[CH02]MCS-51单片机的硬件结构及工作原理

2020年1月20日10时45分1第二章MCS-51单片机的硬件结构及工作原理2.1单片机的内部结构单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分2部分单片机实物单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分3单片机内部结构框图P0驱动器P2驱动器RAM地址寄存器128/256BRAMP0锁存器P2锁存器ROMEPROMFlashB寄存器暂存器1暂存器2ACCSPALUPSW时序及控制指令译码器指令寄存器P1锁存器P3锁存器P1驱动器P3驱动器程序地址寄存器缓冲器PC+1PCDPTROSC中断、串行口及定时器模块VCCGNDPSENALEEARESETP0.0~P0.7P2.0~P2.7P1.0~P1.7P3.0~P3.7XTAL1XTAL2单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分4单片机的基本组成(1)运算器用于实现算术和逻辑运算，包括：ALU（算术和逻辑单元）ACC（累加器）PSW（程序状态字）寄存器B暂存器1暂存器2单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分5单片机的基本组成(2)控制器用于控制单片机程序运行和协调各部件正常工作的“指挥中心”，包括:PC（程序计数器）PC+1计数器指令寄存器指令译码器时序及控制电路单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分6单片机的基本组成(3)内部数据存储器内部128字节的RAM(针对MCS-51单片机)；内部256字节的RAM(针对MCS-52单片机)；(4)内部程序存储器早期版本的MCS-51无内部程序存储器；扩展型MCS-51片内包含容量不等(1K~64K)的程序存储器；内部程序存储器种类包括ROM、EPROM、Flash等。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分7单片机的基本组成(5)并行I/O端口MCS-51单片机有四个8位并行I/O端口P0~P3；这些端口既可按字节操作也可按位操作；P0口可复用为数据总线和低8位地址总线；P2口可作为地址总线的高8位；P3口为多功能口，可作为串行口、中断输入及计数器的外部输入/输出。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分8单片机的基本组成(6)定时器/计数器51单片机内部有2个16位定时器/计数器T0和T1；52单片机内部增加了一个16为定时器/计数器T2；(7)串行通信接口51单片机内部有1个全双工的UART(通用串行收发器)，可设置为多种工作模式；单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分9单片机的基本组成(8)中断控制系统51单片机内部有5个中断源；这些中断源可分为2个中断优先级；(9)时钟电路51单片机内部振荡电路配合外部晶振或外部输入的时钟信号，可产生时钟脉冲序列，控制CPU内部逻辑电路运行。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分10单片机的基本组成除了8位CPU外，MCS-51内部还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的1位字长的计算机；该位处理器包含完整的1位CPU，位RAM、位寻址寄存器、I/O端口控制和指令集；从严格的意义上说，51是由8位CPU和1位CPU构成的双CPU单片机。2020年1月20日10时45分11第二章MCS-51单片机的硬件结构及工作原理2.2单片机的封装及引脚功能说明单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分122.2.1单片机的封装单片机主要有DIP、PLCC和TQFP三种封装形式P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST(RxD)P3.0(TxD)P3.1(INT0)P3.2(INT1)P3.3(T0)P3.4(T1)P3.5(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL2XTAL1GNDVCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPALE/PROGPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)P1.5P1.6P1.7RST(RxD)P3.0(TxD)P3.1(INT0)P3.2(INT1)P3.3(T0)P3.4(T1)P3.5NCP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4NCVCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPNCALE/PROGPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL2XTAL1GNDNC(A12)P2.4(A11)P2.3(A10)P2.2(A9)P2.1(A8)P2.0123456789101112131415161718192040393837363534333231302928272625242322211234567891011121314151617181920212233323130292827262524234039383736353444434241DIP封装PQFP/TQFP封装P1.5P1.6P1.7RST(RxD)P3.0(TxD)P3.1(INT0)P3.2(INT1)P3.3(T0)P3.4(T1)P3.5NCP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4NCVCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPNCALE/PROGPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL2XTAL1GNDNC(A12)P2.4(A11)P2.3(A10)P2.2(A9)P2.1(A8)P2.01234567891011181920212233323130293944434241401213141516172324252627283837363534PLCC封装各种封装的具体尺寸、引脚间距等详细信息请参阅芯片的数据手册(Datasheet)。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分132.2.2单片机的引脚功能说明所有引脚号均以DIP40封装为例。低有效信号由前缀“n”或“#”表示1.电源引脚VCC(40脚)和GND(20脚)VCC：供电，目前有多种供电电压以及一些宽电压范围的单片机。最常用的供电电压为+5VGND：地特别注意：单片机的供电和电源去耦情况对系统能否正常工作至关重要!单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分142.2.2单片机的引脚功能说明2.外接晶振引脚XTAL1和XTAL2XTAL1(第19脚)：单片机内部晶体振荡电路的反相器的输入端；XTAL2(第18脚)：单片机内部晶体振荡电路的反相器的输出端；单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分152.2.2单片机的引脚功能说明3.控制信号引脚(1)RST/VPD第9脚，输入信号。RST为复位信号输入端。单片机正常工作时RST引脚应保持低电平。在RST引脚上输入两个机器周期(24个时钟周期)以上的高电平时，单片机将进入并保持复位状态，直到RST信号重回低电平。VPD为内部RAM的备用电源输入端。如果主电源VCC发生断电或电压降到一定值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保证片内RAM中的信息不丢失。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分162.2.2单片机的引脚功能说明3.控制信号引脚(2)ALE/nPROG第30脚，输出信号；ALE为地址锁存允许信号。在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0端口输出的低8位地址信号。在不访问外部存储器时，ALE也以时钟振荡频率的1/6的固定速率输出，可作为时钟输出；nPROG是对8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分172.2.2单片机的引脚功能说明3.控制信号引脚(3)nPSEN第29脚，输出信号。外部程序存储器(ROM)的读选通信号。当访问外部ROM时，nPSEN产生负脉冲作为外部ROM的选通信号；在访问外部RAM或片内ROM时，不会产生有效的nPSEN信号。nPSEN可驱动8个LSTTL负载。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分182.2.2单片机的引脚功能说明3.控制信号引脚(3)nEA/VPP第31脚，输入信号。访问外部程序存储器的控制信号。nEA接地，单片机从外部程序存储器取指令。nEA接高，单片机首先访问内部程序存储器，当访问地址超过内部程序存储器范围时，自动访问外部程序存储器。该引脚还用于外部编程器对内部程序存储器编程时输入编程电压。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分192.2.2单片机的引脚功能说明4.多功能I/O口P0～P3(1)P0端口第39～32脚，双向信号，多功能端口。8位漏极开路的双向I/O端口；在扩展外部总线时，分时作为低8位地址总线和8位双向数据总线。P0端口可驱动8个LSTTL负载。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分202.2.2单片机的引脚功能说明4.多功能I/O口P0～P3(2)P1端口第1～8脚，双向信号。具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。可驱动4个LSTTL负载。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分212.2.2单片机的引脚功能说明4.多功能I/O口P0～P3(3)P2端口第21～28脚，双向信号，多功能端口。具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口；在扩展外部总线时，用作高8位地址总线。可驱动4个LSTTL负载。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分222.2.2单片机的引脚功能说明4.多功能I/O口P0～P3(4)P3端口第10～17脚，双向信号，多功能端口。具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口；该端口的每一位都可以作为其它功能模块的输入/输出及控制引脚使用，具体定义如下：单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分232.2.2单片机的引脚功能说明4.多功能I/O口P0～P3P3端口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RxD，串行通信数据接收端口P3.1TxD，串行通信数据发送端口P3.2nINT0，外部中断0请求信号，低电平有效或下降沿有效P3.3nINT1，外部中断1请求信号，低电平有效或下降沿有效P3.4T0，定时器/计数器0外部计数信号输入端口P3.5T1，定时器/计数器1外部计数信号输入端口P3.6nWR，外部数据存储器(RAM)写选通信号，低有效P3.7nRD，外部数据存储器(RAM)读选通信号，低有效2020年1月20日10时45分24第二章MCS-51单片机的硬件结构及工作原理2.3单片机的微处理器单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分25单片机的核心部件是一个8位高性能的微处理器，它是计算机中运算器和控制器的总称，是单片机的指挥中心和执行机构；在单片机运行过程中，微处理器的作用是产生合适的时序读入和分析每条指令代码，根据每条指令代码的功能要求，指挥并控制单片机的有关部件和器件，具体执行指定的操作；单片机的微处理器由8位运算器（算术/逻辑运算单元）ALU、布尔处理器、时序和控制部件以及若干寄存器等主要部分组成。单片机原理与接口技术教程2020年1月20日10时45分262.3.1运算器1.算术/逻辑运算部件算术/逻辑运算部件(ALU)的主要功能是实现8位二进制数的加、减、乘、除四则算术运算和与、或、非、异或等逻辑运算，以及循环、清0、置1、加1、减1等基本操作；单片机