第四讲单片机结构-CPU时序
单片机的内部结构及工作原理解析
单片机的内部结构及工作原理解析单片机（Microcontroller）是指集成了中央处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出（I/O）接口和定时器/计数器等功能模块的一种超大规模集成电路。
在现代电子设备中，单片机已经广泛应用于各个领域，如家电、智能设备、汽车电子等。
而了解单片机的内部结构及工作原理，对于进行嵌入式系统开发和电子产品设计具有重要的意义。
一、内部结构单片机主要分为中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（I/O）和定时器/计数器等几个主要部分。
1. 中央处理器（CPU）：单片机的核心部分是CPU，它负责执行各种指令并控制整个单片机的操作。
CPU主要包括运算器、控制器和时序发生器。
运算器是负责执行各种运算操作的部分，包括算术运算、逻辑运算等。
控制器负责解析和执行指令，控制整个系统的工作。
时序发生器则负责产生各种时钟信号来同步整个系统的工作。
2. 存储器：单片机中的存储器分为可编程只读存储器（Programmable Read-Only Memory，PROM）、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）和随机存储器（Random Access Memory，RAM）等几种类型。
PROM用于存储程序代码和常量数据，ROM用于存储不可更改的程序代码和数据，而RAM用于存储临时变量、中间结果等。
存储器的容量和类型取决于单片机的规格和需求。
3. 输入/输出接口（I/O）：单片机通过输入/输出接口与外部设备进行数据交换。
输入接口用于接收外部信号或数据，如按键、传感器等。
输出接口用于向外部设备发送信号或数据，如LED灯、液晶显示器等。
单片机通常提供多个通用输入/输出引脚（General Purpose Input/Output，GPIO）来扩展外部设备的连接。
4. 定时器/计数器：定时器和计数器是单片机中重要的功能模块，用于产生精确的时间延迟和计数功能。
定时器用于产生周期性的定时信号，计数器则用于对外部事件的计数。
8051 时序
无取指（ ALE） 无取指（无ALE）
S3
S4
S5
S6
S1
S2
S3
S4
S5
S6
数据 地址 访问外部存储器
MOVX类指令 单字节双周期指令 类指令(单字节双周期指令 类指令 单字节双周期指令）
对外部RAM 当CPU对外部 对外部 读写时， 读写时，ALE不是 不是 周期信号
读操作码
S1 S2
读第二字节操作码
8051单片机的时序 单片机的时序
机
器
周
期
机器周期是指CPU完成一种基本操作所需要的时间。例如 完成一种基本操作所需要的时间。 机器周期是指 完成一种基本操作所需要的时间 取指令、读存储器、写存储器等等。 等等 ：取指令、读存储器、写存储器等等。 一个机器周期包括12个振荡周期，分为 个 状态 状态： 一个机器周期包括 个振荡周期，分为6个S状态：S1~S6。 个振荡周期 。 振荡周期（时钟周期） 振荡周期（时钟周期）, 是指为单片机提供时钟脉冲信号的 振荡源的周期。是振荡频率的倒数。 表示。 振荡源的周期。是振荡频率的倒数。用P表示。 状态周期: 状态周期 每个状态周期为时钟周期的 2 倍, 是振荡周期经 二分频后得到的。每个状态又分为两拍，称为P1和 。 二分频后得到的。每个状态又分为两拍，称为 和P2。 因此，一个机器周期中的 个振荡周期表示为 个振荡周期表示为S1P1，S1P2 因此，一个机器周期中的12个振荡周期表示为 ， ，S2P1，···，S6P1，S6P2。 ， ， ， 。
8051访问外部数据存储器时序图
读操作码
S1 S2 S3 S4
读操作码（丢弃） 读操作码（丢弃）
S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6
单片机的内部结构及功能介绍
单片机的内部结构及功能介绍单片机（Microcontroller）是指将中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出端口和时钟电路等功能集成在一块芯片上的集成电路。
它通常用于嵌入式系统中，广泛应用于各种电子设备如家用电器、汽车控制系统、工业自动化等领域。
本文将介绍单片机的内部结构和功能，以帮助读者更好地理解单片机的工作原理。
一、内部结构单片机的内部结构一般包括以下几个主要部分：1. 中央处理器（CPU）：单片机的核心部分，负责执行指令、控制数据流和实现各种运算逻辑。
CPU的性能直接影响到单片机的运行速度和处理能力。
2. 存储器：包括程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。
ROM用来存储程序代码和常量数据，通常是只读的；RAM用来存储程序执行过程中的临时数据，是临时性的存储器。
3. 输入/输出端口：用于连接外部设备和单片机进行数据交换。
通过输入/输出端口，单片机可以实现与外部设备的通信和控制。
4. 时钟电路：提供时钟信号，用于同步单片机内部各个部分的工作，确保各部分之间的协调运行。
二、功能介绍单片机的功能主要包括以下几个方面：1. 控制功能：单片机可以执行各种控制算法，实现对外部设备的精确控制。
例如控制温度、湿度、速度等参数。
2. 数据处理功能：单片机可以处理各种数据，包括数字信号和模拟信号。
通过模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），单片机可以实现数字信号和模拟信号之间的转换。
3. 通信功能：单片机可以通过串口、并口、网络等方式与其他设备进行通信，实现数据的传输和交换。
4. 定时功能：单片机可以通过时钟信号实现定时功能，如定时器、计数器等，用于控制事件的发生时间和时序。
5. 中断功能：单片机可以响应外部中断、定时中断等，及时处理外部事件，提高系统的响应速度和实时性。
总结通过了解单片机的内部结构和功能，我们更清楚地认识到单片机是一种集成度高、功能强大的微型计算机，广泛应用于各个领域。
单片机的设计结构和功能强大，为嵌入式系统的开发和应用提供了有力支持，也为我们的生活和工作带来了便利。
单片机的时序
单片机的时序在电子世界中，单片机就像是一个小巧而强大的智慧核心，掌控着各种设备的运行。
而要理解单片机如何准确无误地执行任务，关键就在于掌握它的时序。
什么是单片机的时序呢？简单来说，时序就是单片机在执行指令和操作外部设备时，各种信号在时间上的先后顺序和持续时间。
就好比我们日常生活中的流程，先做什么，后做什么，每个步骤持续多久，都有一定的规律和节奏。
为了更清晰地理解，我们先来看看单片机的内部结构。
单片机内部有中央处理器（CPU）、存储器、输入输出端口等部分。
这些部分之间的协同工作，都依赖于精确的时序控制。
当我们给单片机下达一个指令时，它并不是立刻就能执行的。
首先，指令会被存储在存储器中，然后 CPU 按照一定的节奏从存储器中读取指令，并进行解码和执行。
这个节奏就是由时钟信号来控制的。
时钟信号就像是单片机的心跳，它以固定的频率跳动，决定了单片机每一步操作的时间间隔。
比如，如果时钟频率是 10MHz，那就意味着每秒钟单片机内部会进行 1000 万次的操作。
单片机在与外部设备进行通信时，时序同样至关重要。
以常见的串口通信为例，发送和接收数据都有严格的时序要求。
发送方要按照特定的时间间隔发送数据位，接收方也要在准确的时刻进行采样，才能保证数据的正确传输。
再来说说单片机对存储器的读写操作。
无论是读取程序存储器中的指令，还是读写数据存储器中的数据，都有明确的时序规定。
比如，在读取数据时，需要先发出读信号，然后等待一定的时间，才能获取到稳定有效的数据。
单片机的时序还与指令的执行周期有关。
不同的指令可能需要不同的执行时间。
有些简单的指令可能在一个时钟周期内就能完成，而复杂的指令可能需要多个时钟周期。
在实际的应用中，如果时序出现问题，可能会导致各种错误。
比如，数据传输错误、设备无法正常工作，甚至整个系统崩溃。
为了确保时序的准确性，在设计单片机系统时，我们需要仔细考虑时钟源的选择和配置。
时钟源可以是外部晶体振荡器，也可以是内部的 RC 振荡器。
单片机的基本结构与工作原理
单片机的基本结构与工作原理单片机（Microcontroller Unit，简称MCU）是一种集成电路，具备处理器核心、存储器、IO接口和时钟电路等功能单元。
它被广泛应用于各种电子设备中，是嵌入式系统的重要组成部分。
本文将介绍单片机的基本结构与工作原理。
一、单片机的基本结构单片机的基本结构由四个主要组成部分构成：中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、存储器、IO接口和时钟电路。
1. 中央处理器（CPU）中央处理器是单片机最核心的部分，它负责执行各种指令和控制单片机的运行。
通常，单片机的CPU是一种低功耗、高性能的微处理器，具备运算、逻辑和控制等功能。
CPU的设计和性能直接影响单片机的执行能力。
2. 存储器存储器是单片机用来存储程序、数据和中间结果的重要部件。
单片机的存储器包括闪存（Flash）和随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）等。
闪存用于存储单片机的程序代码，它具有非易失性，可以保存在断电后。
通过闪存编程器，开发者可以将编写的程序代码烧录到单片机的闪存中。
RAM主要用于存储程序运行时产生的变量和临时数据，它的读写速度相较闪存更快，但断电后数据会丢失。
3. IO接口IO接口是单片机与外部设备进行数据交换的接口，包括数字输入输出（Digital Input/Output，IO）、模拟输入输出（Analog Input/Output，AI/AO）等。
数字IO接口用于连接数字信号的收发，例如按键、LED灯、继电器等。
模拟IO接口用于连接模拟信号的输入和输出，例如温度传感器、电压检测等。
4. 时钟电路时钟电路是单片机提供时间基准的部分，用于控制单片机的运行速度和时序。
时钟电路产生的时钟信号决定了单片机的工作频率，它分为外部时钟和内部时钟两种。
二、单片机的工作原理单片机的工作原理可以概括为以下几个步骤：复位、初始化、执行程序、循环执行。
1. 复位当单片机上电或接收到外部复位信号时，会进入复位状态。
单片机程序架构详解篇
单片机程序架构详解一、前言单片机，也称为微控制器（Microcontroller），是将计算机的体系结构集成到一个芯片上的微型计算机。
由于其体积小、成本低、可靠性高等特点，单片机在工业控制、智能仪表、家用电器等领域得到了广泛应用。
了解单片机的程序架构是编写和优化单片机程序的关键。
二、单片机程序架构概述单片机的程序架构主要由以下几个部分组成：1. 硬件抽象层（HAL）：这一层为上层软件提供了一个与硬件无关的接口，使得软件可以独立于硬件进行开发和运行。
HAL层通常包括对单片机各种外设（如GPIO、UART、SPI、PWM等）的操作函数。
2. 系统服务层：这一层提供了系统级的各种服务，如任务调度、内存管理、时间管理等。
这些服务使得上层应用程序可以更加专注于业务逻辑的实现。
3. 应用层：这是最上层，直接面向用户，包含了各种应用程序的逻辑代码。
三、各层详解1. 硬件抽象层（HAL）硬件抽象层（HAL）是单片机程序架构中非常重要的一层，其主要目标是使得硬件相关的操作与具体的硬件实现无关。
这样，当硬件平台发生变化时，只要HAL层设计得当，上层代码就不需要改变。
HAL层通常包括以下内容：* 各种外设寄存器的操作函数：例如，GPIO的输入输出函数、UART的发送接收函数等。
这些函数隐藏了具体的寄存器操作细节，使得开发者只需要关注功能实现而不需要关心底层寄存器的操作。
* 硬件初始化函数：用于在系统启动时对单片机进行初始化，如配置时钟、启动看门狗等。
* 中断处理函数：用于处理单片机的各种中断事件，如定时器溢出、串口接收等。
2. 系统服务层系统服务层提供了单片机操作系统所需的各种服务，如任务调度、内存管理、时间管理等。
这些服务使得上层应用程序可以更加专注于业务逻辑的实现。
以下是一些常见的系统服务：* 任务调度：多任务环境下，任务调度器负责分配CPU时间给各个任务，使得各个任务能够按需运行。
* 内存管理：负责动态内存的分配和释放，如堆和栈的管理。
单片机：51单片机的延时及时序分析
计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。
这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。
单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序，为了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地控时序进行工作，在学习51单片机的时序之前，我们先来了解下时序相关的一些概念。
既然计算机是在统一的时钟脉冲控制下工作的，那么，它的时钟脉冲是怎么来的呢？要给我们的计算机CPU提供时序，就需要相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。
我们学习的8051单片机内部有一个高增益反相放大器，这个反相放大器的作用就是用于构成振荡器用的，但要形成时钟，外部还需要加一些附加电路。
8051单片机的时钟产生有以下两种方法：1. 内部时钟方式：利用单片机内部的振荡器，然后在引脚XTAL1（18脚）和XTAL2（19脚）两端接晶振，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，外接晶振时，晶振两端的电容一般选择为30PF左右；这两个电容对频率有微调的作用，晶振的频率范围可在1.2MHz-12MHz之间选择。
为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。
2. 外部时钟方式：此方式是利用外部振荡脉冲接入XTAL1或XTAL2。
HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同，HMOS型单片机（例如8051）外时钟信号由XTAL2端脚注入后直接送至内部时钟电路，输入端XTAL1应接地。
由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个上接电阻。
对于CHMOS型的单片机（例如80C51），因内部时钟发生器的信号取自反相器的输入端，故采用外部时钟源时，接线方式为外时钟信号接到XTAL1而XTAL2悬空。
如下图外接时钟信号通过一个二分频的触发器而成为内部时钟信号，要求高、低电平的持续时间都大于20ns，一般为频率低于12MHz的方波。
片内时钟发生器就是上述的二分频触发器，它向芯片提供了一个2节拍的时钟信号。
CPU时序概要
每条指令都由一个或几个机器周期组成。在MCS—51系统中， 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。
四周期指令只有乘、除两条指令，其余都是单周期或双周期指令。
S1Байду номын сангаас
P1 P2
S2
P1 P2
S3
P1 P2
S4
P1 P2
S5
P1 P2
S6
P1 P2
S1
P1 P2
S2
P1 P2
S3
P1 P2
S4
P1 P2
S5
P1 P2
S6
再读下一
条指令
P1 P2
P1 P2
S1
S2
（c）单字节，双周期指令 例：INC DPTR
读 操 作 码 （ 读下一个操作码 无取指无ALE
MOVX） P1 P2
MCS-51单片机各种周期的相互关系
指令周期
机器周期
机器周期
S1
S2
S3
S4
S5 S6
S1
S2
S3
S4
S5
S6
P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
XTAL2 (OSC)
振荡周期 时钟周期
MCS-51的定时单位从小到大依次是节拍,状态,机器周期,指令周期
在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶 体及两个微调电容就构成了稳 定的自激振荡器。
电容器Cl和C2通常都取20pF-50pF， 对振荡频率有微调作用。