单片机芯片的基本结构

第2章单片机芯片的基本结构2.1MCS—51系列单片机逻辑结构2.2MCS—51单片机存储器及存储空间2.3并行输入/输出接口2.4MCS-51单片机的时钟电路与时序2.5MCS-51单片机的工作方式图2―1MCS—51系列单片机内部结构框图2.1MCS—51系列单片机内部结构及功能部件2.1.1内部结构图2―2MCS—51系列单片机内部结构简化框图MCS—51系列单片机的内部结构框图如图2―1所示。分析图2―1,并按其功能部件划分可以看出,MCS—51系列单片机是由8大部分组成的。图2―2为按功能划分的MCS—51系列单片机内部结构简化框图。这8大部分是:·一个8位中央处理机CPU。·128个字节（MCS—52子系列为256字节）的片内数据存储器RAM。·4KB（MCS—52子系列为8KB）的片内程序只读存储器ROM或EPROM（8031和8032无）。·18个（MCS—52子系列为21个）特殊功能寄存器SFR。·4个8位并行输入输出I/O接口:P0口、P1口、P2口、P3口（共32线）,用于并行输入或输出数据。·1个串行I/O接口。·2个（MCS—52子系列为3个）16位定时器/计数器。·1个具有5个（MCS—52子系列为6个或7个）中断源,可编程为2个优先级的中断系统。它可以接收外部中断申请,定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。中央处理器CPU中央处理器是单片机内部的核心部件,它决定了单片机的主要功能特性。它由运算部件和控制部件两大部分组成。运算部件运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心,加上累加器A、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态寄存器PSW及专门用于位操作的布尔处理机组成的（见图2―1）,它能实现数据的算术逻辑运算,位变量处理和数据传送操作。1.算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B算术逻辑单元ALU不仅能完成8位二进制数的加（带进位加）、减（带借位减）、乘、除、加1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算,还能对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、求补、清零等逻辑运算,并具有数据传送,程序转移等功能。累加器ACC简称累加器A,为一个8位寄存器,它是CPU中使用最频繁的寄存器。进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多来自于A,运算结果也常送回A保存。寄存器B是为ALU进行乘除法设置的。CY（PSW.7）——进位标志位。AC（PSW.6）——辅助进位（或称半进位）标志。F0（PSW.5）——由用户定义的标志位。RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3）——工作寄存器组选择位。OV（PSW.2）——溢出标志位。由硬件置位或清零。PSW.1——未定义位。P（PSW.0）——奇偶标志位。CYACF0RS1RS0OV—PPSW.7PSW.02.程序状态字程序状态字寄存器PSW（8位）是一个标志寄存器,它保存指令执行结果的特征信息,以供程序查询和判别。其程序状态字格式及含义如下:3.布尔处理机布尔处理（即位处理）是MCS—51单片机ALU所具有的一种功能。单片机指令系统中的布尔指令集（17条位操作指令）,存储器中的位地址空间,以及借用程序状态标志寄存器PSW中的进位标志CY作为位操作“累加器”,构成了单片机内的布尔处理机。历年试卷8051单片机的内部硬件结构包括了：、、、以及片内数据存储器、片内程序存储器、并行I/O口、位处理器等部件，这些部件通过相连接。(0707)(0801)CPU时钟电路中断控制系统串行口内部数据总线8051单片机的内部硬件结构包括了：，，，以及并行I/O口、串行口、中断控制系统、时钟电路、位处理器等部件，这些部件通过相连接。(0901)CPU片内RAM片内ROM定时/计数器（顺序不限）内部数据总线2.1.2单片机外部引脚说明MCS—51系列单片机芯片均为40个引脚,HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装,其引脚示意及功能分类如图2―3所示。CMOS工艺制造的低功耗芯片也有采用方型封装的,但为44个引脚,其中4个引脚是不使用的。图2―3MCS—51系列单片机引脚及总线结构(a)管脚图；(b)引脚功能分类1.主电源引脚Vcc和VssVCC（40脚）:接+5V电源正端;VSS（20脚）:接+5V电源地端。2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（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。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。图2―4HMOS型MCS—51单片机时钟产生方式（a）内部振荡器方式;（b）外部振荡器方式80C51外部脉冲信号需从XTAL1引脚注入，而XTAL2引脚悬空3.控制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、、和等4种形式。（1）RST/VPD（9脚）:RST即为RESET,VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。（2）(30脚):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。/.ALEPROGPSEN/PPEAV/ALEPROG（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,低电平有效。PSEN/PPEAVEA历年试卷请简述单片机中的控制引脚信号ALE、/EA、/PSEN的功能(0807)(0901)ALE为地址锁存控制信号，作为P0口送出的低8位地址信号的锁存信号，可用于分离P0口的低8位地址与8位数据信号。/EA为访问外部程序存储器的控制信号，当/EA=0时，单片机从外部ROM读取数据，/EA=1单片机从内部ROM开始读取数据并可以延伸至外部ROM。/PSEN为访问外部程序存储器的读选通控制信号，当单片机读取外部ROM数据时，PSEN为“0”，以实现外部ROM的读操作。4.输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口（1）P0口（39脚～32脚）:P0.0～P0.7统称为P0口。（2）P1口（1脚～8脚）:P1.0～P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。（3）P2口（21脚～28脚）:P2.0～P2.7统称为P2口,一般可作为准双向I/O接口。（4）P3口（10脚～17脚）:P3.0～P3.7统称为P3口。表2―3P3口第2功能表2.2MCS—51单片机存储器及存储空间2.2.1MCS—51单片机存储器分类及配置MCS—51单片机存储器的分类从物理结构上可分为:片内、片外程序存储器（8031和8032没有片内程序存储器）与片内、片外数据存储器4个部分;从寻址空间分布可分为:程序存储器、内部数据存储器和外部数据存储器3大部分;从功能上可分为:程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间和外部数据存储器5大部分。图2―5MCS—51单片机存储器空间结构图（a）程序存储器;（b）内部数据存储器;（c）外部数据存储器MCS—51系列单片机存储器系统空间结构如图2―5所示历年试卷MCS-51单片机的整个存储器系统是由和两部分构成的。MCS-51单片机的程序存储区的最大寻址范围为字节，字节内数据存储空间的最大寻址范围是字节，片外数据存储空间的最大寻址范围是字节。(0707)芯片内存储器芯片外扩展存储器64K25664K2.2.2内部数据存储器1.内部数据存储器的编址MCS—51系列单片机的内部数据存储器由读写存储器RAM组成,用于存储数据。它由RAM块和特殊功能寄存器（SFR）块组成,其结构如图2―5（b）所示。2.内部数据存储器RAM块由图2―5（b）可见,内部数据存储器RAM块共分为工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区3个部分。1）工作寄存器区内部RAM块的00H～1FH区,共分4个组,每组有8个工作寄存器R0～R7,共32个内部RAM单元。寄存器和RAM地址的对应关系如表2―5所示。表2―5工作寄存器和RAM地址对照表工作寄存器共有4组,但程序每次只用1组,其它各组不工作。哪1组寄存器工作由程序状态字PSW中的PSW.3（RS0）和PSW.4（RS1）两位来选择,其对应关系如表2―6所示。CPU通过软件修改PSW中RS0和RS1两位的状态,就可任选一个工作寄存器工作,这个特点使MCS—51单片机具有快速现场保护功能,对于提高程序的效率和响应中断的速度是很有利的。若程序中并不要4个工作寄存器组,那么剩下的工作寄存器组所对应的单元也可以作为一般的数据缓冲区使用。表2―6工作寄存器组的选择表历年试题片内RAM的00H—1FH为四组通用寄存器的地址，现要选择18H—1FH地址单元作为工作寄存器使用，PWS中的RS1、RS0应设置为（）A、00B、01C、10D、112）位寻址区20H～2FH单元为位寻址区,这16个单元（共计128位）的每1位都有一个8位表示的位地址,位地址范围为00H～7FH,如表2―7所示。位寻址区的每1位都可当作软件触发器,由程序直接进行位处理。通常可以把各种程序状态标志,位控制变量存于位寻址区内。同样,位寻址的RAM单元也可以按字节操作作为一般的数据缓冲表2―7内部RAM中位地址表3）数据缓冲区(用户RAM区)30H～7FH是数据缓冲区,也即用户RAM区,共80个单元。MCS—52子系列片内RAM有256个单元,前两个的单元数与地址都和MCS—51子系列一致。用户RAM区从30H～FFH,共208个单元。2.2.3.特殊功能寄存器SFR块特殊功能寄存器SFR,又称为专用寄存器。它专用于控制、管理单片机内算术逻辑部件、并行I/O口锁存器、串行口数据缓冲器、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作,SFR的地址空间为80H～FFH。表2―8特殊功能寄存器名称、标识符、地址一览表1、专用寄存器简介（1）程序计数器PC16位计数器，内容为将要执行的指令地址，寻址范围64KB。能自动加1，以实现程序的顺序执行。执行转移、调用、返回等指令能自动改变其内容，以改变程序的执行顺序。PC没有地址，是不可寻址的。累加器ACC简称累加器A,为一个8位寄存器,它是CPU中使用最频繁的寄存器。进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多来自于A,运算结果也常送回A保存，还可用作变址寄存器。使用非常频繁。（3）寄存器B寄存器B是为ALU进行乘除法设置的。（2）累加器ACY（PSW.7）——进位标志位。AC（PSW.6）——辅助进位（或称半进位）标志。F0（PSW.5）——由用户定义的标志位。RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3）——工作寄存器组选择位。OV（PSW.2）——溢出标志位。由硬件置位或清零。PSW.1——未定义位。P（PSW.0）——奇偶标志位。CYACF0RS1RS0OV—PPSW.7PSW.0（4）程序状态字程序状态字寄存器PSW（8位）是一个标志寄存器,它保存指令执行结果的特征信息,以供程序查询和判别。其程序状态字格式及含义如下:16位寄存器，唯一一个供拥护使用的16位寄存器，既可以按16位寄存器使用，又可以按8位寄存器使用:DPH高8位DPL低8位在访问外部数据存储器时做指针使用变址寻址方式中，用作基址寄存器，用于对程序存储器进行访问，如MOVCA，@A+DPTR（5）数据指针DPTR历年试卷MCS-51单片机中唯一一个供用户使用的16位寄存器是，该寄存器在访问外部数据存储器时作为使用。(0807)外部数据16DPTR在访问存储器时做地址指针用，DPTR是位寄存器。(0807)(0901)外部数据存储器162、位寻址空间在MCS—51单片机的内部数据寄存器RAM块和特殊功能寄存器SFR块中,有一部分地址空间可以按