单片机硬件结构介绍.doc

1、第 1 章 单片机硬件系统 本章概 要及学习目标：要及学习目标：本章从单片机的概念入手，以 AT89C51 单片机芯片为例，介绍 MCS-51 型单片机芯片的外部引脚功能、内部硬件结 构及工作特性，并通 过单片机 应用系统开发过程实验说明使读者对单片机应用系统及其开发有一个感性认识，对单片机的基本工作原理和工作 过程有一个大致的了解，同时也指出了学 习单片机的两个基本方面：硬件 结构和软件编程。通过对本章的学习，读者应掌握和了解以下知 识：1计算机、微型机、单片机及单片机应用系统的概念2微型机的 CPU、存储器和输 入/输出的硬件构成及功能389C51 外部引脚及功能，内部结构及工作原理489

2、C51 的 RAM 分布、ROM 结构及地址形成589C51 的 SFR689C51 的并行口及时钟与复位7单片机应用系统的开发过程及工作 过程1.1 计算机、微型机、单片机及单片机应用系统概述微型计算机的出现给人类生活带来了根本性的变化，使现代科学研究产生了质的飞跃，单片机技术的出现则给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。它在工业控制、数控采集、智能化仪表、办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应用，毫不夸张地说，单片机技术的开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展的标志之一。单片微型计算机（Single Chip Micro Computer）简称单片机，它是一种把组成微型计算机的各功能

3、部件：中央处理单元 CPU、一定容量的随机存储器 RAM 和只读存储器ROM、I/O 接口电路、定时器 /计数器以及串行口等制作在一块芯片中的计算机。由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的，常用在工业检测、控制装置中，因而也称为微控制器（Micro-Controller ） 。单片机具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等特点，在家用电器、智能化仪器、工业控制以及火箭导航尖端技术领域都发挥着十分重要的作用。1.1.1 单片机及单片机应用系统1微型计算机及微型计算机系统单片机实用技术2计算机的硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大部分组成。把运算

4、器、控制器及一些寄存器集成在一块硅片上而成为独立的器件，该器件就称为微处理器（CPU） 。微处理器芯片、存储器芯片、输入/输出接口电路芯片以及外部设备，在它们之间用总线连接起来就构成了微型计算机，如图 1-1 所示。图 1-1 微型计算机组成框图可见，微型计算机结构的突出特征是具有一个包含运算器和控制器的集成芯片微处理器（CPU ） 。微型机硬件系统各部分的组成及功能简述如下：1）微处理器微处理器是微型计算机的核心，其结构示意如图 1-2 所示。其 他 图 1-2 微处理器结构示意图微处理器包括运算器，控制器和寄存器组 3 个基本部分。（1）运算器：运算器是计算机的运算部件，用于实现算术和逻辑

5、运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行。通常运算器由算术/逻辑运算单元 ALU、累加器 A、暂存寄存器、标志寄存器 F 等组成。累加器 A 是一个特殊的寄存器。通常其作用有两个：一是运算时把一个操作数经暂存器送至 ALU；二是在运算后保存其运算结果。暂存寄存器用来暂时存储数据总线或其他寄存器送来的操作数，是 ALU 的数据输 入源。第 1 章 单片机硬件系统3标志寄存器 F 用来保存 ALU 运算结果的特征（如进位标志、溢出标志等）和处理器的状态，这些特征和状态可以作为控制程序转移的条件。算术/逻辑运算单元 ALU 由加法器和相应的控制逻辑电路组成。它能分别对来自两个暂存器数据源的两个操作数

6、进行加、减、与、或等运算，还能进行数据的移位。ALU 进行何种运算由控制器发出的命令确定，运算后的结果经数据总线送至累加器 A，同时影响标志寄存器 F 的状态。（2）控制器：计算机的控制器由指令寄存器 IR、指令译码器 ID、定时及控制逻辑电路和程序计数器 PC 等组成，它控制使计算机各部分自动、协调地工作。控制器按照指定的顺序从程序存储器中取出指令进行译码并根据译码结果发出相应的控制信号，从而完成该指令所规定的任务。指令寄存器 IR 用来保存当前正在执行的一条指令。要执行一条指令，首先要把它从程序存储器中取到指令寄存器中。指令的内容包括操作码和操作数（或操作数的地址码）两部分。操作码送到指令

7、译码器 ID，经译码后确定所要执行的操作；操作数的地址码也要送到操作数地址形成电路以便形成真正的操作数地址。定时及控制逻辑电路是 CPU 的核心部件。它的任务有控制取指令、执行指令、存取操作数或运算结果等操作，向其他部件发出控制信号，协调各部件的工作。程 序 计 数 器 PC 也 叫 指 令 地 址 计 数 器 。 计 算 机 的 程 序 是 有 序 地 存 储 在 程 序 存 储 器 中的 各 种 指 令 的 集 合 。 计 算 机 运 行 时 ， 按 顺 序 取 出 程 序 存 储 器 中 的 指 令 并 逐 一 执 行 。 程 序计 数 器 PC 指 出 当 前 要 执 行 的 指 令

8、的 地 址 。 每 当 指 令 取 出 后 ， PC 的 内 容 自 动 加 1（ 除转 移 指 令 外 ） ， 从 而 指 向 按 序 排 列 的 下 一 条 指 令 的 地 址 。 若 遇 到 转 移 指 令 （ JMP） 、 子程 序 调 用 指 令 （ CALL） 或 返 回 指 令 （ RET） 时 ， 这 些 指 令 会 把 要 执 行 的 下 一 条 指 令 的地 址 直 接 置 入 PC 中 ， PC 的 内 容 才 会 突 变 。 程 序 计 数 器 PC 的 位 数 决 定 了 微 处 理 器 所 寻址 的 存 储 器 空 间 。（3）寄存器组：寄存器组作为 CPU 内部的

9、暂存单元至关重要，它是 CPU 处理数据所必需的一个存取空间，其多少直接影响着微机系统处理数据的能力和速度。2）存储器存储器是计算机存放程序或数据的器件，它由若干存储单元组成。存储器有两个指标：存储容量是指存储器所能存放的最大字节数，每个存储单元按顺序都有一个惟一的编号，即存储地址；存取时间是指存储器存取一次数据所需要的时间，在某种程度上，它决定着计算机系统的运行速度。存储器又分内存储器和外存储器。存放程序的存储器采用只读存储器（ROM） ；存放输入/ 输出数据或中间结果的存储器采用随机存储器（ RAM） 。在实验系统中使用的EEPROM2864、 SRAM6264 都是存储器芯片。3）输入设

10、备输入设备用于把程序和数据输入到计算机中。常用的输入设备有键盘、鼠标、光电输入机等。4）输出设备输出设备用于把计算机数据计算或数据处理的结果，以用户需要的形式显示或打印出单片机实用技术4来。常用的输出设备有打印机、显示器、绘图仪等。计算机用于控制时，输入输出信息还包括现场的各种信息和控制命令。通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称为计算机的外部设备，简称“外设”。 微型计算机加上它的软件系统便构成了微型计算机系统，如图 1-3 所示。软件系统是微型机系统所使用的各种程序的总称。人们通过它对整机进行控制并与微型机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统和硬件系统共同构成

11、完整的微型机系统，两者相辅相成，缺一不可。2单片微型计算机前面已经提到：单片微型计算机简称单片机，它是指把组成微型计算机的各功能部件集成在一个芯片上构成一个完整的微型机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机的内部结构示意图如图 1-4 所示。单片机实质上是一个芯片，在实际应用中通常很难直接把单片机和受控对象进行电气连接，而是必须外加各种扩展接口电路以至外部设备，连同受控对象和单片机程序软件构成一个单片机应用系统。微 型 计 算 机 系 统 图 1-3 微型计算机系统结构示意图 图 1-4 单片机内部结构示意图3单片机应用系统及组成单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、测量和控制

12、等外围电路和软件能实现一种或多种功能的实用系统。本书的实训系统即一个单片机的应用系统。该应用系统除了有单片机芯片，还有许多其他外围电路，所以说单片机应用系统是由硬件和软件组成的。硬件是单片机应用系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。硬件和软件二者相互依赖，缺一不可。单片机应用系统的组成示意图如图 1-5 所示。因此，单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解单片机，并能将二者有机地结合起来，才能设计制作出具有特定功能的单片机应用系统或整机产品。图 1-5 单片机应用系统示意图第 1 章 单片机硬件系统5自 1974 年美国

13、Fairchild 公司研制出第一台单片机 F8 以来，单片机经历了由 4 位机到 8 位机再到 16 位、32 位机的发展过程。单片机制造商很多，主要有美国的Intel、Motorola、Zilog 等公司。目前，单片机正朝着高性能、多品种方向发展。近年来，32 位单片机已进入了实用阶段，但是由于 8 位单片机在性能价格比上占有优势，并且 8位增强型单片机在速度和功能上可向现在的 16 位单片机挑战，因此在未来相当长的时期内，16 位机可能被淘汰，而 8 位单片机仍是单片机的主流机型。1.1.2 MCS-51 系列单片机Intel 公司于 1976 年推出了 MCS-48 系列单片机，于 1

14、980 年推出了 MCS-51 系列单片机，于 1983 年推出了 MCS-96 系列单片机。1MCS-51 系列单片机MCS-51 系列单片机是一种高性能的 8 位单片机，它是在 MCS-48 系列单片机的基础上推出的第二代单片机。其典型产品为 8051，封装为 40 引脚。芯片内部集成有： 一个 8 位的微处理器（CPU） 4KB 的程序存储器 128B 的数据存储器 64KB 的片外程序存储器寻址能力 64KB 的片外数据存储器寻址能力 32 根输入/输出线 1 个全双工异步串行口 2 个 16 位定时/计数器 5 个中断源，2 个优先级MCS-51 系列单片机按片内有无程序存储器及程序

15、存储器的形式分为三种基本产品：8051、8751 和 8031。8051 单片机片内含有 4KB 的 ROM，ROM 中的程序是由单片机芯片生产厂家固化的，适合于大批量的产品；8751 单片机片内含有 4KB 的 EPROM，单片机应用开发人员可以把编好的程序用开发机或编程器写入其中，需要修改时，可以先用紫外线擦除器擦除，然后再写入新的程序；8031 片内没有程序存储器，当在单片机芯片外扩展 EPROM 后，就相当于一片 8751，此种应用方式方便灵活。这三种芯片只是在程序存储器的形式上不同，在结构和功能上都一样。表 1-1 为 MCS-51 系列单片机常用产品特性一览表。表1-1 MCS-5

16、1系列单片机常用产品特性一览表片内存储器（B） 片外存储器（ B）型号程序存储器 数据存储器 I/O 口线 定时/计数器 程序存储器 数据存储器8051 4KROM 128 32 2 个 16 位 64K 64K8751 4KEPROM 128 32 2 个 16 位 64K 64K8031 无 128 32 2 个 16 位 64K 64K80C51 4KROM 128 32 2 个 16 位 64K 64K单片机实用技术687C51 4KEPROM 128 32 2 个 16 位 64K 64K80C31 无 128 32 2 个 16 位 64K 64K续表片内存储器（B） 片外存储器（

17、 B）型号程序存储器 数据存储器 I/O 口线 定时/计数器 程序存储器 数据存储器8052 4KROM 256 32 3 个 16 位 64K 64K8752 4KEPROM 256 32 3 个 16 位 64K 64K8032 无 256 32 3 个 16 位 64K 64K2其他 51 系列单片机（1）AT89 系列单片机AT89 系列单片机是美国 ATMEL 公司的 8 位 Flash 单片机产品，它以 MCS-51 为内核，与 MCS-51 系列的单片机软硬件兼容。该系列中有 20 引脚封装的产品，体积的减小使其应用更加灵活。时钟频率的提高可使运算速度加快。在片内含有 Flash

18、 存储器，Flash 存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器（简记为 FPEROM） ，这使开发调试更为方便。表1 -2 AT89系列单片机常用产品特性一览表片内存储器型号程序存储器 数据存储器 I/O 口线 定时/计数器 模拟比较器 中断源 串行口89C1051 1KBFEPROM 64B 15 1 个 16 位 1 个 3 个 无89C2051 2KBFEPROM 128B 15 2 个 16 位 1 个 5 个 2 级 UART89C51 4KBFEPROM 128B 32 2 个 16 位 无 5 个 2 级 UART89C52 8KBFEPROM 256B 32 3 个 16 位

19、 无 6 个 2 级 UART（2）其他 MCS-51 系列兼容单片机为了进一步增强 MCS-51 系列单片机的功能，一些单片机生产厂商还对 MCS-51 系列单片机的硬件进行了扩充。如 PHILIPS 的 8XC552 系列，在 80C51 的基础上增加了一个16 位的定时/计数器和一个 8 路输入的 10 位 A/D 转换器，并配有串行总线接口；80C51XA 使单片机位数增至 16 位；Intel 公司的 80C51GA/GB 也增加了 A/D 转换功能。1.2 MCS-51 单片机结 构和原理1.2.1 MCS-51 单片机的引脚及内部结构对于一个单片机应用系统的开发设计者，熟悉并掌握

20、单片机的硬件结构是十分重要的，这里从实际需要出发，只介绍与程序设计和系统扩展应用有关的内容。MCS-51 系列单片机的典型芯片为 8031、8051、8751。由于 AT89C51 的开发调试使用方便，它又和 MCS-51 系列的软硬件兼容，因此下文就以 AT89C51 芯片为例，介绍第 1 章 单片机硬件系统7MCS-51 系列单片机的外部引脚及内部结构。189C51 的外部引脚89C51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，如图 1-6 所示。按其功能可分为电源、时钟、控制和 I/O 接口四大部分：1）电源引脚VCC：芯片主电源，外接+5V；GND：电源地线。2）时钟引脚XTAL1

21、 与 XTAL2 为内部振荡器的两条引出线。3）控制引脚（1）ALE/ ：地址锁存控制信号/编程脉PROG冲输入端在扩展系统时，ALE 用于控制把 P0 口输出的低 8 位地址锁存起来，以实现低 8 位地址和数据的隔离，P0 口作为数据地址复用口线。当访问单片机外部程序或数据存储器或外接 I/O 口时，ALE 输出脉冲的下降沿用于低 8 位地址的锁存信号；即使不访问单片机外部程序或收据存储器或外接 I/O 口， ALE 端仍以晶振频率的 1/6 输出正脉冲信号，因此可作为外部时钟或外部定时信号使用。但应注意，此时不能访问单片机外部程序、数据存储器或外设 I/O 接口。ALE端可以驱动 8 个

22、TTL 负载。对于 EEPROM 型单片机（89C51）或 EPROM 型单片机（ 8751） ，在 EEPROM 或EPROM 编程期间，该引脚用来输入一个编程脉冲（PROG） 。（2） ：片外程序存储器读选通有效信号PSEN在 CPU 向片外程序存储器读取指令和常数时，每个机器周期 两次低电平有效。PSEN但在此期间，每当访问外部数据存储器或 I/O 接口时，该 两次低电平有效信号将不出现。 端可以驱动 8 个 TTL 负载。（3） /VPP：访问程序存储器控制信号/ 编程电源输入端A当该引脚 信号为低电平时，只访问片外程序存储器，不管片内是否有程序存储器；E当该引脚为高电平时，单片机访问

23、片内的程序存储器。但对 AT89C51 来说，当 PC（程序计数器）值超出 4K 地址时，自动转到片外程序存储器 1000H 开始顺序读取指令。对于 EEPROM 型单片机（89C51）或 EPROM 型单片机（ 8751） ，在 EEPROM 或EPROM 编程期间，该引脚用于施加一个+12V 或+21V 的电源。（4）RST/VPD：复位/掉电保护信号输入端当振荡器运行时，在该引脚加上一个 2 个机器周期以上的高电平信号，就能使单片机回到初始状态，即进行复位。掉电期间，该引脚可接上备用电源（VPD）以保持内部 RAM 的数据。图 1-6 89C51 引脚单片机实用技术84）I/O 引脚P0

24、 口（P0.0P0.7 ）：8 位双向并行 I/O 接口。扩展片外存储器或 I/O 口时，作为低8 位地址总线和 8 位数据总线的分时复用接口，它为双向三态。P0 口可带 8 个 TTL 负载电流。P1 口（P1.0P1.7 ）：8 位准双向并行 I/O 接口。P1 口每一位都可以独立设置成输入输出位。P1 口可以驱动 4 个 TTL 电路。P2 口（P2.0P2.7 ）：8 位准双向并行 I/O 接口。扩展外部数据、程序存储器时，作为高 8 位地址输出端口。P2 口可以驱动 4 个 TTL 电路。P3 口（P3.0P3.7 ）：8 位准双向并行 I/O 接口。除了与 P1 口有一样的 I/O

25、 功能外，每一个引脚还兼有第二功能。如表 1-3 所示。表1-3 P3口各引脚对应的第二功能P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7RXD TXD INT0I1T0 T1 WRDP3 口可以驱动 4 个 TTL 电路。P3 口的第二功能信号都是单片机的重要控制信号，因此，在实际使用时，先按需要选用第二功能信号，剩下的才以第一功能的身份作为数据位的 I/O 使用。P1、P2、P3 口线片内均有固定的上拉电阻，故称为准双向并行 I/O 接口；P0 口片内无固定的上拉电阻，由两个 MOS 管串接，既可开路输出，又可处于高阻的“悬空”状态，故称为双向三态并行 I/

26、O 接口。读者在学完 1.3 节后会有较深刻的理解。以上是把 MSC-51 单片机芯片全部 40 个信号引脚的定义及功能作一简单说明。对于各种型号的芯片，其引脚的第一功能信号是相同的，所不同的是引脚的第二功能信号，读者可以对照实训电路找到相应的引脚，在电路中查看每个引脚的连接使用。289C51 的内部结构89C51 单片机的内部结构图如图 1-7 所示。由图 1-7 可知，89C51 单片机由运算器和控制器组成的微处理器、片内存储器RAM/ROM、P0 P3 组成的 I/O 端口以及各种存储器组成的特殊功能寄存器 SFR 和串行接口、定时/计数器、中断系统、振荡器等构成。下面介绍其各构成部分的

27、基本含义。1）89C51 的微处理器（CPU）微处理器是单片机的核心部分，完成运算和控制功能。89C51 的 CPU 能处理 8 位二进数或代码，它由运算器（包括算术/逻辑运算单元 ALU、累加器 A、寄存器 B、暂存寄存器、程序状态字寄存器 PSW） 、控制器（包括指令寄存器 IR、指令译码器 ID、定时及控制逻辑电路） 、程序计数器 PC 等组成。2）89C51 的内部数据存储器（内部 RAM）89C51 芯片中共有 256 个 RAM 单元，但其中高 128 单元被专用寄存器 SFR 占用，能第 1 章 单片机硬件系统9作为寄存器供用户使用的只是低 128 单元，地址范围是 00H7FH

28、，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器是指低 128 单元，简称内部 RAM。3）89C51 的内部程序存储器（内部 ROM）89C51 芯片中共有 4KBFPEROM，地址范围是 0000H0FFFH，用于存放程序、原始数据或表格，因此称之为程序存储器，简称内部 ROM。图 1-7 单片机 89C51 内部结构框图4）定时/计数器89C51 芯片中共有两个 16 位的定时 /计数器以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果实现控制功能。5）并行 I/O 口89C51 芯片中共有 4 个 8 位的 I/O 口（P0、P1、P2 、P3）以实现数据的并行输入/ 输出。本书在实训 1

29、 中已经使用了 P1 口，通过 P1 口连接 8 个发光二极管。6）串行口89C51 单片机有一个全双工的串行口以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。7）中断控制系统MCS-51 系列单片机的中断功能较强以满足控制应用的需要。89C51 共有 5 个中断 单片机实用技术10源，即外中断两个、定时/计数中断两个、串行中断一个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。8）时钟电路89C51 芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路位单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为 6MHz12MHz。从上

30、述内容可以看出，MCS-51 虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已属于一个简单的微型计算机系统了。1.2.2 MCS-51 单片机的内部数据存储器存储器功能是存储信息程序和数据。存储器按其存取方式可以分成两大类，一类是随机存取存储器（RAM） ；另一类是只读存储器（ROM） 。对于 RAM，CPU 在运行过程中能随时进行写入和读出，但在关闭电源时，其存储信息将丢失，所以它只能用来存放暂时性的输入/输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。因此，RAM 常被称作数据存储器。ROM 是一种写入信息后不能改写只能读出的存储器，断电后，其信息仍保留不变。ROM 用来

31、存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。所以，ROM 常被称作程序存储器。MCS-51 单片机的芯片内部包含数据存储器（RAM ）和程序存储器（ ROM）两类存储器。下文先介绍内部数据存储器（RAM） 。1内部数据存储器（RAM）的地址分配其地址分配如图 1-8 所示。F8HFFH.80H87HSFR 区30H7FH 用户 RAM 区（数据缓冲区）20H2FH 位寻址区（00H7FH）18H1FH 工作寄存器区 3 区（R7R0）10H17H 工作寄存器区 2 区（R7R0）08H0FH 工作寄存器区 1 区（R7R0）00H07H 工作寄存器区 0 区（R7R0）图 1-8 MCS-51 内部数据存储器（RAM）的地址分配图内部 RAM 共有 256 个单元，通常把 256 个单元按其功能划分为两部分：低 128 字节（00H7FH） RAM 和高 128 字节（80H FFH ） 。