第3章單片機的結構與原理-1(組成)

1、單片機應用技術單片機應用技術主講：王春梅第第3 3章章 單片機的結構及原理單片機的結構及原理1 1、單片機的結構、單片機的結構 2 2、單片機的工作原理、單片機的工作原理3 3、80C5180C51的存儲器的存儲器4 4、輸入、輸入/ /輸出端口輸出端口 5 5、CPUCPU時序及時鐘電路時序及時鐘電路6 6、復位和復位電路、復位和復位電路 7 7、80C5180C51系列單片機的低功耗方式系列單片機的低功耗方式 教學目的和要求 掌握單片機的結構及工作原理掌握單片機的結構及工作原理 掌握掌握80C5180C51的存儲器結構的存儲器結構 掌握輸入輸出端口的結構、作用、使用方法掌握輸入輸出端口的結

2、構、作用、使用方法 了解了解CPUCPU時序及時鐘電路時序及時鐘電路 掌握單片機的復位及復位方式掌握單片機的復位及復位方式 了解了解80C5180C51系列單片機的兩種低功耗方式系列單片機的兩種低功耗方式一、一、 標準型單片機的組成標準型單片機的組成圖圖 31 AT89S51/S52的基本組成功能框圖的基本組成功能框圖單片機各功能部件單片機各功能部件中央處理器（中央處理器（CPUCPU）數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部RAMRAM） 程序存儲器（內(nèi)部程序存儲器（內(nèi)部ROMROM） 定時定時/ /計數(shù)器計數(shù)器 并行并行I/OI/O口口 串行口串行口 時鐘電路時鐘電路 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng) l圖圖 3

3、2 AT89S51/52內(nèi)部結構框圖內(nèi)部結構框圖（一）、運算器（一）、運算器1 1、運算器的組成、運算器的組成算術邏輯單元算術邏輯單元( (簡稱簡稱ALUALU）運算器運算器累加器累加器 寄存器寄存器2 2、運算器的作用運算器的作用是把傳送到微處理器的數(shù)據(jù)進行運算或邏輯運算。是把傳送到微處理器的數(shù)據(jù)進行運算或邏輯運算。舉例舉例ALUALU可對兩個操作數(shù)進行加、減、與、或、可對兩個操作數(shù)進行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結果存入累加器。比較大小等操作，最后將結果存入累加器。ALUALU執(zhí)行不同的運算操作是由不同控制線上執(zhí)行不同的運算操作是由不同控制線上的信息所確定的。的信息所確定的。例如

4、：例如： 兩個數(shù)（兩個數(shù)（7 7和和9 9）相加，在相加之前，操作）相加，在相加之前，操作數(shù)數(shù)9 9放在累加器中，放在累加器中，7 7放在數(shù)據(jù)寄存器中，執(zhí)放在數(shù)據(jù)寄存器中，執(zhí)行兩數(shù)相加運算的控制線發(fā)出行兩數(shù)相加運算的控制線發(fā)出“加加”操作信操作信號，號，ALUALU即把兩個數(shù)相加并把結果（即把兩個數(shù)相加并把結果（1616）存入）存入累加器，取代累加器前面存放的數(shù)累加器，取代累加器前面存放的數(shù)9 9。3 3、ALUALU的兩個主要的輸入來源的兩個主要的輸入來源輸入來源輸入來源數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器累加器累加器4 4、運算器的兩個主要功能運算器的兩個主要功能（1 1）執(zhí)行各種算術運算。）執(zhí)行各種算術

5、運算。（2 2）執(zhí)行各種邏輯運算，并進行邏輯測試。）執(zhí)行各種邏輯運算，并進行邏輯測試。如零值測試或兩個值的比較。如零值測試或兩個值的比較?？刂破鞯慕M成控制器的組成程序計數(shù)器程序計數(shù)器指令寄存器指令寄存器指令譯碼器指令譯碼器時序產(chǎn)生器時序產(chǎn)生器操作控制器操作控制器1 1、控制器的組成、控制器的組成（二）、控制器（二）、控制器2 2、作用、作用它是發(fā)布命令的它是發(fā)布命令的“決策機構決策機構”，即協(xié)調(diào)，即協(xié)調(diào)和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作。和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作。3 3、控制器的主要功能、控制器的主要功能對指令進行譯碼或測試，并產(chǎn)生相應對指令進行譯碼或測試，并產(chǎn)生相應的操作控制信號，以便啟動規(guī)定的動

6、作。的操作控制信號，以便啟動規(guī)定的動作。指揮并控制指揮并控制CPUCPU、內(nèi)存和輸入內(nèi)存和輸入/ /輸出設輸出設備之間數(shù)據(jù)流動的方向。備之間數(shù)據(jù)流動的方向。從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。條指令在內(nèi)存中的位置。（三）、（三）、CPUCPU中的主要寄存器中的主要寄存器1 1、累加器（、累加器（A A）在算術和邏輯運算時，它具有雙重功能：在算術和邏輯運算時，它具有雙重功能： 運算前，用于保存一個操作數(shù)；運算前，用于保存一個操作數(shù)； 運算后，用于保存所得的和、差或邏輯運算結果。運算后，用于保存所得的和、差或邏輯運算結果。累加器是微處理器中最繁忙的

7、寄存器。累加器是微處理器中最繁忙的寄存器。2 2、數(shù)據(jù)寄存器（、數(shù)據(jù)寄存器（DRDR）數(shù)據(jù)（緩沖）寄存器（數(shù)據(jù)（緩沖）寄存器（DRDR）是通過數(shù)據(jù)總線）是通過數(shù)據(jù)總線（DBUSDBUS）向存儲器（）向存儲器（M M）和輸入）和輸入/ /輸出設備輸出設備I/OI/O送送（寫）或?。ㄗx）數(shù)據(jù)的暫存單元。（寫）或取（讀）數(shù)據(jù)的暫存單元。3 3、指令寄存器（、指令寄存器（IRIR）指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時先把它從內(nèi)存取到數(shù)據(jù)寄當執(zhí)行一條指令時先把它從內(nèi)存取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令譯碼器中。存器中，然后再傳送到指令譯碼器

8、中。4 4、指令譯碼器（、指令譯碼器（IDID）指令分為操作碼和地址碼字段，由二進制數(shù)字組成。指令分為操作碼和地址碼字段，由二進制數(shù)字組成。當執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行譯碼，以當執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行譯碼，以便確定所要求的操作。便確定所要求的操作。指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。的輸入。操作碼一經(jīng)譯碼后，即可向控制器發(fā)出具體操作操作碼一經(jīng)譯碼后，即可向控制器發(fā)出具體操作的特定信號。的特定信號。5 5、程序計數(shù)器（、程序計數(shù)器（PCPC） 通常又稱為指令地址計數(shù)器。通常又稱為指令地址計數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前，必須

9、將其起始地址，即程在程序開始執(zhí)行前，必須將其起始地址，即程序的第一條指令所在的內(nèi)存單元地址送到序的第一條指令所在的內(nèi)存單元地址送到PCPC。當執(zhí)行指令時，當執(zhí)行指令時，CPUCPU將自動修改將自動修改PCPC的內(nèi)容，使之總是的內(nèi)容，使之總是保存將要執(zhí)行的下一條指令的地址。保存將要執(zhí)行的下一條指令的地址。由于大多數(shù)指令都是按順序執(zhí)行的，所以修改的由于大多數(shù)指令都是按順序執(zhí)行的，所以修改的過程通常是簡單的加過程通常是簡單的加1 1操作。操作。6 6、地址寄存器、地址寄存器 （ARAR）地址寄存器用來保存當前地址寄存器用來保存當前CPUCPU所要訪問的內(nèi)存單元或所要訪問的內(nèi)存單元或I/OI/O設備的

10、地址。設備的地址。因為內(nèi)存（因為內(nèi)存（I/OI/O設備）和設備）和CPUCPU之間存在著速度上的之間存在著速度上的差別，所以必須使用地址寄存器來保存地址信息，差別，所以必須使用地址寄存器來保存地址信息，直到內(nèi)存（直到內(nèi)存（I/OI/O設備）讀設備）讀/ /寫操作完成為止。寫操作完成為止。存儲器存儲器地址總線、數(shù)據(jù)總線和若干控制線把存儲器和微地址總線、數(shù)據(jù)總線和若干控制線把存儲器和微處理器連接起來。處理器連接起來。存儲器從存儲器從CPUCPU接收控制信號，以確定存儲器執(zhí)行接收控制信號，以確定存儲器執(zhí)行讀讀/ /寫操作。寫操作。地址總線將地址總線將8 8位地址信息送入地址譯碼器，位地址信息送入地址

11、譯碼器，地址譯碼器的輸出可以確定唯一的存儲單地址譯碼器的輸出可以確定唯一的存儲單元。元。數(shù)據(jù)總線用來傳送存儲器到數(shù)據(jù)總線用來傳送存儲器到CPUCPU或或CPUCPU到存到存儲器的數(shù)據(jù)信息儲器的數(shù)據(jù)信息。1、程序存儲器（、程序存儲器（ROM）2、數(shù)據(jù)存儲器（、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）1、程序存儲器（、程序存儲器（ROM）2地址從地址從0000H0000H開始。開始。2用于存放程序和表格常數(shù)。用于存放程序和表格常數(shù)。2、數(shù)據(jù)存儲器（、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）2地址為地址為00H00H7FH7FH。2用于存放運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存以用于存放運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存以及數(shù)據(jù)緩沖等。及數(shù)據(jù)緩沖等。2這這128

12、B128B的的RAMRAM中有中有3232個字節(jié)單元可指定為個字節(jié)單元可指定為工作寄存器。工作寄存器。2片內(nèi)還有片內(nèi)還有2121個特殊功能寄存器（個特殊功能寄存器（SFRSFR），），它們同它們同128128字節(jié)字節(jié)RAMRAM統(tǒng)一編址，地址為統(tǒng)一編址，地址為80H80HFFHFFH。后面詳細介紹。后面詳細介紹。雙雙列列直直插插式式DIP二、二、 AT89S51/52單片機的封裝形式單片機的封裝形式 AT89S51/52 AT89S51/52單片機的封裝形式單片機的封裝形式雙列直插式雙列直插式DIPDIP PLCCPLCC帶引線的塑料芯片載體.表面貼裝型封裝PQFPPQFP塑料方塊平面封裝塑料

13、方塊平面封裝 PQFP封裝的芯片的四周均有引腳，其引腳總數(shù)一般都在100以上，而且引腳之間距離很小，管腳也很細，一般大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路采用這種封裝形式。用這種形式封裝的芯片必須采用SMT(Surface Mount Tectlfqology，表面組裝技術)將芯片邊上的引腳與主板焊接起來。采用SMT安裝的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設計好的相應管腳的焊點。將芯片各腳對準相應的焊點，即可實現(xiàn)與主板的焊接。PQFP封裝適用于SMT表面安裝技術在PCB上安裝布線，適合高頻使用，它具有操作方便、可靠性高、工藝成熟、價格低廉等優(yōu)點。但是，PQFP封裝的缺點也很明顯，由于芯片邊長有限，使得

14、PQFP封裝方式的引腳數(shù)量無法增加.平行針腳也是阻礙PQFP封裝繼續(xù)發(fā)展的絆腳石，由于平行針腳在傳輸高頻信號時會產(chǎn)生一定的電容 .BGA封裝(Ball Grid Array Package)球柵陣列封裝 BGA封裝的I/O端子以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面，BGA技術的優(yōu)點是I/O引腳數(shù)雖然增加了，但引腳間距并沒有減小反而增加了，從而提高了組裝成品率；雖然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善它的電熱性能；厚度和重量都較以前的封裝技術有所減少；寄生參數(shù)減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高；組裝可用共面焊接，可靠性高。 3.1.2 AT89S51單片機引腳單片機引

15、腳 單片機引腳如圖單片機引腳如圖3-33-3所示。所示。AT89S51單片機引腳功能單片機引腳功能 一、電源引腳：一、電源引腳：Vcc和和Vss 二、時鐘電路引腳：二、時鐘電路引腳：XTAL1和和XTAL2 三、控制信號引腳三、控制信號引腳RST、ALE、PSEN和和EA 四、四、I/O端口端口P0、P1、P2和和P3一、電源引腳：一、電源引腳：Vcc和和Vss 1Vcc(40腳)：電源端，為+5V。 2Vss(20腳)：接地端。圖圖3-33-3二、時鐘電路引腳：二、時鐘電路引腳：XTAL1和和XTAL2 XTAL2XTAL2（1818腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；腳）：接外部晶體和微調(diào)電

16、容的一端；在在89C51 89C51 片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸出端，片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。時鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。89C51/803189C51/8031正常工作時，該引腳應有脈沖信號輸出。正常工作時，該引腳應有脈沖信號輸出。 XTAL1XTAL1（1919腳）：接外部晶體和微調(diào)電腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反向容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸入端，在采用外部時鐘時，放大器的輸入端，在采用外部時鐘時，該

17、引腳接地。該引腳接地。二、時鐘電路引腳：二、時鐘電路引腳：XTAL1和和XTAL2 三、控制信號引腳：三、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和和EA RST/VRST/VPDPD（9 9腳）：腳）：RSTRST：復位信號輸入端，高電平有效。當：復位信號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持兩個機器周期的高電平時，此輸入端保持兩個機器周期的高電平時，就可以完成復位操作。就可以完成復位操作。 RST/VRST/VPDPD（9 9腳）：腳）：V VPDPD ：RSTRST引腳的第二功能，備用電源輸入引腳的第二功能，備用電源輸入端。當主電源端。當主電源Vcc Vcc 發(fā)生故障，降低到低電發(fā)生故障，降低

18、到低電平規(guī)定值時，將平規(guī)定值時，將+5V+5V電源自動接入該引腳，電源自動接入該引腳，為為RAMRAM提供備用電源，以保證提供備用電源，以保證RAMRAM中的信息中的信息不丟失，使得復位后能繼續(xù)正常運行。不丟失，使得復位后能繼續(xù)正常運行。 三、控制信號引腳：三、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和和EA ALE/PROG（30腳）：ALEALE：地址鎖存允許信號端。正常工：地址鎖存允許信號端。正常工作時，該引腳以振蕩頻率的作時，該引腳以振蕩頻率的1/61/6固定輸固定輸出正脈沖。出正脈沖。CPUCPU訪問片外存儲器時，該訪問片外存儲器時，該引腳輸出信號作為鎖存低引腳輸出信號作為鎖存低8 8

19、位地址的控位地址的控制信號。它的負載能力為制信號。它的負載能力為8 8個個LSLS型型TTLTTL負載。負載。三、控制信號引腳：三、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和和EA ALE/PROG（30腳）：PROGPROG：是對片內(nèi)帶有：是對片內(nèi)帶有4KB EPROM4KB EPROM的的87518751編程寫入時的編程脈沖輸入端。編程寫入時的編程脈沖輸入端。三、控制信號引腳：三、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和和EA PSEN（29腳）：程序存儲器允許信號輸出端。程序存儲器允許信號輸出端。在訪問片外在訪問片外ROMROM時，定時輸出負脈沖時，定時輸出負脈沖作為讀片外作為讀片外ROM

20、ROM的選通信號，接片外的選通信號，接片外ROMROM 的的OEOE端。端。它的負載能力為它的負載能力為8 8個個LSLS型型TTLTTL負載。負載。三、控制信號引腳：三、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和和EA EA/Vpp（31腳）：EAEA： 外部程序存儲器地址允許輸入端。外部程序存儲器地址允許輸入端。當該引腳接高電平時，當該引腳接高電平時，CPUCPU訪問片內(nèi)訪問片內(nèi)EPROM/ROMEPROM/ROM并執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器中的指并執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器中的指令，但當令，但當PCPC值超過值超過0FFFH0FFFH（片內(nèi)（片內(nèi)ROMROM為為4KB4KB）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外時，將自

21、動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外ROMROM中的程序。中的程序。當該引腳接低電平時，當該引腳接低電平時，CPUCPU只訪問片外只訪問片外EPROM/ROMEPROM/ROM并執(zhí)行外部程序存儲器中的程并執(zhí)行外部程序存儲器中的程序。序。三、控制信號引腳：三、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和和EA EA/Vpppp（31腳）：腳）：V Vpppp：對：對87518751片內(nèi)片內(nèi)EPROMEPROM固化編程時，固化編程時，編程電壓輸入端（編程電壓輸入端（12-21V12-21V）。）。三、控制信號引腳：三、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和和EA四、四、I/OI/O端口端口P0P0、P1P1、P2P2和和

22、P3P3 1 1、準雙向、準雙向 2 2、P0P0口口 3 3、P1P1口口 4 4、P2P2口口 5 5、P3P3口口1、準雙向、準雙向當當I/OI/O口作為輸入時，應先向此口鎖存口作為輸入時，應先向此口鎖存器寫入全器寫入全1 1， 此時該口引腳浮空，可作此時該口引腳浮空，可作高阻抗輸入。高阻抗輸入。2、P0口：口：漏極開路的漏極開路的8 8位準雙向位準雙向I/OI/O口，每位口，每位能驅(qū)動能驅(qū)動8 8個個LSLS型型TTLTTL負載。負載。P0P0口可作為一個數(shù)據(jù)輸入口可作為一個數(shù)據(jù)輸入/ /輸出口；輸出口；在在CPUCPU訪問片外存儲器時，訪問片外存儲器時，P0P0口為分口為分時復用的低

23、時復用的低8 8位地址總線和位地址總線和8 8位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)總線?？偩€。3、P1口：口：帶內(nèi)部上拉電阻的帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向位準雙向I/O端口，端口，每位能驅(qū)動每位能驅(qū)動4個個LS型型TTL負載。負載。4、P2口：口：P2口：帶內(nèi)部上拉電阻的口：帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向位準雙向I/O端口，每位能驅(qū)動端口，每位能驅(qū)動4個個LS型型TTL負載。負載。在在CPU訪問片外存儲器時，它輸出高訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址位地址。5、P3口：口：帶內(nèi)部上拉電阻的帶內(nèi)部上拉電阻的8 8位準雙向位準雙向I/OI/O端口，端口，每位能驅(qū)動每位能驅(qū)動4 4個個LSLS型型TTLTTL負載。負載。P3P3

24、口除作口除作為一般為一般I/OI/O口外，每個引腳都有第二功口外，每個引腳都有第二功能。能。單片機的工作原理單片機的工作原理 CPU CPU的工作原理的工作原理控制器控制器指令部件指令部件程序計數(shù)器程序計數(shù)器PCPC：1616位專用寄存器，用于存放和指示位專用寄存器，用于存放和指示下一條要執(zhí)行指令的地址下一條要執(zhí)行指令的地址 指令寄存器：指令寄存器：8 8位寄存器，用于暫時存放指令，等位寄存器，用于暫時存放指令，等待譯碼待譯碼 指令譯碼器：對送入指令譯碼器中的指令進行譯碼指令譯碼器：對送入指令譯碼器中的指令進行譯碼 時序部件：產(chǎn)生操作控制部件所需的時序信號。由時序部件：產(chǎn)生操作控制部件所需的時序信號。由時鐘電路和脈沖分配器組成時鐘電路和脈沖分配器組成操作控制部件：為指令譯碼器的輸出信號配上節(jié)拍操作控制部件：為指令譯碼器的輸出信號配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖電位和節(jié)拍脈沖 運算器：對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯操作的執(zhí)行部運算器：對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯操作的執(zhí)行部件件 。包括。包括ALUALU、ACCACC、暫存寄存器、暫存寄存器、PSWPSW、通用寄存、通用寄存器、器、BCDBCD碼運算調(diào)整電路等碼運算調(diào)整電路等 算術算術/ /邏輯部件邏輯部件ALUALU對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯操作的執(zhí)行部件。它