會計學1單片機的體系結構學習要點：

(1)8051單片機內部結構、功能部件；

(2)8051單片機引腳名稱、功能和三總線信號；

(3)單片機的存儲結構、編址、特殊功能寄存器；

(4)單片機工作時序、時鐘電路、復位電路；

(5)單片機I/O的結構功能特點；

(6)單片機的工作模式。

第1頁/共63頁18051單片機內部結構八大功能部件：（1）微處理器（8位CPU）（2）程序存儲器（ROM、EPROM或Flash等）（3）數據存儲器（RAM、E2PROM）（4）四個8位并行可編程I/O端口（P0、P1、P2、P3）（5）一個串行口（UART）（6）兩個16位定時器/計數器（T0/T1）（7）中斷系統（含５～8個中斷源、2個優先級）（8）特殊功能寄存器（SFR）

第2頁/共63頁

還包含：時鐘振蕩器、總線控制器和供電電源此外，有的還有其它功能部件，如：

A/D、D/APWM、PCAWDTSPI、I2C、ISP、IAP第3頁/共63頁8051單片機內部結構圖

第4頁/共63頁28051單片機芯片引腳功能單片機芯片雙列直插封裝方式引腳圖

第5頁/共63頁28051單片機芯片引腳功能單片機芯片方形封裝方式引腳圖

第6頁/共63頁28051單片機芯片引腳功能單片機芯片引腳功能1．主電源引腳（1）GND接地（2）VCC正常操作時為十5V電源。2．時鐘電路引腳（1）XTAL1：（2）XTAL2：第7頁/共63頁3．控制線與電源復用引腳（1）RST/VPD：RST是復位信號，高電平有效。

VPD為第二功能，即備用電源輸入端。（2）ALE/PROG：ALE為地址鎖存允許信號輸出引腳。

PROG為編程信號，第二功能，低電平有效。（3）PSEN：片外ROM選通信號輸出端，低電平有效。（4）EA／VPP：EA為內部和外部ROM控制端

當EA＝1時，從內ROM開始訪問當EA＝0時，只訪問外部ROM

VPP是編程電源輸入端第8頁/共63頁4．并行輸入/輸出引腳（1）P0口：P0.0～P0.7統稱為P0口（2）P1口：P1.0～P1.7統稱為P1口（3）P2口：P2.0～P2.7統稱為P2口（4）P3口：P3.0～P3.7統稱為P3口

P3口每一位可用作第二功能，而且P3口的每一條引腳都可以獨立設置為第一功能的I/O口功能和第二功能。第9頁/共63頁38051中央處理器

單片機的CPU是完整的1位微計算機。這個1位微計算機包含CPU、位寄存器、I/O口和指令集。

CPU內部包含：

1、運算器

2、控制器

3、存儲器。第10頁/共63頁3.1運算器

運算器包含：

1.算術邏輯運算單元ALU---算術運算、邏輯運算

2.累加器A---相當于數據加工廠

3.位處理器---位運算

4.BCD碼修正電路---十進制數的運算處理

5.PSW---記錄程序運行狀態第11頁/共63頁3.2控制器

單片機的指揮部件，主要任務是識別指令，控制各功能部件，保證各部分有序工作。主要包括指令寄存器、指令譯碼器、程序計數器、程序地址寄存器、條件轉移邏輯電路、時序控制邏輯電路。

第12頁/共63頁1、指令、指令譯碼及控制器指令---就是完成某項操作的命令。指令譯碼---對指令進行解析和翻譯控制器---發出相應的控制信息，指揮運算器和存儲器協同完成指令所要求的操作。例如：下面是單片機的一條指令：

0010010100110000(A)+(30H)

該指令是加法指令,指令占2字節第13頁/共63頁2、指令集和指令助記符指令譯碼器所能解析系統在設計時規定的。為直觀表達，用指令助記符表示。例如，上面的加法指令的助記符為：

ADDA，30H第14頁/共63頁3、程序及程序計數器PC

什么叫計算機程序：為完成一個完整的運算任務，按照執行步驟用計算機指令編寫的指令集合。

執行程序指示：地址由PC指示。

執行程序時，在計算機控制器的控制下，取指令裝置會按PC的指向從存儲器中讀出第一條指令并譯碼，執行指令所要求的操作。第15頁/共63頁3.3程序執行過程執行程序線路實際上按PC的指取指令運行，PC就象引路人，稱為程序指針。執行流程如下圖：第16頁/共63頁程序指令取指執行過程1、復位PC=00002、從PC取指，PC+13、取數據4、執行指令5、取下一條指令……第17頁/共63頁48051單片機的存儲結構

8051單片機存儲器采用哈佛結構：

1、有一根地址和數據總線。

2、程序存儲器空間和數據存儲器空間采用獨立編址。

3、擁有各自的尋址方式和尋址空間。第18頁/共63頁4.18051單片機的存儲器結構8051單片機存儲器從物理結構上分四種：

1、片內程序存儲器（只讀存儲器ROM）

（類型：ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash）

2、片外程序存儲器(類型同上)

3、片內數據存儲器（讀寫存儲器RAM）

(類型：SRAM、DRAM、E2PROM、Flash)

4、片外數據存儲器(類型同上)第19頁/共63頁從尋址空間分布上分三種：程序存儲器、內部數據存儲器外部數據存儲器。從功能作用上可五種：程序存儲器、內部數據存儲器、特殊功能寄存器、位地址空間存儲器和外部數據存儲器。第20頁/共63頁4.18051單片機的存儲器結構圖第21頁/共63頁4.2程序存儲器：可尋址的地址空間為64KB，從0000H開始編址，最大地址可至FFFFH。

用EA信號選擇片內、片外程序存儲器：對于STC89C51單片機（片內有4KB），編址為0000～0FFFH，EA接高電平，從片內0000H開始執行程序。對于8031單片機無內部程序存儲器，EA接低電平，從片外讀取程序執行。第22頁/共63頁中斷向量：

單片機至少有5個中斷地址，在0000～002FH程序存儲器地址之間占5個特殊地址，被固定用于5個中斷源的中斷服務程序入口地址。中斷地址如下：第23頁/共63頁4.3片內數據存儲器1、片內RAM編址片內數據存儲器(RAM)，128B/256B)，用來存放程序運行時所需要的常數或變量。編址如下：51子系列片內RAM有128字節編址為00～7FH

特殊功能寄存器塊有128字節編址為為80～FFH52子系列片內RAM有256字節低128字節編址為00～7FH（直接尋址）高128字節編址為80～FFH（間接尋址）

SFR有128字節編址為為80～FFH

（間接尋址）第24頁/共63頁2、內部數據存儲器的劃分

片內RAM編址為00～7FH，分工作寄存器區、位尋址區、數據緩沖區和堆棧數據區三個部分。結構如下圖：第25頁/共63頁(1)工作寄存器區從上圖中可以看到，單片機內部RAM的00～1FH區是R工作寄存器區，分為四個組，由RS1、RS0配置選擇：第26頁/共63頁(2)位尋址區內部RAM的20H～2FH為位尋址區域(見表2-4)。這16個單元(共128位)的位地址編址范圍為00H～7FH。第27頁/共63頁(3)數據緩沖區內部RAM的30H～7FH是數據緩沖區，也稱為用戶RAM區，共80個單元。

52子系列內部有256個單元的數據存儲器，用戶RAM區范圍為30H～FFH，共208個單元。工作寄存器區和位尋址區的地址及單元數與上述一致。第28頁/共63頁3、堆棧和堆棧指針

堆棧的概念：是一種數據項按序排列的數據結構，采用后進先出，這種后進先出操作的緩沖器區稱為堆棧。堆棧指針總是指向棧頂。堆棧就好比水桶或手槍中的彈匣，更象一個裝兵乓球的小圓筒。堆棧的幾個名詞：

滿堆棧、空堆棧、遞增堆棧和遞減堆棧第29頁/共63頁堆棧特點：后進先出堆棧有3個具體功能：

(1)保護斷點

(2)現場保護

(3)臨時暫存數據第30頁/共63頁4.4特殊功能寄存器單片機是通過特殊功能寄存器（SFR）對各種功能部件進行集中控制。如下表：第31頁/共63頁4.5外部數據存儲器單片機一般的內部RAM只有128B或256B。現在有大RAM容量單片機或集成了DataFlash的單片機。系統需要海量存儲器必須擴展外部存儲器。

擴展外部存儲器方式：（1）并行方式擴展（最大64KB）（2）串行方式擴展（最大1MB以上）第32頁/共63頁存儲器使用總結如下：

(1)地址有重疊性，用不同的控制命令分開。

(2)(RAM)和(ROM)在操作使用上是嚴格區分的，不同的操作指令不能混用。

(3)位地址空間有兩個區域：

20H～2FH區和SFR區

(4)片外數據存儲器區中，RAM存儲單元與單片機外部擴展的I/O端口是統一編址的。第33頁/共63頁5并行I/O端口

共有4個8位雙向I/O口，共32口線。每位均有自己的鎖存器(SFR)，輸出驅動器和輸入緩沖器。第34頁/共63頁多路開關功能：用于控制選通I/O方式還是地址/數據輸出方式方式控制：由內部控制信號產生輸入鎖存器兩個輸入緩沖器(BUF1和BUF2)推拉式I/O驅動器5.1P0口位圖內部結構BUF2BUF15、P0R2為讀引腳信號，執行“MOVA,P0”時該信號有效6、讀引腳（端口）時，輸出鎖存器應為“1”說明：1、當控制信號為0時，P0口做雙向I/O口，為漏極開路（三態）2、控制信號為1時，P0口為地址/數據復用總線（用于口擴展）3、P0W為端口輸出寫信號，用于鎖存輸出狀態4、P0R1為讀鎖存器信號，執行“ANLP0,#0FH”時該信號有效QQDCVcc控制AD0P0R1

P0R2D0P0W圖1、P0口內部結構讀鎖存器讀引腳鎖存器內部總線寫鎖存器地址/數據P00多路開關10第35頁/共63頁5.2P1口內部結構P1口內部結構如圖2所示輸出部分有內部上拉電阻R*約為20K。其他部分與P0端口使用相類似（讀引腳時先寫入1）。寫數據讀端口第36頁/共63頁5.3P2口內部結構2、當控制信號為1時P2口輸出地址信息，此時單片機完成外部的取指操作或對外部數據存儲器16位地址的讀寫操作。3、當P2口作為普通I/O口使用時用法和P1口類似。說明：1、P2可以作為通用的I/O，也可以作為高8位地址輸出。第37頁/共63頁P0.3地址鎖存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2MCS-51片外總線結構示意圖返回MCS-51單片機片外總線

P0.4第38頁/共63頁返回單片機

8031P2.0P2.1P2.2A8A9A10ALERD74LS373G6264A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2O3O4O5O6O7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7OECEQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7WEWRP2.7P2.3P2.4A11A126264WE單片機

8031P2.0:.A8..ALERD74LS373GA7..A0P0.0

:P0.7OECEQ0..Q7D0..D7A12P2.4WRD7..D0第39頁/共63頁5.4P3口內部結構說明：1、做普通端口使用時，第二功能應為“1”。2、使用第二功能時，輸出端口鎖存器應為“1”。3、變異功能（）

P3.0TXDP3.4T0P3.1RXDP3.5T1P3.2INT0P3.6WRP3.3INT1P3.7RD1輸出I/O口1讀I/O口11第40頁/共63頁5.5P0～P3端口功能總結使用中應注意的問題：（1）P0～P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口還可用來構建數據總線和地址總線，所以電路中有一個MUX，進行轉換。（2）而P1口和P3口無構建系統的數據總線和地址總線的功能，因此，無需轉接開關MUX。第41頁/共63頁（3）只有P0口是一個真正的雙向口，P1～P3口都是準雙向口。原因:P0口作數據總線使用時，為保證數據正確傳送，需解決芯片內外的隔離問題，即只有在數據傳送時芯片內外才接通；否則應處于隔離狀態。為此，P0口的輸出緩沖器應為三態門。（4）P3口具有第二功能。因此在P3口電路增加了第二功能控制邏輯。這是P3口與其它各口的不同之處。第42頁/共63頁P3口的第二功能第43頁/共63頁6單片機時序與復位時鐘電路用于產生單片機工作所必需的時鐘控制信號。6.1時鐘電路時鐘頻率直接影響單片機的速度，電路的質量直接影響系統的穩定性。常用的時鐘電路有兩種方式：內部時鐘方式和外部時鐘方式。第44頁/共63頁一、內部時鐘方式

內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，其輸入端：XTAL1，輸出端：XTAL2。

C1和C2典型值通常選擇為30pF左右。晶體的振蕩頻率在1.2MHz～12MHz之間。某些高速單片機芯片的時鐘頻率已達40MHz。第45頁/共63頁二、外部時鐘方式

常用于多片單片機同時工作。

第46頁/共63頁

三、時鐘信號的輸出為應用系統中的其它芯片提供時鐘，但需增加驅動能力。

第47頁/共63頁6.2機器周期、指令周期與指令時序一、時鐘周期單片機的基本時間單位。若時鐘的晶體的振蕩頻率為fosc，則時鐘周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。二、機器周期CPU完成一個基本操作所需要的時間。執行一條指令分為幾個機器周期。每個機器周期完成一個基本操作。MCS-51單片機每12個時鐘周期為一個機器周期，第48頁/共63頁一個機器周期又分為6個狀態：S1～S6。每個狀態又分為兩拍：P1和P2。因此，一個機器周期中的12個時鐘周期表示為：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、SP6P1、S6P2第49頁/共63頁三、指令周期執行一條指令時，可分為取指令階段和指令執行階段。取指令階段，PC中地址送到程序存儲器，并從中取出需要執行指令的操作碼和操作數。指令執行階段，對指令操作碼進行譯碼，以產生一系列控制信號完成指令的執行。ALE信號是為地址鎖存而定義的，以時鐘脈沖1/6的頻率出現，在一個機器周期中，ALE信號兩次有效（注意，在執行訪問外部數據存儲器的指令MOVX時，將會丟失一個ALE脈沖）第50頁/共63頁8051X2X1VssTTL外接時鐘源Vcc時鐘電路需外接晶振的頻率1.2~12MHZ，C1和C2取30±10PFX1X2C2

C1X

8051振蕩電路S1S2S3S4S5S6S1S2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2fosc一個狀態周期一個機器周期T=12*(1/fosc)X2CPU的時序（時鐘周期、狀態周期、機器周期）第51頁/共63頁若外接晶振為12MHz時，則單片機的四個周期的具體值為：

時鐘周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs

狀態周期＝1/6μs＝0.167μs

機器周期＝1μs

指令周期＝1～4μs可用于計算指令、程序的執行時間，以及定時器的定時時間第52頁/共63頁6.3復位電路單片機的初始化操作，擺脫死鎖狀態。

引腳RST加上大于2個機器周期（即24個時鐘振蕩周期）的高電平就可使MCS-51復位。