51单片机结构组成相关知识点

51单片机

一、结构组成

内部结构

• 8位CPU
• 1个片内振荡器和时钟电路
• 4KB片内程序存储（ROM）
• 256字节（2KB）片内数据存储（RAM）
• 2个16位定时/计数器（T/C）
• 可寻址64KB程序存储空间 + 64KB数据存储空间的总线计数器
• 4个8位双向并行IO口
• 1个全双工串行口
• 5个中断源

控制器

1. 程序计数器PC：16位，存放下一条执行指令的首地址（这个地址指向的是程序存储空间，0000H~0FFFH为片内的4KB，超出时便转向片外）
   系统复位之后自动赋值为0000H。
2. 指令寄存器IR：8位
3. 指令译码器ID：对指令寄存器中的指令进行译码，转变为电信号
4. 数据指针DPTR：16位，由两个8位寄存器（DPH、DPL）拼装而成，
   配合相关指令实现对最高64KB片外RAM和ROM的访问

只要是16位的，必然会涉及到对片外或片内RAM或ROM的访问，这也是为什么片尾RAM和ROM是64KB的原因

运算器

1. 累加器ACC：8位，存放操作数或中间结果

2. 通用寄存器B：8位，配合ACC进行乘法或除法运算，也可以当作普通寄存器

3. 算数逻辑部件ALU：进行运算，结果状态传给PSW

4. 程序状态字寄存器PSW：8位，存放运算过程的各种状态信息
   其中：
   CY（PSW7）：进位标志位，硬件控制，1表示进位

   AC（PSW6）：辅助进位标志位，如果运算结果的低四位向高四位发生进位，则硬件置1
   F0（PSW5）：用户标志位，用户自定义作用
   RS1、RS0（PSW4，PSW3）：工作寄存器组指针。
   OV（PSW2）：溢出标志位，溢出由硬件置1
   F1（PSW1）：用户标志位，同F0；
   P（PSW0）：奇偶标志位

引脚

51单片机共40个引脚

1. 电源：V_CC，接+5V，V_SS，接地
2. 外接晶振：XTAL1（19），XTAL（18）
3. 复位/备用电源：RST/V_PD：RST的使用方法是给与足够长时间的脉冲信号
4. $ALE/\overline{PROG}$:地址锁存使能输出/编程脉冲输入：
   ALE：如果你想输出片外ROM地址，那么给这个引脚高电平可以让你将第八位地址所存到P₀口。
5. $\overline{PSEN}$ :29脚，如果你从片外ROM读取指令，这个引脚将会在每个机器周期出现两次负跳变脉冲，用作片外ROM芯片的使能信号
6. $\overline{EA}/V_{pp}$ : 31脚，当$\overline{EA}=1$或者悬空时，CPU从片内ROM读指令。当PC超出4KB范围时会自动访问片外ROM。如果$\overline{EA}=0$或接地时，单片机只会访问片外ROM
7. IO共32引脚，P0~P3都可以用来输出，P0和P2可以用来输出地址，P3具有第二功能

二、单片机的存储结构

存储器划分方法

51单片机物理上共4个存储空间，分别是：

• 片内ROM：$\overline{EA}=1$时访问，共4KB
• 片内RAM：共256B
• 片外ROM：$\overline{EA}=0$时访问，加上片外的60KB共64KB
• 片外RAM：共64KB

逻辑上只有三个，因为EA引脚控制了ROM的片内外寻址，也就是说片内外的ROM逻辑上是一个。

程序存储器

指的是ROM，弄清$\overline{EA}$在什么状态下可以访问片内和片外的ROM。

$\overline{EA}=1$的时候，只能访问片内，$\overline{EA}=0$时既可以访问片内也可以访问片外。

数据存储器

指的是RAM，类似于缓存，存放中间变量，标志位等。
片内的RAM只有256B，其中低128B（00H_{7FH）**区为**普通寄存器区域**，高**128B（80H}FFH）为特殊功能寄存器区域，但是只有21字节有定义

低128B RAM区

• 在低128B 的RAM区域中，具有00H~1F共32个单元（字节），分成四组，每组有8个单元（字节）作为寄存器，受到PSW中的RS1和RS2来选定其中的分组。复位后默认第0组。
• **20H_{2FH**地址区域可以按**字节存取或者按位存取**。按位编址为00H}7FH
• 30H~7FH的80字节单元为用户RAM区，只能按字节存取

高128B RAM区

字节地址为80H~FFH。

三、单片机的复位与时序

单片机复位

复位条件：RST引脚出现满足复位时间的高电平。

复位后，除了SP的值回复为07H以及所有IO变为FFH，其他寄存器有意义的值全部变为0

单片机时序

• 单片机执行指令的过程：取指令、分析指令、执行指令
• 时钟信号的两种产生方式：内部时钟，外部时钟方式。
  内部时钟：
  需要XTAL1和XTAL2两个引脚连接震荡电路；
  C1和C2取值一般为30pF；
  震荡频率越高，时钟频率越高，运行速度越快；
  外部时钟：多个单片机一起工作的时候，如果想要保证所有单片机时钟频率一致
  需要连接XTAL2到公用的外部震荡信号上，XTAL1接地。

时钟周期

P表示，最小的时序单位，其与晶振频率f的关系如下：
$$P=1/f$$

状态周期

一个状态周期由两个时钟周期组成：
$$1状态周期=P1+P2$$

机器周期

一个机器周期由6个状态周期组成。
$$1机器周期=1/时钟频率$$
晶振频率f_OSC，与其他的周期关系：
$$\begin{gathered} 时钟周期=1/f_{OSC} \\ 状态周期=2/fOSC \\ 机器周期=12/f_{OSC} \\ 指令周期=14机器周期 \end{gathered}$$

指令周期

执行一条指令所需要的时间称为指令周期。1个指令周期由1~4个机器周期组成，指令周期是最大的时序单位。

D触发器

分为两种：正边沿D触发器、负边沿D触发器

正边沿D触发器

当CLK出现正脉冲时会进行D（输入端）和 $\overline{Q}/Q$ （输出端）的同步。

负边沿D触发器

与正边沿相反。

四、并行IO口

P1

• 内部总线的电平可以由P1口输出，也可以所存在P1口中
• P1口如果想要作为输入口，需要先写1，作为输出口无条件，因此被称作准双向口。

P3

• 当“第二输出功能”端保持在“1”状态时，P3口处在通用IO状态，称作准双向口
• 锁存器Q保持“1”时，P3口工作在第二功能口状态

其各个引脚第二功能如下：

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P3.0 RXD 串行数据输入
P3.1 TXD 串行数据输出
P3.2 I\N\T\0\ 外部中断0
P3.3 I\N\T\1\ 外部中断1
P3.4 T0 定时器/计数器0的外部中断
P3.5 T1 定时器/计数器1的外部中断
P3.6 W\R\ 外部数据储存器的写远通信号，W\R=0时远通
P3.7 R\D\ 外部数据储存器的读选通信号，R\D=0时选通

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P0

• P0口也是准双向口
• 作为通用IO时，必须外接上拉电阻
• P0口连接外部存储器时，P0工作在地址/数据分时复用方式，此时为真正双向口

P2

• P2口可以实现通用IO和地址输出两种功能，他是真正的双向口

总结：P1_{P3无需外接上拉电阻，P0需要外接上拉电阻，P0}P3都可以作为准双向口；当需要外接存储器时，P2可作为地址线接口，P0可作为地址/数据线复用接口，此时它是真正的双向口