单片机第二章、单片机的结构和原理
单片机原理及应用 第二章 单片机的基本结构与工作原理
4、多功能I/O口引脚
P0口（32~39脚）： 8位双向并行I/O端口。 低8位地址总线和数据总线复用。 可带8个LSTTL负载
20H 7
0
寄
18H R7～R0 3组
存
10H R7～R0 2组
器
08H R7～R0 1组
2.3 中央处理器CPU
包括控制器、运算器和工作寄存器及时序电路。 作用是读入及分析指令，控制各个部件进行指定的操
作 主要部件：
算术/逻辑运算部件ALU 布尔处理器 定时/控制部件 寄存器
一、算术/逻辑运算部件ALU
功能：实现数据的算术/逻辑运算、位变量 处理和数据传送等操作
二、专用寄存器
根据累加器A中1的个数由硬件置位或清除 奇数个1，P=1；否则，P=0
PSW•1：保留位，无定义
三、时钟电路及时序脉冲
时钟电路
• 作用：产生时序电位和时序脉冲 • 产生方式：
– 内部方式，利用片内的振荡器电路 – 外部方式
1）内部时钟方式
补偿电容 30PF或47PF
片内振荡器 等效电路
外部谐振电路
晶体或陶瓷谐振器 1.2M~12MHZ
2）外部时钟方式
XTAL2 悬空
3）CPU的时序
振荡周期 即时钟周期，由晶振主频率决定，为其倒数
机器周期 单片机完成一个基本操作的时间 一个机器周期包括12个振荡周期，分为6个状态， S1~S6；每个状态包含两个振荡周期，P1和P2。因 此，80C51的时序可表示为S1P1，S1P2，……，S6P1， S6P2
单片机_02(10)-第二章 MCS-51单片机的结构和原理ppt
（2）时钟(shízhōng)电路的构成：
a、内部(nèibù)时钟
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（2）时钟电路(diànlù)的构成：
b、外部(wàibù)时钟
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2、MCS-51系列(xìliè)单片机复位状态和复位电路
(1)复位软件状态 a、MCS-51系列的复位信号RST：高电平有效
(yǒuxiào),在振荡器运行时，使RST脚至少 保持2个机器周期（24个振荡周期）的高电 平而实现的。 b、复位操作不影响片内RAM的内容，但使 /PSEN和ALE//PROG两个控制信号为高电平， 处于准备工作状态，而PC及特殊寄存器则变 成如下状态：
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其中，SMOD为串行口波特率倍率控制位，若 SMOD＝1，则串行口波特率倍率；SMOD=0,则 波特率不加倍。GF1和GF0，为通用标志(biāozhì) 位，用户可通过指令改变它们的状态；PD为掉 电控制位：IDL为空闲控制位。PD和IDL的片内 控制电路如图2—11所示。
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(1) 掉电方式 80C51执行如下指令使可进入掉电方式 MOV PCON，#02H ：PD<-1 上述指令执行后PD端变为高电平，振荡器因此停振，片 内所有功能部件停止工作，但片内RAM和特殊功能寄存 器(SFR)中内容保持不变，ALE和/PCON的输出为逻辑低 电平。在掉电期间，Vcc电源可以降为2V(可以由于电他 供电)，但80C31退出(tuìchū)掉电方式必须等待恢复十5V 电压后经过一段时间才能允许。
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• 连续执行方式
•
连续执行方式是所有单片机都需要的
一种工作方式，被执行程序可以放在片内或
片外ROM中。由于单片机复位后程序计数器
PC=0000H，因此机器在加电或按钮复位后总
单片机 第二章
单片机第二章在我们探索单片机的奇妙世界时，第二章的内容就像是一扇通往更深入知识的大门。
这一章，将为我们揭开单片机内部结构和工作原理的神秘面纱，让我们对这个小小的芯片有更全面的认识。
单片机，简单来说，就是一个集成在一块芯片上的微型计算机。
它虽然体积小，但“五脏俱全”，具备了计算机的基本组成部分，如中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口等。
先来说说中央处理器（CPU），它是单片机的“大脑”，负责指挥和控制整个系统的运行。
就像一个乐队的指挥，协调着各个乐器的演奏，使整个乐曲和谐有序。
CPU 通过执行预先存储在存储器中的程序指令，来完成各种任务，比如数据处理、逻辑判断、控制输出等。
而存储器呢，就像是单片机的“记忆库”。
它分为程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储我们编写的程序代码，这些代码就像是给单片机下达的一系列指令，告诉它要做什么。
数据存储器则用于存储在程序运行过程中产生的数据，比如计算的中间结果、输入的外部数据等。
输入输出接口（I/O 接口）则是单片机与外部世界进行沟通的“桥梁”。
通过这些接口，单片机可以接收来自外部的信号，比如传感器采集的温度、湿度等数据，也可以向外部输出控制信号，比如控制电机的转动、灯泡的亮灭等。
单片机的工作原理其实并不复杂。
当我们给单片机上电后，它会从程序存储器的特定位置开始读取第一条指令，然后按照指令的要求进行操作。
完成一条指令后，再读取下一条指令，如此循环往复，直到程序结束或者遇到暂停指令。
在这个过程中，单片机需要不断地与外部设备进行交互。
例如，当我们需要读取一个按键的状态时，单片机通过输入接口获取按键的电平信号，然后根据这个信号进行相应的处理。
如果需要控制一个 LED灯的亮灭，单片机则通过输出接口向 LED 灯发送控制信号。
为了更好地理解单片机的工作原理，我们不妨以一个简单的温度控制系统为例。
假设我们要设计一个能够根据环境温度自动控制风扇转速的系统。
首先，我们需要一个温度传感器来采集环境温度，并将温度信号转换为电信号输入到单片机的输入接口。
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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单片机原理及应用第二章 单片机的结构及原理(中断系统)
EX0/EX1/ET1/ET0/ES 位： 分别是外部中断0/1，定时器0/1，串行口的 中断允许控制位: =0：禁止； =1：允许。 EA：总的中断允许控制位（总开关）： =0：禁止全部中断；=1：允许中断。
四、中断的响应过程
①中断源 ②中断申请 ③开放中断
INT1 外部中断 IE1
内部 定时器1
内部 T 串行口 R
中断入口 低中断级 中断请求
ET1
TI RI
ES
IE寄存器
EA位
IP寄存器
中断源 标志位
中断入口
注意：中断标志位除串口外均由硬件自动清零。
思考题：
1、为什么串口的中断标志位不自动清零？ 2 、在 INT1 引脚接一个按键，要求实现：通过 按键操作依次点亮八盏灯中的一盏。
三、中断请求源及中断控制
2. 中断控制寄存器 SCON（98H）
TI RI
TI：数据发送完成中断申请标志位： =0：没有发送完成； =1：发送完成申请中断。 RI：数据接收完成中断申请标志位： =0：没有接收完成； =1：接收完成申请中断。
三、中断请求源及中断控制
2. 中断控制寄存器 IE（A8H）
P1.0
P1.7
INT1
300
三、中断请求源及中断控制
2. 中断控制寄存器 TCON（88H）
TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0
IE0/IE1：外部中断申请标志位： =0：没有外部中断产生； =1：有外部中断申请。 IT0/IT1：外部中断请求的触发方式选择位： =0：INT0/1端申请中断的信号低电平有效; =1：INT0/1端申请中断的信号负跳变有效。
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
第二章 MCS-51单片机的结构和原理
SFR区
低128B的数据RAM
高128B的特殊寄存器区
单片机的数据存储器
数据存储器中的堆栈：
堆栈用于保护中断时程序的断点地址，以便中断返回时程序的继续执行； 堆栈的特点是先进后出，后进先出； 堆栈的指令是：PUSH（压入）和POP（弹出） 堆栈寄存器叫SP，其内部的数值叫栈底，初始值为07H，一般应进行设置到50H或60H。
1、中央处理单元CPU（8位） 用于数据处理、位操作（位测试、置位、复位） 2、只读存储器ROM（4KB或8KB） 用于永久性存储应用程序，掩膜ROM、EPROM、EEPROM 3、随机存取存取器RAM（128B/256B） 用于程序运行中存储工作变量和数据 4、并行输入/输出口I/O（32线） 用作系统总线、扩展外存、I / O接口芯片
指令存储器及指令译码器
由PC内容指定的ROM地址单元中取出的指令，经指 令寄存器送至指令译码器进行译码，进而CPU产生相应 的控制信号，执行指令所规定的操作。
振荡器及定时控制电路
MCS-51 片 内 有 振 荡 器 OSC ， 通 过 单 片 机 的 XTAL1,XTAL2连接片外的石英晶体及两个频率微调电容， 产生单片机工作所需要的基本时钟—节拍。
单片机的特殊功能寄存器(SFR)
PSW
D7 CY D6 AC D5 F0 D4 D3 D2 OV D1 / D0 P
RS1 RS0
PSW—（Program State Word）程序状态字； CY—进位位标志位或借位位标志位； AC—半字节进位位标志位或半字节借位标志位； F0—用户标志位； RS1,RS0—工作寄存器组选择位，00-0区，01-1区，10-2区，11-3区； OV—溢出标志位，当进行补码运算时，如有溢出，超出-128~127范围时置位； /—未定位位，在52中为F1，用户标志位； P—奇偶标志位，每条指令执行完后，跟踪指示A内的1 的个数，如为奇数， 则P=1,否则为0，常用于校验串行通信中的数据传送是否出错。
单片机课后习题解答
单片机课后习题解答练习练习练习第二章单片机结构及原理1、mcs-51单片机内部涵盖哪些主要功能部件？它们的促进作用就是什么？请问：（1）一个8bitcpu就是微处理器的核心，就是运算和逻辑排序的中心。
（2）片内震荡器及时钟电路：提供标准时钟信号，所有动作都依据此进行。
（3）4krom程序存贮器：存贮程序及常用表格。
（4）128bram数据存贮器：暂存一些中间变量和常数等。
（5）两个16bit定时器/计数器：全然硬件定时器（6）32根可编程i/o口线：标准8位双向（4个）i/o接口，每一条i/o线都能独立地作输入或输出。
（7）一个可编程全双工串行口。
（8）五个中断源。
2、什么是指令？什么是程序？请问：指令就是规定计算机继续执行某种操作方式的命令。
程序是根据任务要求有序编排指令的集合。
3、如何重新认识89s51/52存储器空间在物理结构上可以分割为4个空间，而在逻辑上又可以分割为3个空间？答：89s51/52存储器空间在物理结构上设有４个存储器空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。
在逻辑上有３个存储器地址空间：片内、片外统一的64kb程序存储器地址空间，片内256ｂ数据存储器地址空间，片外64ｋｂ的数据存储器地址空间。
4、开机复位后，cpu使用的是哪组工作寄存器？他们的地址是多少？cpu如何确定和改变当前工作寄存器组？请问：开机登位后，cpu采用的就是第0组与工作寄存器，地址为00h～07h，cpu通过发生改变状态字寄存器psw中的rs0和rs1去确认工作寄存器组。
5、什么是堆栈？堆栈有何作用？在程序设计时，有时为什么要对堆栈指针sp重新赋值？如果cpu在操作中要使用两组工作寄存器，sp应该多大？请问：堆栈就是一个特定的存储区，主要功能就是暂时存放数据和地址，通常用以维护断点和现场。
堆栈指针sp登位后指向07h单元，00h～1fh为工作寄存器区，20h～2fh为十一位串行区，这些单元存有其他功能，因此在程序设计时，须要对sp再次赋值。
第2章89C51单片机硬件结构与原理
串行通信
一、组成
一个8位 的微处理器CPU。
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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。
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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。
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（3）振荡器和定时电路
• 89C51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 89C51工作的基本节拍即时间的最小 单位。
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（二）、存储器
1、程序存储器（ROM） 2、数据存储器（RAM）
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1、程序存储器（ROM）
地址从0000H开始。 用于存放程序和表格常数。
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2、数据存储器（RAM）
地址为00H～7FH。 用于存放运算的中间结果、数据暂存以
及数据缓冲等。 片内还有21个特殊功能寄存器（SFR），
它们同128字节RAM统一编址，地址为 80H～FFH。
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（三）、I/O接口
89C51有四个8位并行I/O接口P0～ P3。
区.
2 sdcw@
教学内容
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4 §2.5
§2.6 §2.7
89C51单片机的结构 89C51单片机引脚及其功能 89C51存储器配置 CPU时序 复位及复位电路
89C51单片机的低功耗工作方式 输出/输入端口结构
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§2.1 89C51单片机的结构 §2.1.1 89C51组成结构与性能
第2章 MCS-51单片机的结构和原理
89C51/S51单 片机 内部结构图
RAM地址 寄存器
存储器
P0.0-P0.7 P0驱动器
P2.0-P2.7 I/O接口
P2驱动器
128B RAM
P0锁存器
P2锁存器
4KBROM
程序地址 寄存器
B寄存器 运算器
暂存器1
暂存器2
ACC
SP 缓冲器
ALU
PC增1 中断、串行口和定时器 PSW PC
DPTR
DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制
等领域的技术发展起到十分重要的作用。
典型的DSP算法
Algorithm Finite Impulse Response Filter Equation
y(n)
a
k 0
M
M
k
x( n k )
Infinite Impulse Response Filter
8051片内有ROM(程序存储器，只能读)和RAM(数据存储器， 可读可写)两类，它们有各自独立的存储地址空间，与一般微机
的存储器配臵方式不同。
8051有四个8位并行接口，即P0-P3．它们都是双向端口，每 个端口各有8条I／O线，均可输入／输出。P0-P3口四个锁存器同 RAM统一编址，可以把I／O口当作一般特殊功能寄存器来寻址
冯· 诺曼（Van Neuman）结构
控制命令 程序存储器 地址线
CPU
数据存储器
数据线
哈佛结构 控制命令 地址线 程序总线 程序存储器
CPU
控制命令 地址线 数据总线
数据存储器
8051／8751／8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，其 内部结构除ROM／EPROM不同外，其余完全相同。