第 2 章单片机的硬件结构和原理

第 2 章单片机的硬件结构和原理



2.1 MCS - 51 单片机硬件结构

2.1.1 MCS - 51 系列单片机的分类

MCS - 51 系列单片机配置一览表


2.1.2 MCS - 51 单片机的内部结构


MCS - 51 单片机结构框图


2.1.3 中央处理器 CPU

一、运算器

1. 算术逻辑单元 ALU

2. 累加器 ACC （ Accumulator ）

3. 寄存器 B

4. 程序状态字 PSW （ Programe State Word ）

Cy AC F0 RS1 RS0 OV … P

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

PSW


程序状态字 PSW

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Cy AC F0 RS1 RS0 OV _ P

Cy (Carry): 进位

AC (Auxiliary Carry): 辅助进位

F0 (Flag): 用户标志

RS1 、 RS0 ：寄存器组选择控制位

OV (Overflow) : 溢出

P (Parity): 奇偶标志


RS1 、 RS0 与片内工作寄存器组的对应关系

RS1 RS0 寄存器组片内 PAM 地址通用寄存器名称

0 0 0 组 00H~07H R0~R7

0 1 1 组 08H~0FH R0~R7

1 0 2 组 10H~17H R0~R7

0 1 3 组 18H~1FH R0~R7


二、控制器

控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。

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。


1 、指令寄存器和指令译码器

指令寄存器中存放指令代码。 CPU 执行指令时 , 由程

序存储器中读取的指令代码送入指令存储器 , 经译码器译

码后由定时与控制电路发出相应的控制信号 , 完成指令所

指定的操作。


2. 程序计数器 PC （ Program Counter ）

PC 用于存放 CPU 下一条要执行的指令地址 , 是一个

16 位的专用寄存器 , 可寻址范围是 0000H~0FFFFH 共 64

KB 。程序中的每条指令存放在 ROM 区的某一单元 , 并

都有自己的存放地址。 CPU 要执行哪条指令时 , 就把该

条指令所在的单元的地址送上地址总线。在顺序执行程序

中 , 当 PC 的内容被送到地址总线后 , 会自动加 1, 即 (P

C)← (PC)+1, 又指向 CPU 下一条要执行的指令地址。


3. 堆栈指针 SP （ Stack Pointer ）

堆栈操作是在内存 RAM 区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一种工作方式 , 主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回 , 它在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回 ,

进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。 SP

用来指示堆栈所处的位置 , 在进行操作之前 , 先用指令给 SP

赋值 , 以规定栈区在 RAM 区的起始地址（栈底层）。当数据推入栈区后 , SP 的值也自动随之变化。 MCS - 51 系统复位后 , SP 初始化为 07H 。


4 . 数据指针寄存器 DPTR

数据指针 DPTR 是一个 16 位的专用寄存器 , 其高位字节寄存器用 DPH 表示 , 低位字节寄存器用 DPL 表示。既可作为一个 16 位寄存器 DPTR 来处理 , 也可作为两个独立的 8 位寄存器 DPH 和 DPL 来处理。

DPTR 主要用来存放 16 位地址 , 当对 64 KB 外部数据存储器空间寻址时 , 作为间址寄存器用。在访问程序存储器时 , 用作基址寄存器。


2. 1.4 定时器 / 计数器

MCS － 51 单片机片内有两个 16 位的定时 / 计数器，即定时器 0 和定时器 1 。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。

2.1.5 存储器

MCS － 51 系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，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。

2.1.6 并行 I/O 口

MCS － 51 单片机共有 4 个 8 位的 I/O 口（ P0 、 P1 、P2 和 P3 ），每一条 I/O 线都能独立地用作输入或输出。 P0 口为三态双向口，能带 8 个 TTL 门电路， P1 、 P2 和 P3口为准双向口，负载能力为 4 个 TTL 门电路。


2.1.7. 串行 I/O 口 MCS － 51 单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。2.1.8 中断控制系统 8051 共有 5 个中断源，即外中断 2 个，定时 / 计数中断 2个，串行中断 1 个。2.1.9 时钟电路 MCS － 51 芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为 1.2MHz～ 12MHz ，典型取值为 6MHz 。2.1.10 总线以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。


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SP

PCON SCON TMOD TCON

TH0 TL0 TH1 TL1SBUF（TX）

SBUF（RX） I E

中断、串行口和定时器

RAM地址寄存器

ACC

B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

XTAL1 XTAL2

P0. 0～P0. 7 P2. 0～P2. 7

P1. 0～P1. 7 P3. 0～P3. 7

ALE

RST

PSEN

EA

Vcc

Vss（＋5V）

MCS － 51 单片机芯片内部结构框图


2.2 单片机的引脚及其功能

MCS - 51 单片机引脚及总线结构(a) 管脚图； (b) 8031 引脚功能分类

2.3/0 PINT

6.3/ PWR

3.3/1 PINT

0.1P1.1P2.1P3.1P4.1P5.1P6.1P7.1P

PDVRST /0.3/ PRXD1.3/ PTXD

4.3/0 PT5.3/1 PT

7.3/ PRD2XTAL1XTAL

Vss

123456789

1011121314151617181920

Vcc0.0P1.0P2.0P3.0P4.0P5.0P6.0P7.0P

VppEA /PROGALE /

PSEN7.2P6.2P5.2P4.2P3.2P2.2P1.2P0.2P21

22232425262728293031323334353637383940

8031

8051

8751

Vcc

Vss

PDVRST /

1XTAL

2XTALVppEA /

PSEN

PROGALE /

P3口

第二功能

P0口

P1口

P2口

地址数据总线

地址总线

8031

8051

8751


电源引脚 Vcc 和 Vss

Vcc ：电源端，接＋ 5V 。

Vss ：接地端。

时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2

XTAL1 ：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部 TTL 时钟时，该引脚必须接地。

XTAL2 ：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部 TTL 时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。

地址锁存允许 ALE

系统扩展时， ALE 用于控制地址锁存器锁存 P0 口输出的低 8 位地址，从而实现数据与低位地址的复用。


外部程序存储器读选通信号 PSEN

是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。

程序存储器地址允许输入端 EA /VPP

当为高电平时， CPU 执行片内程序存储器指令，但当 PC 中的值超过 0FFFH 时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当为低电平时， CPU只执行片外程序存储器指令。

复位信号 RST

该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。


1. 输入 / 输出口引脚 P0 、 P1 、 P2 和 P3

P0 口（ P0.0～ P0.7 ）：该端口为漏极开路的 8 位准双向口，负载能力为 8 高 LSTTL 负载，它为 8 位地址线和8 位数据线的复用端口。

P1 口（ P1.0～ P1.7 ）：它是一个内部带上拉电阻的 8

位准双向 I/O 口， P1 口的驱动能力为 4 个 LS TTL 负载。

P2 口（ P2.0～ P2.7 ）：它为一个内部带上拉电阻的 8

位准双向 I/O 口， P2 口的驱动能力也为 4 个 LSTTL 负载。在访问外部程序存储器时，它作存储器的高 8 位地址线。

P3 口（ P3.0～ P3.7 ）： P3 口同样是内部带上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口， P3 口除了作为一般的 I/O 口使用之外，其还具有特殊功能。


2.3 存储器的结构

MCS - 51 单片机的存储器结构


2.4 并行输入 / 输出接口 1. P0 口

P0 口地址为 80H, 各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路。


2. P1 、 P2 和 P3 口

P1 、 P2 和 P3 口为准双向口 , 在内部差别不大 , 但使用功能有所不同。

P1 口是用户专用 8 位准双向 I/O 口 , 具有通用输入 / 输出功能 , 每一位都能独立地设定为输入或输出。当有输出方式变为输入方式时 , 该位的锁存器必须写入“ 1”, 然后才能进入输入操作。

P2 口是 8 位准双向 I/O 口。外接 I/O设备时 , 可作为扩展系统的地址总线 , 输出高 8 位地址 , 与 P0 口一起组成 16 位地址总线。对于 8031 而言 , P2 口一般只作为地址总线使用 ,

而不作为 I/O 线直接与外部设备相连。


P1 口

P1.n锁存器

P1.n

Q

QD

读锁存器

写锁存器

内部总线

读引脚

内部上拉电阻

T

VCC

P1 口的口线逻辑电路图


P2 口

P2.n锁存器

P2.n

Q

QD

读锁存器

写锁存器

内部总线

读引脚

T

VCC地址控制

内部上拉电阻

MUX



P3 口

P3.n锁存器

P3.n

Q

QD

读锁存器

写锁存器

内部总线

读引脚

T

VCC

第二输入功能

第二输出功能

内部上拉电阻




8051 单片机 I/0 口的应用



A

+5V

B

C

P10 P14

0 0 电机转

0 1 故障

1 0 维持

1 1 电机停


2.5 单片机的时钟与定时2.5.1 时钟电路 1 、根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方

式可分为内部时钟方式和外部时钟方式

8051

XTAL1

XTAL2

C1

C2 8051

XTAL2

XTAL1

Vcc

外部时钟输入

TTL

80C51 的外部时钟输入是不同的。


2 、分频电路


2.5.2 定时单位——振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期

P1 P2

S1

P2

振荡周期

时钟周期

机器周期机器周期

指令周期

XTAL2

(OSC)

S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2S4 S5S3 S6

P1 P1 P1P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2


（ 1 ）振荡周期——振荡周期指为单片机提供定时信号的振荡源的周期或外部输入时钟的周期。

（ 2 ）时钟周期——时钟周期又称作状态周期或状态时间 S ，它是振荡周期的两倍，它分为 P1 节拍和 P2 节拍，通常在 P1节拍完成算术逻辑操作，在 P2 节拍完成内部寄存器之间的传送操作。

（ 3 ）机器周期——一个机器周期由 6 个状态组成，如果把一条指令的执行过程分作几个基本操作，则将完成一个基本操作所需的时间称作机器周期。单片机的单周期指令执行时间就为一个机器周期。

（ 4 ）．指令周期——指 CPU 执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有 1～ 4 个机器周期。


• 若MCS-51 单片机外接晶振为 12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：

• 振荡周期＝ 1/12MHz＝ 1/12μs＝ 0.0833μs

• 时钟周期＝ 1/6μs＝ 0.167μs

• 机器周期＝ 1μs

• 指令周期＝ 1～ 4μs


2.6 单片机的系统复位1．复位方式及复位电路 MCS-51 单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。

22μF C1

RST

R1

1KΩ

+5V

22μF C1

RST+5V

R2

200Ω

RST

R1

+5V

C2

22μF

803180518751

803180518751

803180518751

（ a ）上电复位电路（ c ）按键脉冲复位电

路（ b ）按键电平复位电路

R1

1KΩ

22μF

C1

1KΩ

R2

1KΩ


特殊功能寄存器

初始状态特殊功能寄存器

初始状态

A 00H TMOD 00H

B 00H TCON 00H

PSW 00H TH0 00H

SP 07H TL0 00H

DPL 00H TH1 00H

DPH 00H TL1 00H

P0～ P3 FFH SBUF ××××××××B

IP ×××00000B SCON 00H

IE 0×000000B PCON 0×××××××B

单片机复位后特殊功能寄存器的状态


2.7 低功耗工作方式2.7.1 低功耗的意义

•便携式的实现（使用电池供电）；•微型化（发热量小，使集成化提高）；•可靠性（温度低）。

低功耗的措施：• 改进电路和工艺（ 8051 功耗 630MW ， 80C51 功耗为 120MW ）；•配备高低速时钟；•低电压供电；•低功耗方式。


2.7.3 两种低功耗工作模式

80C51 有两种低功耗方式，即待机方式和掉电保护方式。

待机方式和掉电保护方式都是由电源控制寄存器（ PCON ）的有关位来控制的。

2.7.2 单片机的两种工作模式

常规运行模式：所有部件均处于加电正常工作状态。

低功耗模式：暂时不使用的部件停止供电，系统处于等待状态。


其中：

SMOD ：波特率倍增位，在串行通讯时使用。

GF1 、 GF0 ：通信标志位 1 、 0 。

PD ：掉电方位式， PD ＝ 1 ，则进入掉电方式。

IDL ：待机方式位， IDL ＝ 1 ，则进入待机方式。

若 PD 和 IDL 同时为 1 ，则先激活掉电方式。

SMOD －－－ GF1 GF0 PD IDL

电源控制寄存器（ PCON ）格式如下：


⒈ 待机方式

⑴ 使用指令使 PCON 寄存器 IDL 位置 1 ，则 80C51 进入待机方式

这时振荡器仍然运行，并向中断逻辑、串行口和定时器 / 计数器电路提供时钟，中断功能继续存在。•向 CPU 提供时钟的电路被阻断，因此 CPU 不能工作，与 CPU 有关的如 SP 、 PC 、 PSW 、 ACC 以及全部通用寄存器都被冻结在原状态。


⑵ 可以采用中断方式或硬件复位来退出待机方式。

在待机方式下，若产生一个外部中断请求信号，在单片微机响应中断的同时， PCON.0 位（ IDL 位）被硬件自动清‘ 0’ ，单片微机就退出待机方式而进入正常工作方式。在中断服务程序中安排一条 RETI 指令，就可以使单片微机恢复正常工作，从设置待机方式指令的下一条指令开始继续执行程序。


⒉ 掉电保护方式

⑴PCON 寄存器的 PD 位控制单片微机进入掉电保护方式。

当 80C51 检测到电源故障时，除进行信息保护外，还应把 PCON.1 位置‘ 1’ ，使之进入掉电保护方式。此时单片微机一切工作都停止，只有内部 RAM 单元的内容被保护。


⑵ 只能依靠复位退出掉电保护方式。80C51 备用电源由 Vcc 端引入。当 Vcc 恢复正常

后，只要硬件复位信号维持 10ms ，就能使单片微机退出掉电保护方式， CPU 则从进入待机方式的下一条指令开始重新执行程序。


实例介绍• 题目名称：三路数据采集系统的设计。• 1 、输入要求：• 第一路信号为单次阻尼振荡信号，持续时间为

0.4~1S,阻尼振荡频率为 500HZ, 输出振幅峰峰值小于 0.5V;

• 第二路为热电偶输出 ,温度范围 0~400 。 C ，相应输出数值 0~25mv ，温度最小区分度为 0.2 。C ，工作环境下有 0.2V 共模噪声 .

• 第三路为 0~5V 可调直流电源的输出 .


输出要求：• 对第一路信号，从示波器上显示出振荡波形，显示精度达到 5% ；

• 对第二路信号，用十进制数码管显示实测温度值；

• 对第三路信号，用十进制数码管显示实测电压值；

• 对三个通道，通过发光管指示通道。


系统组成• 以 51 系列单片机作为微处理器；• 三路 A/D ，或采用多路开关；• 需要外部数据存储器 10K ；• 不需要外部程序存储器；• 需要采样保持器；• 需要键盘，用于设置功能；• 需要 4 位 LED ；• 需要三路开关量输出；• 一路 D/A 。


系统结构框图

放大 S/H

放大

程控放大

多

路

开

关

A/D 51

单

片

机

D/A

数码显示

键盘RAM

电源

第一路

信号第二路

信号

第三路

信号

示波器

发光管驱动逻辑电路


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