸入10ms以上高電平脈沖，單片機(jī)復(fù)位。VPD使用后備電源，可實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。

3、電源及時(shí)鐘引線

工作電源：VCC、VSS

時(shí)鐘輸入：XTAL1、XTAL2。

復(fù)位電路： （1）上電復(fù)位 （2）外部信號(hào)復(fù)位RESET+5V200Ω1K30μF單片機(jī)RST7/27/202362.2.1內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高128單元2.2.2

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低128單元2.2.3堆棧操作2.2.4內(nèi)部程序存儲(chǔ)器2.2.5存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.2內(nèi)部存儲(chǔ)器7/27/202372.2.1內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高128單元內(nèi)部RAM的高128單元

——專用寄存器(SFR)區(qū)地址為80H～FFH（也稱特殊功能寄存器）

——控制單片機(jī)內(nèi)部部件7/27/20238CPU內(nèi)部SFR運(yùn)算和數(shù)據(jù)地址寄存I/O口控制數(shù)據(jù)寄存定時(shí)/計(jì)數(shù)器相關(guān)中斷系統(tǒng)控制串行口相關(guān)7/27/20239

(1)

程序計(jì)數(shù)器PC（16位）：

在CPU內(nèi)部，CPU總是按PC的指示讀取程序。PC是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器。其內(nèi)容為將要執(zhí)行的指令地址（即下一條指令地址），可自動(dòng)加1。因此CPU執(zhí)行程序一般是順序方式。當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用、中斷和復(fù)位等操作，PC被強(qiáng)制改寫，程序執(zhí)行順序也發(fā)生改變。(2)

累加器A（8位）：在CPU內(nèi)部，需要ALU處理的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果多數(shù)要經(jīng)過(guò)累加器A。兩個(gè)容易理解錯(cuò)誤的寄存器：7/27/202310專用寄存器：Acc、B、PSW、DPTR、SP。

I/O接口寄存器：P0、P1、P2、P3SBUF、SCON

TMOD、TCONIP、IE有2套地址字節(jié)地址：只21個(gè)有效（其中僅11個(gè)有位地址）位地址：只83位有效1、SFR（80H～FFH）介紹：字節(jié)地址位地址字節(jié)地址可被8整除7/27/202311(1)

寄存器B（8位）：

與A累加器配合執(zhí)行乘、除運(yùn)算。也可用作通用寄存器。(2)

程序狀態(tài)字PSW（8位）：

存放ALU運(yùn)算過(guò)程的標(biāo)志狀態(tài)。(3)

數(shù)據(jù)指針DPTR

（16位）：

存放片外存儲(chǔ)器地址，作為片外存儲(chǔ)器的指針?？煞殖蓛蓚€(gè)8位寄存器DPH、DPL使用。位序B7B6B5B4B3B2B1B0位符號(hào)CYACF0RS1RS0OVF1P7/27/2023122.專用寄存器的字節(jié)尋址注意：21個(gè)可字節(jié)尋址的專用寄存器是不連續(xù)地分散在內(nèi)部RAM高128單元之中，共11個(gè)寄存器，83個(gè)可位尋址。盡管還剩余許多空閑單元，但用戶并不能使用。累加器A它的位置在CPU內(nèi)部，是獨(dú)立的，在專用寄存器中有一個(gè)ACC與之鏡像關(guān)系，內(nèi)容相同。對(duì)專用寄存器的訪問(wèn)既可使用寄存器符號(hào)，也可使用寄存器單元地址。

7/27/202313

低128單元是單片機(jī)的真正RAM存儲(chǔ)器。2.2.2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低128單元7/27/202314分為三個(gè)區(qū)域：1．寄存器區(qū)：

4組寄存器（寄存器陣列）。即4個(gè)工作寄存器區(qū)0～3區(qū)。每組8個(gè)寄存單元（每單元8位），以R0～R7作寄存器名，暫存運(yùn)算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。字節(jié)地址為00H～1FH。2．位尋址區(qū)：

字節(jié)地址為20H～2FH，既可作RAM，也可位操作。共有16個(gè)RAM單元，共128位，位地址為00H～7FH。3．用戶RAM區(qū)：

32個(gè)單元，地址為30H～7FH，在一般應(yīng)用中常作堆棧區(qū)。用PSW中的兩位PSW.4和PSW.3來(lái)切換工作寄存器區(qū)，選用一個(gè)工作寄存器區(qū)進(jìn)行讀寫操作。字節(jié)地址位地址7/27/2023157/27/202316

MCS-51的寄存器在片內(nèi)RAM都有映像地址。使用時(shí)，既可用寄存器名，也可用對(duì)應(yīng)單元地址。字節(jié)地址位地址字節(jié)地址7/27/2023177/27/2023182.2.3堆棧操作

向上生長(zhǎng)型（向地址增大的方向生成）：MCS—51系列堆棧類型向下生長(zhǎng)型（向地址較低的方向生成）：MCS—96系列堆棧指針SP（8位）：是按“先進(jìn)后出”原則存取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)。堆棧設(shè)在片內(nèi)RAM區(qū)。數(shù)據(jù)入棧時(shí)：先SP自動(dòng)加1，后寫入數(shù)據(jù)，SP始終指向棧頂?shù)刂贰?/p>

——“先加后壓”數(shù)據(jù)出棧時(shí)：先讀出數(shù)據(jù)，后SP自動(dòng)減1，SP始終指向棧頂?shù)刂贰?/p>

——“先彈后減”復(fù)位時(shí)

SP=07H。但在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將SP值初始化為30H以后，以免占用寶貴的寄存器區(qū)和位地址區(qū)。7/27/2023192.2.4內(nèi)部程序存儲(chǔ)器80C51內(nèi)有4KBROM，其地址為0000H～0FFFH其中0000H～0002H是系統(tǒng)的啟動(dòng)單元。系統(tǒng)復(fù)位后(PC)＝0000H，開(kāi)始取指令執(zhí)行程序。如果不從0000H開(kāi)始，應(yīng)存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，以便直接轉(zhuǎn)去執(zhí)行指定的程序。作用：（1）用來(lái)存放固化了的用戶程序，取指令地址由程序計(jì)數(shù)器PC給出，PC具有自動(dòng)加1的功能；（2）固化一片數(shù)據(jù)區(qū)，存放被查詢的表格和參數(shù)等。7/27/2023200003H～000AH 外部中斷0（INT0）中斷地址區(qū)000BH～0012H 定時(shí)器/記數(shù)器0（T0）中斷地址區(qū)0013H～001AH 外部中斷1（INT1）中斷地址區(qū)001BH～0022H 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1（T1）中斷地址區(qū)0023H～002AH 串行（RI/TI）中斷地址區(qū)中斷入口：0003H～0023H中斷服務(wù)程序存放方法：（1）從中斷地址區(qū)首地址開(kāi)始，在中斷地址區(qū)中直接存放；（2）從中斷地址區(qū)首地址開(kāi)始，存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，以便中斷響應(yīng)后，通過(guò)中斷地址區(qū)，再轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)

程序的實(shí)際入口地址區(qū)去。7/27/202321程序存儲(chǔ)器保留的單元：7/27/2023222.2.5存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

馮.諾依曼結(jié)構(gòu)：

程序和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)器邏輯空間，統(tǒng)一編址。

哈佛結(jié)構(gòu)：

程序與數(shù)據(jù)分為兩個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)器邏輯空間，分開(kāi)編址。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)程序存儲(chǔ)區(qū)整個(gè)存儲(chǔ)空間馮.諾依曼結(jié)構(gòu)0000FFFF數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)哈佛結(jié)構(gòu)0000FFFF程序存儲(chǔ)區(qū)7/27/202323物理上4個(gè)存儲(chǔ)器地址空間：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)器邏輯上3個(gè)存儲(chǔ)器地址空間：

64KB程序存儲(chǔ)器

256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

64KB片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8031805164KB7/27/202324存儲(chǔ)器小結(jié)：

MCS—51的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分開(kāi)的（屬于哈佛結(jié)構(gòu)），地址空間重迭，最大可擴(kuò)展到64KB。1、程序存儲(chǔ)器ROM（1）8031內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器由于8031無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，需外接，因此，端必須外接低電平。（2）8051、8751內(nèi)部有4KBROM/EPROM：

=0，使用外部程序存儲(chǔ)器；

=1，使用內(nèi)部程序存儲(chǔ)器4KB空間，當(dāng)PC的值超過(guò)4KB

范圍時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部程序存儲(chǔ)器。2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM（1）內(nèi)部RAM中低128B，00H～7FH；（2）外部RAM，可擴(kuò)至64KB，0000H～FFFFH。7/27/202325

MCS—51共有四個(gè)8位的雙向并行I/O口，分別記作P0、P1、P2和P3。實(shí)際上它們已被歸入專用寄存器之列?？谑且粋€(gè)綜合概念，是一個(gè)集數(shù)據(jù)輸入緩沖、數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動(dòng)及鎖存等多項(xiàng)功能為一體的I/O電路。對(duì)于口有時(shí)也稱為端口。2.3并行輸入/輸出口電路7/27/202326P0口：一個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器和兩個(gè)三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器。一個(gè)多路轉(zhuǎn)接電路MUX在控制信號(hào)的作用下，MUX可以分別接通鎖存器輸出或地址/數(shù)據(jù)線。當(dāng)作為通用的I/O口使用時(shí)，內(nèi)部的控制信號(hào)為低電平，封鎖與門將輸出驅(qū)動(dòng)電路的上拉場(chǎng)效應(yīng)管（FET）截止，同時(shí)使MUX接通鎖存器~Q端的輸出通路。7/27/202327P1口：作通用I/O口使用，所以在電路結(jié)構(gòu)上與P0口有一些不同之處。首先它不再需要多路轉(zhuǎn)接電路MUX，其次是電路的內(nèi)部有上拉電阻。與場(chǎng)效應(yīng)管共同組成輸出驅(qū)動(dòng)電路。作為輸出口使用時(shí)，已能向外提供推拉電流負(fù)載，無(wú)需再外接上拉電阻。7/27/202328

P2口：

P2口電路中比P1口多了一個(gè)多路轉(zhuǎn)換電路MUX，這又正好與P0口一樣。P2口也可以作為通用I/O口使用。這時(shí)多路轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)倒向鎖存器的Q端。但通常應(yīng)用情況下，P2口是作為高位地址線使用，此時(shí)多路轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)應(yīng)倒向相反方向。7/27/202329P3口：

P3口的特點(diǎn)在于為適應(yīng)引腳信號(hào)第二功能的需要。對(duì)于第二功能為輸出的信號(hào)引腳，當(dāng)作為I/O使用時(shí)，第二功能信號(hào)引線應(yīng)保持高電平，與非門開(kāi)通，以維持從鎖存器到輸出端數(shù)據(jù)輸出通路的暢通。當(dāng)輸出第二功能信號(hào)時(shí)，該位的鎖存器應(yīng)置“1”，使與非門對(duì)第二功能信號(hào)的輸出是暢通的，從而實(shí)現(xiàn)第二功能信號(hào)的輸出。7/27/2023307/27/2023317/27/202332端口小結(jié)：（1）系統(tǒng)總線：

地址總線（16位）：P0（地址低8位）、P2口（地址高8位）數(shù)據(jù)總線（8位）：P0口（地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用，借助ALE）；

控制總線（6根）：P3口的第二功能和9、29、30、31腳；（2）供用戶使用的端口：P1口、部分未作第二功能的P3口；（3）P0口作地址/數(shù)據(jù)時(shí)，是真正的雙向口，三態(tài)，負(fù)載能力為8個(gè)LSTTL電路；

P1～P3是準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力為4個(gè)LSTTL電路。（4）P0～P3在用作輸入之前必須先寫“1”，即： （P0）=FFH～（P3）=FFH。7/27/202333

2.4電路與時(shí)序

2.4.1時(shí)鐘電路時(shí)鐘頻率范圍要求在1.2MHz～12MHz之間。1．內(nèi)部時(shí)鐘方式：內(nèi)部一個(gè)高增益反相放大器與片外石英晶體或陶瓷諧振器構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器。晶體振蕩器的振蕩頻率決定單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。2．外部時(shí)鐘方式：外部振蕩器輸入時(shí)鐘信號(hào)。XTAL1單片機(jī)XTAL2

內(nèi)部時(shí)鐘方式外部時(shí)鐘方式1。.。XTAL1單片機(jī)XTAL2

外部時(shí)鐘源+5V振蕩源（OSCillation）7/27/2023342.4.2時(shí)序定時(shí)單位時(shí)鐘周期：振蕩頻率的倒數(shù)。機(jī)器周期：完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間。一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)時(shí)鐘周期組成。指令周期：一條指令的執(zhí)行時(shí)間。以機(jī)器周期為單位：可包含1個(gè)～4個(gè)機(jī)器周期。思考題：

設(shè)應(yīng)用單片機(jī)晶振頻率為12MHz，問(wèn)機(jī)器周期為多少？指令周期分別為多少？fosc=12MHzMC=12/fosc

=12/12MHz=1μs7/27/2023352.4.3典型指令時(shí)序

MCS—51采用定時(shí)控制方式，因此它有固定的機(jī)器周期。規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期的寬度為6個(gè)狀態(tài)。由于一個(gè)狀態(tài)又包括兩個(gè)拍節(jié)，因此一個(gè)機(jī)器周期總共有12個(gè)拍節(jié)，分別記作S1P1、S1P2……S6P2。7/27/202336振蕩脈沖并不直接使用，由XTAL2端送往內(nèi)部時(shí)鐘電路（fosc）：經(jīng)過(guò)2分頻，向CPU提供2相時(shí)鐘信號(hào)P1和P2（f拍節(jié)=1/2fosc）

；再經(jīng)3分頻，產(chǎn)生ALE時(shí)序（fALE

=1/6fosc）

；經(jīng)過(guò)12分頻，成為機(jī)器周期信號(hào)（MC=12/fosc）

，如下圖所示。需要指出的是，CPU的運(yùn)算操作在P1期間，數(shù)據(jù)傳送在P2期間。（80C51）（80C51）（80C51）7/27/202337復(fù)位、程序執(zhí)行、單步執(zhí)行、掉電保護(hù)、低功耗以及EPROM編程和校驗(yàn)等六種工作方式。2.5.1復(fù)位方式和復(fù)位電路

RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期（即二個(gè)機(jī)器周期）以上。例：若使用頻率為6MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò)

____才能完成復(fù)位操作。2.5復(fù)位操作及復(fù)位電路fosc=6MHzMC=12/fosc

=12/6MHz=2μst=4μs7/27/202338上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位上電自動(dòng)復(fù)位——通過(guò)電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。按鍵脈沖復(fù)位——利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。7/27/2023397/27/2023402.5.2程序執(zhí)行方式程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式。由于復(fù)位后PC=0000H，因此程序執(zhí)行總是從地址0000H開(kāi)始，但一般程序并不是真正從0000H開(kāi)始，為此就得在0000H開(kāi)始的單元中存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，以便跳轉(zhuǎn)到實(shí)際程序的入口去執(zhí)行。7/27/2023412.5.3掉電保護(hù)方式單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，如發(fā)生掉電故障，將會(huì)丟失RAM和寄存器中的程序和數(shù)據(jù)，其后果有時(shí)是很嚴(yán)重的。掉電保護(hù)處理——先把有用信息轉(zhuǎn)存，然后再啟用備用電源維持供電。信息轉(zhuǎn)存

所謂信息轉(zhuǎn)存是指當(dāng)電源出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)立即將系統(tǒng)的有用信息轉(zhuǎn)存到內(nèi)部RAM中。信息轉(zhuǎn)存是通過(guò)中斷服務(wù)程序完成的。7/27/202342 系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)電壓檢測(cè)電路，一旦檢測(cè)到電源電壓下降，立即通過(guò)INT0/1產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求，中斷響應(yīng)后執(zhí)行中斷服務(wù)程序，并將有用信息送內(nèi)部RAM中保護(hù)起來(lái)，即通常所說(shuō)的“掉電中斷”。 掉電后時(shí)鐘電路和CPU皆停止工作，只有內(nèi)部RAM單元和專用寄存器繼續(xù)工作，以保持其內(nèi)容。7/27/2023432.5.480C51的低功耗方式

8051掉電保護(hù)方式實(shí)際上就是低功耗方式。

CHMOS的80C5I卻有兩種低功耗方式，即待機(jī)方式和掉電保護(hù)方式。待機(jī)方式和掉電方式都是由專用寄存器PCON(電源控制寄存器)

來(lái)控制的。SMOD

波特率倍增位，在串行通信時(shí)才使用

GF1

通用標(biāo)志位

GF0

通用標(biāo)志位

PD

掉電方式位，P