51单片机基本结构详解
51单片机的结构
51单片机的结构51单片机是指一种集成了中央处理器、存储器和各种输入输出接口的单片集成电路。
它由Intel公司于1980年推出，采用了Harvard架构，是一种典型的8位单片机，无论在学校教学还是工业控制领域都得到了广泛的应用。
一、内部结构51单片机的内部结构主要由中央处理器、存储器和输入输出接口组成。
1. 中央处理器51单片机的中央处理器包含一个8位的累加寄存器A、一个8位的B寄存器、一个16位的程序计数器PC以及各种控制寄存器。
其中累加寄存器A是数据处理的核心，用于存储运算的结果。
B寄存器可用作直接寻址时的源操作数或目的操作数。
2. 存储器51单片机的存储器主要分为程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储程序的指令，通常采用只读存储器（ROM）的形式。
数据存储器用于存储程序中的数据，包括RAM和各种寄存器。
3. 输入输出接口51单片机的输入输出接口包括通用输入输出口（GPIO）、串行通信口（UART）、定时器/计数器等。
GPIO用于与外部器件进行数据交互，可用于输入和输出。
UART用于与其他设备进行串行通信，常用于与计算机进行通信。
定时器/计数器可用于计时和定时中断控制。
二、工作原理51单片机的工作原理可以简单概括为：接收指令、执行指令、更新PC。
1. 接收指令51单片机从程序存储器中读取指令，并将指令暂存在指令寄存器中。
指令寄存器会将指令的地址信息传递给地址寄存器，以便读取下一条指令。
2. 执行指令51单片机根据指令的类型和操作码，执行相应的操作。
这可能涉及到对寄存器或存储器的读取、写入、算术运算、逻辑运算等。
执行的结果通常会存储在累加寄存器A中。
3. 更新PC在执行完一条指令后，51单片机会自动更新程序计数器PC的值，使其指向下一条要执行的指令地址。
这样就能够实现程序的顺序执行。
三、应用领域51单片机广泛应用于各个领域，包括嵌入式系统、家电控制、汽车电子、工业自动化等。
1. 嵌入式系统51单片机作为一种低成本、低功耗、易于开发和集成的微处理器，被广泛应用于嵌入式系统中。
简述51系列单片机的内部组成结构
简述51系列单片机的内部组成结构51系列单片机是一种常见的微控制器，由一系列功能模块组成，包括中央处理器、存储器、输入输出接口以及时钟和定时器等。
下面将对51系列单片机的内部组成结构进行简要描述。
1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是51系列单片机的核心部件，负责执行指令、进行运算和控制外围设备。
51系列单片机采用经典的8051架构，拥有8位数据总线和16位地址总线。
其指令集包括丰富的算术、逻辑、移位和控制指令，可以满足各种应用需求。
2. 存储器：51系列单片机具有不同类型的存储器，包括程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。
ROM用于存储用户程序和常量数据，可以是内部ROM或外部扩展的ROM芯片。
RAM用于存储变量和临时数据，可以是内部RAM或外部扩展的RAM芯片。
3. 输入输出接口：51系列单片机提供了多个通用输入输出引脚，用于与外部设备进行数据交互。
这些引脚可以配置为输入模式或输出模式，并具有上拉电阻和输入/输出缓冲器等功能。
通过这些引脚，单片机可以与各种传感器、执行器、显示器和通信接口等外部设备进行连接，实现与外界的数据交换。
4. 时钟和定时器：51系列单片机内部集成了时钟电路和多个定时器/计数器模块。
时钟电路提供基准时钟信号，用于同步CPU和其他模块的操作。
定时器/计数器模块可以生成精确的时间延迟、定时和计数功能，广泛应用于定时控制、脉冲计数、PWM输出等场景。
5. 中断系统：51系列单片机支持多级中断系统，可以响应外部中断请求和内部定时器中断。
通过中断系统，单片机可以实现对实时事件的快速响应，提高系统的实时性和可靠性。
6. 串行通信接口：51系列单片机内部集成了串行通信接口，支持多种通信协议，如UART、SPI和I2C。
通过这些接口，单片机可以与其他设备进行数据交换，实现数据采集、通信和控制等功能。
7. 外部扩展接口：51系列单片机提供了多个外部扩展接口，如总线接口和片选引脚等。
51单片机的基本结构及其主要组成部分
51单片机的基本结构及其主要组成部分51单片机是一种广泛应用于嵌入式系统中的微控制器，具有稳定性高、功耗低、成本低廉等特点。
它的基本结构和主要组成部分对于理解其工作原理和应用具有重要意义。
本文将介绍51单片机的基本结构及其主要组成部分，以帮助读者更好地了解和应用这一技术。
1. CPU部分51单片机的核心是中央处理器（CPU），它负责执行程序中的指令和控制系统的各个部分。
51单片机的CPU采用的是哈佛结构，即指令存储器和数据存储器分开，分别称为程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储程序的指令，数据存储器用于存储程序运行时需要的数据。
2. 存储器部分除了程序存储器和数据存储器，51单片机还包括其他类型的存储器，如片内RAM和EEPROM。
片内RAM用于存储程序执行时产生的临时数据及其运算结果，具有读写速度快的特点。
EEPROM是电可擦除可编程只读存储器，用于存储一些重要的数据，如用户程序或系统配置信息。
3. 定时器/计数器部分定时器/计数器是51单片机中常用的外设之一，用于计时或计数。
它能够产生一定时间间隔的定时中断，并具有计数功能。
定时器/计数器可以用于测量时间、生成时钟信号、控制脉冲宽度调制等。
4. 串行通信部分51单片机支持串行通信，常用的接口有UART和SPI。
UART是通用异步收发传输器，用于实现与外部设备之间的数据传输。
SPI（串行外围接口）是一种同步串行通信协议，适用于与其他设备进行快速数据交换。
5. I/O口部分51单片机具有多个I/O口，用于与外部设备进行数据输入和输出。
它们可以配置为输入模式或输出模式，并可通过程序对其进行读写操作。
通过I/O口，51单片机能够与外部世界进行信息交换，实现各种功能。
6. 中断部分51单片机支持外部中断和定时器中断。
外部中断可以通过外部引脚的变化来触发，如按键中断、传感器中断等。
定时器中断是通过定时器/计数器产生的中断信号实现的，可以用于定时任务或周期性检测。
MCS-51系列单片机的基本结构
并行接口
P0 P1 P2 P3
WR RD PSEN ALE
串行接口 TXD RXD
—6—
1．基本结构与硬件组成
051的主要硬件 资源包括以下几个部 分，内部功能模块构 成如图所示
（1） • 8位中央处理单元CPU （2） • 4K字节的程序存储器ROM （3） • 128字节的数据存储器RAM （4） • 21个特殊功能寄存器SFR （5） • 4个8位并行I/O口P0～P3
用户根据程序执行的需要通过传送指令确定。
—15—
D
寄存器组选择位RS0和RS1
用于设定当前工作寄存器的组号。8051有8个8位寄存器（R0～R7），分为4组。RS1、RS0与
R0～R7的对应关系如表所示。
RS1
RS0
R0～R7组号
R0～R7的物理地址
0
0
0
00～07H
0
1
1
08～0FH
1
0
2
10～17H
• 2个16位可编程定时/计数器T0、T1 （6）
• 5个中断源，具体包括2个外部中断源 （7） INT0和INT1，3个内部中断源
• 1个全双工的异步串行接口 （8）
• 内部时钟产生电路 （9）
—7—
2．中央处理器CPU
中央处理器CPU是单片机的核心组成部分，从功能上可 以分为控制器和运算器两个部分。控制器产生各种控制信号 以协调各部件之间的数据传送、运算等操作；运算器主要执 行算术运算、逻辑运算和位操作等。
① 算术逻辑单元ALU
ALU是一个运算器，主要对8位二 进制数进行算术与逻辑运算，包括加、 减、乘、除四则运算，与、或、非、 异或等逻辑操作。另外还具有置位、 移位、测试转移等功能。
51单片机自学笔记(基础部分)
一、51单片机的硬件结构1. 硬件结构框图说明：○1微处理器(CPU)：51单片机含一个8位CPU，与通用的CPU功能基本相同，含运算器和控制器，不仅可以字节处理，还可以位处理。
例如：未处理、查表、状态检测、中断处理等。
○2数据存储器(RAM)：51为128B，52为256B；片外最大可扩展到64K。
○3程序存储器(ROM/EPROM)：8031没有，8051有4K的ROM，8751有4K的EPROM；片外可扩展至64K。
○4中断系统：5个中断源，2级优先权。
○5定时器/计数器：2个16位定时/计数器，四种工作方式。
○6串行口：1个全双工串行口，四种工作方式。
可进行串口通信，扩展并行I/O口，多机通信等。
○7P1、P2、P3、P0口：四个8位并行I/O口。
○8特殊功能寄存器(SFR):共21个，对片内部件进行管理、控制、监视；实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
2. 引脚排列(1)电源及时钟引脚○1电源引脚：Vcc(40脚)解5V电源、Vss(20脚)接地。
○2时钟引脚：两个始终引脚XTAL1、XTAL2外接晶振，或接晶体与片内反相放大器构成振荡器。
XTAL1(19脚)：内部反相放大器的输入端。
若接晶振则应接地；XTAL2(18脚)：内部反相放大器的输出端。
若采用外部时钟振荡器，该引脚接收时钟振荡信号。
(2)控制引脚○1RST/Vpd(9脚)：复位信号输入，高电平有效。
单片机运行时，此脚持续2个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平，就可复位。
平时应为0.5V低电平；Vpd为第二功能，备用电源输入端。
○2:ALE为地址锁存允许，正常工作时，ALE不断输出正脉冲信号。
当访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳变沿用作低8位地址的锁存信号；PROG’为编程脉冲输入端。
○3PSEN’(Program Strobe Enable,29脚)：程序存储器允许输出控制端。
低电平是外部程序存储器选通。
51单片机的基本结构
51单片机的基本结构51单片机是一种高性能、低功耗的微控制器，是嵌入式系统中常用的一种芯片。
它具有集成度高、易编程、可编程性强等特点，在各种电子设备中广泛应用，包括家电、工业控制、汽车电子、智能仪器等领域。
51单片机的基本结构主要包括CPU、存储器、输入输出端口、定时计数器和串口通信等部分。
1.CPU51单片机的CPU是其核心部分，负责执行指令、进行运算处理。
它通常采用哈佛结构，即指令和数据分开存储。
51单片机的CPU主要由ALU （算术逻辑单元）、寄存器组、指令寄存器、程序计数器等部分组成，能够完成基本的运算和控制功能。
2.存储器51单片机的存储器包括ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）。
ROM用于存储程序代码和常量数据，是只读的；RAM用于存储变量数据和临时结果，是可读写的。
在51单片机中，通常ROM用于存储程序代码和初始化数据，RAM用于存储运行时数据和临时结果。
3.输入输出端口51单片机的输入输出端口用于与外部设备进行数据交换。
它可以通过不同的接口与外部设备连接，比如并行口、串行口、通用输入输出口等。
通过输入输出端口，51单片机可以与外部设备进行数据传输和通信，实现各种功能。
4.定时计数器51单片机的定时计数器可以用于计时和计数，通常用于控制时序和频率。
在51单片机中，定时计数器可以生成各种定时中断，实现定时控制功能。
定时计数器可以根据需要设定不同的时钟源和计数模式，实现灵活的定时控制。
5.串口通信51单片机的串口通信功能可以用于与外部设备进行串行通信，比如与PC机、外围设备等进行数据传输。
串口通信包括串行口和UART（通用异步收发器），可以通过串行口进行双向数据传输。
串口通信在51单片机中广泛应用于各种通信设备和控制系统中。
总的来说，51单片机的基本结构包括CPU、存储器、输入输出端口、定时计数器和串口通信等部分，通过这些部分的组合和协作，可以实现各种功能和应用。
在实际应用中，设计人员可以根据需要对这些部分进行配置和扩展，实现更丰富的功能和性能要求。
MCS51单片机的结构
MCS51单片机的结构MCS-51单片机是Intel公司设计开发的一种高度集成的8位微控制器（microcontroller），主要应用于嵌入式系统中。
它采用了Harvard 架构，包含一个CPU核心、片内存储器、外围接口和定时器/计数器等功能模块。
在本文中，我将详细介绍MCS-51单片机的结构。
MCS-51单片机的结构主要分为以下几个部分：1.中央处理器（CPU）核心：MCS-51单片机的CPU核心采用了8位的数据总线和地址总线，以及一组功能强大的指令集。
该CPU支持多种指令，包括数据传送指令、算术逻辑指令、位操作指令和条件跳转指令等。
它还包括一个累加寄存器和标志寄存器，用于存储操作数和标志位信息。
2.存储器部分：MCS-51单片机包含片内存储器和片外存储器。
片内存储器主要用于存储程序代码和数据，包括ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）。
ROM用于存储程序代码，RAM用于存储数据和临时变量。
片外存储器通过地址线和数据线与单片机连接，可以扩展存储器容量。
3.输入输出（I/O）接口：MCS-51单片机通过多个I/O口与外部世界进行数据交互。
每个I/O 口包含一组引脚，可以用作输入或输出。
这些引脚可以通过配置寄存器来选择其功能。
MCS-51单片机还支持中断输入，可以用于实现外部设备的中断功能。
4.定时器/计数器（Timer/Counter）：MCS-51单片机内置了多个定时器/计数器模块，用于生成精确的时间延迟或测量外部事件的时间间隔。
定时器可以产生周期性的中断信号，用于实现定时任务。
计数器可以计数外部事件的脉冲数量，用于测量时间间隔。
5.串行通信接口：MCS-51单片机内置了一个串行通信接口，可以用于与其他设备进行数据传输。
该接口支持异步串行通信协议，如UART（通用异步收发器）或SPI（串行外围接口）等。
它可以通过配置寄存器来设置通信参数，如波特率和数据格式等。
6.时钟电路：MCS-51单片机需要一个精确的时钟源来驱动内部运算和外设操作。
51单片机基本结构详解
51单片机基本结构详解51单片机（也称为8051单片机）是一种8位微控制器，由Intel公司于1980年代推出。
它是目前市场上最广泛使用的低成本单片机之一，被广泛应用于各个领域，包括家电、工业控制、仪器仪表等。
本文将详细介绍51单片机的基本结构。
一、51单片机的总体结构51单片机的总体结构主要分为五个部分，包括中央处理器（CPU）、存储器、IO口、定时器/计数器以及串行通信接口。
1. 中央处理器（CPU）51单片机中心的核心是一个8位的CPU，负责执行指令集中的操作。
它包括一个累加器（Accumulator）用于存放运算结果，以及一组寄存器用于存放操作数和地址。
2. 存储器51单片机的存储器主要包括内部RAM和内部ROM。
内部RAM用于存放程序和数据，容量通常较小，而内部ROM则用于存储不变的程序指令。
3. IO口51单片机提供了多个通用IO口，用于与外部设备进行数据交互。
这些IO口既可以作为输入口用于接收外部信号，也可以作为输出口用于发送信号控制外部设备。
4. 定时器/计数器51单片机内置的定时器/计数器模块可用于产生精确的时间延时和计数应用。
它能够协助实现各种时间相关的功能，如PWM输出、测速和脉冲计数等。
5. 串行通信接口51单片机的串行通信接口可用于与其他设备进行数据的串行传输。
常见的串行通信协议包括UART、SPI和I2C等。
二、51单片机的工作原理51单片机的工作原理可以概括为以下几个步骤：1. 程序存储器中的指令被复制到内部RAM中。
2. CPU从内部RAM中取出指令并执行。
3. 根据指令的要求，CPU可能会与IO口、定时器/计数器或串行通信接口进行数据交互。
4. 执行完指令后，CPU将结果存回内部RAM或IO口。
三、51单片机的应用领域51单片机由于其成本低、技术成熟、易于开发和应用广泛等优点，被广泛应用于各个领域。
1. 家电控制51单片机可以用于家电控制，如空调、洗衣机、电视机等。
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51单片机基本结构详解
1.什么是单片机
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调试电路电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。
图1-1 单片机外形图
2.单片机的引脚排列
常用的单片机有40个引脚，其排列和功能如图2-1所示。
图2-1单片机的引脚排列和功能
3.单片机最小系统
单片机最小系统是单片机正常工作的最小硬件要求，包括供电电路、时钟电路、复位电路，如图3-1所示。
图3-1 单片机的最小应用系统
判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的办法，就是用万用表测量单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：18脚对地约2.24V，19脚对地约2.09V。
对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和＋5V连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路有问题。
4. 单片机的内部结构
单片机由5个基本部分组成，包括中央处理器CPU、存储器、输入/输出口、定时/计数器、中断系统等，如图4-1所示。
ROM
RAM
时钟电路
并行接口
串行接口
中断系统
定时/计数器
图4-1 单片机的内部结构
4.1 单片机CPU内部结构及功能
51单片机内部有一个8位的CPU，包含运算器，控制器及若干寄存器等，如题4-2所示。
4-2 单片机CPU结构
从上图中我们可以看到，在虚线框内的就是CPU的内部结构了，8位的MCS-51单片机的CPU内部有数术逻辑单元
ALU（Arithmetic Logic Unit）、累加器A（8位）、寄存器B（8位）、程序状态字PSW（8位）、程序计数器PC（有时也称为指令指针，即IP，16位）、地址寄存器AR（16位）、数据寄存器DR（8位）、指令寄存器IR（8位）、指令译码器ID、控制器等部件组成。
1、运算器（ALU）的主要功能
A）算术和逻辑运算，可对半字节（一个字节是8位，半个字节就是4位）和单字节数据进行操作。
B）加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算。
C）与、或、异或、求补、循环等逻辑运算。
D）位处理功能（即布尔处理器）。
由于ALU内部没有寄存器，参加运算的操作数，必须放在累加器A中。
累加器A也用于存放运算结果。
例如：执行指令 ADD A，B
执行这条指令时，累加器A中的内容通过输入口In_1输入ALU，寄存器B通过内部数据总线经输入口In_2输入ALU，A+B的结果通过ALU的输出口Out、内部数据总线，送回到累加器A。
2、程序计数器PC
PC的作用是用来存放将要执行的指令地址，共16位，可对64K ROM直接寻址，PC低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。
也就是说，程序执行到什么地方，程序计数器PC就指到哪里，它始终是跟蹿着程序的执行。
我们知道，用户程序是存放在内部的ROM中的，我们要执行程序就要从ROM中一个个字节的读出来，然后到CPU中去执行，那么ROM具体执行到哪一条呢？这就需要我们的程序计数器PC来指示。
程序计数器PC具有自动加1的功能，即从存储器中读出一个字节的指令码后，PC自动加1（指向下一个存储单元）。
3、指令寄存器IR
指令寄存器的作用就是用来存放即将执行的指令代码。
在这里我们先简单的了解下CPU执行指令的过程，首先由程序存储器（ROM）中读取指令代码送入到指令寄存器，经译码器译码后再由定时与控制电路发出相应的控制信号，从而完成指令的功能。
关于指令在单片机内部的执行过程，我们在后面将会以另一节课来进行详细的讲解。
4、指令译码器ID
用于对送入指令寄存器中的指令进行译码，所谓译码就是把指令转变成执行此指令所需要的电信号。
当指令送入译码器后，由译码器对该指令进行译码，根据译码器输出的信号，CPU控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，使单片机正确的执行程序所需要的各种操作。
5、地址寄存器AR（16位）
AR的作用是用来存放将要寻址的外部存储器单元的地址信息，指令码所在存储单元的地址编码，由程序计数器PC产生，而指令中操作数所在的存储单元地址码，由指令的操作数给定。
从上图中我们可以看到，地址寄存器AR通过地址总线AB与外部存储器相连。
6、数据寄存器DR
用于存放写入外部存储器或I/O端口的数据信息。
可见，数据寄存器对输出数据具有锁存功能。
数据寄存器与外部数据总线DB直接相连。
7、程序状态字PSW
用于记录运算过程中的状态，如是否溢出、进位等。
例如，累加器A的内容83H，执行：
ADD A，#8AH ；累加器A与立即数8AH相加，并把结果存放在A中。
指令后，将产生和的结果为[1]0DH，而累加器A只有8位，只能存放低8位，即0DH，元法存放结果中的最高位B8。
为些，在CPU内设置一个进位标志位C，当执行加法运算出现进位时，进位标志位C为1。
8、时序部件
由时钟电路和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需
的定时脉冲信号。
4.2单片机的存储器
存储器是用来存放程序和数据的部件，MCS-51单片机芯片内部存储器包括程序存储器和数据存储器两大类。
①程序存储器（ROM）
一般用来存放固定程序和数据，特点是程序写入后能长期保存，不会因断电而丢失，MSC-51系列单片机内部有4KB的程序存储空间，可以通过外部扩展到64KB，如图4-3所示。
0FFFH
0000H
外部
0FFFH
0000H
内部
4KB
64KB
0000H
FFFFH
4KB
FFFFH
1000H
60KB
图4-3 内部程序存储器和外部程序存储器
②数据存储器（RAM）
主要用于存放各种数据，内部结构如图4-4所示。
优点：可以随机读入或读出，读写速度快，读写方便。
缺点：电源断电后，存储的信息丢失。
00H
07H
08H
0FH
10H
17H
18H
1FH
R0
R7
R0
R7
R0
R7
R0
R7
第3 组
第2 组
第1 组
第0 组
通用工作寄存器区
20H
2FH
位寻址区
30H
7FH
用户数据存储区
低128
高128
21
SFR
特殊功能寄存器区
图4-4 数据存储器的内部结构位寻址区的位地址映象如表1-1所示。
表1-1位寻址区的位地址映象表
4.2. 单片机的并行I/O
①P0口
P0口的口线逻辑电路如图4-5所示
图4-5 P0口的口线逻辑电路如图②P1口
P1口的口线逻辑电路如图4-6所示
图4-6 P1口的口线逻辑电路图③P2口
P2口的口线逻辑电路如图4-7所示
图4-7 P2口的口线逻辑电路图④ P3口
P3口的口线逻辑电路如图4-8 所示
图4-8 P3口的口线逻辑电路图
4.3.单片机的时钟和时序
①时钟电路
单片机时钟电路通常有两种形式：内部振荡方式和外部振荡方式
MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
把放大器与晶体振荡器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号直接连接到XTAL1端引入单片机内，XTAL2端悬空不用。
②时序
振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。
时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。
因此时钟周期是振荡周期的两倍，即一个S周期，被分成两个节拍—P1、P2
指令周期：CPU执行一条指令所需要的时间(用机器周期表示)。
各时序之间的关系如图4-9所示。
图4-9各时序之间的关系。