单片机结构和工作原理

MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院第2章MCS－51单片机的结构和工作原理MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.1MCS-51系列单片机的结构2.1.1MCS-51单片机的结构框图MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院MCS-51单片机的基本组成－CPU1中央处理单元CPU单片机的核心，由运算器、控制器、寄存器等部件组成，完成运算和控制操作。（1）运算器★算术和逻辑运算：半字节(4位)和单字节(8位)操作算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较等逻辑运算：与、或、非、异或、求补等★布尔处理器（位处理器）：51单片机的特点MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院MCS-51单片机的基本组成－CPU（2）控制器包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、DPTR、SP、定时控制、条件转移逻辑电路等A程序计数器PC（寄存器）PC存放即将执行的指令地址，16位，可对64kROM直接寻址。低8位：P0口输出；高8位：P2口输出。B指令译码器将指令变成所需电平信号。CPU执行指令过程：PC指向ROM中的指令地址→读ROM中的指令放入指令寄存器→PC指向下一条指令的地址→译码器译码→定时、控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院MCS-51单片机的基本组成－CPUC定时和控制部件时钟电路：为单片机产生时钟脉冲序列，但是需要外接石英晶体和微调电容，系统允许的最高晶振频率为12MHz。通常范围为：1.2MHZ～12MHZ两种时钟生成方式：内部，外部。MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院MCS-51单片机的基本组成－存储器2存储器四个物理上相互独立的存储空间（8031三个）（1）内部程序存储器（内部ROM）51系列：4K字节(8031无)，52系列：8K字节。51：地址范围0000H—0FFFH。用于存放程序代码和表格数据。（2）内部数据存储器（内部RAM）51系列：128字节；52系列：256字节。51系列地址范围：0—7FH存放可以读写的数据，例如运算的中间结果等。MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院MCS-51单片机的基本组成－存储器（3）外部程序存储器（外部ROM）64K字节，地址范围0000H—FFFFH。功能：等同于内部ROM，存放程序和常量。（4）外部数据存储器（外部RAM）64K字节；地址范围：0—FFFFH功能：等同于内部RAM，存运算的中间结果等。MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院MCS-51单片机的基本组成－定时器/计数器3定时／计数器51系列：两个16位的定时器／计数器52系列：3个。实现定时和计数功能。并可以根据定时和计数结果对单片机进行控制。MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院MCS-51单片机的基本组成－I/O口4并行I/O口4个8位的并行I/O口。P0～p3（分别取名为P0口、P1口、P2口和P3口）实现单片机与外界交换信息。这四个口均是由8位的输入输出口线构成的，一共有32个I/o口线MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院MCS-51单片机的基本组成－串口5串行口MCS-51具有一个可编程全双工的串行口（RXD，TXD），以实现单片机和其它的数据设备（如上位计算机）之间的数据传递。MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院MCS-51单片机的基本组成－中断6中断系统中断系统是为了使单片机具有实时控制能力而设计的内部电路。51系列一共设计了5个中断源（2外，3内），两个优先级嵌套中断结构。MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院7总线总线:即公用的一组信号线。能为多个部件服务的信息传送线，在微机系统中各个部件通过总线相互通信。总线结构可以减少单片机的外部连线和引脚，提高集成度和可靠性。MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.28051单片机内部结构和功能MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.2内部结构和功能－－单片机内部结构分析MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.2内部结构和功能－－单片机的内部结构图（P38图2－2）端口0驱动器端口2驱动器RAM（128×8）端口0锁存器端口2锁存器ROM（4K×8）程序地址寄存器缓冲器PC加1寄存器程序计数器PC数据指针DPTR堆栈指示器SPPCONSCONTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUF（TX）SBUF（RX）IE中断、串行口和定时器RAM地址寄存器ACCB寄存器ALU状态寄存器暂存器2暂存器1定时与控制指令寄存器端口1锁存器端口3锁存器端口1驱动器端口3驱动器XTAL1XTAL2P0.0～P0.7P2.0～P2.7P1.0～P1.7P3.0～P3.7ALERSTPSENEAVccVss（＋5V）IPMCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。（1）运算器电路运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。（2）控制器电路控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。2.2.1内部结构和功能－－CPUMCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.2.1CPU微处理器是运算和指挥控制中心。包含有控制器、运算器。MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.2.1CPU－－运算器（红色部分），其余属于控制器运算器在控制器的控制下对二进制进行算术或逻辑运算。组成：算术逻辑运算单元ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP、程序状态字PSW、布尔处理器、十进制调整电路。MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.2.2存储器MCS－51系列单片机的存储器包括程序存储器和数据存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.2.2存储器－－存储器结构普林斯顿结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院0000B…………地址寄存器地址译码器存储阵列16X8数据寄存器A0A1A2A3D0D1…D71111B（P6）图1－216X8bitRAM的内部结构框图存储容量＝2地址线条数X数据线的条数bitRDWR2.2.2存储器－－存储器结构（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院外部FFFF1000内部（＝1）外部（＝0）0FFF00000FFF0000专用寄存器内部RAMFF807F00FFFF0000程序存储器内部数据存储器外部数据存储器2.2.2存储器－－存储器结构（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.2.2存储器－－存储器结构（续）8051的存储器在物理结构上分ROM和RAM，有四个物理上互相独立的存储空间，即片内ROM片外ROM片内RAM片外RAMMCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.2.2存储器－－存储器结构（续）（P40）从用户使用角度8051存储空间分为三类（即三个逻辑存储器）：（1）片内片外统一编址0000H－FFFFH的64KB程序存储器；（2）256B片内数据存储器，地址从00H－FFH；（3）64KB片外数据存储器或I/O口地址空间，地址0000H－FFFFHMCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院1MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院ROM片内外4KB地址重叠；RAM与ROM64KB全部重叠，RAM片内外低256字节重叠。但是采用不同的指令以及控制信号EA、PSEN、WR、RD的选择，不会发生混乱。（P40）2.2.2存储器－－存储器结构（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.2.2存储器－－程序存储器MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.2.2存储器－－程序存储器（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院ROM中七个具有特殊含义的单元是：系统复位，PC指向此处12.2.2存储器－－程序存储器（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院2.2.2存储器－－程序存储器（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院物理上分为两大区域：00H-7FH即低128单元内RAM;80H-FFH即SFR区。2.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院a)片内低128单元2.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院工作寄存器区（P39）2.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院可位寻址区（20H～2FH）16个字节，128位，每一位都有一个位地址(范围：00H～7FH)。可字节操作（作一般RAM使用），可位操作。2.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院01MOV28H,#59H字节操作SETB42HCLR43H位操作2.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院字节地址是片内RAM的单元地址，而位地址是片内RAM单元8位中的某一位，也可通过单元操作指令和位操作指令加以区分。2.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院内部RAM位寻址的位地址2.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院用户RAM区（30H～7FH）：数据缓冲区，供用户使用的一般RAM区。共80个单元，一般用于存放用户数据及堆栈区使用。用户只能以存储单元（字节）形式使用该区域2.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院b)高128字节RAM（80H～FFH）高128字节RAM中，除程序计数器PC外，还有21个特殊功能寄存器（SFR，专用寄存器），离散的分布在80H～FFH单元中。具体功能：锁存器、定时器，串行口数据缓冲器、各种控制寄存器、状态寄存器。注：1、21个SFR离散的分布，空闲地址物理上存在，但对用户来说无意义。2、对SFR只能直接寻址，书写即可以用单元地址，也可以用寄存器符号。MOVA，P0；MOVA，80H；相同2.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）－－高128单元MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院21个SFR分类：I算术运算寄存器：A，B，PSWII指针寄存器:PC,SP，DPTRIII并行输入/输出端口寄存器：P0,P1,P2,P3IV串行输入/输出端口寄存器:SBUF,SCON,PCONV中断控制寄存器:IP,IEVI定时器/计数器寄存器:TCON,TMOD,TL0,TH0,TL1,TH12.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）－－高128单元（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院11个SFR可以位寻址：其字节地址均可以被8整除。2.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）－－高128单元（续）MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电学院（1）A——累加器。（2）B——B寄存器，乘、除法运算用。（3）PSW——程序状态字寄存器：包含程序运行状态、信息。2.2.2存储器－－片内数据存储器（RAM）－－高128单元（续）I算术运算寄存器MCS-51单片机原理及应用广东工业大学机电