单片机芯片的基本结构
Chapter 2 MCS-96系列单片机
时钟信号
单片机须有产生时钟信号的电路. 一.外部振荡信号的产生(fosc) 两种方式: 1.外接振荡信号发生器; 2.接石英晶振片.
单片机 XTAL1 XTAL2
C1号的产生 1.8096/8098内部为三分频电路.若fosc=12M, 则时钟信号频率fc=12/3=4M, T=1/4M=0.25us 2.80C196等芯片内部为二分频电路.若 fosc=12M,则时钟信号频率fc=12/2=6M, T=1/6M=0.167us.
第四节 I/O口和I/O控制,状态寄存器
一.I/O口 有四个,五个,六个,七个I/O口的情况(视不 同的型号). 如48脚的芯片有4个,87C196CA有7个I/O口. 1.P0口 为输入口,P0.0~P0.7., 具复用功能,也作A/D的 输入引脚ACH0~ACH7. 2.P1口 为准双向I/O口.
4. 硬件完成乘除法运算. 5.可有256个, 512个或1K个内部寄存器. 6.主频可达12M, 16M, 20MHZ. 三.CPU的时序 1.时序的概念 CPU的操作在微命令的控制下完成.微命 令由CLOCK信号加工产生. 对应于微命 令的脉冲在时间上有着严格的先后次序 称为时序.
2.时序图 “存储器读”的时序图(8位数据传送模 式或8位总线模式).
6. P6口 双向I/O口. 二. I/O控制和状态寄存器 共有4个,均为8位的寄存器,属于SFR.用 于对I/O的控制及记录I/O口的状态. 1. IOC0 15H, 只写. 与HSI和定时器有关. 2. IOC1 16H, 只写.涉及较多的I/O部件.
3. IOS0 15H, 只读.只与HSO有关,记录其工作状态. 4. IOS1 16H, 只读. 与HSI和软硬件定时器有关.注 意读时的保护问题.
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。
MCS51系列单片机芯片结构
MCS51系列单片机芯片结构MCS51系列单片机是Intel（英特尔）于1980年推出的一种8位微控制器，由Intel公司设计并于1981年开始生产。
MCS51系列单片机由几个基本部分组成，包括CPU、内存、IO口、时钟和定时器等，这些组件相互协作来完成微控制器的各种功能。
1. CPU（中央处理单元）MCS51系列单片机的CPU是其核心部分，负责整个系统的指令执行和数据处理。
CPU采用哈佛结构，由指令存储器和数据存储器独立组成。
MCS51单片机采用8位体系结构，支持指令级别的并行处理。
CPU在工作时，可以通过片内总线与其他部件进行数据和指令的传输。
2. 内存MCS51系列单片机的内存包括RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。
2.1. RAMMCS51单片机的RAM主要用于临时存储数据和变量，其容量从几十字节到几百字节不等，取决于具体型号。
RAM通常被分为多个片段，例如通用寄存器、特殊功能寄存器和堆栈等。
2.2. ROMMCS51单片机的ROM主要用于存储程序和常量数据。
ROM可以是内部ROM或外部ROM。
内部ROM通常具有较小的存储容量，例如2KB或4KB，而外部ROM可以扩展到几十KB或更大。
3. IO口MCS51系列单片机的IO口用于与外部设备进行通信，包括输入和输出操作。
常见的IO口类型包括GPIO（通用输入/输出口）、UART （通用异步收发器）和SPI（串行外设接口）等。
通过配置相关寄存器，可以设置IO口的工作模式和功能。
4. 时钟和定时器MCS51系列单片机需要一个时钟源来同步其操作。
时钟通常由外部晶体振荡器提供，也可以通过内部RC振荡器或外部时钟信号源。
通过配置定时器寄存器，可以实现精确的计时和定时功能。
MCS51系列单片机通常有多个定时器，如定时器0和定时器1，用于生成时序信号、延时操作和计数等功能。
这些定时器可以用于测量时间、触发中断和产生PWM（脉宽调制）信号。
总结MCS51系列单片机芯片结构由CPU、内存、IO口、时钟和定时器等基本部分组成。
最小系统的组成
3.单片机复位电路介绍
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复位电路：由电容串联电阻构成。 在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次， 当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下， 系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运 行的系统中控制其复位。 单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑 在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从 头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中， 受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内 部的程序自动从头开始执行。
1.8051单片机的基本结构
3
2.单片机最小系统的定义
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单片机的最小系统 是指单片机能正常工作 所必须的基本电路，主 要是由单片机、复位电 路、晶振电路构成，如 果采用的是不带内部 ROM的单片机，还需要 有外部ROM扩展电路。
2.单片机最小统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般 采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。 （2）51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可 以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度， 频率越大处理速度越快。 （3）51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶 振离单片机越近越好4.P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。
4.单片机晶振电路介绍
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晶振电路一般采用如图a的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路；实际的晶振 交流等效电路如图b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏 电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图c。其中Co， C1，L1，RR是晶体的等效电路。
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系列单片机芯片结构
控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄 存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以 及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单 片机各部分正常工作。
2. 定时器/计数器
MCS－51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定 时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外 部事件的计数和检测等。
电源引脚Vcc和Vss
Vcc：电源端，接＋5V。
Vss：接地端。
时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡 器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接 地。
XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振 荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外 部时钟的输入端。
5. 串行I/O口
MCS－51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双 工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。
6. 中断控制系统
8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个 ，串行中断1个。
7. 时钟电路
MCS－51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电 容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器 的频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6MHz。
地址锁存允许ALE
系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低 8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。
外部程序存储器读选通信号
是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。
程序存储器地址允许输入端 /VPP 当为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC 中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令 。当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。
STC89C51单片机硬件结构资料
0023H —— 串口中断入口
( 002BH —— T2溢出中断入口 )
三、内部数据存储器
物理上分为两大区域：00H ~ 7FH即128B内RAM区
7FH
80H ~ FFH即SFR区。
用户RAM区
数据缓冲区、堆栈区、工作 单元
2FH / 30H
位寻址区 （位地址00H ~ 7FH ）
1FH / 20H
PC增1 PC DPTR P1锁存器 P1驱动器 P1.0-P1.7 P3锁存器 P3驱动器 P3.0-P3.7
1、中央处理单元（89C51 CPU） CPU是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，由运算 器和控制器等部件组成。如图2-2。 运算器 ALU—8位算术和逻辑运算 对4位(半字节)、8位(字节)、16位(双字节)操作 算术运算 -- 加、减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制 调整、比较 逻辑运算 -- 与、或、非、异或、求补、移位 TMP1，TMP2 – 8位暂存器 ACC – 8位累加器 累加器ACC经常作为一个操作数经TMP2进入ALU，与 来自TMP1的另一个操作数进行运算，结果存入ACC中 作为89C51内部数据传送的中间寄存器 大部分指令中用注记符A表示，进出堆栈指令时用注记 符ACC表示
一、89C51单片机的基本组成 图2-1所示位89C51带闪存(Flash ROM)单片机的基本结构 框图。
外部时钟 外部事件计数
振荡器和 时序OSC
程序存储器 4KB FlashROM
数据存储器 256B RAM/SFR
2×16位 定 时器/计数器
80C51 CPU
64KB总线 扩展控制器 可编程I/O 可编程全 双工串行口
MCS-51单片机内共有22个特殊功能寄存器，包括PC及SFR。 PC为程序计数器。它是一个双字节寄存器,寻址范围为: 0000H ～ FFFFH，即0 ～ 64KB。
8051单片机的体系结构
(3)数据缓冲区
内部RAM的30H～7FH是数据缓冲区，也称为用户RAM区， 共80个单元。
52子系列内部有256个单元的数据存储器，用户RAM区范 围为30H～FFH，共208个单元。
工作寄存器区和位寻址区的地址及单元数与上述一致。
3、堆栈和堆栈指针 堆栈的概念：是一种数据项按序排列的数据结
构，采用后进先出，这种后进先出操作的缓冲器 区称为堆栈。
由内部控制信号产生输入锁存器两个输入缓冲器buf1和buf2推拉式io驱动器251p0口位图内部结构buf2buf15p0r2为读引脚信号执行movap0时该信号有效6读引脚端口时输出锁存器应为1qqdcvcc控制ad0p0r1p0r2d0p0w图1p0口内部结构读锁存器读引脚锁存器内部总线写锁存器地址数据p00多路开关10写数据读端口p03地址锁存器cbioa15a14a13a12a11a10a9a8a7a6a5a4a3a2a1a0d7d6d5d4d3d2d1d0dbabp10p11p12p13p14p15p16p17resetp30p31p33p34p35p36p37vssvccp00p01p02p05p06p07eaalepsenp27p26p25p24p23p22p21p20p32mcs51片外总线结构示意图返回mcs51单片机片外总线p04返回单片机8031p20p21p22a8a9a10alerd74ls373g6264a7a6a5a4a3a2a1a0o0o1o2o3o4o5o6o7p00p01p02p03p04p05p06p07oeceq0q1q2q3q4q5q6q7d0d1d2d3d4d5d6d7wewrp27p23p24a11a126264we单片机8031p20
P2.0
.P:2.4
单片机
8031 P0.0
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单片机芯片的基本结构
2.1 MCS—51系列单片机逻辑结构 2.2 MCS—51单片机存储器及存储空间 2.3 并行输入/输出接口 2.4 MCS-51单片机的时钟电路与时序 2.5 MCS-51单片机的工作方式
2.1 MCS—51系列单片机内部结构及功能部件
2.1.1 内部结构
图2―1 MCS—51系列单片机内部结构框图
图2―4 HMOS型MCS—51单片机时钟产生方式 （a） 内部振荡器方式; （b） 外部振荡器方式
3. 控制信号或与其它电源复用引脚 控制信号或与其它电源复用引脚有 RST/VPD、 ALE / PROG.、PSEN 和 EA / VPP 等 4种形式。 （ 1 ） RST/VPD （ 9 脚 ） : RST 即 为 RESET, VPD为备用电源, 所以该引脚为单片机的上电复位或掉 电保护端。 （2） ALE / PROG (30脚): 当访问外部存储器时, ALE （允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号
历年试卷
8051单片机的内部硬件结构包括了： 、 、 、 以及片内数据存储器、片内程序 存储器、并行I/O口、位处理器等部件，这些部件通过 相连接。(0707)(0801)
CPU 时钟电路 中断控制系统 串行口 内部数据总线 8051单片机的内部硬件结构包括了： ， ， ， 以及并行I/O口、串行口、中断控制系统、时钟电 路、位处理器等部件，这些部件通过 相连接。 (0901) CPU 片内RAM 片内ROM 定时/计数器（顺序不限） 内部数据总线
(a) 管脚图； (b) 引脚功能分类
1. 主电源引脚Vcc和Vss VCC（40脚）: 接+5 V电源正端; VSS（20脚）: 接+5 V电源地端。 2. 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19脚）: 接外部石英晶 体的一端。 在单片机内部 , 它是一个反 相放大器的输入端, 这个放大器构成了片 内振荡器。 当采用外部时钟时 , 对于 HMOS 单 片 机 , 该 引 脚 接 地 ; 对 于 CHMOS单片机, 该引脚作为外部振荡信 号的输入端。
P（PSW.0）——奇偶机 布尔处理（即位处理）是 MCS—51 单片机 ALU 所具有的一种功能。 单片机指令系统中的布尔指令集 （17条位操作指令）, 存储器中的位地址空间, 以及借 用程序状态标志寄存器PSW中的进位标志CY作为位操
作“累加器”, 构成了单片机内的布尔处理机。
2. 程序状态字 程序状态字寄存器PSW（8位）是一个标志寄存器, 它保存指令执行结果的特征信息, 以供程序查询和判别。 其程序状态字格式及含义如下:
PSW.7 PSW.0
CY
AC
F0
RS1 RS0 OV
—
P
CY（PSW.7）——进位标志位。
AC（PSW.6）——辅助进位（或称半进位）标志。 F0（PSW.5）——由用户定义的标志位。 RS1（PSW.4）、 RS0（PSW.3）——工作寄存器组选择位。 OV（PSW.2）——溢出标志位。 由硬件置位或清零。 PSW.1——未定义位。
·4 KB（MCS—52子系列为8 KB）的片 内程序只读存储器 ROM 或 EPROM （ 8031 和 8032无）。 · 18个（MCS—52子系列为21个）特殊功 能寄存器SFR。 ·4 个 8 位并行输入输出 I/O 接口 : P0 口、 P1口、 P2口、 P3口（共32线）, 用于并行输 入或输出数据。 ·1个串行I/O接口。 · 2个（MCS—52 子系列为3 个）16位定时 器/计数器。
XTAL2 （ 18 脚） : 接外部晶体的 另一端。 在单片机内部 , 接至片内振荡 器的反相放大器的输出端。 当采用外部 时钟时, 对于HMOS单片机, 该引脚作为 外部振荡信号的输入端; 对于CHMOS芯 片, 该引脚悬空不接。
80C51外部脉冲信号需从XTAL1引脚注入，而XTAL2引脚悬空
2.1.2单片机外部引脚说明 MCS—51 系列单片机芯片均为 40 个引脚, HMOS工艺制造的芯片采用双列 直插（DIP）方式封装, 其引脚示意及功 能分类如图2―3所示。 CMOS工艺制造 的低功耗芯片也有采用方型封装的, 但为 44个引脚, 其中4个引脚是不使用的。
图2―3 MCS—51系列单片机引脚及总线结构
图2―2 MCS—51系列单片机内部结构简化框图
MCS—51系列单片机的内部结构框图如图2―1所 示。
分 析 图 2―1, 并 按 其 功 能 部 件 划 分 可 以 看 出 , MCS—51系列单片机是由8大部分组成的。图2―2为按 功能划分的MCS—51系列单片机内部结构简化框图。 这8大部分是: ·一个8位中央处理机CPU。 · 128 个字节（ MCS—52 子系列为 256 字节）的 片内数据存储器RAM。
· 1 个具有 5个（MCS—52 子系列 为6个或7个）中断源, 可编程为2个优先 级的中断系统。 它可以接收外部中断申 请 , 定时器 / 计数器中断申请和串行口中 断申请。
中央处理器CPU
中央处理器是单片机内部的核心部件 , 它决定了单片机的主要功能特性。 它由运算 部件和控制部件两大部分组成。
运算部件 运算部件是以算术逻辑单元 ALU 为核心, 加上累 加器A、 寄存器B、 暂存器TMP1和TMP2、 程序状态 寄存器 PSW 及专门用于位操作的布尔处理机组成的 （见图2―1）, 它能实现数据的算术逻辑运算, 位变量 处理和数据传送操作。 1. 算术逻辑单元ALU与累加器ACC、 寄存器B 算术逻辑单元 ALU 不仅能完成 8 位二进制数的加 （带进位加）、 减（带借位减）、 乘、 除、 加1、 减1及BCD加法的十进制调整等算术运算,还能对8位变 量进行逻辑“与”、 “或”、 “异或”、 求补、 清 零等逻辑运算, 并具有数据传送, 程序转移等功能。 累 加器ACC简称累加器A, 为一个8位寄存器, 它是CPU中 使用最频繁的寄存器。 进入ALU作算术和逻辑运算的 操作数多来自于A, 运算结果也常送回A保存。 寄存器 B是为ALU进行乘除法设置的。