单片机概述及结构原理

目录

• 一.单片机概述
• 二.单片机结构原理
• 三.单片机硬件系统结构
• 1.运算部件
• 2.控制部件
• 四.存储器结构
• 1.程序存储器
• 2.数据存储器
• 1.程序计数器PC
• 2.累加器A
• 3.B寄存器
• 4.程序状态字寄存器PSW
• 5.堆栈指针SP
• 6.数据指针DPTR
• 7.端口P0-P3
• 8.串行数据缓冲器SBUF
• 9.定时器
• 3.外部数据存储器
• 4.I/O端口
• 5.I/O 口的读一修改—写特性
• 6.复位电路
• 7.复位时片内各寄存器的状态
• 8.时序(未搞清楚，待更新)
• 9.MCS-51 单片机引脚功能
• 1.端口线(4×8 = 32 条)
• 2.电源线(2条)
• 3.控制线(6条)

一.单片机概述

单片机即单片机微型单片机，是将单片机主机(CPU、内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微型机。单片机为工业测控而设计，又称微控制器(MCU)。

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。因此，单片机只需要有适当的软件和外部设备，便可组成为一 个单片机控制系统。

二.单片机结构原理

8051 系列单片机的主要功能如图：

1 .数据存储器 (RAM) ：片内为 128B 字节的 RAM ，片外最多可外扩至 64KB 。

2 .程序存储器 (ROM / EPROM) ： 8031 无此部件; 8051 为 4K ROM ; 8751 则为 4K EPROM。片外最多可外扩至 64K 字节。

3 .中断系统：具有 5 个中断源(其中内部 3 个，外部 2 个)， 2 级中断优先权。

4 .定时器 / 计数器： 2 个 16 位的定时器/计数器，具有四种工作方式。

5 .串行口： 1 个全双工的串行口，具有四种工作方式。

6 . P1 口、 P2 口、 P3 口、 P0 口：为 4 个并行 8 位 I / O 口。

7 .特殊功能寄存器 (SFR) ： 8051 有 128 个特殊功能寄存器寻址空间，有 21 个 SFR ，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的 RAM区。

8 .微处理器 (CPU) ：为 8 位的 CPU ，且内含一个 1 位 CPU( 位处理器 ) ，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。

三.单片机硬件系统结构

MCS-51 系列单片机主要包括 算术/逻辑部件 ALU 、 累加器 A(有时也称 ACC) 、 只读存储器 ROM、随机存储器 RAM 、 指令寄存器 IR 、 程序计数器 PC 、 定时器/计数器 、 I/O 接口电路 、 程序状态寄存器PSW 、 寄存器组 ，此外，还有 堆栈寄存器 SP ， 数据指针寄存器 DPTR 等部件。这些部件集成在一块芯片上， 通过内部总线连接 ，构成完整的微型计算机。如下图所示:

1.运算部件

运算部件包括 算术逻辑部件 ALU、位处理器、累加器 A、寄存器 B、暂存器以及程序状态字 PSW 寄存器 等。该模块的功能是实现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。

ALU 的功能 十分强，它不仅可对 8 位变量进行逻辑“与”“或”、“异或”、循环、求补和清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。 ALU 还具有一般微处理器的 ALU 所不具备的功能，即位处理操作，它可对位 (bit) 变量进行位处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。

累加器 A 是一个 8 位的累加器：从功能上看，它与一般微处理器的累加器相比没什么特别之处，但需要说明的是 A 的进位标志 Cy 是特殊的，因为它同时又是位处理器的一位累加器。

寄存器 B 是为执行乘法和除法操作设置的，在不执行乘、除法操作的一般情况下可把它当作一个普通寄存器使用。

MCS-51 系列单片机的 程序状态寄存器 PSW ，是一个 8 位可读写的寄存器，它的不同位包含了程序状态的不同信息。

CY (PSW.7)进位标志位 ，在执行算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清除，在位处理器中，它是位累加器。

AC (PSW.6)辅助进位标志位 ，当进行加法或减法操作而产生由低 4 位数向高 4 位进位或借位时，AC将被硬件置 1 ，否则就被清除。

F0 (PSW.5)标志位 ，它是由用户使用的一个状态标志位，可用软件来使它置位或清除，也可以靠软件测试 FO 以控制程序的流向。编程时，该标志位特别有用。

RS1、RS0 (PSW.4、PSW.3)寄存器区 选择控制位 1 和 0 ，这两位用来选择 4 组工作寄存器区。

OV (PSW.2)溢出标志位 。当执行算术指令时，由硬件置 1 或清 0 ，以指示溢出状态。

PSW.1 是保留位 ，未用。

P (PSW.0)奇偶标志位 。每个指令周期都由硬件来置位或清除，以表示累加器 A 中值为 1 的位数的奇偶数。若为奇数，则 P=l ，否则 P=0 。此标志位对串行口通讯中的数据传输有重要的意义，常用奇偶检验的方法来检验数据传输的可靠性。

2.控制部件

控制部件是单片机的神经中枢， 以主振频率为基准(每个主振周期称为振荡周期) ，控制器控制 CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环节组织在一起。

四.存储器结构

程序存储器和数据存储器具有各自独立的寻址方式、寻址空间和控制信号。

MCS-51 的存储器结构如图 所示 (内部数据 RAM 的高 128B 仅为 52 子系列单片机拥有，51 子系列无)

MCS-51 系列( 8031 和 8032 除外)有 4 个物理上相互独立的存储器空间，即内、外程序存储器和内、外数据存储器。逻辑上分为三个存储空间，即 片内外统一编址的 64K 字节的程序存储器地址空间 、 256B 字节的片内数据存储器 以及 64K 字节的片外数据存储器地址空间 (可扩展数据 RAM 或I/O 接口)。

1.程序存储器

程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。

在 MCS-51 系列的指令系统中，同外部程序存储器打交道的指令仅有两条：

MCS-51 复位后， 程序计数器 PC 的内容为 0000H ，故系统必须从 0000H 单元开始取指令，执行程序。程序存储器中的 0000H 地址是系统程序的启动地址。 一般在该单元存放 一条跳转指令，跳向用户设计的主程序的起始地址。

MCS-51 最多可外扩 64K 字节程序存储器 ， 64K 程序存储器中有 5 个单元具有特殊用途， 5 个特殊单元分别对应于 5 种中断源的中断服务程序的入口地址：

通常在这些入口地址处都放一条跳转指令。加跳转指令的目的是，由于两个中断入口间隔仅有八个单元，存放中断服务程序往往是不够用的。

2.数据存储器

数据存储器用以存放和读取数据，它不能存放和执行程序指令。

数据存储器在物理上和逻辑上都分 为两个地址空间; 内部数据存储器(简称内部 RAM) 和 外部数据存储器(外部 RAM) 。内部 RAM 的地址空间为 00H-7FH，128B (8052 为 00H～0FFH 为 256B)，外部RAM 地址空间为 0000H～0FFFFH 的 64KB，

两者是由不同指令来访问的： 访问内部 RAM 用 MOV 类指令 ; 访问外部 RAM 用 MOVX 指令。

8051 内部 RAM 的 128B 单元，可按功能分为三个区域：

(1) 从 00H～1FH 的 32B 单元是 4 个工作寄存器组 。前面已介绍每一组包括 8 个工作寄存器， 寄存器名用 R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7 表示 ， 单片机执行程序时同时只能选用其中的一组，具体使用哪一组是通过对 PSW 的 RS1、RS0 两位的设置来实现的 。设置四组工作寄存器，给程序设计带来了好处，很容易实现子程序嵌套、中断嵌套时的现场保护，如果在用户程序中只使用了一组内部 RAM 单元作为工作寄存器，则其他三组 RAM 单元可作为一般的内部 RAM 作用， MCS-51 在复位后，RS1、RS0都为 0，即指定 00H—07H 单元为 R0—R7。

(2 )地址 20H 一 2FH 的 16B 共 128 位，是可位寻址的内部 RAM 区，它们既可字节寻址，亦可位寻址。 这些位寻址单元构成了布尔处理器的数据存储器空间。它们的位地址定义为 00H — 7FH。

(3) 其他 80B 是只能按字节寻址的内部 RAM 区，为用户区。MCS-51 单片机的堆栈安排在内部 RAM 内 ， 堆栈的深度以不超过内部 RAM 的空间为限。 对 8051类芯片最多为 128B ，对 8052 类芯片最多为 256B 。

1.程序计数器PC

程序计数器 PC 用于存放下—条要执行的指令地址，是一个 16 位专用寄存器，可寻址范围为 0 —65535(64K) ， PC 在物理上是独立的，不属于 SFR ，但它与 SFR 有密切联系，故放在此处介绍。

2.累加器A

累加器 A 是一个最常用的专用的寄存器，它属于 SFR ，大部分单操作数指令的操作数取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数取自累加器，加、减、乘、除算术运算指令的运算结果都存放在累加器A 或 A 、 B 寄存器中。

3.B寄存器

在乘、除指令中，用到了 B 寄存器。乘法指令的两个操作数分别取自 A 和 B ，其结果存放在 A 、 B寄存器对中。除法指令中，被除数取自 A，除数取自 B，运算后商数存放于 A，余数存放于 B。

4.程序状态字寄存器PSW

PSW 是一个 8 位寄存器，它包含了程序状态信息。

5.堆栈指针SP

堆栈指针 SP 是一个 8 位专用寄存器 。它指示出堆栈顶部在内部 RAM 块中的位置。 系统复位后，SP初始化为 07H，使得堆栈事实上由 08H 单元开始 ，考虑到 0BH — 1FH 单元分别属于工作寄存器区1 ～ 3 ，若在程序设计中要用到这些区，则最好把 SP 值改置为 1FH 或更大的值。单片机的堆栈是向上生成的。例如 SP=60H，CPU 执行一条调用指令或响应中断后，PC 进栈，PC 的低 8 位送入到 61H，PC 高 8位送入到 62H，(SP)=62H。

6.数据指针DPTR

数据指针 DPTR 是一个 16 位的 SFR ， 其高位字节寄存器用 DPH 表示，低位字节寄存器用 DPL 表示 。 DPTR 即可以作为一个 16 位寄存器 DPTR 来用，也可以作为两个独立的 8 位寄存器 DPH 和DPL 来用。

7.端口P0-P3

特殊功能寄存器 P0-P3 分别为 I/O 端口 P0-P3 的锁存器 。即每一个 8 位 I/O 口都对应 SFR 的一个地址( 8 位)。在 MCS-51 中， I/O 和 RAM 统一编址，使用起来较为方便，访问 I/O 端口可用访问RAM 的指令。

8.串行数据缓冲器SBUF

串行数据缓冲器 SBUF 用于存放欲发送或已接收的数据 ，它在 SFR 块中只有一个字节地址，但在物理上是由两个独立的寄存器组成， 一个是发送缓冲器 SBUF，另一个是接收缓冲器 SBUF ，当要发送的数据传送到 SBUF 时，进的是发送缓冲器 SBUF ;接收时，外部来的数据存入接收缓冲器 SBUF 。

9.定时器

MCS-51 单片机有两个 16 位定时器/计数器 T0 和 T1 ，它们各由两个独立的 8 位寄存器组成，共为 4个独立的寄存器： TH0 、 TL0 、 THL 、 TL1 。可以对这 4 个寄存器寻址，但不能把 T0 或 T1 当作一个 16位寄存器来对待。

3.外部数据存储器

MCS-51 外部数据存储器寻址空间为 64KB ，这对多数应用领域已足够使用。对外部数据存储器可用R0，R1 及 DPTR 间接寻址寄存器。R0，R1 为 8 位寄存器，寻址范围为 256B，DPTR 为 16 位的数据指针，寻址范围为 64KB。在 MCS-51 的指令系统中， 同外部数据存储器打交道的指令有 4 条：

4.I/O端口

MCS-51 单片机有 4 个双向的 8 位并行 I/O 口：P0～P3，每一个口都有一个 8 位的锁存器，复位后它们的初始状态为全“1”。

P0 口是三态双向口，既可作为并行 I/O 口，也可作为数据总线口。当外部扩展了存储器或 I/O 端口，则只能作数据总线和地址总线低 8 位。当作为数据总线口时是分时使用的，即先输出低 8 位地址，后用作数据总线，故应在外部加锁存器将先送出的低 8 位地址锁存，地址锁信号用 ALE 。

P1 口是专门供用户使用的 I/O 口，是准双向接口。

P2 口是准双向接口，既可作为并行 I/O 口，也可作为地址总线高 8 位口。当外部扩展了存储器或 I/O端口，则只能作地址总线高 8 位。

P3 口是准双向口，又是双功能口。该口的每一位均可独立地定义为第二功能，作为第一功能使用时，口的结构与操作与 P1 口相同。下表表示了P3口作为第二功能时各位的定义：

5.I/O 口的读一修改—写特性

每个 I/O 端口均有两种读入方法，即读锁存器和读引脚，并有相应的指令，那么如何区分读端口的指令是读锁存器还是读引脚呢?

读锁存器指令是从锁存器中读取数据，进行处理，并把处理以后的数据重新写入锁存器中，这类指令称为“读一修改一写”批令 。当目前操作数是一个 I/O 端口或 I/O 端口的某一位时，这些指令是读锁存器而不是读引脚，即为“读一修改一写”指令，下面列出的是一些“读一修改一写”指令。

ANL (逻辑与，例如 ANL P1，A)

ORL (逻辑或，例如 ORL P2，A)

XRL (逻辑异或，例如 XRL P3，A)

JBC (若位=1，则转移并清零，例如 JBC P1.1，LABEL)

CPL (取反位，例如 CPL P3.0)

INC (递增，例如 INC P2)

DEC (递减，例如 DEC P2)

DJNZ (递减，若不等于 0 则转移，例如 DJNZ P3，LABEL)

MOV P1.7，C (进位位送到端口 P1 的位 7)

CLR P1.4 (清零端口 P1 的位 4)

SETB P1.2 (置位端口 P1 的位 2)

读引脚指令一般都是以 I/O 端口为原操作数的指令，执行读引脚指令时，打开三态门，输入口状态。

例如，读 P1 口的输入状态时，读引脚指令为：MOV A，P1。

读—修改—写指令指向锁存器而不是引脚，其理由是为了避免可能误解引脚上的电平。

6.复位电路

MCS-51 的复位输入引脚 RST( 即 RESET) 为 MCS-51 提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行， 即从程序存储器中的 0000H 地址单元开始执行程序。只要 RST 保持高电平。则 MCS- 51 循环复位。只有当 RST 由高电平变低电平以后，MCS-51 才从0000H 地址开始执行程序。

7.复位时片内各寄存器的状态

程序运行直接受程序计数器(PC)指挥。

 复位后 PC 值为 0000H ， 故复位后的程序入口地址为 0000H;

 复位后 PSW=00H，使片内存储器中选择 0 区工作寄存器 ，用户标志为 F0 为 0 状态;

 复位后 SP=07H，设定推栈栈底为 07H;

 TH1、TL1、TH0 、TL0 都为 00H，表明定时/计数器复位后皆清零;

 TMOD=00H 都处于方式 0 工作状态，并设定 T1、T0 为内部定时器方式，定时器不受外部引脚

控制;

 TCON=00H，禁止计数器计数，并表明定时/计数器无溢出中断请求 ，并禁止外部中断源的中断请求，外部中断源的中断请求为电平触发方式;

 SCON=00H 使串行口工作在移位寄存器方式(方式 0) ，并且设定允许串行移位接收或发送;

 复位后 IE 的各位均为零，表明在中断系统 CPU 被禁止响应中断，而且每个中断源也被禁止中断;

 复位后 IP 的各位均为零，表明在断断系统的 5 个中断源都设置为低优先级中断状态;

 复位后的 P1 ， P2 ， P3 口锁存器全为 1 状态，使这些准双向口皆处于输入状态。

在复位有效期间(即高电平)，MCS-51 的 ALE 引脚和引脚均为高电平，且内部 RAM 不受复位的影响。

8.时序(未搞清楚，待更新)

9.MCS-51 单片机引脚功能

MCS-51 单片机 DIP 封装有 40 条引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类。

1.端口线(4×8 = 32 条)

MCS-51 共有四个并行 I/O 端口，每个端口都有 8 条端口线，用于传送数据/地址或其它信息。 P0.0-P0.7 ：

这组引脚共有 8 条，为 P0 口专用，其中 P0.7 为最高位 ， P0.0 为最低位。这 8 条引脚共有两种不同功能，分别使用于两种不同情况之下。

第一种情况是 MCS-51 不带片外存储器的型号，P0 口可以作为通 用 I/O 口使用，P0.7～P0.0 用于传送 CPU 的输入/输出数据。

输出数据可以得到锁存，不需外接 专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。

第二种情况是带片外程序存储器，P0.7～ P0.0 在 CPU 访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低 8 位地址，然后传送 CPU 对片外存储器的读 或写数据。

P1.0-P1.7 ：

这 8 条引脚和 P0 口的 8 条引脚类似，P1.7 为最高位 ， P1.0 为最低位。当 P1 口作为通用 I/O 使用时，P1.0-P1.7 的功能和 P0 口的第一功能相同，也用于传送用户的输入/输出数据。

P2.0-P2.7 ：

第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用 I/O 使用。它的第二功能 和 P0 口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高 8 位地址，共同选中片外存储器单元，但并不 能像 P0 口那样还可以传送存储器的读写数据。

P3.0-P3.7 ：

这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同，第二功能作控制用，每个引脚并不完全相同。

2.电源线(2条)

VCC 为 +5V 电源线， VSS 为地线。

3.控制线(6条)

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4.

5.