51单片机基本结构详解

51单片机基本结构详解

1.什么是单片机

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（可能还包括显示

驱动电路、脉宽调试电路电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）

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。

图1-1 单片机外形图

2.单片机的引脚排列

常用的单片机有40个引脚，其排列和功能如图2-1所示。

图2-1单片机的引脚排列和功能

3.单片机最小系统

单片机最小系统是单片机正常工作的最小硬件要求，包括供电电路、

时钟电路、复位电路，如图3-1所示。

图3-1 单片机的最小应用系统

判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的办法，就是

用万用表测量单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压，以汽车商业险 正常工作的

单片机用数字万用表测量为例：18脚对地约2.24V，19脚对地约2.09V。

对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位

的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短

时间和＋5V连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作

了，说明这个复位电路有问题。

4. 单片机的内部结构

单片机造父四 由5个基本部分组成，包括中央处理器CPU、存储器、输入/

输出口、定时/计数器、中断系统等，如图4-1所示。

CPU

ROM

RAM

总线

时钟电路

并行接口

串行接口

中断系统

定时/计数器

图4-1 单片机的内部结构

4.1 单片机CPU内部结构及功能

51单片机内部有一个8位的CPU，包含运算器，控制器及若干寄

存器等，如题4-2所示野菊花茶 。

4-2 单片机CPU结构

从上图中我们可以看到，在虚线框内的就是CPU的内部结

构了，8位的MCS-51单片机的CPU内部有数术逻辑单元

ALU（Arithmetic Logic Unit）、累加器A（8位）、寄存器

B（8位）、程序状态字PSW（8位）、程序计数器PC（有时也称

为指令指针，即IP，16位）、地址寄存器AR（16位）、数据寄

存器DR（8位）、指令寄存器IR（8位）、指令译码器ID、控制

器等部件组成。

1、运算器（ALU）的主要功能

A）算术和逻辑运算，可对半字节（一个字节是8位，半个字节

就是4位）和单字节数据进行操作。

B）加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算。

C）与、或、异或、求补、循环等逻辑运算。

D）位处理功能（即布尔处理器）。

由于ALU内部没有寄存器，参加运算的操作数，必须放在累加

器A中。累加器A也用于存放运算结果。

例如：执行指令 ADD A，B

执行这条指令时，累加器A中的内容通过输入口In_1输入ALU，

寄存器B通过内部数据总线经输入口In_2输入ALU，A+B的结果

通过ALU的输出口Out、内部数据总线，送回到累加器A。

2、程序计数器PC

PC的作用是用来存放将要执行的指令地址，共16位，可对

64K ROM直胃痛英语怎么说 接寻址，PC低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。

也就是说，程序执行到什么地方，程序计数器PC就指到哪里，

它始终是跟蹿着程序的执行。我们知道，用户程序是存放在内

部的ROM中的，我们要执行程序就要从ROM中一个个字节的读出

来，然后到CPU中去执行，那么ROM具体执行到哪一条呢？这就

需要我们的程序计数器PC来指示。

程序计数器PC具有自动加1的功能，即从存储器中读出一个字

节的指令码后，PC自动加1（指向下一个存储单元）。

3、指令寄存器IR

指令寄存器的作用就是用来存放即将执行的指令代码。

在这里我们先简单的了解下CPU执行指令的过程，首先由程序

存储器（ROM）中读取指令代码送入到指令寄存器，经译码器

译码后再由定时与控制电路发出相应的控制信号，从而完成指

令的功能。关于指令在单片机内部的执行过程，我们在后面将

会以另一节课来进行详细的讲解。

4、指令译码器ID

用于对送入指令寄存器中的指令进行译码，所谓译码就是

把指令转变成执行此指令所需要的电信号。当指令送入译码器

后，由译码器对该指令进行译码，根据译码器输出的信号，

CPU控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，使

单片机正确的执行程序所需要的各种操作。

5、地址寄存器AR（16位）

AR的作用是用来存放将要寻址的外部存储器单元的地址信

息，指令码所在存储单元的地址编码，由程序计数器PC产生，

而指令中操作数所在的存储单元地址码，由指令的操作数给

定。从上图中我们可以看到，地址寄存器AR通过地址总线AB与

外部存储器相连。

6、数据寄存器DR

用于存放写入外部存储器或I/O端口的数据信息。可见，

数据寄存器对输出数据具有锁存功能。数据寄存器与外部数据

总线DB直接相连。

7、程序状态字PSW

用于记录运算过程中的状态，如是否溢出、进位等。

例如，累加器A的内容83H，执行：

ADD A，#8AH ；累加器A与立即数8AH相加，并把结果存放在

A中。

指令后，将产生和的结果为[1]0DH，而累加器A只有8位，只能

存放低8位，即0DH，元法存放结果中的最高位B8。为些，在

CPU内设置一个进位标志位C，当执行加法运算出现进位时，进

位标志位C为1。

8、时序部件

由时钟电路和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需

的定时脉冲信号。

4.2单片机的存储器

存储器是用来存放程序和数据的部件，MCS-51单片机芯片内部存储器

包括程序存储器和数据存储器两大类。

①程序存储器（ROM）

一般用来存放固定程序和数据，特点是程序写入后能长期保存，不

会因断电而丢失，MSC-51系列单片机内部有4KB的程序存储空间，可

以通过外部扩展到64KB，如图4-3所示。

0FFFH

0000H

外部

0FFFH

0000H

内部

4KB

64KB

0000H

FFFFH

4KB

FFFFH

1000H

60KB

图4-3 内部程序存储器和外部程序存储器

②数据存储器（RAM）

主要用于存放各种数据，内部结构如图4-4所示。

优点：可以随机读入或读出，读写速度快，读写方便。

缺点：电源断电后，存储的信息丢失。

00H

07H

08H

0FH

10H

17H

18H

1FH

R0

R7

R0

R7

R0

R7

R0

R7

第3 组

第2 组

第1 组

第0 组

通用工作寄存器区

20H

2FH

位寻址区

30H

7FH

用户数据存储区

低128

高128

21

SFR

特殊功能寄存器区

图4-4 数据存储器的内部结构

位寻表白怎么说比较好 址区的位地址映象如表1-1所示。

表1-1位寻址区的位地址映象表

4.2. 单片机的并行I/O

①P0口

P0口的口线逻辑电路如图4-5所示

图4-5 P0口的口线逻辑电路如图

②P1口

P1口的口线逻辑电路如图4-6所示

图4-6 P1口的口线逻辑电路图

③P2口

P2口的口线逻辑电路如图4-7所示

图4-7 P2口的口线逻辑电路图

④ P3口

P3口的口线逻辑电路如图4-8 所示

图4-8 P3口的口线逻辑电路图

4.3.单片机的时钟和时序

①时钟电路

单片机时钟电路通常有两种形式：内部振荡方式和外部振荡方式

MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引

脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端 。把放大器与晶

体振荡器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号直接连接到XTAL1端引入

单片机内，XTAL2端悬空不用。

②时序

振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。

时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。因此时钟周

期是振荡周期的两倍，即一个S周期，被分成两个节拍—P1、P2

指令周期：CPU执行一条指令所需要的时间(用机器周期表示)。

各时长篇大论的意思 序之间的关系如图4-9所示。

图4-9各时序之间的关系