[理学]第4讲：单片机硬件基本组成电路
单片机硬件基础知识
单片机硬件基础知识1、电源单片机及外围模块的供电电源，一般用交流电源和直流稳压电源两种。
一般51单片机的工作电压为+5V，因此我们必须给其提供+5V的直流稳压电源。
另外，对于其他型号的单片机，如AVR、PIC等，其工作电压可能各不相同。
在选择电源时，应考虑其输出电压和电流是否满足单片机的要求，否则将会影响单片机的正常工作。
2、时钟时钟是单片机的心脏，是单片机有序工作的基本条件。
时钟产生相等的时间间隔，每个间隔内单片机都执行一个操作。
时钟的频率决定了单片机的处理速度。
常用的时钟电路有石英晶体振荡器和RC振荡器等。
石英晶体振荡器的频率稳定度高，一般为几十MHz到几百MHz，而RC振荡器的频率则较低，一般为几十到几百KHz。
对于一些微控制器（如AVR系列），内部具有振荡电路，因此只需外部提供一个稳定可靠的时钟源即可。
3、复位电路当单片机刚上电时，由于内部电路的导通需要一个建立时间，此时单片机的所有寄存器和外部设备处于不确定状态。
为了使程序正常工作，一般将单片机的 Reset端接一个复位电路，在上电的瞬间使单片机处于复位状态。
常用的复位电路有上电复位和手动复位两种。
上电复位电路一般由一个电容和一个电阻组成，上电瞬间，电容充电，Reset 端为高电平，经过一段时间后电容放电，Reset端又变为低电平，从而实现上电复位功能。
手动复位电路则通过按键实现上电复位。
手动复位的按键一般连接到单片机的 Reset端。
另外，还有一些单片机内部具有上电复位电路，因此不需要外接上电复位电路。
4、晶振电路晶振电路是单片机内部时序的基础，它为单片机提供了一个基准频率。
晶振的频率决定了单片机的工作速度。
常用的晶振有石英晶体振荡器和陶瓷谐振器等。
在选择晶振时，需要考虑其频率、稳定性以及功耗等因素。
常用的晶振引脚连接方法有并联法和串联法两种。
并联法是将晶振的一个引脚与单片机的 XTAL1端相连，另一个引脚与地相连；而串联法则是将晶振的一个引脚与单片机的 XTAL1端相连，另一个引脚与单片机的 XTAL2端相连。
单片机原理与应用硬件结构和工作原理ppt文档
2．寄存器组 1)工作寄存器(通用寄存器)
用来暂存ALU待处理的数据和中间结果。
2)特殊功能寄存器SFR(专用寄存器) 规定了特殊用途的寄存器，其内容会影响计算机的
工作方式和过程。
3) 累加器(Accumulator) 使用最频繁的寄存器，配合ALU进行各种数据处理。
2.1.2控制器
处理程序指令，并协调各逻辑部件按一定时序工作。
1.指令部件： 读取程序指令、指令译码、修改程序指针。
1）程序计数器 PC：存放当前指令地址。 CPU执行程序时，先按PC给出的地址到存储器取一
条指令，PC自动加1。CPU执行完一条指令，再到存 储器取下一条指令，…。 2) 指令寄存器IR ：暂存当前指令。
指令操作码送指令译码器。 3) 指令译码器ID ：将每条指令译码变成控制电平。
微型计算机结构特点
微型计算机由大规模集成电路组成，微型机应用系统 一般也采用特定功能的大规模集成电路器件和组件。
2.2总线结构特点
总线(Bus)：微型计算机各功能部件的连接线，各功能 部件之间的公共信息通道。 总线宽度：总线上能并行传送的二进制位数。
内部总线：CPU或单片机芯片内部各逻辑部件之间的信 息传输线。通常为单总线结构。
PC= 0000H PC= 0001H PC= 0002H
指令代码1 指令代码2 指令代码3
4)CPU到存储器取指令，PC=PC+1。
…
5)CPU执行下一条指令，…
N 指令代码n
2.1.3存储器
1 存储器基本信息单位
位 b (bit)：一个二进制位，信息最小单位。
字节 B (Byte)：8位为一个字节。
(二) 数据总线 DB 传送程序和数据的二进制代码。
第4讲：单片机硬件基本组成电路
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单片机原理及接口技术
练习
• 基于proteus软件搭建单片机最小应用系统， 并观察复位现象，硬件部分包括部分： １、单片机 ２、复位电路、时钟电路 ３、ＬＥＤ显示部分 • 改变系统时钟频观察延迟程序的时间，思 考原因。
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§2.5.1 复位操作的主要功能
一、复位是单片机的初始化操作。 二、主要功能： 三、寄存器的复位状态：
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复位操作主要功能
• 程序地址指针PC初始化为0000H，使单 片机从0000H单元开始执行程序 • 当由于程序运行出错或操作错误使系统 死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复 位键重新启动。
VCC
经电阻与VCC
电源接通而实 现。
C 22μF
R2
1KΩ
RST/VPD
VSS
图 2-16 (b) 按键电平复位电路
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§2.6
89C51单片机的低功耗工作方式
• 89C51属于CHMOS的单片机，运行时耗电少，而且还提供两种 节电工作方式，即空闲（等待、待机）方式和掉电（停机）工作 方式，以进一步降低功耗。 • 图2-17所示为实现这两种方式的内部电路。
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只要Vcc的上升时间 不超过1ms，就自动 上电复位，即接通
VCC
89C51
VCC
C 22μF
R
1K Ω
RST/VPD
电源就完成了系统
复位。
VSS
图 2-16 (a) 上电复位电路
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(完整版)单片机的基本组成
单片机的基本组成在讲单片机的组成之前我们先来说一下大家都熟知的计算机一、计算机的经典结构在设计计算机时匈牙利籍数学家冯.诺依曼提出的“程序存储”和“二进制运算”的思想。
1、二进制运算决定了计算机的硬件结构。
二进制运算包括二进制算术运算和逻辑运算（逻辑运算的基础是逻辑代数，又称布尔代数）。
逻辑量只表示两种不同的状态，可以对应电子线路中的电阻高低、二极管、三极管的通断等。
因此，二进制运算决定了计算机可以由电子元器件，特别是集成电路组成。
2、程序存储决定了软件控制硬件工作。
因此，计算机的基本结构包括硬件和软件两部分。
计算机的工作原理：由输入设备将软件送入存储器，然后由控制器逐条取出存储器中的控制软件，并运行，再将运行结果送到输出设备。
3、计算机的经典结构根据以上思路，计算机由运算器、控制器、存储器和输入设备、输出设备组成。
图1.1.1 计算机经典结构图对经典结构中各部分有机组合，就构成了微型计算机。
由于各部分的具体电路（元器件及元器件的组合方式）不同，又形成了各种应用形态。
二、微型计算机（Microcomputer）组成及应用形态1、微型计算机组成将经典结构中的运算器、控制器组合在一起，再增加一些寄存器等，集成为一个芯片，这个芯片称为微处理器（Microcontroller），即CPU(Center Processing Unit )。
这样微型计算机就由CPU、存储器、输入/输出（I/O）接口组成。
再配以输入/输出（I/O）设备和软件，就构成了微型计算机应用系统，简称微型计算机。
图1.1.2 微型计算机系统结构图2、应用形态（1）系统机（多版机）微处理器CPU、存储器、I/O端口电路和总线接口等组装在一块主板上，再通过系统总线和外设适配卡连接键盘、显示器、打印机等，再配上系统软件就构成了一个完整的计算机系统。
图1.1.3 微型计算机结构图这就是办公室、家庭使用的PC机的典型形态。
由于较大的存储容量（存储器、硬盘、软盘、光盘等），输入、输出设备齐全，而且软件丰富（系统软件和应用软件），能够进行海量计算和应用系统开发。
单片机的硬件结构及原理
(1)优异的性能价格比。
(2)集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部 采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提 高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积 小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在 恶劣环境下工作。
此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。
在低 128 字节RAM中, 00H~1FH共 32 单元是 4 个通用 工作寄存器区。每一个区有 8 个通用寄存器R0~R7。寄存器 和RAM地址对应关系如表 2.4。
表 2.4 寄存器与RAM 地址对照表
表 2.5 RAM中的位寻址区地址表
表 2.6 SFR
表 2.6 SFR
表 2.6 SFR
6. 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。
对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该 引脚用作编程脉冲PROG的输入端。
(2) PSEN(29脚)：片外程序存储器读选通信号输出端，低 电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每 个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指 令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不 出现。
第 2 章 单片机的硬件结构和原理
(3)控制功能强。
为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统 中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位 处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于 同一档次的微机。
单片机硬件结构介绍-25页精选文档
第1章单片机硬件系统本章概要及学习目标：本章从单片机的概念入手，以A T89C51单片机芯片为例，介绍MCS-51型单片机芯片的外部引脚功能、内部硬件结构及工作特性，并通过单片机应用系统开发过程实验说明使读者对单片机应用系统及其开发有一个感性认识，对单片机的基本工作原理和工作过程有一个大致的了解，同时也指出了学习单片机的两个基本方面：硬件结构和软件编程。
通过对本章的学习，读者应掌握和了解以下知识：1．计算机、微型机、单片机及单片机应用系统的概念2．微型机的CPU、存储器和输入/输出的硬件构成及功能3．89C51外部引脚及功能，内部结构及工作原理4．89C51的RAM分布、ROM结构及地址形成5．89C51的SFR6．89C51的并行口及时钟与复位7．单片机应用系统的开发过程及工作过程1.1 计算机、微型机、单片机及单片机应用系统概述微型计算机的出现给人类生活带来了根本性的变化，使现代科学研究产生了质的飞跃，单片机技术的出现则给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。
它在工业控制、数控采集、智能化仪表、办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应用，毫不夸张地说，单片机技术的开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展的标志之一。
单片微型计算机（Single Chip Micro Computer）简称单片机，它是一种把组成微型计算机的各功能部件：中央处理单元CPU、一定容量的随机存储器RAM和只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行口等制作在一块芯片中的计算机。
由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的，常用在工业检测、控制装置中，因而也称为微控制器（Micro-Controller）。
单片机具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等特点，在家用电器、智能化仪器、工业控制以及火箭导航尖端技术领域都发挥着十分重要的作用。
1.1.1 单片机及单片机应用系统1．微型计算机及微型计算机系统计算机的硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大部分组成。
单片机硬件结构及原理.36页PPT
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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单片机硬件结构及原理.
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
单片机内部主要部件
1.2 单片机内部主要部件单片机内部电路比较复杂，MCS-51系列的8051型号单片机的内部电路根据功能可以分为CPU、RAM、ROM/EPROM、并行口、串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）等8个主要部件，如图1-2-1所示。
这些部件通过片内的单一总线相连，采用CPU加外围芯片的结构模式，各个功能单元都采用特殊功能寄存器集中控制的方式。
其他公司的51系列单片机与8051结构类似，只是根据用户需要增加了特殊的部件，如A/D转换器等。
在设计程序过程中，寄存器的使用非常频繁。
本节内容在了解单片机内部的组成机构基础上，重点介绍单片机内部常用的寄存器的作用。
图1-2-1 MCS-51架构1.2.1中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，主要功能是产生各种控制信号，根据程序中每一条指令的具体功能，控制寄存器和输入/输出端口的数据传送，进行数据的算术运算、逻辑运算以及位操作等处理。
MCS-51系列单片机的CPU字长是8位，能处理8位二进制数或代码，也可处理一位二进制数据。
单片机的CPU从功能上一般可以分为运算器和控制器两部分。
一、控制器控制器由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。
其功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过定时电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的功能。
各部分功能部件简述如下。
1．程序计数器PC（Program Counter）程序计数器是一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址，具有自动加1的功能。
当CPU要取指令时，PC的内容送地址总线上，从存储器中去取出一个指令码后，PC 内容自动加1，指向下一个指令码，以保证程序按顺序执行。
PC是用来指示程序的执行位置，在顺序执行程序时，单片机每执行一条指令，PC就自动加1，以指示出下一条要取的指令的存储单元的16位地址。
也就是说，CPU总是把PC 的内容作为地址，根据该地址从存储器中取出指令码或包含在指令中的操作数。
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状态周期（时钟周期）、机器周期和指令周期，如图2-13
所示。
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图2-13
89C51单片机各种周期的相互关系
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§2.5
复位操作
• §2.5.1 复位操作的主要功能 • §2.5.2 复位信号及其产生 • §2.5.3 复位电路
• 89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振 荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为 XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳 定的自激振荡器。电容器Ｃ１和Ｃ２通常取30 pF左右， 可稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉冲频率 范围为fOSC=0～24 MHz。
• 晶体振荡器的频率为fOSC，振荡信号从XTAL2端输入 到片内的时钟发生器上，如图2-12所示。
因此，一个机器周期中的12个振荡周期表示为 S1P1，S1P2，S2P1，· · · ，S6P1，S6P2。 若采用6MHz晶体振荡器，则每个机器周期为多少？
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机器周期 设:晶体振荡器频率 fosc=6MHz, 则:振荡周期=1/fosc=1/6 μ s（微秒） 因为:一个机器周期包括12个振荡周期, 所以:一个机器周期=12*(1/6) μ s（微秒） = 2μ s（微秒）
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表2-8 各特Leabharlann 寄存器的复位值寄存器 PC ACC PSW SP DPTR P0-P3 IP IE TMOD
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复位状态 0000H 00H 00H 07H 0000H FFH ××000000B 0×000000B 00H
如果振荡周期为12MHz，则其指令周期分别为 1μs、 2μs 和4μs。
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3、基本时序定时单位
89C51或其他80C51单片机的基本时序定时单位有如下4个。
• • •
振荡周期： 晶振的振荡周期，为最小的时序单位。 状态周期： 振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给
问:如果fosc=12MHz, 一个机器周期为多少?
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答案 1μs（微秒）
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指 令 周 期
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每条指令都由一个或几个机器周期组 成。 指令周期：执行一条指令所需的时间。 每条指令由一个或若干个字节组成。
有单字节指令，双字节指令，…多字节指 令等。字节数少则占存储器空间少。 例如
片 内CPU的时钟周期。因此，一个状态周期包含2个振荡周期 。 机器周期（MC）： 1个机器周期由6个状态周期即12个振 荡周期组成，是计算机执行一种基本操作的时间单位。
•
指令周期： 执行一条指令所需的时间。一个指令周期由1～
4个机器周期组成，依据指令不同而不同，见附录A。
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每条指令的指令周期都由一个或几个 机器周期 组成。有单周期指令、双
周期指令、和四周期指令。机器周期 数少则执行速度快。 如图所示 其指令周期各为多少？
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指令周期
•
• • •
设振荡周期为6MHz，则一个机器周期为 2μ s（微秒）。 单周期指令：指令周期为 2μ s（微秒） 双周期指令：指令周期为 4μ s（微秒） 四周期指令：指令周期为 8μ s（微秒）
第4讲： 单片机基本组成电路
知识目标：1、掌握时钟电路及MCU时序 2、掌握复位电路及复位操作 技能目标：构建单片最小系统
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§2.4
时钟电路及89C51 CPU时序
片内时钟信号的产生 CPU取指、执指时序
§2.4.1 §2.4.2
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§2.4.1 片内时钟信号的产生
4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时
间值（例如，波特率、定时器的定时时间等）的基本时序 单位。
下面是单片机外接晶振频率12 MHz时的各种时序单位的大小。
振荡周期=1/fOSC=1/12 MHz=0.083 3 μs 状态周期=2/fOSC=2/12 MHz=0.167 μs
机器周期=12/fOSC=12/12 MHz=1 μs
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§2.5.1 复位操作的主要功能
一、复位是单片机的初始化操作。 二、主要功能： 三、寄存器的复位状态：
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复位操作主要功能
• 程序地址指针PC初始化为0000H，使单 片机从0000H单元开始执行程序 • 当由于程序运行出错或操作错误使系统 死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复 位键重新启动。
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图2-12 89C51的片内振荡器及时钟发生器
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§2.4.1 片内时钟信号的产生
1、节拍与状态周期 2、机器周期和指令周期 3、基本时序定时单位
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1、节拍与状态周期
• 时钟发生器是一个2分频的触发器电路，它将振荡器的信 号频率fOSC除以2，向CPU提供两相时钟信号P1和P2。 时钟信号的周期称为机器状态周期S(STATE)，是振荡周 期的2倍。 在每个时钟周期(即机器状态周期S)的前半周期，相位 1(P1)信号有效，在每个时钟周期的后半周期，相位2(P2 ，节拍2)信号有效。 每个时钟周期(以后常称状态S)有两个节拍(相)P1和P2， CPU就以两相时钟P1和P2为基本节拍指挥89C51单片机各 个部件协调地工作。
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•
•
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2、机器周期和指令周期
一、机器周期：
二、指令周期：
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计算机的一计算机的一条指令由若干个字节组
机 器 周 期
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成。执行一条指令需要多长时间则以机器周期 为单位。 一个机器周期是指CPU访问存储器一次所需的 时间。例如，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6个S状 态：S1~S6。 每个状态又分为两拍，称为P1和P2。