单片机的硬件结构和原理资料
第2章 89C51单片机硬件结构和原理 (单片机原理课件)
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1、准双向 当I/O口作为输入时，应先向此口锁存器写入 全1， 此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。
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2、P0口：
P0口可作为一个8位数据准双向输入/输出口；
在CPU访问片外存储器时，P0口为分时复用的
低8位地址总线和8位数据总线。
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3、片内4KB程序存储器Flash ROM（4KB）: 用以存放程序、一些原始数据和表格。但有一些单片机内
部不带ROM/EPROM，如8031、8032、80C31等。
4、四个8位并行I/O（输入/输出）接口 P0~P3: 每个口可以用作输入，也可以用作输出。
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5、两个或三个定时/计数器: 每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部 事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据 计数或定时的结果 实现计算机控制。 6、一个全双工UART的串行I/O口: 可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。 7、片内振荡器和时钟产生电路: 但需外接晶振和电容。 8、五个中断源的中断控制系统。 9、具有节电工作方式：
（3）8位程序状态寄存器PSW： （4）8位寄存器B：
（5）布尔处理器： （6）2个8位暂存器：
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1）运算器 （1）8位的ALU： 可对4位、8位、16位数据进行操作。
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（2）8位累加器ACC（A）： • 它经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU 的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数 进行运算，运算结果又送回ACC。
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第2章8051单片机硬件结构和原理
指令寄存器IR及指令译码器ID
• 由PC中的内容指定ROM地址，取出来的指令经IR送至ID， 由ID对指令译码产生一定序列的控制信号，以执行指令所 规定的操作。
振荡器和定时电路
• 8051单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体 和频率微调电容（2个30pF左右），其频率范围为 1.2MHz~12MHz。该信号作为8051工作的基本节拍
片外程序存储器
从程序员角度看存储器
程序存储器保留地址
（1）0000H～0002H三个单元：
• 用作上电复位后引导程序的存放单元。因
为复位后PC的内容为0000H，CPU总是从
0000H开始执行程序。将转移指令存放到 这三个单元，程序就被引导到指定的程序 存储器空间去执行。
程序存储器保留地址
（2）0003H～002AH单元：
使用。
SFR之 程序状态寄存器PSW(D0H)
• PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各位包含
了程序执行后的状态信息，供程序查询或判别之
用。各位的含义及其格式如表2－6所列。
• PSW除有确定的字节地址(D0H)外，每一位均有
位地址
Psw中的位
• CY(PSW.7)： 进位标志位。在执行加法(或减法)运算 指令时，如果运算结果最高位(位7)向前有进位(或借 位)，则CY位由硬件自动置1；如果运算结果最高位无 进位(或借位)，则CY清0。CY也是89C51在进行位操作 (布尔操作)时的位累加器，在指令中用C代替CY。 • AC(PSW.6)： 半进位标志位，也称辅助进位标志。当 执行加法(或减法)操作时，如果运算结果(和或差)的 低半字节(位3)向高半字节有半进位(或借位)，则AC位 将被硬件自动置1；否则AC被自动清0。 • F0(PSW.5)： 用户标志位。用户可以根据自己的需要 对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，以作为 软件标志。
单片机的硬件结构和原理
单片机的市场和研究现状
随着物联网、人工智能等行业的不断发展，单片机市场需求呈现爆发式增长，各国学者和工程师也在不断探索 单片机的新技术、新应用。
晶体管
单片机内部开关，用于控制电路 和提供时钟信号。
电容器
用于存储电荷和调节电压，保证 单片机稳定运行。
电阻器
用于控制电流和电压大小，保护 单片机内部电路。
单片机的存储系统
1 ROM
只读存储器，用于存储程 序代码和固定数据。
2 RAM
随机存储器，用于临时存 储程序数据和运行状态。
3 Flash
闪存存储器，可擦写多次， 用于存储程序、数据和升 级信息。
中断优先级
设备优先级高的中断请求将 先得到处理。
单片机的定时器和计数器
定时器
在单片机内部生成一个基准信号，用于控制程序执 行时间。
计数器
用于记录和计算单片机产生的信号脉冲数目，可用 于计量和统计。
单片机的应用案例
1
电子钟
通过单片机控制时钟芯片，实现秒、分、时的精确显示。
2
温度计
通过单片机采集温度传感器的信号，实现温度的测量和显示。
3
遥控器
通过单片机处理按键输入信号，实现对电器设备的遥控操作。
单片机的不足和发展趋势
单片机虽然功能强大，但其成本、功耗和性能限制着应用场景。未来单片机 将会更小、更省电，集成更多功能和计算能力。
单片机的编程语言和调试工具
汇编语言
C语言
调试工具
直接操作机器指令，编写效率高， 但学习难度较大。
高级编程语言，易于学习和掌握， 编写效率高。
单片机的硬件结构和原理
单片机是现代电子技术中常用的控制器件，本次演讲将介绍单片机的基本原 理、硬件结构和应用领域。
第2章 89C51单片机硬件结构和原理
2．累加器A 使用最频繁的寄存器，可写为Acc。“A”与“Acc” 书写上 的差别，将在第3章介绍。
作用如下：
（1）ALU单元的输入数据源之一，又是ALU运算结果存放单元。 （2）数据传送大多都通过累加器A，相当于数据的中转站。为 解决“瓶颈堵塞”问题，AT89S51增加了一部分可以不经过 累加器的传送指令。
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PSW中各个位的功能： （1）Cy（PSW.7）进位标志位
可写为C。在算术和逻辑运算时，若有进位/借位，Cy＝1；
否则，Cy＝0。在位处理器中，它是位累加器。 （2）Ac（PSW.6）辅助进位标志位 在BCD码运算时，用作十进位调整。即当D3位向D4位产生进 位或借位时，Ac＝1；否则，Ac＝0。 （3）F0（PSW.5）用户设定标志位 由用户使用的一个状态标志位，可用指令来使它置1或清0， 控制程序的流向。用户应充分利用。
端（12-21V）。
4、I/O端口P0、P1、P2和P3 准双向的含义：
当I/O口作为输入时，应先向此口锁存器写入全1， 此 时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。
1）P0口：用作通用的I/O口；当外扩存储器及I/O接口芯片时，P0口作为低8位地址 总线及数据总线的分时复用端口。 2）P1口：用作通用的I/O口 3）P2口：用作通用的I/O口；当外扩存储器及I/O接口芯片时，P2口作为高8位地址 总线 4）P3口：用作通用的I/O口；每个引脚有第二功能
图2－6 高128字节RAM(SFR区)
1、堆栈指针SP
堆栈指针SP（8位），可指向片内RAM00H～7FH的任何单元。系统 复位后，SP指向07H的RAM单元，所以入栈的第一个数据位于08H单元。
堆栈：在片内RAM区专门开辟的一个区域，数据的存取是按“后进先
单片机原理及接口技术
单片机原理及接口技术单片机（Microcontroller）是一种集成了微处理器核心、存储器、输入/输出端口和定时器等功能于一体的计算机系统。
它具有成本低廉、体积小巧、功耗低等优点，广泛应用于各个领域。
本文将介绍单片机的原理及接口技术。
一、单片机原理1. 单片机的组成结构单片机通常由CPU、存储器、输入/输出口、定时/计数器、中断系统等组成。
其中，CPU是单片机的核心，负责执行程序指令；存储器用于存储程序和数据；输入/输出口用于与外部设备进行数据交互；定时/计数器用于计时和计数；中断系统可以处理外部事件。
2. 单片机的工作原理单片机工作时，先从存储器中加载程序指令到CPU的指令寄存器中，然后CPU执行指令并根据需要从存储器中读取数据进行计算和操作，最后将结果写回存储器或输出到外部设备。
3. 单片机的编程语言单片机的程序可以使用汇编语言或高级语言编写。
汇编语言是一种低级语言，直接使用机器码进行编程，对硬件的控制更加精细，但编写和调试难度较大。
而高级语言（如C语言）可以将复杂的操作用简单的语句描述，易于编写和阅读，但对硬件的控制相对较弱。
二、单片机的接口技术1. 数字输入/输出接口（GPIO）GPIO是单片机与外部设备进行数字信号交互的通道。
通过配置GPIO的输入或输出状态，可以读取外部设备的状态或者输出控制信号。
GPIO的配置包括引脚的模式、电平状态和中断功能等。
应根据具体需求合理配置GPIO，以实现与外部设备的稳定通信。
2. 模拟输入/输出接口单片机通常具有模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），用于模拟信号的输入和输出。
ADC将模拟信号转换为数字信号，以便单片机进行处理。
而DAC则将数字信号转换为模拟信号，用于驱动模拟设备。
模拟输入/输出接口的配置需要考虑转换精度、采样率和信噪比等因素。
3. 串行通信接口串行通信接口允许单片机与其他设备进行数据交换。
常见的接口包括UART（通用异步收发器）、SPI（串行外设接口）和I2C（串行外设接口），它们具有不同的通信速率和传输协议。
单片机的结构及工作原理
单片机的结构及工作原理
单片机是一种集成电路芯片，它由CPU核心、存储器、I/O端口、定时器/计数器、中断控制器以及其他外围电路组成。
单片机的工作原理如下：
1. 开机复位：单片机通电后，会执行复位操作。
当复位信号触发时，CPU会跳转到预定的复位向量地址，开始执行复位操作。
2. 初始化：执行复位操作后，单片机会进行初始化。
这包括设置输入/输出端口的初始状态、初始化定时器和计数器等。
3. 执行指令：一旦初始化完成，单片机会开始执行存储器中的指令。
指令通常存储在Flash存储器中，单片机会按照程序计
数器（PC）的值逐条执行指令。
4. 控制流程：单片机执行程序时会根据条件跳转、循环、分支等控制流程操作来改变指令执行顺序。
5. 处理输入输出：单片机可以从外部设备（如传感器、键盘等）读取输入信号，并根据程序逻辑给出相应的输出信号。
6. 中断处理：单片机具有中断控制功能，可以在特定条件下立即中断当前程序，并执行中断服务程序。
中断通常用于及时响应外界事件。
7. 系统时钟：单片机需要一个时钟源来同步指令和数据的处理。
时钟源可以是外部晶振、内部振荡器或者其他时钟源，它们提供基准频率给单片机。
单片机的工作基于时钟信号和电压供应，控制执行指令、处理输入输出等任务。
通过程序设计和外部电路连接，单片机可以应用于各种领域，如家用电器、自动化控制、通信等。
第1部分 89C51单片机硬件结构和原理
第1部分 89C51单片机硬件结构和原理1. 89C51单片机片内包含哪些主要逻辑功能部件?答：89C51单片机是个完整的单片微型计算机。
芯片内部包括下列硬件资源：（1）8位CPU；（2）4KB的片内Flash ROM。
可寻址64KB程序存储器和64KB外部数据存储器；（3）256B内部 RAM/SFR；（4）21个 SFR；（5）4个8位并行I/O口P0～P3（共32位I/O线）；（6）一个全双工uart的异步串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通讯；（7）两个16位定时器/计数器；（8）5个中断源，两个中断优先级；（9）内部时钟发生器。
2. 89C51的ＥＡ端有何用途?答：作外部程序存储器地址允许输入端和固化编程电压输入端。
3. 89C51的存储器分哪几个空间?如何区别不同空间的寻址?答：89C51存储器包括程序存储器和数据存储器，从逻辑结构上看，可以分为三个不同的空间：（1）64KB的程序存储器地址空间：0000H~FFFFH，其中0000H~0FFFH为片内4KB的Flash ROM地址空间，1000H~FFFFH为外部ROM地址空间；（2）256B的内部数据存储器地址空间，00H~FFH，分为两大部分，其中00H~7FH（共128B单元）为内部静态RAM的地址空间，80H~FFH为特殊功能寄存器的地址空间，21个特殊功能寄存器离散地分布在这个区域；（3）64KB的外部数据存储器地址空间：0000H~FFFFH，包括扩展I/O地址空间。
MCS-51单片机存储器三类空间地址存在重叠，单片机设计了不同的数据传送指令符号来区分：CPU访问片内、片外ROM指令用MOVC，访问片外RAM指令用MOVX，访问片内RAM 指令用MOV。
4. 简述89C51片内RAM的空间分配。
答：89C51内部256B的数据RAM区，包括有工作寄存器组区、可直接位寻址区和数据缓冲区、特殊功能寄存器组区。
89C51单片机的硬件结构和原理
存放运算的中间结果、 数据暂存，堆栈
3.I/O接口
4个8位的并行口P0 P1P2 P3
§2-2 89C51单片机引脚及其功能
1.电源引脚 Vcc +5V
Vss 接地
2.时钟电路引脚 XTAL1（19PIN）和XTAL2（18PIN）
片内振荡器接法：XTAL1
XTAL2
1.2MHz-12MHz
外接时钟源接法：XTAL2浮空，XTAL1输入外部时钟脉冲
（2）外接时钟源 （较少采用）
2.指令周期、机器周期与状态周期 指令周期：执行一条指令所需的时间 机器周期：执行一个基本操作所需的时间 状态周期：一个状态周期由2个振荡周期组成 振荡周期：晶振的振荡周期，最小的时序单位
关系：一个指令周期由若干个机器周期组成, (1～4个） 一个机器周期由6个状态周期（ 12个振荡周期）组成
假如外接晶振12MHZ:则振荡周期=1/fosc=1/12=0.083us 机器周期=12/fosc=12/12=1us 指令周期=(1~4)机器周期
3.各种周期的相互关系
§2-5 复位操作
1. 复位操作： 系统处于正常工作状态时，振荡器稳定后，RST引脚上有一 个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期），CPU复位
D5 D4 D3
D2
D1 D0
位符号
SMOD
—
— — GF1 GF0 PD IDL
7）并行I/O端口P0～P3 8）串行数据缓冲器SBUF
9）定时器/计数器的专用寄存器T0和T1
§2-4 时钟电路及89C51CPU时序
系统时钟的作用： 微处理器、微控制器内部电路的工作基础。 晶振频率越高，系统时钟频率越高，单片机运
MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系
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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
2）累加器A ： 地址E0H，可以位寻址。 3）寄存器B：地址F0H，可以位寻址。 4）程序状态字PSW：存放各种标志。
5）. 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
表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表
表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表
1）. 程序计Leabharlann 器PC（Program 物理上独立。
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 K.。
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(PC)← (PC)+1, 又 指向CPU 下一条要执行的指令地址。
片外数据存贮器
64KB片外RAM
图 2.2 MCS - 51 单片机的存储器结构
1. 程序存储器P41
对 于 8051 来 说 , 程 序 存 储 器 （ ROM ） 的 内 部 地 址 为
0000H~0FFFH, 共 4 KB; 外部地址为 1000H~FFFFH, 共 60
KB。 当程序计数器由内部 0FFFH执行到外部 1000H 时, 会自 动跳转。对于 8751 来说, 内部有 4 KB的EPROM, 将它作为内 部程序存储器; 8031 内部无程序存储器, 必须外接程序存储器。 8031 最多可外扩 64 KB程序存储器, 其中 6 个单元地址具有特
初始化为07H。
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
殊用途, 是保留给系统使用的。0000H是系统的启动地址, 一般
在该单元中存放一条绝对跳转指令。0003H、000BH、 000BH、 001BH和 0023H对应 5 种中断源的中断服务入口地址。
2. 内部数据存储器 MCS-51 单片机片内RAM的配置如图 2.4（b）所示。 片内RAM为 256 字节, 地址范围为00H~FFH, 分为两大部分: 低 128 字节（ 00H~7FH ）为真正的 RAM 区 ; 高 128 字节
（80H~FFH）为特殊功能寄存器区SFR。
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 2.2 RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系
2.6 单片机的引脚及其功能
图 2.6 MCS - 51 (a) 管脚图； (b) 8031 引脚功能分类
1. 时钟电路
图 2.2 单片机时钟电路 （a） 内部时钟电路； （b） 外部振荡源
2并行输入/输出口
1. P0口
图 2.5 P0 口内部一位结构图
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
图 2.1 MCS - 51单片机结构框图
8031：无内部ROM 8051：内部4KB掩膜ROM 8751：内部4KBEPROM
2.4 MCS-51 存贮器组织
普林思顿结构：
哈佛结构：
51单片机的存贮器组织是哈佛结构。 物理上：片内程序存贮器 片外程序存贮器 片内数据存贮器 64KB程序存贮空间 256B片内RAM 逻辑空间
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。
7）I/O端口（P0~P3）
8）SBUF
9）定时器/计数器T0，T1 10）其他控制寄存器 IE，IP中断 SCON：串行口
TMOD，TCON：定时/计数器
PCON：供电方式
3. 外部数据存储器
外部数据存储器一般由静态 RAM构成，其容量 大小由用户根据需要而定 , 最大可扩展到 64 KB RAM , 地址是 0000H~0FFFFH。 CPU通过MOVX 指令访问外部数据存储器 , 用间接寻址方式 , R0 、 R1和 DPTR都可作间接寄存器。注意, 外部RAM和 扩展的I/O接口是统一编址的, 所有的外扩I/O 都要占用 64 KB中的地址单元。 口
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。
第2章 单片机的硬件结构和原理
2.1 MCS -51单片机内部结构
2.4 存储器的结构
2.3 单片机的引脚及其功能
2.7 单片机工作的基本时序
2.1 MCS - 51单片机硬件结构
2.2.1 MCS - 51系列单片机的分类
表 2.1 MCS - 51 系列单片机配置一览表
2.2.2 MCS - 51单片机的内部结构
RS1
0 0 1 0
RS0
0 1 0 1
片内PAM 通用寄存器 寄存器组 地址 名称 00H~07H R0~R7 0组 08H~0FH R0~R7 1组 10H~17H R0~R7 2组 18H~1FH R0~R7 3组
表 2.5 RAM中的位寻址区地址表
表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表