單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

分類(lèi)：

1、通用型

按單片機(jī)(Microcontrollers)適用范圍來(lái)區(qū)分。例如，80C51式通用型單片機(jī)，它不是為某種專(zhuān)門(mén)用途設(shè)計(jì)的;專(zhuān)用型單片機(jī)是針對(duì)一類(lèi)產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測(cè)量控制電路。

2、總線型

按單片機(jī)(Microcontrollers)是否提供并行總線來(lái)區(qū)分的?？偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、 數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過(guò)串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類(lèi)單片機(jī)稱(chēng)為非總線型單片機(jī)。

3、控制型

按照單片機(jī)(Microcontrollers)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng);用于家電的單片機(jī)多為專(zhuān)用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。 顯然，上述分類(lèi)并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如，80C51類(lèi)單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。

51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能

基本功能：

1.8位數(shù)據(jù)總線，16位地址總線的CPU;

2.具有布爾處理能力和位處理能力;

3.采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間各自獨(dú)立，便于程序設(shè)計(jì);

4.相同地址的64KB程序存儲(chǔ)器和64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;

5.0-8KB片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(8031無(wú)，8051有4KB，8052有8KB，89C55有20KB);

6.128字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(8051有256字節(jié));

7.32根雙向并可以按位尋址的I/O線;

8.兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器(8052有3個(gè));

9.一個(gè)全雙工的串行I/O接口;

10.多個(gè)中斷源的中斷結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí);

11.片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器 。

特點(diǎn)：

1.以微處理器(CPU)為核心;

2.CPU與其他部件間通過(guò)三總線連接。

總線: 指能為多個(gè)部件服務(wù)的信息傳送線 。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

單片機(jī)外部結(jié)構(gòu)

一共40根外部引腳如圖：

引腳功能介紹

1、P0口的結(jié)構(gòu)

P0口字節(jié)地址為80H，位地址80H～87H。

如圖，一個(gè)端口由鎖存器、輸入緩沖器、多路開(kāi)關(guān)、一個(gè)非門(mén)、一個(gè)與門(mén)及場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

P0位結(jié)構(gòu)：

輸入緩沖器

在P0口中，有兩個(gè)三態(tài)的緩沖器，三態(tài)門(mén)有3個(gè)狀態(tài)，即在其輸出端可以是高電平、低電平，同時(shí)還有一種高阻狀態(tài)(或稱(chēng)為禁止?fàn)顟B(tài))，要讀取D鎖存器輸出端Q的數(shù)據(jù)，需要使讀鎖存器中這個(gè)緩沖器的三態(tài)控制端有效，下面一個(gè)是讀引腳的緩沖器，要讀取P0.X引腳上的數(shù)據(jù)，也要使標(biāo)號(hào)為“讀引腳”的三態(tài)緩沖器的控制端有效，引腳上的數(shù)據(jù)才會(huì)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。

D鎖存器

構(gòu)成一個(gè)鎖存器，通常要用一個(gè)時(shí)序電路，一個(gè)觸發(fā)器可以保存一位二進(jìn)制數(shù)(即具有保持功能)，在51單片機(jī)的32根I/O口線中，都是用一個(gè)D觸發(fā)器來(lái)構(gòu)成鎖存器的。圖1-4中的D鎖存器，D端是數(shù)據(jù)輸入端，CP是控制端(即時(shí)序控制信號(hào)輸入端)，Q是輸出端，Q非是反向輸出端。

對(duì)于D鎖存器來(lái)講，當(dāng)D輸入端有一個(gè)輸入信號(hào)，如果這時(shí)控制端CP沒(méi)有信號(hào)(即時(shí)序脈沖沒(méi)有到來(lái))，這時(shí)輸入端D的數(shù)據(jù)是無(wú)法傳輸?shù)捷敵龆薗及反向輸出端的。如果時(shí)序控制端CP的時(shí)序脈沖到達(dá)，這時(shí)D端輸入的數(shù)據(jù)就會(huì)傳輸?shù)絈及Q非端。數(shù)據(jù)傳送過(guò)來(lái)后，當(dāng)CP時(shí)序控制端的時(shí)序信號(hào)消失時(shí)，輸出端還會(huì)保持著上次輸入端D的數(shù)據(jù)(即把上次的數(shù)據(jù)鎖存起來(lái))。如果下一個(gè)時(shí)序控制脈沖信號(hào)到來(lái)，這時(shí)D端的數(shù)據(jù)才再次傳送到Q端，從而改變Q端的狀態(tài)。

多路開(kāi)關(guān)

在51單片機(jī)中，當(dāng)內(nèi)部的存儲(chǔ)器夠用時(shí)(即不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，這里講的存儲(chǔ)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及程序存儲(chǔ)器)，P0口可以作為通用的輸入/輸出端口(即I/O)使用，對(duì)于8031(內(nèi)部沒(méi)有ROM)的單片機(jī)，或者編寫(xiě)的程序超過(guò)了單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口就作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。那么這個(gè)多路選擇開(kāi)關(guān)就是用于選擇是作為普通I/O口使用還是作為地址/數(shù)據(jù)總線使用的選擇開(kāi)關(guān)了。從圖1-4可知，當(dāng)多路開(kāi)關(guān)與下端接通時(shí)，P0口作為普通的I/O口使用;當(dāng)多路開(kāi)關(guān)是與上端接通時(shí)，P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。

利用P0口進(jìn)行擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器和I/O時(shí)，P0口將作為地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用，CPU發(fā)控制信號(hào)，打開(kāi)與門(mén)，使MUX打向上邊，形成推拉式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)信號(hào)可直接讀入或輸出到內(nèi)部總線。利用P0作為通用I/O時(shí)，此時(shí)P0口是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，CPU發(fā)控制信號(hào)，封鎖與門(mén)，使上拉管截止，MUX打向下邊，與D觸發(fā)器Q連接。

2、P1口的結(jié)構(gòu)

P1口字節(jié)地址為90H，位地址為90H～97H。

P1位結(jié)構(gòu)：

與P0不同，P1口只能作為I/O口使用，無(wú)MUX，但其內(nèi)部有一個(gè)上拉電阻，所以連接外圍負(fù)載時(shí)不需要外接上拉電阻，這一點(diǎn)P1、P2、P3都一樣。

3、P2口的結(jié)構(gòu)

P2口字節(jié)地址為A0H，位地址為A0H～A7H

P2位結(jié)構(gòu)：

P2口作為I/O口線時(shí)用法與P0口一樣，當(dāng)內(nèi)部開(kāi)關(guān)撥向另一個(gè)方向，即作地址輸出時(shí)，可以輸出程序存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的高8位地址，并與P0口輸出的低地址一起構(gòu)成16位的地址線。

4、P3口的結(jié)構(gòu)

P3口字節(jié)地址為B0H，位地址為B0H～B7H。

P3口作為I/O口線用時(shí)同其他的端口相同，也是準(zhǔn)雙向口，不同的是，P3口的每一位都有另一種功能，也叫第二功能，具體作用在用到時(shí)將詳細(xì)解釋。當(dāng)P3口作為通用I/O口時(shí)，準(zhǔn)雙向口第二功能端保持高電平。

當(dāng)P3口作為第二功能時(shí)，鎖存器輸出Q=1，如圖為P3口第二功能列表：

5、注意

(1)在無(wú)片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，這4個(gè)端口的每一位都可以作為準(zhǔn)雙向通用I/O端口使用。在具有片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，P2口作為高8位地址線，P0口作為雙向總線，分時(shí)作為低8位地址和數(shù)據(jù)的輸入/輸出線。

(2)P0口作為通用雙向I/O口使用時(shí)，必須外接上拉電阻。

(3)P3口除了作通用I/O口使用外，各位還具有第二功能。當(dāng)P3口某一位用于第二功能作輸出時(shí)，則不能再作通用I/O口使用。

(4)當(dāng)P0～P4端口用作輸入時(shí)，為了避免誤讀，都必須先向?qū)?yīng)的輸出鎖存器寫(xiě)入1，使FET截止，然后再讀端口引腳，例如以下程序：

MOV　P1, #0FFH

MOV　A, P1

51的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是獨(dú)立分開(kāi)的，數(shù)據(jù)寄存器除內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器外，還可以擴(kuò)展數(shù)據(jù)寄存器，并存但訪問(wèn)指令不同。

程序寄存器

當(dāng)EA引腳接高電平，CPU將使用內(nèi)部程序寄存器，若程序超過(guò)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間時(shí)，則CPU會(huì)自動(dòng)從外部程序存儲(chǔ)器重讀取超過(guò)部分的程序代碼。

數(shù)據(jù)寄存器

0000H ~ 007FH

1、寄存器組區(qū)

0000H~001FH共有32個(gè)地址位寄存器組區(qū)

每組寄存器組都包括R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7等8個(gè)寄存器，任何一個(gè)時(shí)間，都只能使用其中一個(gè)寄存器組。

寄存器組的切換，可由程序狀態(tài)字(PSW)中的RS1、RS0來(lái)決定。

RS0 RS1 寄存器組 位址

0 0 RB0 0000H~0007H

0 1 RB1 0008H~000FH

1 0 RB2 0010H~0017H

1 1 RB3 0018H~001FH

2、可位尋址區(qū)

0020H~002FH 共16字節(jié)的存儲(chǔ)區(qū)為可位尋址區(qū)

設(shè)置20H存儲(chǔ)器地址的位5設(shè)置為1：SETB 20H.5

設(shè)置20H存儲(chǔ)器地址的位5設(shè)置為0：CLR 20H.5

3、一般數(shù)據(jù)與堆棧區(qū)

0030H~007FH的80字節(jié)為一般數(shù)據(jù)訪問(wèn)及堆棧區(qū)

0080H~00FFH之間的128B位特殊功能寄存器(SFR)

特殊功能寄存器

P0、P1、P2、P3

它們是51的4個(gè)輸入/輸出端口，其地址分別為80H、90H、A0H及B0H。

P0口：該8位都為漏級(jí)開(kāi)路輸出，每個(gè)引腳可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載;且內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，執(zhí)行輸出功能時(shí)，外部必須接上拉電阻(10千歐即可);若要執(zhí)行輸入功能，必須先輸出高電平，方能讀取該端口所連接的外部數(shù)據(jù);若系統(tǒng)連接外部存儲(chǔ)器，則P0可作為地址總線(A0A7)及數(shù)據(jù)總線(D0D7)的多功能引腳。

P1口：內(nèi)部有30千歐上拉電阻，執(zhí)行輸出功能時(shí)，不必連接外部上拉電阻;該8位都為漏級(jí)開(kāi)路輸出，每個(gè)引腳可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載;若要執(zhí)行輸入功能，必須先輸出高電平，方能讀取該端口所連接的外部數(shù)據(jù);

P2口：內(nèi)部有30千歐上拉電阻，執(zhí)行輸出功能時(shí)，不必連接外部上拉電阻;該8位都為漏級(jí)開(kāi)路輸出，每個(gè)引腳可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載;若要執(zhí)行輸入功能，必須先輸出高電平，方能讀取該端口所連接的外部數(shù)據(jù);若系統(tǒng)連接外部存儲(chǔ)器，而外部存儲(chǔ)器的地址線超過(guò)8條時(shí)，則P0口可作為地址總線(A8~A15)引腳。

P3口：內(nèi)部有30千歐上拉電阻，執(zhí)行輸出功能時(shí)，不必連接外部上拉電阻;該8位都為漏級(jí)開(kāi)路輸出，每個(gè)引腳可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載;若要執(zhí)行輸入功能，必須先輸出高電平，方能讀取該端口所連接的外部數(shù)據(jù);

P3口其他功能：

P3 其它功能 說(shuō)明

P3.0 RXD 串行口的接收引腳

P3.1 RTD 串行口的傳送引腳

P3.2 INT0 INT0中斷輸入

P3.3 INT1 INT1中斷輸入

P3.4 T0 timer 0輸入

P3.5 T1 Timer 1輸入

P3.6 WR 寫(xiě)入外部存儲(chǔ)器控制引腳

P3.7 RD 讀取外部存儲(chǔ)器控制引腳

SP

SP為堆棧指針寄存器，其地址為81H。

DPL、DPH

DPL與DPH均為8位的數(shù)據(jù)指針寄存器，其地址分別為82H、83H。若以DPL為低8位、DPH為高8位，即可組成一個(gè)16位的數(shù)據(jù)指針寄存器，簡(jiǎn)稱(chēng)DPTR，如此將可尋址到64KB的數(shù)據(jù)地址。

PCON

PCON作為電源控制寄存器，其地址位87H，其功能是設(shè)定CPU的電源方式。

它是一個(gè)不可位尋址的寄存器。如圖所示：

SMOD ― ― ― GF1 GF0 PD IDL

Bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0

其中各位說(shuō)明如下：

SMOD位為比特率倍增位。當(dāng)串行端口工作于模式1、模式2、模式3，且使用定時(shí)器1為其比特率產(chǎn)生器時(shí)，若其為1，這比特率加倍，若為0，這比特率正常。

GF1、GF0位為一般用途標(biāo)志位，用戶可自行設(shè)定或清除這兩個(gè)標(biāo)志。通常使用這個(gè)兩個(gè)標(biāo)志作為有中斷喚醒閑置模式中的8051系統(tǒng)。

PD位為功率下降模式位。為1時(shí)，進(jìn)入功率下降模式;為0時(shí)，結(jié)束功率下降模式。

IDL位為閑置模式位。為1時(shí)，進(jìn)入閑置模式;為0時(shí)，結(jié)束閑置模式。

TCON

TCON為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器，其地址為88H

TMOD

TMOD為計(jì)數(shù)器/計(jì)數(shù)方式控制寄存器，其地址為89H，其功能是設(shè)置它的方式

TL0、TL1、TH0、TH1

TL0、TH0為第一組定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的計(jì)量寄存器，其地址為8AH、8CH，將TL0與TH0組合即可進(jìn)行16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)。TL1、TH1為第二組定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的計(jì)量寄存器，其地址為8BH、8DH，將TL1與TH1組合即可進(jìn)行16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)。

SCON

SCON為串行端口控制寄存器，其地址為98H，其功能是設(shè)定串行端口工作方式與標(biāo)志。

SBUF

SBUF為串行端口緩沖器，其地址為99H， 這是由使用同一個(gè)地址的兩個(gè)寄存器所構(gòu)成，其中一個(gè)寄存器作為傳送數(shù)據(jù)用的緩沖器，另一個(gè)寄存器作為接收數(shù)據(jù)用的緩沖器。至于如何分辨同一個(gè)地址的兩個(gè)寄 存器，則視指令而定，若是數(shù)據(jù)傳送指令，則自動(dòng)定位到傳送數(shù)據(jù)用的緩沖器;若是接受數(shù)據(jù)指令，則自動(dòng)定位到接收數(shù)據(jù)用的緩沖器。詳細(xì)以后再講咯。

? ? ? ?IE

IE為中斷使能寄存器，其地址為A8H。

IP

IP為中斷優(yōu)先級(jí)寄存器。

T2CON

T2CON為T(mén)imer 2的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器，其地址為C8H，其功能死設(shè)定Timer 2的啟動(dòng)、記錄定時(shí)/計(jì)數(shù)溢出，以及外部中斷觸發(fā)方式等。

RCAP、RCAP2H

RCAP、RCAP2H為捕捉寄存器，其地址為CAH、CBH。當(dāng)Timer 2在捕捉方式時(shí)，若T2EX(P1.1)引腳上的輸入信號(hào)有高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，TL2與TH2的內(nèi)容將被載入RCAP與RCAP2H，就像是把Timer 2的內(nèi)容捉進(jìn)RCAP寄存器一樣。

TL2、TH2

TL2、TH2為第三組定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的計(jì)量寄存器，其地址為CCH、CDH，將TL2與TH2組合即可進(jìn)行16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)。

PSW

PSW為CPU的程序狀態(tài)字寄存器，其地址為D0H，其內(nèi)容如下：

7 6 5 4 3 2 1 0

PSW CY AC F0 RS1 RS0 OV P

PSW.7：本位為進(jìn)位位(CY)，加減法時(shí)產(chǎn)生進(jìn)位或錯(cuò)位，將自行設(shè)定為1，否則為0。

PSW.6：本位為輔助進(jìn)位位(AC)，進(jìn)行加減法運(yùn)算產(chǎn)生進(jìn)位或錯(cuò)位，將自行設(shè)定為1，否則為0。

PSW.5：本位為用戶標(biāo)志位，用戶自行設(shè)定。

PSW.4與PSW.3：這兩個(gè)位為寄存器組選擇位(RS1、RS0)，其功能如下表所示。

RS1 RS0 寄存器組

0 0 RB0

0 1 RB1

1 0 RB2

1 1 RB3

PSW.2：本位為溢出標(biāo)志位(OV)，運(yùn)行時(shí)，若發(fā)生溢出，為1，否則為0。

PSW.1：本位為保留位，沒(méi)有提供服務(wù)。

PSW.0：本位位奇偶位(P)，8051采用偶同位，若ACC中奇數(shù)個(gè)1，則為1，偶數(shù)個(gè)1，則為0。

ACC

ACC累加器又稱(chēng)為A寄存器，其地址為E0H。

B

B寄存器的地址為F0H，主要功能是配合A寄存器進(jìn)行乘法或除法運(yùn)算。進(jìn)行乘法運(yùn)算時(shí)，乘數(shù)放在B寄存器，而運(yùn)算結(jié)果，高8位放在B寄存器;進(jìn)行除法運(yùn)算時(shí)，除數(shù)放在B寄存器，而運(yùn)算的結(jié)果，余數(shù)放在B寄存器。若不進(jìn)行乘/除法運(yùn)算，B寄存器也可當(dāng)成一般寄存器使用。

門(mén)電路

與門(mén)

或門(mén)

非門(mén)

同或門(mén)

異或門(mén)

門(mén)間的組合電路

門(mén)電路的實(shí)現(xiàn)TTL和MOS集成門(mén)電路

寄存器和鎖存器

觸發(fā)器分類(lèi)：

1、基本R-S觸發(fā)器

2、同步RS觸發(fā)器、同步D觸發(fā)器

3、主從R-S觸發(fā)器、主從JK觸發(fā)器

4、邊沿觸發(fā)器：

上升沿觸發(fā)器(D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器)

下降沿觸發(fā)器(D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器)

觸發(fā)器邏輯功能表示方法：

特性表、卡洛圖、特性方程、狀態(tài)圖、時(shí)序圖

各種觸發(fā)器介紹