第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

89C51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)；89C51系列單片機(jī)引腳及其功能；存儲(chǔ)器配置；CPU時(shí)序；復(fù)位及復(fù)位電路；輸入/輸出端口結(jié)構(gòu)

2.1

89C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)一、89C51單片機(jī)的基本組成

89C51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)見下圖。

MCS-51系列單片機(jī)為Intel公司產(chǎn)品,1980年推出。MCS-51系列單片機(jī)有:8051,8751,803180c51BH,80c31BH…它們的基本組成、基本性能和指令系統(tǒng)都是相同的。

89C51單片機(jī)是ATMEL、PHILIPS、SST公司的產(chǎn)品：89C51＝80C31＋373＋FlashROM給單片機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用帶來(lái)很大的方便第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理89C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖80C51CPU振蕩器和時(shí)序OSC64KB總線擴(kuò)展控制器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器256BRAM/SFR2×16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可編程I/O程序存儲(chǔ)器4KBROM可編程全雙工串行口外中斷內(nèi)中斷控制并行口串行通信外部時(shí)鐘源外部事件計(jì)數(shù)第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理含有：1.

一個(gè)8位CPU80C512.

128B/256BRAM/SFR3.4KBFlashROM

（8051/8052是掩膜ROM，8751/8752是EPROM，但8031、8032、80C32片內(nèi)無(wú)ROM）4.片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路(石英晶體與微調(diào)電容需外接，最高允許振蕩頻率為12MHZ)5.4個(gè)8位并行I/O接口（共32位I/O）P0~P3，每個(gè)口皆可輸入和輸出，其中P3口還可用于——串行輸入/輸出、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、外部事件計(jì)數(shù)輸入，中斷輸入。6.2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器7.5個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)(2個(gè)外中斷，2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷，1個(gè)串行口中斷)8.1個(gè)全雙工的串行I/O接口第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理與8051相比，89C51具有兩種用軟件選擇的節(jié)電工作方式——

空閑方式：CPU停止工作，RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等繼續(xù)工作。

掉電方式：片內(nèi)振蕩器停止，所以系統(tǒng)不能工作，僅保存RAM中內(nèi)容。

第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

89C51與8051/8751/8031芯片的外部引腳和指令系統(tǒng)完全兼容，僅在內(nèi)部配置了一個(gè)FlashROM。結(jié)構(gòu)總圖如下：由中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器（ROM及RAM）、I/O接口組成。ALU—可對(duì)4位,8位,16位數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算等操作。ACC—提供一個(gè)運(yùn)算數(shù)，經(jīng)Temp2送入ALU或中轉(zhuǎn)站，用A表示。PSW—程序狀態(tài)字，標(biāo)志指令執(zhí)行后的信息狀態(tài)。B—8位Reg，可作通用Reg.使用。②布爾處理器——以PSW中的C（進(jìn)位標(biāo)志位）為其累加器，專門用于處理位操作（位運(yùn)算、位處理、位尋址）①運(yùn)算器1.CPU二、89C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)P0驅(qū)動(dòng)器P2驅(qū)動(dòng)器P0鎖存器P2鎖存器RAM地址寄存器128BRAM4KBFlashROMB寄存器暫存器1暫存器2ACCSP程序地址寄存器緩沖器PC增1PCDPTR中斷、串行口和定時(shí)器PSWP1鎖存器P1驅(qū)動(dòng)器P3鎖存器P3驅(qū)動(dòng)器定時(shí)控制指令寄存器指令譯碼器OSCALUP0.0-P0.7P2.0-P2.7P3.0-P3.7P1.0-P1.7XTAL1

XTAL2PSENALEEARET程序計(jì)數(shù)器PC(16bit)—PCH，PCL。其中存放著將要執(zhí)行的下一條指令的地址。指令Reg.IR—存放從PC中地址取出的指令。指令譯碼器ID—對(duì)指令進(jìn)行譯碼PLA，產(chǎn)生控制信號(hào)，以執(zhí)行指令規(guī)定的操作。振蕩器及定時(shí)電路：外接晶體和微調(diào)電容(30pF)，其頻率范圍為0~24MHZ，常用6MHZ晶體。

③控制器

2.存儲(chǔ)器（特點(diǎn):

ROM和RAM獨(dú)立編址（哈佛結(jié)構(gòu)））（1）程序存儲(chǔ)器（ROM）地址從0000H開始，內(nèi)部4KB。用于存放程序和表格常數(shù)。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）

①

地址為00H~7FH，128B。存放中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存及數(shù)據(jù)緩沖等。

②128B的RAM中有32個(gè)字節(jié)單元可指定為工作寄存器。

③片內(nèi)還有21個(gè)特殊功能寄存器（SFR），它們同128字節(jié)RAM統(tǒng)一編址，地址為80H～FFH。后面詳細(xì)介紹。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理3.I/O接口（1）4個(gè)8位并行I/O口P0~P3，均可輸入/輸出。（2）每個(gè)I/O口（8位）有一鎖存器，鎖存器地址與RAM地址統(tǒng)一編址，可作為特殊功能Reg.(SFR）來(lái)尋址。

這個(gè)鎖存器（SFR）類似于8255中I/O口與Reg之間的關(guān)系。對(duì)I/O口操作，即是對(duì)這個(gè)鎖存器操作。在單片機(jī)外部的存儲(chǔ)器：（1）外部程序存儲(chǔ)器ROM單元：

與內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM統(tǒng)一編址，共64KB。

如，內(nèi)部已用4KB，則外部ROM地址為1000H~FFFFH。（2）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM單元：0000H~FFFFH（64KB）

內(nèi)、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的操作指令不同。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

89C51為40

PINDIP封裝或方形封裝。2.2

89C51單片機(jī)引腳及其功能89C51單片機(jī)引腳圖1.電源引腳（Vss，Vcc）

Vss（I，20）

電源地電平

Vcc（I,40）

電源端+5V當(dāng)外接晶體時(shí)，接晶體和微調(diào)電容的一端。2.時(shí)鐘電路引腳（XTAL1，XTAL2）

XTAL1（I,19）：振蕩器反向放大器輸入端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，此腳作為驅(qū)動(dòng)端,接外部時(shí)鐘。XTAL2（I,18）：振蕩器反向放大器輸出端。當(dāng)外接晶體時(shí)，接晶體和微調(diào)電容的一端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，此腳懸空。振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。單片機(jī)正常工作時(shí)，該引腳應(yīng)有脈沖信號(hào)輸出。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理振蕩電路的頻率為晶體固有頻率C30PFC30PF6MHZ89C51X1X2對(duì)CHMOS如此VCC5.1K外時(shí)鐘信號(hào)89c51X1X2第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理對(duì)HMOS如此VCC5.1K外時(shí)鐘信號(hào)8031X2X1VssXTAL1（I,19）：當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)HMOS：此腳接地CHMOS：此腳作為驅(qū)動(dòng)端,接外部時(shí)鐘。XTAL2（I,18）：當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)HMOS：此腳接外部時(shí)鐘CHMOS：此腳懸空第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理注第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

CHMOS(互補(bǔ)金屬氧化物HMOS)是CMOS和HMOS(高密度溝道MOS工藝)的結(jié)合，除了保持HMOS高速度和高密度之外，還有CMOS低功耗的特點(diǎn)。兩類器件的功能是完全兼容的，區(qū)別在CHMOS器件具有低功耗的特點(diǎn)。它所消耗的電流比HMOS器件少很多，主要在于其采用了兩種降低功耗的方式：空閑方式和掉電方式。CHMOS器件在掉電方式(CPU停止工作，片內(nèi)RAM的數(shù)據(jù)繼續(xù)保持)下時(shí)，消耗的電流可低于10μA。采用CHMOS的器件在編號(hào)中用一個(gè)C來(lái)加以區(qū)別,如:80C51，80C31，89C51等。（1）RST/VPD（I，9）——多功能引腳，復(fù)位/備用電源。

RST復(fù)位信號(hào)，高電平有效。VPD

備用電源輸入端。當(dāng)Vcc發(fā)生故障(掉電等),降低到低電平的規(guī)定值時(shí)，可由該端子為片內(nèi)RAM提供電源。

在通電瞬間（Vc＝0），電容C通過(guò)R充電，在RST

端出現(xiàn)如圖正脈沖，則89C51加電自動(dòng)復(fù)位。

R、C隨CPU時(shí)鐘頻率而變化，取值如圖。復(fù)位電路有上電復(fù)位、按鍵兼上電復(fù)位兩種：

在RST端加入“1”，且維持兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期），則CPU復(fù)位。復(fù)位時(shí)PC＝0000H。復(fù)位上電復(fù)位（右圖）3.控制信號(hào)引腳（RST/VPD，ALE/PROG、PSEN和EA）

開關(guān)常開時(shí)，為上電復(fù)位電路；

當(dāng)常開按鍵閉合時(shí)，相當(dāng)于RST端通過(guò)電阻R1（200Ω）與Vcc電源接通，22uF電容迅速放電，RST上得到一個(gè)5V經(jīng)220Ω與1K電阻的分壓（高電平）。這個(gè)分壓大致為5V的5/6，4.2V，使單片機(jī)復(fù)位。

當(dāng)常開按鍵松開時(shí)，RST端經(jīng)一段時(shí)間后又逐漸降至0V。時(shí)序圖如右所示。5V4.2V按下開關(guān)松開開關(guān)上電兼手動(dòng)復(fù)位

（右圖，電平方式開關(guān)復(fù)位）第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

PROG：對(duì)片內(nèi)FlashROM編程寫入時(shí)的編程脈沖輸入端。ALE：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE的輸出用于鎖存地址的低8位，即將P0口數(shù)據(jù)和地址分開。（2）ALE/PROG(I/O，30)——地址鎖存允許/編程脈沖輸入端

即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以振蕩頻率的1/6周期性地輸出正脈沖信號(hào)，這可作為輸出脈沖或定時(shí)信號(hào)。ALE端的負(fù)載能力為8個(gè)LS型TTL輸入。（3）PSEN(O，29)——外部程序存儲(chǔ)器“讀”信號(hào)

當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳定時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀片外程序M的選通信號(hào)，通常接EPROM的OE端。

PSEN端在每個(gè)機(jī)器周期（12個(gè)振蕩周期）中兩次有效，但當(dāng)訪問(wèn)外部RAM時(shí)，兩次PSEN負(fù)脈沖信號(hào)不出現(xiàn)。PSEN端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理VPP：用于在對(duì)89c51的片內(nèi)FlashROM編程時(shí)，施加(12V～21V）高壓的輸入端。EA＝1，CPU訪問(wèn)片內(nèi)FlashROM，并執(zhí)行其指令。當(dāng)PC>0FFFH

時(shí)（4KB）,自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外ROM。（4）EA/VPP（I，31）——內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇/編程電源輸入4.I/O端口P0～P3（1）P0口（P0.0～P0.7，39～32pin，I/O）是漏極開路的8位準(zhǔn)雙向

I/O端口。GDSEA=0，不論片內(nèi)是否有存儲(chǔ)器，只執(zhí)行片外ROM的指令。準(zhǔn)雙向

當(dāng)I/O口作為輸入時(shí)，應(yīng)先向此口鎖存器寫入全1，此時(shí)該口引腳浮空，可作高阻抗輸入。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。在CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器（RAM、ROM）時(shí)，P0口為分時(shí)復(fù)用的低8位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線（此時(shí)，其內(nèi)部上拉電阻被激活）若系統(tǒng)中無(wú)外擴(kuò)存儲(chǔ)器（RAM、ROM），P0口可作為一個(gè)數(shù)據(jù)輸入/輸出口（輸出時(shí)，不能激活內(nèi)部上拉電阻，需外接上拉電阻；輸入時(shí)，應(yīng)先向口鎖存器寫入1，使P0口全部引腳浮空再輸入）。

（2）P1口（P1.0～P1.7，1～8pin，I/O）帶內(nèi)部上拉電阻的8位

準(zhǔn)雙向I/O端口。(并行或按位使用)

輸出時(shí)，P1口的每一位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。

輸入時(shí)，先向其口鎖存器寫入全1，此時(shí)將P1口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理（3）

P2口（P2.0～P2.7，21～28pin，I/O)帶內(nèi)部上拉電阻的8位

準(zhǔn)雙向I/O端口。當(dāng)有外部存貯器時(shí)，用作高8位地址總線。②當(dāng)無(wú)外部存貯器時(shí)，可用作一般I/O線。輸出輸入時(shí)的情況同P1口。

（4）

P3口（P3.0～P3.7，10～17pin，I/O）

雙功能口。帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。每位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。P3口除作為一般I/O口外，每個(gè)引腳都有第二功能。第一功能：一般I/O口，準(zhǔn)雙向，輸出輸入時(shí)的情況同P1口。第二功能：系統(tǒng)控制信號(hào)，定義如下：第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

P3.0RXDP3.1TXD

P3.2INT0P3.3INT1

P3.4T0P3.5T1

P3.6WRP3.7RD串行口輸入/

輸出端外部中斷輸入定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖輸入片外RAM讀/寫信號(hào)第二功能：系統(tǒng)控制信號(hào)，定義如下：任意一位不用于第二功能（首選）時(shí)，可用于第一功能。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

①程序MEM和數(shù)據(jù)MEM獨(dú)立編址（哈佛結(jié)構(gòu)）。

②程序MEM：片內(nèi)與片外統(tǒng)一編址(64KB)。③數(shù)據(jù)MEM：片內(nèi)與片外獨(dú)立編址。

①片內(nèi)片外統(tǒng)一編址的64KBROM：0000H~FFFFH②64KB片外RAM：0000H~FFFFH③256字節(jié)片內(nèi)RAM：00H~FFH

存儲(chǔ)空間分布圖見下圖。編址特點(diǎn)從用戶角度看，89C51存貯器地址空間分為3類:89c51指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)了不同的訪問(wèn)指令，以區(qū)別3個(gè)存貯區(qū)的訪問(wèn)。如：①片內(nèi)、外ROM用MOVC②片外RAM用MOVX③片內(nèi)RAM用MOV2.389C51單片機(jī)存儲(chǔ)器配置第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

③圖2-489C51存儲(chǔ)器配置①

②RAM與I/O統(tǒng)一編址第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理一、程序存儲(chǔ)器（地址線16位，最多達(dá)64KB） ——用于存放程序和表格常數(shù)等。1.89C51片內(nèi)有4K程序M

EA=1，片內(nèi)尋址4KB：0000H~0FFFH。當(dāng)指令地址超過(guò)0FFFH后，自動(dòng)指向外部ROM，地址

1000H~FFFFH。

EA=0，片內(nèi)ROM不起作用，CPU只能從片外ROM中取指令，

0000H~FFFFH

。

注：EA＝0，適用于內(nèi)部沒(méi)有ROM的8031應(yīng)用系統(tǒng)。2.程序M中的部分保留單元（系統(tǒng)留用），見下表。INT1中斷服務(wù)程序0013H~001AH定時(shí)器2中斷服務(wù)（89C52才有）002BH定時(shí)器0溢出中斷服務(wù)000BH~0012H串行口中斷服務(wù)程序0023H~002AHINT0中斷服務(wù)程序0003H~000AH定時(shí)器1中斷服務(wù)001BH~0022H復(fù)位后初始化引導(dǎo)程序0000H~0002H保留目的存儲(chǔ)單元保留目的存儲(chǔ)單元第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理中斷向量表1.片外RAM

0000H～FFFFH，使用MOVX指令訪問(wèn)。二、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ——用于存放暫存數(shù)據(jù)、中間運(yùn)算結(jié)果等。2.片內(nèi)RAM

00H～FFH，使用MOV指令訪問(wèn)。0023H串行口中斷001BH定時(shí)器1溢出中斷0013HINT1中斷000BH定時(shí)器0溢出中斷0003HINT0中斷中斷入口地址中斷源0003H～002AH均勻地分為5段，為5個(gè)中斷服務(wù)程序起始處。因?yàn)樽止?jié)單元太少，所以常在這些存儲(chǔ)單元中存放轉(zhuǎn)移指令。注：P26圖，擴(kuò)展ROM。一般，盡量不擴(kuò)充片外ROM，而選用片內(nèi)具有大容量Flash的單片機(jī)。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理安排了21個(gè)SFR地址離散分布32個(gè)字節(jié)通用Reg.區(qū)即可字節(jié)尋址，又可位尋址.80字節(jié)RAM區(qū)由PSW中的RS1、RS0兩位組合選中當(dāng)前組CPU上電時(shí)選中0組；未用到的組可作為RAM用.程序執(zhí)行的任何時(shí)刻，只能用一組。16字節(jié)圖2－8低128字節(jié)RAM區(qū)圖2－9高128字節(jié)RAM區(qū)(SFR區(qū))第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

②高128字節(jié)RAM——SFR是80H～FFH的部分單元，使用時(shí)只能直接尋址。其余未定義部分不能使用。①低128字節(jié)RAM

00H～7FH均可用作一般的RAM單元外,其中某些部分還可以以其它形式使用。

片內(nèi)RAM

通用Reg.區(qū)4組，00H～1FH(4×8=32)，指令比一般RAM更豐富、簡(jiǎn)潔、快捷。位地址區(qū)20H～2FH

以位尋址方式使用時(shí)，地址從00H～7FH。

對(duì)字節(jié)RAM，用直接尋址和間接尋址；對(duì)位地址單元用位尋址方式。（以區(qū)別某個(gè)單元是字節(jié)或位單元）

用戶通用RAM可在此將部分區(qū)域設(shè)置為堆棧低128字節(jié)第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理ⅲ)SFR包括

ACC——累加器（字節(jié)地址E0H），指令中用A表示。

B——Reg.（字節(jié)地址F0H），用于乘除指令。在其他指令中，可作為一般通用Reg或RAM單元。

PSW——程序狀態(tài)字（字節(jié)地址D0H），各位的含義及格式見下一頁(yè)。

ⅰ)SFR的表示方式：寄存器名ACC地址E0HTCON.0——表示Reg的bit（點(diǎn)操作符）IT0（位名稱）ⅱ)SFR中，凡地址能整除8的單元同時(shí)具有位尋址能力(11個(gè))。位地址都是88HACC.0E0H（位地址，ACC.0無(wú)位名稱）以ACC為例：這些位地址的一般表示方式第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

SP----堆棧指針（字節(jié)地址81H），其內(nèi)容可為00～7FH的任何地址單元，系統(tǒng)復(fù)位時(shí)為07H（向上生成）。

DPTR----數(shù)據(jù)指針(83H、82H)，既可作為一個(gè)16位Reg(DPTR)、

也可作為兩個(gè)8位Reg(DPH，DPL)使用。

以16位使用時(shí)，對(duì)片外RAM尋址。

P

XOVRS0RS1F0ACCYPSW(D0H)進(jìn)借位標(biāo)志，位地址D7H位操作時(shí)的位累加器。CY——AC——半進(jìn)位標(biāo)志。FO——用戶標(biāo)志位(用戶可設(shè)置其為0或1)RS1、RSO——選擇工作Reg.區(qū)OV——溢出標(biāo)志P——奇偶標(biāo)志，運(yùn)行結(jié)果有奇數(shù)個(gè)1，P=1；否則P=0。

P0～P3

——I/O端口（80H，90H，A0H，B0H）

4個(gè)I/O端口的鎖存器地址，還可按位尋址，即每一條Ｉ/Ｏ線均可獨(dú)立用作輸入或輸出。

在單片機(jī)中，將I/O端口當(dāng)作SFR，不設(shè)專門的口操作指令（IN或OUT），而采用統(tǒng)一的MOV指令，使用方便。例：MOVP1，A

；A→P1

SBUF——串行數(shù)據(jù)緩沖器（99H）用于存放欲發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù)。例：MOVSBUF，A；A→SBUF

THi，TLi——定時(shí)/計(jì)數(shù)器i中的計(jì)數(shù)器（i=1,2）一個(gè)16位（THiTLi）或兩個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（THi，TLi）。

其他控制Reg.——IP，IE，TMOD…為中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和供電方式的控制與狀態(tài)位。 P30表第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

2.4CPU時(shí)序一、片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生2.時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生1.振蕩器(構(gòu)成見前）S1S2S3S4S5S6時(shí)鐘信號(hào)的周期S包含2個(gè)振蕩周期：S=fosc/2。每個(gè)時(shí)鐘周期S有兩個(gè)節(jié)拍P1、P2，稱為相1（P1）和相2（P2）。

CPU以P1、P2為基本節(jié)拍指揮單片機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作。foscfosc/2第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

1.機(jī)器周期：CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器一次所需要的時(shí)間(如取指令、讀存儲(chǔ)器、寫存儲(chǔ)器等）。2.1個(gè)機(jī)器周期=12個(gè)振蕩周期(fosc)=6個(gè)時(shí)鐘周期（S，fosc/2） 當(dāng)使用6MHZ晶振時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期=2us。3.指令周期（一條指令的執(zhí)行時(shí)間）=n個(gè)機(jī)器周期

n小則執(zhí)行速度快。

注：大部分指令周期為1個(gè)或2個(gè)機(jī)器周期，乘除指令為4個(gè)機(jī)器周期。二、機(jī)器周期和指令周期

CPU的4個(gè)時(shí)序單位從小到大依次是:

節(jié)拍、時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期，如圖2-13所示。圖2-1389C51單片機(jī)各種周期的相互關(guān)系第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理三、CPU取指、執(zhí)指周期時(shí)序每條指令的執(zhí)行都可以包括取指和執(zhí)指兩個(gè)階段。在取指階段，CPU從內(nèi)部或外部ROM中取出指令操作碼及操作數(shù)，然后再執(zhí)行這條指令。單字節(jié)和雙字節(jié)的指令都可能是單機(jī)器周期或雙周期，而三字節(jié)指令都是雙周期的，只有乘、除指令占四周期。因此，當(dāng)使用6MHZ晶振時(shí)，執(zhí)行一條指令的時(shí)間（指令周期）分別是2μs，4μs和8μs。如

圖2-14所示。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理圖2－1489C51單片機(jī)的取指/執(zhí)行時(shí)序第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理（1）每個(gè)機(jī)器周期出現(xiàn)兩次ALE脈沖，用于地址鎖存。(此周期信號(hào)可用于其它外設(shè)的控制信號(hào)）（2）對(duì)外RAM進(jìn)行讀寫時(shí)，ALE信號(hào)不是周期性的，缺一次。故用ALE做系統(tǒng)定時(shí)脈沖時(shí)要考慮到這一點(diǎn)。

1.復(fù)位電路

①?gòu)?fù)位信號(hào)的內(nèi)部電路復(fù)位引腳RST通過(guò)片內(nèi)一個(gè)斯密特觸發(fā)器與片內(nèi)復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來(lái)脈沖整形及抑制噪聲，其輸出在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2被復(fù)位電路采樣一次。如果RST引腳有一高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期，89C51便執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位。P39圖2－15。②復(fù)位信號(hào)的外部電路（見前）

2.復(fù)位時(shí)SFR的狀態(tài)復(fù)位后，PC=0000H，使單片機(jī)從起始地址0000H單元開始執(zhí)行程序。若單片機(jī)運(yùn)行出錯(cuò)或進(jìn)入死循環(huán)，可按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)，或通過(guò)watchdog電路使其自動(dòng)復(fù)位。2.5復(fù)位操作第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0~P3FFHSCON00HIP××000000BSBUF不定IE0×000000BPCON0×××0000BTMOD00H第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

A=00H：

累加器已被清0。PSW=00H：選寄存器0組為工作寄存器組。SP=07H： 堆棧指針指向片內(nèi)RAM07H字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操作法則，第一個(gè)被壓入的數(shù)據(jù)被寫入08H單元中。P0～P3=FFH：

已向各端口線寫入1，此時(shí)，各端口既可用于輸入，又可用于輸出。IP=×××00000B：

各個(gè)中斷源處于低優(yōu)先級(jí)。IE=0××00000B：

各個(gè)中斷均被關(guān)斷。TMOD=00H:T0/T1均為工作方式0，且運(yùn)行于定時(shí)器狀態(tài)。TCON=00H：T0/T1均被關(guān)斷。SCON=00H：

串行口處于工作方式0，允許發(fā)送，不允許接收。PCON=00H：

SMOD=0，波特率不加倍。表2-8中的符號(hào)意義如下：

2.689c51單片機(jī)的低功耗工作方式第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理89C51提供兩種節(jié)電工作方式：空閑（等待、待機(jī)）方式和掉電（停機(jī)）工作方式圖2-17所示為實(shí)現(xiàn)這兩種方式的內(nèi)部電路。若IDL=0，則89C51將進(jìn)入空閑運(yùn)作方式。此時(shí)，振蕩器仍繼續(xù)運(yùn)行，但I(xiàn)DL封鎖了去CPU的“與”門，故CPU得不到時(shí)鐘信號(hào)。而中斷、串行口和定時(shí)器等環(huán)節(jié)卻仍在時(shí)鐘控制下正常運(yùn)行。掉電方式下（PD=0），振蕩器凍結(jié)。圖中，PD和IDL均為PCON中PD和IDL觸發(fā)器的Q輸出端。89c51有4個(gè)8位并行I/O端口P0、P1、P2、P3。每個(gè)端口是8位準(zhǔn)雙向口，每一條I/O線都能獨(dú)立地作I/O。每個(gè)端口有：

1個(gè)輸出鎖存器(P0～P3)，即常說(shuō)的口地址(80H,90H,A0H,B0H)。

1個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器

2(或3)個(gè)三態(tài)輸入緩沖器。

2.7輸入/輸出端口一、P0口

某一位結(jié)構(gòu)見圖2-21第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理負(fù)載管當(dāng)C=0時(shí)，開關(guān)MUX被控為如圖示位置，P0口為通用I/O口；當(dāng)C=1時(shí)，開關(guān)撥向反相器3的輸出端，P0口分時(shí)作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。1.P0口作為一般I/O口使用（C=0）CPU執(zhí)行I/O指令時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)使：C=0，則有：

①鎖存器的Q端與輸出級(jí)T2連接

②與門4輸出0使負(fù)載管T1截止負(fù)載管這時(shí)，輸出級(jí)是漏極開路的開漏電路，P0口可作為一般I/O口使用。

當(dāng)用于I/O時(shí)，需外接10K的上拉電阻到Vcc，否則不能有高電平輸出。

（1）P0口作輸出MOV A，#00H；MOV P0，A；向P0口輸出00H這時(shí)有：鎖存器Q=0(輸出數(shù)據(jù)0)，Q=1,T2導(dǎo)通，P0.x＝0。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理（2）P0口作輸入例：MOV A，P0 ；P0.x信號(hào)經(jīng)輸入緩沖器到CPU

輸入時(shí)應(yīng)保證T2截止（否則，輸入的高電平將可能被短路）

為此，在輸入前先輸出“1”，使Q=0，T2截止.（這時(shí)T1、T2全截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，可作高阻抗輸入）程序通常為：MOV A，#0FFH MOV P0，A ；先輸出 MOV A，P0 ；再輸入

稱這種數(shù)據(jù)輸入為“讀引腳”操作。見圖中的“讀引腳”線。負(fù)載管當(dāng)執(zhí)行一條由端口輸入的指令時(shí)，“讀引腳”脈沖把三態(tài)緩沖器2打開，這樣，端口上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)緩沖器2讀入到內(nèi)部總線。

當(dāng)用一根端口線去驅(qū)動(dòng)一個(gè)晶體管的基極時(shí)，向此端口線輸出“1”使該晶體管導(dǎo)通，導(dǎo)通的晶體管會(huì)把引腳上的電平拉低。若這時(shí)從該引腳讀入剛才輸出的數(shù)據(jù)，讀入的為“0”，與剛才輸出的值不符。

為避免錯(cuò)讀引腳電平，單片機(jī)還提供了一組“讀鎖存器”操作。見圖中的“讀鎖存器”線。如：ORL P0，A ；指令功能：

將P0與A相或，然后P0

該指令先將P0口D鎖存器數(shù)據(jù)（即此時(shí)引腳應(yīng)該的電平）讀入CPU，再與A內(nèi)容相“或”，最終將“或”的結(jié)果送到P0鎖存器。此時(shí)，鎖存器的內(nèi)容(Q端狀態(tài))和引腳一致，P0數(shù)據(jù)來(lái)源于鎖存器而不是引腳。（3）P0口作輸出時(shí)需注意負(fù)載管第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理

在以上過(guò)程中，讀入操作不是“讀引腳”，而是“讀鎖存器”。這一類指令稱為“讀—修改—寫”指令，有：ANL，ORL，XRL，JBC，CPL，INC，DEC，DJNZ等。這類指令常用來(lái)“位”修改，修改時(shí)不能影響其他位。CPU對(duì)片外存儲(chǔ)器讀寫時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)使C=1，圖中MUX接反相器3的輸出端：（1）輸出地址/數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)T1、T2推拉輸出（T1導(dǎo)通時(shí)上拉，T2導(dǎo)通時(shí)下拉），負(fù)載能力較強(qiáng)。（激活內(nèi)部上拉電阻T1）

（2）輸入數(shù)據(jù)從P0輸入。這時(shí)，“讀引腳”信號(hào)有效打開輸入緩沖器2數(shù)據(jù)到DB。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理負(fù)載管2.P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用（C＝1）

對(duì)89C51外擴(kuò)存儲(chǔ)器并使用時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)使C=1。這時(shí)：P0口可作為地址/數(shù)據(jù)總線使用，對(duì)片外ROM（或RAM）尋址及作為數(shù)據(jù)輸入/輸出通道。注意：當(dāng)P0作為總線使用時(shí)，不再能作I/O口使用。3.P1口用作輸出時(shí)：能向外提供拉電流負(fù)載，所以不必再接上拉電阻。

作輸入時(shí)：先對(duì)鎖存器寫入“1”，使FET截止。內(nèi)部電阻實(shí)際上是兩個(gè)FET并在一起，一個(gè)為負(fù)載管，其阻值固定；另一個(gè)工作在導(dǎo)通或截止兩種狀態(tài)，使其總阻值在0或阻值很大兩種情況下變化。

當(dāng)阻值為0時(shí)，引腳快速上拉至高電平；當(dāng)阻值很大時(shí)，P1口為高阻輸入狀態(tài)。二、P1口某一位結(jié)構(gòu)圖見圖2-19，工作原理同P0口，也是一個(gè)準(zhǔn)雙向口。區(qū)別如下：1.僅作為一般I/O口。2.內(nèi)部有上拉電阻，無(wú)需外接。第2章89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理3.當(dāng)系統(tǒng)中無(wú)需外擴(kuò)ROM（89C51/8751），只需擴(kuò)展256B片外RAM時(shí)，只需用P0口的低8位地址即可。這時(shí)，P2口仍可作為通用I/O口。使用 MOVXA，@Ri4.若擴(kuò)展RAM超過(guò)256B（用MOVXA，@DPTR），需使用P2口的高8位地址線。訪問(wèn)片外RAM周期結(jié)束后，P2口仍可作通用I/O口，但使用時(shí)要謹(jǐn)慎。三、P2口見圖2-201.作為一般I/O口使用時(shí)，同P1口。2.當(dāng)系統(tǒng)中有外部ROM、RAM時(shí)，P2口輸出高8位地址。此時(shí)，不再作為通用I/O口。驅(qū)動(dòng)部分與P1口類似，但比P1口多了一個(gè)轉(zhuǎn)換控制部分。當(dāng)CPU對(duì)片內(nèi)存儲(chǔ)器和I/O口進(jìn)行讀/寫（執(zhí)行MOV指令或EA=1時(shí)，執(zhí)行MOVC指令）時(shí)，由內(nèi)部硬件自動(dòng)使開關(guān)MUX倒向鎖存器的Q端，這時(shí)，P2口為一般I/O口。四、P3口——多功能口