单片机-第2章单片微机的基本结构
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第2章 AT89S51单片机硬件结构PPT课件
图2-2 AT89S51双列直插封装方式的引脚
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2．时钟引脚 （1）XTAL1（19脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电
路输入端。用片内振荡器时，该脚接外部石英晶体和微调电 容。外接时钟源时，该脚接外部时钟振荡器的信号。 （2）XTAL2（18脚）：片内振荡器反相放大器的输出端。当使 用片内振荡器，该脚连接外部石英晶体和微调电容。当使用 外部时钟源时，本脚悬空。 2.2.2 控制引脚 （1）RST (RESET，9脚) 复位信号输入，在引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电 平，可使单片机复位。正常工作，此脚电平应 ≤ 0.5V。
节和页编程，现场程序调试和修改更加方便灵活； （2）数据指针增加到两个，方便了对片外RAM的访问过程； （3）增加了看门狗定时器，提高了系统的抗干扰能力；
9
（4）增加断电标志； （5）增加掉电状态下的中断恢复模式。 片内各功能部件通过片内单一总线连接而成（见图2-1），
基本结构依旧是CPU 加上外围芯片的传统微机结构。 CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR，
目的：本章学习，为AT89S51系统的应用设计打下基础。 在原理和结构上，单片机把微机的许多概念、技术与特点都
继承下来。用学习微机的思路来学习单片机。
2.1 AT89S51单片机的硬件组成 片内硬件组成结构如图2-1所示。把作为控制应用所必需的基本
功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。 有如下功能部件和特性：
（1）8位微处理器（CPU）； （2）数据存储器（128B RAM）； （3）程序存储器（4KB Flash ROM）； （4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）
； （5）1个全双工的异步串行口； （6）2个可编程的16位定时器/计数器；
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2．时钟引脚 （1）XTAL1（19脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电
路输入端。用片内振荡器时，该脚接外部石英晶体和微调电 容。外接时钟源时，该脚接外部时钟振荡器的信号。 （2）XTAL2（18脚）：片内振荡器反相放大器的输出端。当使 用片内振荡器，该脚连接外部石英晶体和微调电容。当使用 外部时钟源时，本脚悬空。 2.2.2 控制引脚 （1）RST (RESET，9脚) 复位信号输入，在引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电 平，可使单片机复位。正常工作，此脚电平应 ≤ 0.5V。
节和页编程，现场程序调试和修改更加方便灵活； （2）数据指针增加到两个，方便了对片外RAM的访问过程； （3）增加了看门狗定时器，提高了系统的抗干扰能力；
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（4）增加断电标志； （5）增加掉电状态下的中断恢复模式。 片内各功能部件通过片内单一总线连接而成（见图2-1），
基本结构依旧是CPU 加上外围芯片的传统微机结构。 CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR，
目的：本章学习，为AT89S51系统的应用设计打下基础。 在原理和结构上，单片机把微机的许多概念、技术与特点都
继承下来。用学习微机的思路来学习单片机。
2.1 AT89S51单片机的硬件组成 片内硬件组成结构如图2-1所示。把作为控制应用所必需的基本
功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。 有如下功能部件和特性：
（1）8位微处理器（CPU）； （2）数据存储器（128B RAM）； （3）程序存储器（4KB Flash ROM）； （4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）
； （5）1个全双工的异步串行口； （6）2个可编程的16位定时器/计数器；
第2章-STC15单片机的内部结构
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
一、 总体结构
图2.2 STC15W4K32S4单片机详细结构图
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
二、 引脚功能
图2.3 STC15W4K32S4的PDIP40引脚图
程序计数器PC用于在CPU运行过程中，保存下一条要执行的指令在程序存储器中的 地址，一般情况下，它总是自动加一，只在运行转移类或子程序调用类指令时，才会 改变为相应的目标地址，这些概念和普通微处理器中的概念是相同的。PC的位数是 16位，所以，51单片机程序存储器的空间大小是64KB。当单片机复位时，PC初始化 为0000H，这也是51单片机上电复位以后，所执行的第一条指令的地址。
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
一、 总体结构
3．并行I/O口
并行开关量（数字量）的输入/输出，是微控制器最基本的功能。STC15系列单片机， 提供了最多8个可编程的并行I/O口（根据封装的不同，端口数也不同），大部分I/O口 是8位的，有些口不足8位。如图Port0-Port7所示。这些I/O口命名为P0~P7，既可以 将它们分别作为一个整体，用于8位开关量的输入与输出（若是8位端口的话），也可 以将它们的各位口线分别独立地用于1位的开关量输入与输出。当这些口线单独使用 时，它们被命名为Px.y，其中x代表其所在的并行口，可为0-7；y代表相应的位，可 为0-7，例如P0.7，代表P0口的D7位。
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
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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单片机原理及接口技术
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。
17:43
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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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单片机原理及接口技术
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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单片机原理及接口技术
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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单片机原理及接口技术
（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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微电子技术单片机教程第二章
钟时，用于外接时钟脉冲信号。
89S51 时钟产生方式
内部时钟方式
C1
18（XTAL2）
外部时钟方式
悬空
18（XTAL2）
19（XTAL1）
C2
19（XTAL1）
外部时 钟
GND
AT89S51
GND AT89S51
3、I/O口引脚（32个引脚）
P0口（32脚～39脚）有两种使用方法：
作为普通I/O口使用，须外接上拉电阻
CPU总是按PC的指示读取程序。PC可自动加1。因此
CPU执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序
调用、中断和复位等操作，PC被强制改写，程序执行
顺序也发生改变。
系统复位时，PC=0000H。
(7)程序状态寄存器PSW（Program Status Word）
位 PSW
位 7 6 5 4 3 2 1 0
单片机引脚说明
1、主电源引脚Vcc和 V ss VCC（40脚）: 接+4V~+5V电源正端;
VSS（GND 20脚）: 电源负极（接地）
2、振荡器外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚）：当使用芯片内部时
钟时，此二引线用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时
中断 锁存器 定时/计数器 串行口
存储 器
锁存器
锁存器
控制 器
锁存器
B
SP
暂存器1
ACC
暂存器2
指令寄存器IR
运算 I/O 器 接口
缓冲器
双数据指针DPTR PC增量器
程序计数器PC
4K FLASH
指令译码器ID
PSW
第2章AT89S51单片机硬件结构
TXD
INT0 INT1 T0 T1 WR RD
串行数据发送
外部中断 0 申请 外部中断 1 申请 定时器/计数器 0 计数输入 定时器/计数器 1 计数输入 外部RAM写选通 外部RAM读选通
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控制信号引脚
RST/VPD（9引脚）：RST为复位信号输入端。
当RST端保持2个机器周期以上高电平时，单片机完成复位操作。 第二功能VPD为内部RAM的备用电源输入端。当主电源VCC发生 断电，降到一定电压值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电 源，以保护片内RAM中的信息不丢失，上电后能继续正常运行。 ALE / PROG （30引脚） ： ALE为地址锁存允许信号 在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存 器锁存起来，以实现低8位地址和数据的分时传送。
CPU是单片机内部的核心部件，完成运算和控制操作。包括运 算器、控制器以及若干寄存器等部件组成
运算器
以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、寄存器B、暂存器 TMP1和TMP2、 程序状态寄存器PSW、十进制调整电路及专门用
于位操作的布尔处理机组成的。
功能：实现数据的算术逻辑运算，位变量处理和数据传送操作。
可编程I/O
内中断
外中断 控制
并行口
4
89S51单片机的基本组成 一个8位 的微处理器CPU。 片内数据存储器(RAM128B/256B）:
用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终 结果以及欲显示的数据等。
片内程序存储器Flash ROM（4KB/8KB）:
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。
第2章 AT89S52单片机的片内硬件结构(1)内部结构及引脚
17
（2）EA/ VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programming，31脚)
第一功能：
当EA接高电平时，在PC值不超出1FFFH （即不超出片内8KB Flash存储器的地址 范围）时，单片机读片内程序存储器 （8KB）中的程序，但PC值超出1FFFH （即超出片内8KB Flash地址范围）时， 将自动转向读取片外60KB（2000H-FFFFH）
Port 0
P1.2 P1.3
P0.0～P0.7统称为P0口。
P1.4 P1.5
❖ 地址/数据总线复用
P1.6 P1.7
❖ 地址总线低8位
RST/VPD RXD/P3. 0
（2）P2口（21脚～28脚）:
TXD/P3.1 INT0/ P3.2
P2.0～P2.7统称为P2口,
一
INT1/ P3.3 T0/ P3.4
EA ALE PSEN
P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
16
补充知识： 210=1024=1K =0000 0011 1111 1111B =03FFH 216=65536=64K =1111 1111 1111 1111B =FFFFH 213=8192=8K =0001 1111 1111 1111B =1FFFH
储器中的内容，读取的地址范围为
T0/ P3.4
12 13 14
29 28 27
0000H～FFFFH，片内的8KB Flash 程序存 T1/P3.5 15
26
储器不起作用。 第二功能： 对片内Flash编程，接编程电压。
WR/P3.6 26
25
RD/P3.7 17
（2）EA/ VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programming，31脚)
第一功能：
当EA接高电平时，在PC值不超出1FFFH （即不超出片内8KB Flash存储器的地址 范围）时，单片机读片内程序存储器 （8KB）中的程序，但PC值超出1FFFH （即超出片内8KB Flash地址范围）时， 将自动转向读取片外60KB（2000H-FFFFH）
Port 0
P1.2 P1.3
P0.0～P0.7统称为P0口。
P1.4 P1.5
❖ 地址/数据总线复用
P1.6 P1.7
❖ 地址总线低8位
RST/VPD RXD/P3. 0
（2）P2口（21脚～28脚）:
TXD/P3.1 INT0/ P3.2
P2.0～P2.7统称为P2口,
一
INT1/ P3.3 T0/ P3.4
EA ALE PSEN
P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
16
补充知识： 210=1024=1K =0000 0011 1111 1111B =03FFH 216=65536=64K =1111 1111 1111 1111B =FFFFH 213=8192=8K =0001 1111 1111 1111B =1FFFH
储器中的内容，读取的地址范围为
T0/ P3.4
12 13 14
29 28 27
0000H～FFFFH，片内的8KB Flash 程序存 T1/P3.5 15
26
储器不起作用。 第二功能： 对片内Flash编程，接编程电压。
WR/P3.6 26
25
RD/P3.7 17
第2章 MCS-51单片机
（4）可寻址外部程序存储器和数据存储器，各64KB；
（5）两个16位定时器／计数器； （6）32位可编程并行I／O口； （7）一个可编程全双工串行I／O口； （8）二十多个特殊功能寄存器； （9）5个中断源，两个优先级嵌套中断结构。
2. 微处理器 8051微处理器的组成如下所示：
累 加 器 ACC（ Accumulator） 程 序 状 态 字 寄 存 器 PSW（ Program Status Word） 运算器 暂存寄存器 CPU 寄存器B 指 令 寄 存 器 IR 控制器 指 令 译 码 器 ID 程 序 计 数 器 PC
(2)位寻址区
内部RAM的0x20～0x2F为位寻址区，这16个字节的每
一位都对应一个8位地址，位地址范围为0x00～0x7F。该区 域可按字节读写，也可按位读写，位地址从0x20单元最低位 开始，共有16×8位，即128个位地址。 如果系统需要位操作，最好保留0x20～0x2F单元的部分
或全部，作为位存储区，以支持位处理操作。位寻址区的每
一位都可以直接进行位操作。通常把各种程序状态标志位控 制变量，设在位寻址区内，同时，位寻址区的RAM单元也 可以作一般的数据缓冲器使用。RAM寻址区位地址映象如 表2-5所示。
位 寻 址 区 地 址 映 象
(3)缓冲器区
内部RAM的0x30～0x7F的地址区，可作为数据缓冲器 使用，存放数据，由于该区有丰富的操作指令，使用十分 方便。 2.外部数据存储器 在51系列中，允许用户扩展外部数据存储器和I/O接口， 用户可以通过P0、P2口最多扩展连接64K个外部单元（每
片机系统。
MCS-51的典型产品是8051、8031、8751。8051是ROM型单片 机，内部有 4KB 掩膜 ROM ； 8031 无片内 ROM ， 8751 片内有
《单片机原理及应用》第二章 89C51单片机的结构和原理2012
• 片内容量为4KB，地址范围为0000H～0FFFH。 • 片外最多可扩至64KB ROM/EPROM，地址范围为 1000H～FFFFH。 • 片内外统一编址。 • ROM的寻址方式： • 1）当 EA=“1”时：
– 在0000～0FFFH范围内执行片内ROM中的程序，当指令地址超 过0FFFH 后就自动转向片外ROM中取指令。
• 四个8位并行I/O（输入/输出）接口P0~P3 • 两个定时/计数器
– 每个定时/计数器都可以设置成计数或定时方式
• 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
• 五个中断源的中断控制系统
MCS-51系列单片机的性能
表中型号带“C”表示所用的是CMOS工艺，具有功耗低的优点。
什么是入口地址？
0023H
2 数据存储器 • 一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空 间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部 分。片内、片外独立编址。 片外RAM： 最大范围：0000H～FFFFH， 64KB；用指令MOVX访问。 片内RAM： 最大范围：00H～FFH，256B； 用指令MOV访问。 又分为两部分：低128B（00～ 7FH）为真正的RAM区，高128B （80～FFH）为特殊功能寄存器 （SFR）区。如右图所示。
第二章 89C51单片机的结构和原理
• • • • • 2.1 89C51单片机的结构 2.2 89C51的引脚及其功能 2.3 CPU时序 2.4 复位操作 2.5 89C51单片机的低功耗工作方式
2.1 89C51单片机的结构
89C51单片机内部结构示意图如下所示： 外部时钟源 外部事件计数输入
振荡器和时序 OSC
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内部结构（2）
程序存储器
– 采用只读存储器（ROM） – 几种结构形式
• 片内只读存储器 • 片内可编程的ROM
– EPROM － needs programmer – EEPROM （ Flash ROM ） － ISP （ In System
Programmable） – OTP （ One-time Programmable, v.s.
OSC
PSW
P1口 寄存器 P1口驱动器
堆栈 指针
PCON SC SBUF (TX) (RX)
IE
IP
中断、串行口
和定时器模块
P3口 寄存器
P3口驱动器
地址锁存器 缓冲器
PC增量器 程序计数器 数据指针
P1.0-P1.7
P3.0-P3.7
I/O口
– P0.0~P0.7、 P1.0~P1.7、 P2.0~P2.7、 P3.0~P3.7
– 某些专用功能（P0、P2） – 替代功能（P3）
控制线
– RST、EA/VPP、ALE/PROG、PSEN
80C51 CPU的结构和特点
单片微机内部的核心部件 主要包括
– 控制器 – 运算器 – 工作寄存器 – 时序电路
内部结构（1）
中央处理器
– 单片微机中的中央 处理器（CPU）是 单片微机的核心， 主要完成运算和控 制功能，又增设了 “面向控制”的处 理功能，增强了实 时性
程序存储器
– 根据内部是否带有 程序存储器而形成 三种型号：内部没 有程序存储器的称 80C31 ， 内 部 带 ROM 的 称 80C51 ， 内部以EPROM代替 ROM的称87C51
在单片微机中，工作寄存器（即通用寄存器） 属于数据存储器RAM的一部分，在后面与片内 数据存储器一起介绍
这里仅介绍控制器、运算器及时序电路的基本 组成、功能与特点
中央控制器
作用
– 译码，发出控制信号
包括
– PC、IAR、IR、ID、Branch、Timing
功能
– Fetch－decode－execute
• 内部条件－如进位、溢出、结果为零等 • 外部条件－用户（设计者）自定义
运算器
主要完成
– A、L、b运算 – 算术运算：加、减、乘、除、比较、BCD等 – 逻辑运算：与、或、异或等；移位、置位、
80C51单片微机的内部结构
80C51系列单片机主要包括中央处理器 CPU （ 算 术 逻 辑 部 件 ALU 、 控 制 器 等） 、只读存储器 ROM、 随机存取存 储器RAM、定时器/计数器、并行 I/O 口 P0～P3、串行口、中断系统以及定 时控制逻辑电路等
这些部件通过内部总线连接起来，基本 结构仍然是通用CPU加上外围芯片的结 构模式，但功能单元上的控制与先前相 比有重大变化，采用了特殊功能寄存器 （SFR） 进行集中控制的方法
定时电路及元件
– 计算机的整个工作是在时钟信号的驱动下， 按照严格的时序有规律地一个节拍一个节拍 地执行各种操作
– 单片微机内部设有定时电路，只需外接振荡 元件即可工作
– 外接振荡元件一般选用晶体振荡器，或用价 廉 的 RC 振 荡 器 ， 也 可 用 外 部 时 钟 源 ， 作 为 振荡元件
– 近来有的单片微机将振荡元件也集成在芯片 内部
PC
– 不是SFR – 存放下一条指令地址 – 变化：反映程序流程 – 宽度：决定程序空间大小 – 如何变化
中央控制器
DPTR
– 16位的SFR – 主要作用
• 访问外部RAM或I/O • 亦可用于查表
– 可分成2个8位SFR：DPH和DPL – 与PC的区别
IR、ID及控制逻辑
– 关于条件转移
单片微型计算机原理 与接口技术 之
单片微机的基本结构
计算机学院 赵传申
80C51单片微机的内部结构
微型计算机的基本组成有三部分，即中 央处理器CPU（通常包括运算器和控制 器）+存储器+输入/输出（I/O）接口。 若将组成计算机的基本部件集成在一块 芯片上，则俗称为单片微机
一台典型的单片微机的基本组成结构， 主要包报中央处型器（CPU）、存储器 （RAM和ROM）、并行I／O口、串行I／ O口、定时器／计数器、定式电路及元件 等
并行I/O口
– 功能强、使用灵活、多功能、驱动能力大
内部结构（4）
串行I/O口
– 全双工串行I/O口 – 与某些终端设备进行串行通信 – 和一些特殊功能的器件相连 – 用多个单片微机相连构成多机系统
定时器/计数器
– 精确定时 – 对外部事件计数
中断系统
– 中断源 – 优先级
内部结构（5）
Protel99SE 的PCB库中的 几种封装形式
Footprint
关于元件封装（Package）
非总线型单片机引脚图
PDIP－Plastic Dual In Line Package SOIC －Small Outline Integrated Circuit
引脚功能
电源和晶振
– VCC、VSS、XTAL1、XTAL2
Multiple-time）
– 片外只读存储器
内部结构（3）
数据存储器
– RAM，存放运行期间的工作变量和数据 – 一般片内有一定容量的RAM（64B～384B） – 常把寄存器（如工作寄存器、特殊功能寄存
器、堆栈等）在物理或逻辑上划分在片内 RAM空间中，所以可将单片微机内部RAM看 成是寄存器堆，有利于提高运行速度 – 片外RAM
80C51单片微机的内部结构图
80C51单片微机的内部结构图 P0.0-P0.7
P2.0-P2.7
P0口驱动器
P2口驱动器
Vcc GND
RAM地址 寄存器
RAM
P0口 锁存器
P2口 锁存器
ROM
PSEN ALE/PROG
EA/Vpp
RST
寄存器B
ACC TMP2
TMP1
ALU
定时 指令 和控制 寄存器
80C51单片微机的引脚
关于元件封装（Package）
DIP－Dual In Line PLCC－Plastic Leaded Chip Carrier PQFP（TQFP）－Plastic（Thin）Quad Flat Pack SSOP － Shrink Small Outline Pack PGA（BGA） － Pin（Ball）Grid Array 右图是