单片机芯片的硬件结构(part 1 80C51)

Part 1 80C51 单片机80C51单片机部分推荐教材《单片机基础》(修订本 /第3版),李广弟等编,北京航空航天大学出版 社,2001/2007(可在图书馆借阅到) 介绍其中的两章:

Ch2 单片机芯片的硬件结构Ch5 单片机存储器的扩展

Ch2 单片机芯片的硬件结构2.1 80C51单片机逻辑结构及信号引脚 2.1.1 80C51结构框图T0 T1

时钟电路 RO M RA M 定时/计数器

内部总线 CP U

并行接口

串行接口

中断系统

P0 P1 P2 P3

TX D

R XD

IN T0

IN T1

图 2.1 80C51单片机基本结构框图

我们要从计算机五个基本组成部分的观点来理解 单片机的系统结构。微型计算机的基本组成可概括为 三个部分，即中央处理器CPU (通常包括运算器和控制 器)+存储器+输入/输出 (I/O) 接口。若将组成计算机的 基本部件集成在一块芯片上，则俗称为单片机/MCU。以80C51为例，单片机系统结构框图(或见教材图2.1)。 (1)一个8位微处理器CPU。 (2)数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR(128B)。 (3)内部程序存储器ROM(4KB)。 (4)两个定时/计数器T0和 T1 ,用以对外部事件进行计数，也可 用作定时器。 (5)四个8位可编程的I/O(输入/输出)并行端口P0~P3,每个端 口既可做输入，也可做输出。 (6)一个串行端口，用于数据的串行通信。 (7)中断控制系统。 (8)内部时钟电路。

2.1.2 80C51单片机的内部结构

P0.0~P0.7

P2.0~P2.7

通道0驱动器 VCC (+5V) GND RAM地址 锁存器

通道2驱动器

RAM

通道0锁 存器

通道2锁 存器

ROM/ EPROM 程序地址寄存器

B寄存器

ACC TMP2 ALU TMP1

堆栈指针SP

缓冲器

PSEN ALE RST EA

定时 和 控制 逻辑

指 令 寄 存 器

指 令 译 码 器

PSW

PCON SCON TMOD TCON TH0 TL0 TH1 TL1 SBUF(TX/RX) IE IP 中断、串行口和定时器逻辑

PC递增器 程序计数器PC DPTR指针

通道1锁存器 通道1驱动器

通道3锁存器 通道3驱动器

振荡器

XTAL1

XTAL2

P1.0~P1.7

P3.0~P3.7

图 2.2 80C51的内部结构框图

80C51单片机的内部结构框图如图 2.2 所示(或见教材 P12), 主要包括中央处理器CPU (算术逻辑部件 ALU、 控制器等) 、只读存储器 ROM、 随机存取存储器RAM、 定时器/计数器、并行 I/O口 P0~P3、串行口、中断系统 以及定时控制逻辑电路等。 这些部件通过内部总线连接起来，基本结构仍然是 通用CPU加上外围芯片的结构模式，但功能单元上的控 制与先前相比有重大变化，采用了特殊功能寄存器 (SFR:Special Function Registers) 进行集中控制的方法。 1.中央处理器 单片机中的中央处理器(CPU)是单片机的核心，主要 完成运算和控制功能，又增设了“面向控制”的处理功 能，增强了实时性。 按其功能，中央处理器包括运算器和控制器两部分电 路。

(1)运算器电路

运算电

路是单片机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。运算器电路包括：ALU(Arithmetic Logic Unit)、ACC(累加器)、 B寄存器、程序状态字PSW(Program Status Word)、TEMP1和TEMP2 两个暂存器等。 运算电路以 ALU 为核心，基本的算术和逻辑运算均在其中进行， 运算和操作的状态由PSW状态寄存器保存。 (2)控制器电路 控制电路是单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动 而协调地工作。 控制器电路包括：PC(Program Counter) 、PC递增器、指令寄存 器、指令译码器、定时与控制逻辑等。 单片机执行指令是在控制电路的控制下进行的。 执行一条指令的大致过程：读出指令->指令寄存器->指令译码器 (译码)->定时与控制逻辑电路(由控制定时逻辑电路产生各种定时信 和控制信号，然后送往系统各部件去进行相应的操作)。

2. 程序存储器根据内部是否带有程序存储器而形成三种型号：内部没有程序存储 器的称80C31,内部带ROM的称80C51,内部以EPROM代替ROM的称 87C51。 目前单片机的程序存储器有以下几种结构形式： ⑴ 片内只读存储器

片内掩膜ROM的特点是程序必须在制作单片机时写入。⑵ 片内可编程的ROM 可直接由用户进行编程。

· 紫外线可擦除型ROM-EPROM型单片机 (如87C51)。EPROM需用 紫外线擦除，必须脱机固化，不能在线改写。· 电 可 擦 除 型 ROM——EEPROM , 称 为 Flash 单 片 机 ( 如 89C51) 。 EPROM 和 EEPROM 都是可以多次擦除和编程的，或称 MTP 的 ROM (MTP:Multiple Time Programmable)。

· OTP的 ROM ,仅允许用户一次编程 (OTP : Only Time Programmable)。 ⑶ 片外只读存储器 利用单片机的并行扩展技术可以外扩片外只读存储 器。 3. 数据存储器(RAM) 在单片机中，用随机存取存储器(RAM)来存储程 序在运行期间的工作变量和数据，所以称为数据存储器。 一般在单片机内部设置一定容量(64B至384B)的RAM 。 这样，小容量的数据存储器以高速 RAM的形式集成在单 片机内，以加快单片机运行的速度 ,还可以使存储器的功 耗下降很多。

在单片机中，常把寄存器(如工作寄存器、特殊功能 寄存器、堆栈等)在逻辑上划分在片内 RAM 空间中，所 以可将单片机内部 RAM 看成是寄存器堆，有利于提高运 行速度。

当内部 RAM 容量不够时，还可通过串行总线或并行 总线外扩数据存储器。4. 并行I/O口

单片机往往提供了许多功能强、使用灵活的并行输入 /输出引脚，用于检测与控制。有些I/O引脚还具有多种功 能，比如可以作为数据总线的数据线、地址总线的地址线、 控制总线的控制线等。单片机 I/O 引脚的驱动能力也逐渐 增大，甚至可以直接驱动外扩的LED显示器。80C51有四个8位的I/O口

(P0、P1、P2、P3) ,以实 现数据的并行输入输出。

5. 串行I/O口 目前高档 8 位单片机均设置了全双工串行 I/O 口，用以 实现与某些终端设备进行串行通信，或者和一些特殊功能 的器件相连接的能力，甚至用多个单片机相连构成多机系 统。随着应用的拓宽，有些型号的单片机内部还包含有二 个串行I/O口。 6. 定时器/计数器

在单片机的实际应用中，往往需要精确的定时，或者需 对外部事件进行计数。为了减少软件开销和提高单片机的 实时控制能力，因而均在单片机内部设置定时器/计数器 电路。80C51共有二个16位的定时器/计数器，80C52则有 三个16位的定时器/计数器。

7. 中断系统 80C51单片机的中断功能较强，具有内、外共五个 中断源，即外中断两个，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二个中断优先级。 8.定时电路及元件 计算机的整个工作是在时钟信号的驱动下，按照严格 的时序有规律地一个节拍一个节拍地执行各种操作。单 片机内部设计有定时电路，只需外接振荡元件即可工作。 外接振荡元件一般选用晶体振荡器，或用价廉的 RC振荡 器，也可用外部时钟源，作为振荡元件。近来有的单片 机将振荡元件也集成在芯片内部。

2.1.3 80C51单片机的信号引脚及其功能

80C51 有 40 引 脚 双 列 直 插 ( DIP ) 、 44 引 脚 (PLCC) 和 44 引 脚 ( PQFP/TQFP ) 封 装 形 式 。 80C51/80C52 的封装及逻辑图如图 2.3a 所示 ( 或见 教材P15图2.3)。 在某些场合，不需通过并行总线扩展芯片，这 时常采用20引脚双列直插(DIP)甚至仅14引脚的单 片机，如 ATMEL 公司的 1051/2051/4051 单片机等， 或 PHILIPS 公司的 P87LPC764 单片机。它们的封 装及引脚见图2.3b。

图2.3a 80C51/80C52的封装及 …… 此处隐藏：2408字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……