1、第第章章单单片片机机结结构构和和原原理理 本章内容本章内容什么是单片机？什么是单片机？单片机特点及应用单片机特点及应用单片机硬件结构单片机硬件结构一、什么是单片机一、什么是单片机1 1、微型计算机硬件结构、微型计算机硬件结构 常见的微机外形常见的微机外形台式微机台式微机台式微机台式微机便携式微机便携式微机便携式微机便携式微机立式微机立式微机立式微机立式微机2微型计算机硬件结构微型计算机硬件结构 微机硬件组成微机硬件组成 显示器显示器主机主机键盘键盘鼠标鼠标3微型计算机硬件结构微型计算机硬件结构 运 算 器控 制 器CPU存 储 器输输入入接接口口电电路路输输入入设设备备输输出出设设备备输输出出
2、接接口口电电路路硬件系统内部结构内部结构内部结构内部结构 4硬硬硬硬件件件件系系系系统统统统构构构构成成成成微微微微机机机机的实体和装置的实体和装置的实体和装置的实体和装置软件系统软件系统软件系统软件系统微机系统所微机系统所微机系统所微机系统所使用的各种程序的总称使用的各种程序的总称使用的各种程序的总称使用的各种程序的总称软件系统软件系统软件系统软件系统与与与与硬件系统硬件系统硬件系统硬件系统共同共同共同共同构成实用的微机系统，两构成实用的微机系统，两构成实用的微机系统，两构成实用的微机系统，两者是者是者是者是相辅相成、缺一不可相辅相成、缺一不可相辅相成、缺一不可相辅相成、缺一不可的。的。的。
3、的。软软件件系系统统+微型计算机系统微型计算机系统微型计算机系统微型计算机系统运 算 器控 制 器CPU存 储 器输输入入接接口口电电路路输输入入设设备备输输出出设设备备输输出出接接口口电电路路硬件系统微型计算机系统微型计算机系统微型计算机系统微型计算机系统5CPU输输入入设设备备输输出出设设备备软软件件系系统统+微型计算机系统微型计算机系统硬件系统输输入入接接口口设设备备输输出出接接口口设设备备运 算 器控 制 器存 储 器单单单单片片片片微微微微型型型型计计计计算算算算机机机机是是是是指指指指集集集集成成成成在在在在一一一一个个个个芯芯芯芯片片片片上上上上的的的的微微微微型型型型计计计计算
4、算算算机机机机，简称单片机简称单片机简称单片机简称单片机 单片机实质上就是一个单片机实质上就是一个单片机实质上就是一个单片机实质上就是一个芯片芯片芯片芯片2 2 2 2、单片微型计算机、单片微型计算机、单片微型计算机、单片微型计算机6单片机内部结构示意图单片机内部结构示意图 CPU存储器定时器/计数器中断系统P0-P3TxDRxD TINT并行I/O口串行I/O口7单片机应用系统单片机应用系统单片机应用系统单片机应用系统 单片机应用系统单片机应用系统单单片片机机接口接口电路电路及外及外设等设等软软软软件件件件硬件硬件硬件硬件单单片片机机应应用用系系统统由由硬硬件件和和软软件件组组成成硬件是硬件
5、是应用系统的基础应用系统的基础软件是在硬件的基础上软件是在硬件的基础上对其资源对其资源进行合理调配和使用进行合理调配和使用，从而完成，从而完成应用系统所要求的任务，二者相应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可互依赖，缺一不可8二、单片机的特点及应用二、单片机的特点及应用 1.1.1.1.单片机的特点单片机的特点单片机的特点单片机的特点 体积小，重量轻体积小，重量轻电源单一，功耗低电源单一，功耗低功能强，价格低功能强，价格低运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高可以嵌入到电子产品中可以嵌入到电子产品中可以嵌入到电子产品中可以嵌入到电子产品中嵌入式应用系统嵌入式
6、应用系统嵌入式应用系统嵌入式应用系统92.2.2.2.单片机应用单片机应用单片机应用单片机应用 工业方面工业方面民用方面民用方面仪表方面仪表方面电讯方面电讯方面数据处理方面数据处理方面汽车方面汽车方面103.3.单片机种类单片机种类目前目前8 8位位单片机仍是单片机的单片机仍是单片机的主流主流机型；机型；生产厂商：生产厂商：单片机的发展经历了由单片机的发展经历了由4 4位位机到机到8 8位位机机,再到再到16 16 位位机的发展过程机的发展过程美国微芯片公司美国微芯片公司美国微芯片公司美国微芯片公司:PIC16CPIC16CPIC16CPIC16C系列、系列、系列、系列、PIC17CPIC17
7、CPIC17CPIC17C系列、系列、系列、系列、PIC1400PIC1400PIC1400PIC1400系系系系列，列，列，列，美国英特尔公司的美国英特尔公司的美国英特尔公司的美国英特尔公司的MCS-48MCS-48MCS-48MCS-48和和和和MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51系列，系列，系列，系列，美国摩托罗拉公司的美国摩托罗拉公司的美国摩托罗拉公司的美国摩托罗拉公司的MC68HC05MC68HC05MC68HC05MC68HC05系列和系列和系列和系列和MC68HC11MC68HC11MC68HC11MC68HC11系列，系列，系列，系列，美国齐洛格公司的美国齐洛格公司
8、的美国齐洛格公司的美国齐洛格公司的Z8Z8Z8Z8系列，系列，系列，系列，日本电气公司的日本电气公司的日本电气公司的日本电气公司的PD78PD78PD78PD78系列，系列，系列，系列，美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的F8F8F8F8（3870387038703870）系列等。系列等。系列等。系列等。11三、单片机硬件结构时钟电路CPUROMRAMT0 T1中断系统串行接口并行接口P0 P1 P2 P3TXD RXDINT0 INT1定时计数器结构框图结构框图中央处理器中央处理器CP
9、U：8位，位，运算和控制运算和控制功能功能内部内部RAM：共共256个个RAM单单元，用户使用元，用户使用前前128个单元，个单元，用于存放可读用于存放可读写数据，后写数据，后128个单元被个单元被专用寄存器占专用寄存器占用。用。内部内部ROM：4KB掩膜掩膜ROM，用用于存放程序、于存放程序、原始数据和原始数据和表格。表格。定时定时/计数器：计数器：两个两个16位的定位的定时时/计数器，实计数器，实现定时或计数现定时或计数功能。功能。并行并行I/O口：口：4个个8位的位的I/O口口P0、P1、P2、P3。串行口：串行口：一个一个全双工串行口。全双工串行口。中断控制系统：中断控制系统：5个个中
10、断源（外中断中断源（外中断2个，个，定时定时/计数中断计数中断2 个，串行中断个，串行中断1个）个）时钟电路：时钟电路：可可产生时钟脉冲产生时钟脉冲序列，允许晶序列，允许晶振频率振频率6MHZ和和12MHZ121 1、80518051单片机的基本组成单片机的基本组成1.中央处理器中央处理器CPU：8位，运算和控制功能位，运算和控制功能2.内部内部RAM：共共256个个RAM单元，用户使用前单元，用户使用前128个单元，用个单元，用于存放可读写数据，后于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。个单元被专用寄存器占用。3.内部内部ROM：4KB掩膜掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表用于
11、存放程序、原始数据和表格。格。4.定时定时/计数器：计数器：两个两个16位的定时位的定时/计数器，实现定时或计数计数器，实现定时或计数功能。功能。5.并行并行I/O口：口：4个个8位的位的I/O口口P0、P1、P2、P3。6.串行口：串行口：一个全双工串行口。一个全双工串行口。7.中断控制系统：中断控制系统：5个中断源（外中断个中断源（外中断2个，定时个，定时/计数中断计数中断2 个，串行中断个，串行中断1个）个）8.时钟电路：时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和和12MHZ132 2 2 2、MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51单片
12、机信号引脚简介单片机信号引脚简介单片机信号引脚简介单片机信号引脚简介 P3P3口线的第二功能口线的第二功能口线的第二功能口线的第二功能VCCVSSXTAL2XTAL1RSTP0.0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7P1.0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0ALEP3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.72 2、振荡电路：、振荡电路：、振荡电路：、振荡电路：XTAL1XTAL1、XTAL2XTAL23 3、复位引脚：、复位引
13、脚：、复位引脚：、复位引脚：RSTRST4 4、并行口：、并行口：、并行口：、并行口：P0P0、P1P1、P2P2、P3P37 7、ALEALE：地址锁存控制信号地址锁存控制信号地址锁存控制信号地址锁存控制信号1 1、电源线：、电源线：、电源线：、电源线：VCC(+5V)VCC(+5V)、VSS(VSS(地地地地)EAPSEN5 5、EAEA：访问程序存储器控制信号访问程序存储器控制信号访问程序存储器控制信号访问程序存储器控制信号6 6、PSENPSEN：外部外部外部外部ROMROM读选通信号读选通信号读选通信号读选通信号RXD/TXD/INT0/INT1/T0/T1/WR/RD/123456
14、7891011121314151617181920403938373635343332313029282726252424222180318051 875189C511412345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM276412345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM276412345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524242221123456789101112131428272625242
15、32221 201918171615RAM6264 12345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 3.3.存存储储器器80318751805189C51片内片内片内片内RAMRAM片内片内片内片内ROMROM256B（字节）4K64K64K150000HFFFFH(64K)内部外部(1)(1)(1)(1)数据存储器数据存储器数据存储器数据存储器数据数据存储器存储器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM专用寄存器00H00H07H07H08H08H0FH0FH10H10H17H17H18H18H1FH1FH0区
16、区R0R0R7R7R0R0R7R7R0R0R7R7R0R0R7R71区区2区区3区区通用寄存器区通用寄存器区位寻址区位寻址区20H2FH7F 7807 0030H7FH数据缓冲区数据缓冲区/堆栈区堆栈区内部内部RAMRAM存储器存储器 1 11 1第第第第 3 3 区区区区18H1FH18H1FH 0 10 1第第第第 1 1 区区区区08H0FH08H0FHRS1 RS0RS1 RS0寄存器区寄存器区寄存器区寄存器区片内片内片内片内RAMRAM地址地址地址地址 0 00 0第第第第 0 0 区区区区00H07H00H07H 1 0 1 0第第第第 2 2 区区区区10H17H10H17H工作
17、寄存器区工作寄存器区选择位选择位RS0RS0、RS1RS116注意注意:一个单元地址对应有一个单元地址对应有8 8个位地址个位地址MSBMSBMost Significant Bit Most Significant Bit （最高有效位）最高有效位）LSB LSB Least Significant Bit Least Significant Bit（最低有效位）最低有效位）单元地址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F7F77776F6F67675F5F57574F4F47473F3F37372F2F27271F1F17170F
18、0F0707 MSB 位地址 LSB7E7E76766E6E66665E5E56564E4E46463E3E36362E2E26261E1E16160E0E06067D7D75756D6D65655D5D55554D4D45453D3D35352D2D25251D1D15150D0D05057C7C74746C6C64645C5C54544C4C44443C3C34342C2C24241C1C14140C0C04047B7B73736B6B63635B5B53534B4B43433B3B33332B2B23231B1B13130B0B03037A7A72726A6A62625A5A52524A
19、4A42423A3A32322A2A22221A1A12120A0A020279797171696961615959515149494141393931312929212119191111090901017878707068686060585850504848404038383030282820201818101008080000内部内部RAM位寻址区的位地址表位寻址区的位地址表17高高128128个单元个单元离散分布有离散分布有2121个个特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFR。1111个可以进行个可以进行位寻址。位寻址。特别提示：对特别提示：对SFRSFR只能使用直接只能使用直接寻址方式
20、，书写时寻址方式，书写时可使用寄存器符号，可使用寄存器符号，也可用寄存器单元也可用寄存器单元地址。地址。18(2)(2)(2)(2)程序存储器程序存储器程序存储器程序存储器程序程序存储器存储器内部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序执行的起始单元,在这三个单元存放一条无条件转移指令中断5中断4中断3中断2中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中断0定时器0中断外部中断1定时器1中断串行口中断8位位0FFFH0FFEHEA=1 EA=0EA=1 EA=0程序
21、程序存储器资源分布存储器资源分布中断入口地址194、堆栈指针（堆栈指针（SP-Stack Pointer 堆栈是一个特殊的存储区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”的原则存取数据的。堆栈共有两种操作：进栈和出栈.堆栈是为子程序的中断操作而设立的，有保护断点和保护现场的作用。MCS-51单片机由于堆栈设在内部RAM中,因此SP是一个8位寄存器.系统复位后,SP的内容为07H,使得堆栈实际上从08H单元开始。但08H1FH单元分别属于工作寄存器13区,如程序中要用到这些区,则最好把SP值改为1FH或更大的值.一般地,堆栈最好在内部RAM的3030H H7FH7FH单元中开辟.205、并行输入/
22、输出电路结构P0.0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7P1.0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0P3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7u4 4个个8 8位并行位并行I/OI/O口：口：P0P0，P1P1，P2P2，P3P3；u均可作为双向均可作为双向I/OI/O端口使用。端口使用。(1)(1)(1)(1)特点：特点：特点：特点：P0P0：访问片外扩展存储器时，访问片外扩展存储器时，复用为低复用为低8 8位地址线和数据线
23、位地址线和数据线 P2P2：高高8 8位地址线。位地址线。P1P1：双向双向I/OI/O端口端口 P3P3：第二功能第二功能1234567891011121314151617181920403938373635343332313029282726252424222180318051 875189C51215、并行输入/输出电路结构1.P0口的口线逻辑电路 225、并行输入/输出电路结构2.P1口的口线逻辑电路 235 5、时钟电路与复位电路、时钟电路与复位电路 (1)时钟振荡电路时钟振荡电路245 5、时钟电路与复位电路、时钟电路与复位电路 (2)引入外部脉冲信号引入外部脉冲信号255 5、时
24、钟电路与复位电路、时钟电路与复位电路(3)时序定时单位时序定时单位1.时钟周期时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数.是计算机中最基本的、最小的时间单位。在8051单片机中把一个时钟周期定义为一个拍节（用P表示），二个拍节定义为一个状态周期（用S表示）.2.机器周期在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。8051系列单片机采用定时控制方式，一个机器周期由6个S（状态周期）组成。也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。3.指
25、令周期指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。265 5、时钟电路与复位电路、时钟电路与复位电路(4)MCS-51的取指的取指/执行时序执行时序275 5、时钟电路与复位电路、时钟电路与复位电路(5)外部外部RAM读时序读时序28(1)复位电路复位电路单片机复位条件单片机复位条件单片机复位条件单片机复位条件:必须使必须使必须使必须使RSTRST引脚持续引脚持续引脚持续引脚持续2 2微秒微秒微秒微秒高电平高电平高电平高电平(外部时钟外部时钟外部时钟外部时钟1212MHz)MHz)29(2)复位状态复位状态特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB0
26、0HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUF不定IP*00000BSCON00HIE0*00000BPCON0*BMCS-51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部的值，至于内部RAM内部的数据则不变。内部的数据则不变。301）程序执行方式2）单步执行方式来一个脉冲就执行一条指令，借助单片机的外部中断功能来实现。3）掉电保护方式掉电时，RAM和寄存器中的程序和数据的保护MCS-51有掉电保护措施。具体作法是：先把有用信息转存，然后再启用备用电源维持供电。4）低功耗方式31
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