单片机结构与原理

单片机结构与原理

单片机（Microcontroller Unit, MCU）是一种集成了微处理器核心、存储器和外设接口电路的集成电路芯片。它广泛应用于各个领域，如家电、汽车电子、医疗设备等。了解单片机的结构和原理，有助于我们深入理解其工作原理和应用。

一、单片机的结构

单片机的基本结构包括中央处理单元（Central Processing Unit,

CPU）、存储器和外设接口电路。

1. 中央处理单元（CPU）

中央处理单元是单片机的核心部分，负责执行指令、进行算术和逻辑运算。它由控制单元和算术逻辑单元组成。控制单元解析和执行指令，控制数据的流动和操作的协调；算术逻辑单元执行各种算术和逻辑运算。

2. 存储器

存储器主要包括程序存储器（Program Memory）和数据存储器（Data Memory）。

程序存储器用于存储单片机的程序代码，一般采用闪存或者EPROM（可编程只读存储器）实现。数据存储器用于存储程序运行时的数据，通常包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

3. 外设接口电路 外设接口电路用于连接各种外部设备，如显示屏、键盘、传感器等。它提供了与外部环境进行数据交换的接口，实现单片机与外部设备的通信和控制。

二、单片机的工作原理

单片机的工作原理是基于指令的执行和数据的处理。它按照程序存储器中的指令序列，依次执行指令，完成各种操作。

1. 程序的执行

单片机首先将程序存储器中的指令加载到指令寄存器中，然后通过控制单元解析指令，并根据指令的要求执行相应的操作。执行的过程包括取指令、分析指令、执行指令和更新程序计数器等步骤。

2. 数据的处理

单片机通过数据总线和外部设备进行数据的传输和交换。它从外部设备读取数据，进行运算和处理，然后将结果写回到数据存储器或者输出给外部设备。

3. 中断处理

单片机可以通过外部中断或者定时器中断来响应特定事件或者周期性任务。当发生中断时，单片机会立即保存当前执行的状态，转而执行中断服务程序。完成中断服务程序后，再返回到中断前的程序继续执行。

单片机应用技术试题库及答案-MCS—51单片机原理与结构

一、判断题

（ ）1．MCS—51单片机是高档16位单片机。×

（ ）2．MCS—51的产品8051与8031的区别是：8031片内无ROM。

（ ）3．单片机的CPU从功能上可分为运算器和存贮器。×

（ ）4．MCS-51的指令寄存器是一个8位寄存器，用于暂存待执行指令，等待译码。

（ ）5．MCS—51的指令寄存器是对指令寄存器中的指令进行译码，将指令转变为执行此指令所需要的电信号。

（ ）6．8051的累加器ACC是一个8位的寄存器，简称为A，用来存一个操作数或中间结果。

（ ）7．8051的程序状态字寄存器PSW是一个8位的专用寄存器，用于存程序运行中的各种状态信息。

（ ）8．MCS—51的程序存贮器用于存放运算中间结果。×

（ ）9．MCS—51的数据存贮器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间：一个是片内的256字节的RAM，另一个是片外最大可扩充64K字节的RAM。

（ ）10．单片机的复位有上电自动复位和按钮手动复位两种，当单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新启动。

（ ）11．CPU的时钟周期为振荡器频率的倒数。

（ ）12．单片机的一个机器周期是指完成某一个规定操作所需的时间，一般情况下，一个机器周期等于一个时钟周期组成。×

（ ）13．单片机的指令周期是执行一条指令所需要的时间。一般由若干个机器周期组成。

（ ×）14．单片机系统扩展时使用的锁存器，是用于锁存高8位地址。

（ ×）15．MCS—51单片机上电复位后，片内数据存储器的内容均为00H。

（ ）16．当8051单片机的晶振频率为12MHZ时，ALE地址锁存信号端的输出频率为2MHZ的方脉冲。

（ ）17．8051单片机片内RAM从00H～1FH的32个单元，不仅可以作工作寄存器使用，而且可作为RAM来读写。

（ ×）18．MCS—51单片机的片内存贮器称为程序存贮器。

8051 单片机的结构和原理

2.1 51 系列单片机的结构

51 单片机最初是由Intel 公司开发设计的，但后来Intel 公司把51 核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如 SST、Philip、Atmel 等大公司。如是市面上出现了各式各样的但均以51 为内核的单片机，倒是Intel 公司自己的单片机却显得逊色了。这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51 指令、并在51 的基础上扩展一些功能而内部结构是与51 一致的，在前一章我们已经提到51 单片机在今后很长一段时间内仍是主流，所以我们的教材将还是以51 核为例给大家进行详细的介绍。

2.1.1 51 系列单片机的结构框图

我们假设读者是已经学完了计算机的组成原理，所以下面出现的有关计算机的专有名词

就不做详细介绍了。

我们知道我们PC 机的CPU 是基于冯诺伊曼的体系结构，然而MCU（单片机）、Dsp（数字信号处理器）都是基于哈佛结构的体系结构。哈佛结构与冯诺伊曼结构有很大的不同，在冯诺伊曼体系结构下只有一个地址空间，ROM 和RAM 可以随意安排在这一地址范围内的不同空间，即ROM 和RAM 地址统一分配。CPU 访问存储器时，一个地址对应唯一的存储单元，可能是ROM，也可能是RAM。而哈佛结构下ROM 和RAM 是分开编址，即程序和数据分开保存，访问时用不同的指令加以区分，并可同时访问，在这样的体系结构下有利于提高指令的执行速度。在后面的章节我们将详细介绍单片机的存储器配置。

图2－1 所示为MCS－51 系列单片机的基本结构框图。

从结构框图我们可以看出在这一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分。这些部分包括：

（1） 一个8 位的微处理器（CPU）。

（2） 片内数据存储器RAM（128B／256B），用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89 系列单片机最多提供1K 的RAM。

AT89C51单片机的结构原理与引脚功能

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and

Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示

主要特性：

·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：1000写/擦循环

·数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24MHz

·三级程序存储器锁定

·128×8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

管脚说明：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。