简述51单片机的内部结构_51单片机的硬件结构及其作用

文章目录

• 【 1. 基本组成 】
• 【 2. CPU 】
• • 1. 运算器
  • 2. 程序计数器PC
  • 3. 指令寄存器
• 【 3. 存储器 】
• • 1. 存储器地址空间的结构形式
  • 2. 程序存储器
  • 3. 外部数据存储器
  • 4. 内部数据存储器
  • 5. 特殊功能寄存器
• 【 4. 时钟电路 】
• • 周期
  • 电路
• 【 5. 复位电路 】
• 【 6. 引脚 】
• • 1. 可总线扩展的单片机引脚
  • 2. 不可总线扩展的单片机引脚
• 【 7. 总结 】

【 1. 基本组成 】

• 单片机: 在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器、多功能I/O等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称 MCU。

51单片机内包含下列几个部件：

• 一个8位CPU
• 128字节 RAM 数据存储器
• 一个片内4KB ROM 程序存储器
• 可寻址 64KB 外部 RAM 和 64KB 外部 ROM 的控制电路
• 32条可编程的 I/O 线（4个8位并行I/O端口）
• 两个16位的定时/计数器
• 一个可编程全双工串行口
• 5个中断源、两个优先级嵌套中断结构
• 一个片内震荡器及时钟电路

上图1-1中，其“/”前面为普通型，“/”后面为增强型。

【 2. CPU 】

• CPU: 是单片机的核心部件，由运算器、程序计数器PC、指令寄存器 等部件组成。

1. 运算器

• 功能就是进行运算（算术运算、逻辑运算、位运算）。
• 操作结果的状态信息存至 状态寄存器PSW。

2. 程序计数器PC

• Program Counter
• 16位自动加 1 的寄存器
• 存放即将执行的指令地址
• 可对64KB程序存储器直接寻址
• 执行指令时，PC内容的低8位经 P0 输出，高8位经 P2 输出。
• 取出指令码后，PC寄存器内容自动加 1 ，指向下一指令地址。

3. 指令寄存器

• 存放指令代码
• CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经指令寄存器译码后，由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。

【 3. 存储器 】

1. 存储器地址空间的结构形式

• 第一种：普林斯顿结构：RAM 和 ROM 连续编址在同一地址空间，CPU访问ROM和RAM用相同的访问指令。
• 第二种：哈佛结构：RAM 和 ROM 分别编址在不同地址空间，（RAM和ROM可以有相同的地址，CPU靠不同的指令区别）MCS-51采用这个结构，各有各自的指令。

• 51 存储器的特点：采用哈佛结构，拥有片内RAM、片内ROM、片外RAM、片外ROM；

2. 程序存储器

• 程序存储器 ROM： 用于存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。
• 8051单片机内置最低4KB ROM程序存储器。
• 51 ROM的执行特点 ❶ 片内、片外的两个ROM统一编址，用MOC指令访问。程序存储器以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64KB。 ❷ EA ‾ \overline{\text{EA}} EA=1时，程序先执行片内ROM地址的0000H～0FFFH，再执行片外ROM地址的1000H～FFFFH，是连续的（此时片内、片外ROM中被用的空间共占64K）； ❸ EA ‾ \overline{\text{EA}} EA=0时，程序只执行外部ROM地址的0000H～FFFFH（即只用外部ROM的64K）。

• 程序存储器中几个特殊地址：

3. 外部数据存储器

• 数据存储器RAM：存放随机读写的数据。
• 外部数据存储器和外部I/O 统一编址，并使用相同的选通控制信号，均使用 MOVX指令和相同的寄存器间接寻址。
• MCS-51单片机最多可扩展64KB外部数据存储器。

4. 内部数据存储器

• 内部数据存储器： ❶ 使用最多的的地址空间，用于存放随机读写的数据，所有操作指令的操作数只能存在此地址空间或特殊功能寄存器中。 ❷ 其区域包括通用寄存器区、堆栈区、运算操作数存放区。

• 加强型 52 RAM特点： 有256字节RAM，占地址00～FFH，其中80H～FFH地址的RAM和SFR所占地址是重合的。区分方法：访问SFR用直接地址（称为直接寻址），访问RAM采用寄存器采用寄存器间接寻址。

• 基本型51 RAM 的地址分配： 51系列单片机内部数据存储器地址范围为00～7FH。（附：而SFR占地址80H～FFH，两者的地址空间是连续的）。
• ❶ 通用寄存器区 ： 00H～1FH的前32个单元。共4组寄存器（寄存器0组～3组），每组寄存器有8个8位通用寄存器（R0～R7）。 寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位决定。

初始化或复位时自动选中0组。 使用时之能选其中一组寄存器，一旦选中一组，其他三组只能作为数据存储器使用，而不能作为寄存器使用。 设置多组寄存器可以方便保护现场。 除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用 RAM 区。

• ❷ 位地址区 ： 20H～2FH为，共16个单元，每个单元有8个位，每位有一个位地址，共128位，位地址范围是00H～7FH。该区既可位寻址，又可字节寻址。
• ❸ 堆栈区： 8XX51单片机的堆栈设在内部RAM区，深度不大于128字节，除选中寄存器组以外的存储区可作为堆栈区，初始化时SP指向07H。

5. 特殊功能寄存器

• 共21个特殊功能寄存器，不连续地分布在80H～FFH 128个字节地址空间。
• 常见的SFR ：累加器A，寄存器B，程序状态字PSW，堆栈指针SP，数据指令寄存器DPTR，P0 P1 P2 P3 I/O端口寄存器等。

• PS：52系列中，高128字节RAM和SFR地址是重合的。访问高128字节RAM用寄存器间址，访问SFR只能采用直接寻址，访问低128字节RAM两种寻址方式均可使用
• 地址为X0H和X8H是可位寻址的寄存器

• A累加器 自带全0标志Z，A=0时，Z=1; A=0时，Z=0，该全0标志用于程序分支转移的判断条件。
• B寄存器 常用于乘除法运算。
• PSW程序状态字，也叫标志寄存器

【 4. 时钟电路 】

周期

• 震荡周期、时钟周期 晶振的震荡周期。12MHZ晶振的震荡周期为 1 12 \frac{1}{12} 121​。
• 状态周期 两个震荡周期。震荡频率会经过单片机内部的二分频电路。
• 机器周期 12个震荡周期。单片机执行一种基本操作的单位时间。
• 指令周期 单片机执行一条指令所需的时间。一个指令周期由1～4个机器周期组成（依据指令不同而不同）。

电路

单片机的时钟信号用于给单片机提供震荡周期，即操作时间的基准。

【 5. 复位电路 】

• 复位 使单片机内部电路初始化，从程序的初始状态开始执行。
• 复位操作的实质 使SFR寄存器进入初始化，不改变片内RAM区的内容。
• MCS-51复位操作 引脚RST出现5ms以上的高电平，单片机就会复位。若RST一直是高电平，则会一直死循环复位。
• 复位操作的基本种类 上电复位：单片机一通电，就会自动复位。 开关复位：电源接通时，利用开关，控制RST引脚接高电平实现复位。当出现死循环或崩溃的时候，可通过开关令其复位使单片机退出当前崩溃状态。
• 常用复位电路 上电后，电容充电，有电流流经电容器，RST维持高电平一段时间，当电容充电至电容两端电压为VCC后，就没有电流流经电容器。

• 常见寄存器的复位状态

【 6. 引脚 】

1. 可总线扩展的单片机引脚

接上图中，保持在低功耗条件下内部RAM中的数据。

2. 不可总线扩展的单片机引脚

【 7. 总结 】

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发布者：全栈程序员栈长，转载请注明出处：https://javaforall.cn/186055.html原文链接：https://javaforall.cn