[工学]第二章单片机芯片的硬件结构

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1、第二章单片机芯片的硬件结构2.1MCS－51单片机逻辑结构及信号引脚有关MCS-51机的性能特点，在第一章已作了简单介绍，本节将进一步详细介绍它的结构，使大家对它的性能有更深入的了解。因为单片机是微型机的一个分支，在原理和结构上，它们之间没有根本性的差别，而且微型机的许多技术于特点都被单片机继承下来了。所以，可以用微型机的思路学习单片机。2.1.1MCS－51单片机结构框图到目前为止，计算机科学和技术得到充分的发展，但计算机的体系结构仍然没有突破冯.诺曼体系框架。MCS-51的典型产品是8051、

2、8031、8751。8051是ROM型单片机，内部有4KROM；8031无片内ROM，8751片内有4KEPROM；89C51片内有4KFPEROM。除此以外，它们的内部结构及引脚完全相同。本章将以MCS-51系列的80C51为典型例子，详细介绍单片机的结构、性能、存储器结构及工作原理等内容。通过对这些内容的掌握，可以起到举一反三、触类旁通的作用。以80C51为例给出的单片机系统结构框图如下。由图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的各个部分。其中主要有CPU、存储器、可编程I/O、定时/计

3、数器、串行口等。各部分通过内部总线相连。2.1.2MCS－51单片机芯片内部逻辑结构上面已经介绍了单片机的系统结构框图，接下来介绍一下单片机芯片内部的逻辑结构如下图所示。1中央处理器（CPU）运算器算术/逻辑部件ALU(ArithmeticLogicUnit)累加器ACC(Accumulator)程序状态字寄存器PSW(ProgramStatusWord)暂存寄存器寄存器B控制器定时控制与条件转移逻辑电路程序计数器PC指令寄存器IR指令译码器IDCPU2内部数据存储器80C51单片机与一般微机的存

4、储器配置方式很不相同。一般微机通常只有一个逻辑空间，可以随意安排ROM或RAM。访问存储器时，同一地址对应唯一的存储单元，可以是ROM也可以是RAM，并用同类访问指令。而单片机则不同，80C51在物理结构上设计成程序存储器与数据存储器独立分开的哈佛结构。片内程序存储器4KB（ROM0000H~0FFFH）片内数据存储器128B（RAM00H~7FH）2内部数据存储器实际上80C51芯片中共有256个RAM单元，但其中后面的128个单片被专用寄存器占用，供用户使用的只有前面的128单元，用于存放可读

5、写的数据。因此，通常所说的内部数据存储器是指前128单元，简称“内部RAM”。3内部程序存储器内部程序存储器在图中包括ROM和程序地址存储器等。80C51芯片共有4KB掩膜ROM，用于存放程序有何原始数据。因此称为程序存储器，简称为“内部ROM”。4定时器/计数器由于控制的需求，80C51共有2个16位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。图中的定时器和串行口画在一起，也就是说，串行通信就需要用到定时器，而实际就是如此的。5并行I/O口80C51共有4个8位

6、的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入和输出。6串行口80C51有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备进行数据的串行传输。改串行口的功能较强，即可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位寄存器使用。7中断控制系统80C51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。80C51共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。全部中断分为高级和低级两个优先级。8时钟电路80C51的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接，所以在图中时钟电路是用石英晶体

7、和电容的符号表示的。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，典型的晶振频率为12MHz。9位处理器单片机主要用于控制，需要有较强的位处理功能，因此位处理器是它的必要组成部分，在一些书中常把位处理器称为布尔处理器。位处理器以状态寄存器中的进位标志位C位累加位，可进行置位、复位、取反、等于“0”转移、等于“1”转移且清“0”以及C与可寻址位之间的传送、逻辑与、逻辑或等位操作。位处理操作也是通过运算器实现的。具体将在第三章中的“位处理指令”部分介绍。10总线上面所述的部件都是通过总线连接起来的，才能构成一个完

8、整的单片机系统。总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠度。2.1.3MCS－51单片机的信号引脚80C51单片机是标准的40引脚双列直插（DIP）式集成电路芯片,其引脚示意及功能分类如下图所示。图2―3MCS—51系列单片机引脚及总线结构(a)管脚图；(b)引脚功能分类1信号引脚介绍主电源引脚Vcc和VssVCC（40脚）：接+5V电源正端。VSS（20脚）：接+5V电源地端。外接晶体引脚XTAL1和XTAL2当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容。