第二章機制本科單片機硬件結構

第2章 89C51/S51單片機的結構和原理8051單片機的硬件結構熟悉并掌握硬件結構對于應用設計者是十分重要的，因為它是單片機應用系統(tǒng)設計的基礎?！?.189C51/S51單片機芯片內(nèi)部結構及特點§2.2 89C51/S51單片機引腳及其功能§2.3 89C51/S51單片機存儲器配置§2.4 時鐘電路及89C51/S51CPU時序§2.5 復位操作§2.6 89C51/S51單片機的低功耗工作方式§2.7 輸出/輸入端口結構存儲器I/O接口CPU中斷系統(tǒng)定時/計數(shù)器硬件結構2.189C51/S51單片機芯片內(nèi)部結構及特點89C51/S51帶閃存(FlashROM)單片機結構89C51CPU振蕩器和時序OSC64KB總線擴展控制器數(shù)據(jù)存儲器256BRAM/SFR2×16位定時器/計數(shù)器可編程I/O程序存儲器4KBFLASHROM可編程全雙工串行口外中斷內(nèi)中斷控制P0P2P1P3串行通信外部時鐘源外部事件計數(shù)地址/數(shù)據(jù)時鐘電路CPUROMRAMT0T1中斷系統(tǒng)串行接口并行接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定時計數(shù)器中央處理器CPU：8位，運算和控制功能內(nèi)部RAM：共256個RAM單元，用戶使用前128個單元，用于存放可讀寫數(shù)據(jù)，后128個單元被專用寄存器占用。內(nèi)部ROM：4KBflashROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)和表格。定時/計數(shù)器：兩個16位的定時/計數(shù)器，實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。并行I/O口：4個8位的I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一個全雙工串行口。中斷控制系統(tǒng)：5個中斷源（外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個）特殊功能寄存器（SFR）：控制寄存器和狀態(tài)寄存器，共21個。片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路1、一個8位的微處理器CPU。用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結果、最終結果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。2、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(RAM128B/256B）:

用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。3、片內(nèi)4kB程序存儲器FlashROM（4KB）:4、四個8位并行I/O（輸入/輸出）接口P0~P3:每個口可以用作輸入，也可以用作輸出。

每個定時/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可以設置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結果實現(xiàn)計算機控制。5、兩個16位定時/計數(shù)器:

可實現(xiàn)單片機與單片機或其它微機之間串行通信。7、一個全雙工UART的串行I/O口:但石英晶體和微調(diào)電容需要外接，最高允許振蕩頻率為24MHz。8、片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路:6、具有5個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)9、具有節(jié)電工作方式：

休閑方式及掉電方式。掩膜ROM，則為8051單片機；EPROM，則為875l單片機；FlashROM，則為895l單片機無程序存儲器，則為8031單片機。8051單片機無程序存儲器，則為8031單片機。2.1.289C51/S51單片機芯片內(nèi)部結構P0驅動器P2驅動器P0鎖存器P2鎖存器RAM地址寄存器128BRAM4KBROMB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、串行口和定時器PSWP1鎖存器P1驅動器P3鎖存器P3驅動器定時控制指令寄存器指令譯碼器OSCALUP0.0-P0.7P2.0-P2.7P3.0-P3.7P1.0-P1.7XTAL1XTAL2PSENALEEARESET89C51單片機內(nèi)部結構圖返回運算器控制器存儲器I/O接口1、中央處理單元（CPU）2、存儲器3、I/O接口

中央處理器（CPU：CentralProcessingUnit）是單片機的核心部件，它決定了單片機的主要功能特性。

1、運算部件2、控制部件

算術邏輯運算單元ALU功能：

1、算術、邏輯運算2、位變量處理（1位二進制）3、數(shù)據(jù)的傳送

運算器：是在控制器控制下，對二進制數(shù)進行算術或邏輯運算及信息傳送的裝置。算術邏輯單元ALU累加器A寄存器B程序狀態(tài)字寄存器PSW及它邏輯電路組成。

累加器A（0E0H）累加器A是一個最常用的的寄存器，它屬于SFR大部分單操作數(shù)指令的操作數(shù)取自累加器，很多雙操作數(shù)指令的一個操作數(shù)取自累加器，加、減、乘、除算術運算指令的運算結果都存放在累加器A或B寄存器中。寄存器B（0F0H）在乘、除指令中，用到了寄存器B。乘法指令的兩個操作數(shù)分別取自A和B，其結果存放在AB寄存器對中。除法指令中，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，運算后商數(shù)存放于A，余數(shù)存放于B。

程序狀態(tài)字寄存器PSW（0D0H）PSW是一個8位寄存器，它包含了程序運行中狀態(tài)信息P--OVRS0RS1F0ACCyPSWD7D6D5D4D3D2D1D0Cy(PSW.7)進位標志位在執(zhí)行算術和邏輯指令時，可以被硬件或軟件置位或清0，在位處理器中，它可作位累加器。輔助進位標志位F0(PSW.5)標志位它是由用戶使用的一個狀態(tài)標志位，可用軟件來使它置位或清0，也可以靠軟件測試F0以控制程序的流向。編程時，該標志位特別有用。RS1、RS0工作寄存器區(qū)選擇用來選擇4組工作寄存器區(qū)(4組寄存器在單片機內(nèi)的RAM區(qū)中)中的哪一組為當前工作寄存器區(qū)溢出標志位奇偶標志位表示累加器A中值為l的位數(shù)的奇偶數(shù)。若為奇數(shù)，則P＝l，否則P＝0。此標志位對串行口通訊中的數(shù)據(jù)傳輸有重要的意義，常用奇偶檢驗的方法來檢驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。布爾處理?個8位暫存器：PSW中的進位標志CYALU的兩個入口處。2控制器（1）程序計數(shù)器PC（16位）（2）指令寄存器IR及指令譯碼器ID（3）振蕩器和定時電路時序控制邏輯電路構成。

以主頻為基準，發(fā)出CPU時序，通過指令譯碼發(fā)出各種控制信號，完成一系列控制操作。bCPU的組成部件：2.3.2

控制器發(fā)布操作命令的機構主要任務取出指令、分析指令、執(zhí)行指令。程序計數(shù)器（PC）指令寄存器（IR）指令譯碼器（ID）1.程序計數(shù)器PC(ProgramCounter)16位的專用寄存器，用來存放下一條指令的地址，它具有自動加1的功能。由兩個8位計數(shù)器PCH、PCL組成。1.CPU要取指令時，PC的內(nèi)容首先送至地址總線上，然后再從該地址的存儲單元中取指令2.取完指令后，PC內(nèi)容則自動加1，指向下一條指令的地址，以保證程序按順序執(zhí)行。執(zhí)行轉移、子程序調(diào)用指令和中斷響應時PC的內(nèi)容不再加1，而是由指令或中斷響應過程自動給PC置入新的地址。單片機復位時，PC自動清零，裝入地址0000H，從而保證了復位后，程序從0000H地址開始執(zhí)行。2.指令寄存器IR、指令譯碼器ID一個8位的寄存器，用于暫存待執(zhí)行的指令，等待譯碼。對指令寄存器中的指令進行譯碼將指令轉變?yōu)閳?zhí)行此指令所需要的電信號完成指令的功能。（1）程序計數(shù)器PC（16位）PC是程序的字節(jié)地址計數(shù)器，PC內(nèi)容為將要執(zhí)行的指令地址。改變PC內(nèi)容，改變執(zhí)行的流向。PC可對64KB的ROM直接尋址，也可對89C51/S51片內(nèi)RAM尋址。2、存儲器1）程序存儲器（ROM）2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）1）程序存儲器（ROM）89C51/S51片內(nèi)為4KBFlashROM。地址從0000H開始。用于存放程序和表格常數(shù)。2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）89C51/S51RAM均為128B，地址為00H～7FH。用于存放運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存以及數(shù)據(jù)緩沖等。這128B的RAM中有32個字節(jié)單元可指定為工作寄存器。片內(nèi)還有21個特殊功能寄存器（SFR），它們同128字節(jié)RAM統(tǒng)一編址，地址為80H～FFH。3、I/O接口89C51/S51有四個8位并行I/O接口P0～P3。它們都是雙向端口，每個端口各有8條I/O線。P0-P3口四個鎖存器同RAM統(tǒng)一編址，可作為SFR來尋址。2.2 89C51/S51單片機引腳及其功能掌握89C51單片機,熟悉并牢記各引腳的功能，采用40只引腳雙列直插封裝（DIP封裝方式）采用44只引腳方形PLCC封裝方式40只引腳按其功能來分，可分為三個部分：三．I/O口引腳：P0、P1、P2、P3二．控制引腳：RST、ALE、EA、PSEN一．電源及時鐘引腳：VCC、

VSS、XTAL1、XTAL2

本課程介紹DIP40封裝方式的引腳。P0口：8位既可以8位一起輸入輸出，也可以1位1位地輸入輸出。在擴展外部存儲器兼作低8位地址。P2口：8位既可以8位一起輸入輸出，也可以1位1位地輸入輸出。在擴展外部存儲器兼作高8位地址。P3口：8位既可以8位一起輸入輸出，也可以位1位地輸入輸出，同時，P3口作為第二功能時：RXD：串行接收TXD：串行發(fā)送INT0：外部中斷0INT1：外部中斷1

T0：T0計數(shù)輸入T1：T1計數(shù)輸入

WR：寫命令RD：讀命令單片機復位信號輸入電源電源地XTAL1、XTAL2晶體振蕩器接入端存儲器選擇：高電平時訪問片內(nèi)程序存儲器;低電平時訪問片外程序存儲器用于鎖存地址的低位字節(jié)（高有效）外部程序存儲器的選通信號低有效P1口：8位既可以8位一起輸入輸出，也可以1位1位地輸入輸出2.2.1、電源及時鐘引腳:Vcc：接＋5V電源（低功耗的為+3.3V/2.7V）Vss：接地端XTAL1：芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端XTAL2：芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端振蕩頻率為晶振頻率（1.2～12MHz），另外需兩個30pF左右的電容以微調(diào)頻率2．

外接晶振引腳32晶振：石英晶體振蕩器的簡稱，通常用來構成振蕩電路，產(chǎn)生各種頻率信號。時鐘電路2.2.2控制引腳1.RST：(9腳)

RST：復位引腳功能：當出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平，使單片機復位。復位后：PC=0000HSP=07HALE：地址鎖存允許信號端

功能：將低八位地址鎖存到外部地址鎖存器當中。

P0口時既輸出數(shù)據(jù)，又輸出地址。ALE接鎖存器的G引腳,將地址鎖存.

PROG：第二功能，對EPROM型單片機編程寫入時，此引腳為編程脈沖的輸入端

:外部程序存儲器讀選通信號端；對外部程序存儲器取指令時，機器周期兩次

有效。

功能:編程時，從該引腳輸入編程脈沖，對程序存儲器進行編程。EA/VPP：程序存儲器選擇信號端和編程電源輸入端；EA=0:只訪問片外程序存儲器；EA=1:先訪問片內(nèi)程序存儲器再片外;Vpp用于施加較高的編程電壓P0口作普通I/O8位準雙向I/O擴展片外RAM或ROM標準的雙向I/O接口P1口8位雙向I/O接口第二功能P2口作普通I/O8位雙向I/O接口擴展片外RAM或ROM作高8位地址線P3口8位雙向I/O接口每個引腳有第二功能（多使用第二功能）89C51配有2個16位定時器/計數(shù)器一個可編程全雙工串行口5個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級P3口第二功能表引腳第二功能P3.0RxD:串行口接收數(shù)據(jù)輸入端P3.1TxD:串行口發(fā)送數(shù)據(jù)輸出端P3.2INT0:外部中斷申請輸入端0P3.3INT1:外部中斷申請輸入端1P3.4T0:外部計數(shù)脈沖輸入端0P3.5T1:外部計數(shù)脈沖輸入端1P3.6WR:寫外設控制信號輸出端P3.7RD:讀外設控制信號輸出端P0口結構P0口是由8個相同結構的引腳組成的。內(nèi)部包含一個輸出鎖存器、一個輸出驅動電路、一個輸出控制電路、多路開關和兩個三態(tài)緩沖器，其中輸出驅動電路由一對場效應管（FET）組成，整個端口的工作狀態(tài)受控于輸出控制電路。功能1、可作為8位雙向I/O口功能2、擴展外部總線時作為地址總線低8位和8位數(shù)據(jù)總線復用口使用。P0口引腳P0.X12DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器地址/數(shù)據(jù)控制43VccT1T2MUX=0P0口用作基本輸出/輸入口使用時P0口引腳P0.X12DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器地址/數(shù)據(jù)控制&3VccT1T2MUX=1P0口用作地址/數(shù)據(jù)總線使用時“控制”=0,作I/O口；“控制”=1,作地址/數(shù)據(jù)口；（外部擴展）00截止截止寫11P0口1100導通P1口自帶上拉電阻，8位雙向I/O接口輸入時，先寫“1”P1口內(nèi)部一位結構圖※

有4個8位并行I/O口,共32條端線：

P0、P1、P2和P3口?！恳粋€I/O口都能用作一般輸入或輸出。用作一般輸入時，均須先寫入“1”；用作一般輸出時，P0口應外接上拉電阻?！?/p>

在并行擴展外存儲器或I/O口情況下，

P0口用于低8位地址總線和數(shù)據(jù)總線(分時復用)

P2口用于高8位地址總線，

P1、P3口常用于第二功能，P0～P3的功能及使用時的注意事項引腳總圖——三總線鎖存器GP270P070ALEP170P370

P1：通用I/O接口

P3：通用I/O接口或第二功能A15A8A7A0D7D0地址總線AB數(shù)據(jù)總線DBRST復位EAXTAL1晶振XTAL2Vcc電源GND片外程序存儲器選擇PSEN片外程序存儲器讀選通控制總線CB8051875180312.389C51/S51存儲器配置存儲器空間存放程序、數(shù)據(jù)存儲器空間分類根據(jù)作用分類程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM根據(jù)位置分類片內(nèi)存儲器、片外存儲器核內(nèi)=片內(nèi)核外=片外存儲器編址方法2種馮.諾依曼結構程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址哈佛結構程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分別編址51系列單片機程序存儲器(ROM)和數(shù)據(jù)存儲器(RAM)尋址空間相互獨立，物理結構不相同數(shù)據(jù)存儲器：片外、片內(nèi)PC機程序存儲器配置圖程序存儲器配置圖存放程序和常數(shù)（如：原始數(shù)據(jù)或表格）89C51對外程序存儲器尋址能力：64KB（216B）MOVC指令操作外部ROM2.3.1程序存儲器地址空間2.3.1程序存儲器地址空間中斷（號）中斷矢量地址中斷矢量地址處存放中斷服務程序的入口地址外部中斷1入口地址定時器/計數(shù)器1溢出中斷入口地址串行口中斷入口地址定時器/計數(shù)器2溢出中斷入口地址復位時ROM的地址(PC=0,程序從00H開始執(zhí)行)外部中斷0入口地址定時器計數(shù)器0溢出中斷入口地址復位時，PC=0000H，從該處執(zhí)行程序中斷向量表（中斷向量）0003H～002BH：中斷服務程序入口存放一條無條件轉移指令進行跳轉

不要占用

ORG0000H

LJMPMAIN;只寫一條跳轉指令

??? ORG0030H;開始寫主程序

MAIN： ???

資源配置子系列片內(nèi)ROM形式片內(nèi)ROM容量片內(nèi)RAM容量無ROMEPROMFPEROM51子系列8031805187514KB128B80C3180C5187C5189C514KB128B52子系列8032805287528KB256B80C3280C5287C5289C528KB256B0000H~0FFFH0000H~1FFFH00～7FH00～FFH片外ROM擴展最多64K片外ROM根據(jù)EA引腳狀態(tài)地址：0000H～0FFFFH或者1000H（2000H）～FFFFH片外RAM擴展地址：0000H～0FFFFH數(shù)據(jù)存儲器配置圖指令使用MOV、MOVX、MOVC三個不同的指令控制引腳片外RAM：控制信號、片外ROM：控制信號引腳接地，從片外ROM開始0000H～0FFFH位于片外ROM

引腳接高電平（5V），從片內(nèi)ROM開始0000H～0FFFH位于片內(nèi)ROM注意ROM和片外RAM一定要用16位地址片內(nèi)RAM和SFR，只能使用8位地址52子系列高128B普通RAM，只可采用間接尋址區(qū)分存儲器空間的方法ROM片外RAM：MOVX片內(nèi)RAM：MOV片內(nèi)外ROM：MOVC數(shù)據(jù)存儲器的配置片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器低128B高128BMOVX指令MOV指令工作寄存器區(qū)RS1RS0寄存器組片內(nèi)RAM地址通用寄存器名稱000組00H～07HR0～R7011組08H～0FHR0～R7102組10H～17HR0～R7113組18H～1FHR0～R7在任何時刻CPU只能使用其中一個區(qū)（當前寄存器組）位地址空間20H～2FH，共16個單元，128位。為布爾處理區(qū)各有自己的位地址，統(tǒng)一編址為00H～7FH（1個地址代表1位）既可以字節(jié)尋址，也可以位尋址有17條位操作指令，常用：置位（SETB）、清零（CLR）、取反（CPL）高128字節(jié)RAM-特殊功能寄存器組成通用數(shù)據(jù)RAM區(qū)51子系列無該區(qū)特殊功能寄存器SFR區(qū)別的方法訪問通用數(shù)據(jù)RAM區(qū)，用寄存器間接尋址

MOVA，@R0訪問特殊功能寄存器，用直接尋址

MOVA，80H邏輯地址相同物理地址分開SFR地址表(1)SFR地址表(2)SFR地址表(3)特殊功能寄存器位地址BACCPSWIPIEP2P3SCONP1TCONP0字節(jié)地址能被8整除

（2）寄存器B為執(zhí)行乘法和除法操作設置的不執(zhí)行乘除法操作，可把它作為普通的寄存器來使用（3）程序狀態(tài)字寄存器PSW（0D0H）PSW是一個8位寄存器，它包含了程序運行中狀態(tài)信息P--OVRS0RS1F0ACCyPSWD7D6D5D4D3D2D1D0Cy(PSW.7)進位標志位在執(zhí)行算術和邏輯指令時，可以被硬件或軟件置位或清0，在位處理器中，它可作位累加器。輔助進位標志位F0(PSW.5)標志位它是由用戶使用的一個狀態(tài)標志位，可用軟件來使它置位或清0，也可以靠軟件測試F0以控制程序的流向。編程時，該標志位特別有用。RS1、RS0工作寄存器區(qū)選擇用來選擇4組工作寄存器區(qū)(4組寄存器在單片機內(nèi)的RAM區(qū)中)中的哪一組為當前工作寄存器區(qū)溢出標志位奇偶標志位表示累加器A中值為l的位數(shù)的奇偶數(shù)。若為奇數(shù)，則P＝l，否則P＝0。此標志位對串行口通訊中的數(shù)據(jù)傳輸有重要的意義，常用奇偶檢驗的方法來檢驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?.兩個同號數(shù)相加（異號數(shù)相減）才會溢出

異號數(shù)相加（同號數(shù)相減）不會溢出2.同號數(shù)相加最終的結果和符號相反則溢出。溢出的判斷1.兩個加數(shù)76H+0B9H相加后,CY、AC、OV和P分別為多少？2.兩個加數(shù)88H+0BCH相加后,CY、AC、OV和P分別為多少？3.已知某一指令運行后PSW=97H，則表明該指令運行后：

有無溢出？有無進位？有無輔助進位？P=?該指令的當前寄存器區(qū)為多少？例題：（4）堆棧指針SP棧底數(shù)據(jù)出數(shù)據(jù)入SPSP+1SP進棧SP增加堆棧：先入后出，后入先出出棧SP減小堆棧是在片內(nèi)RAM中臨時開辟的暫存區(qū)；作用：保護現(xiàn)場、保護斷點針對：子程序調(diào)用、中斷操作特點：先進后出，后進先出指令：入棧PUSH，出棧POPPUSH和POP都是對堆棧的棧頂單元進行的棧頂SP始終指向最后壓入或即將彈出的數(shù)據(jù)單元，即棧頂SP為一個8位寄存器，它的內(nèi)容是棧頂存儲單元的地址1.已知SP=30H,(A)=56H(B)=89H(70H)=A2H執(zhí)行指令下列指令后，SP=？(A)=？(B)=？(70H)=？DPTR=?PUSHAPUSHBPOPDPHPUSH70HPOPAPOPDPLPUSHB例題：1.已知SP=30H,(A)=56H(B)=89H(70H)=A2H將A的內(nèi)容送到B，將B的內(nèi)容送到70H，再將70H的內(nèi)容送到A例題：單片機復位時SP=07H，此時SP指向棧頂，堆棧正落在工作寄存器R1區(qū)切換工作寄存器區(qū)時沖突一般設置：SP=30H或以上SP不能在RAM的頂端為堆棧向上發(fā)展留足夠空間（5）數(shù)據(jù)指針DPTR16位高位：DPH，8位低位：DPL，8位主要用途訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，作地址指針保存16位地址，有+1功能（INC）寄存器間址尋址、變址尋址串行通信相關寄存器SBUF（SerialDateBuffer）串行數(shù)據(jù)緩沖器放待發(fā)送和已接收數(shù)據(jù)的，雙緩沖結構SCON

（SerialControlRegister）串行接口控制寄存器PCON（PowerControlRegister）電源控制寄存器定時器/計數(shù)器16位：T0：TH0、TL0T1：TH1、TL1TH1TL17070T1TH0TL07070T0TCONTMOD微處理器內(nèi)部總線P定時器模式控制寄存器，確定T1和T0的功能和工作方式定時器控制寄存器，控制T1和T0的啟動和停止作定時/計數(shù)器可16位數(shù)加“1”(INC),其他情況作8位寄存器★程序計數(shù)器PC程序地址寄存器，不屬于特殊功能寄存器程序不能訪問16位，范圍：0000H～0FFFFH當一條指令被取出后，PC的內(nèi)容會自動增量，指向下一條要執(zhí)行指令的地址中斷相關寄存器IP（InterruptPriorityRegister）中斷優(yōu)先級寄存器IE（InterruptEnableRegister）中斷允許寄存器2.6時鐘電路與指令的時序1.時鐘電路內(nèi)部振蕩電路晶振外部振蕩電路時序發(fā)生器框圖2.機器周期和指令周期S1S2S3S4S5S6S1S2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2fosc節(jié)拍(p,振蕩周期)一個時鐘周期一個機器周期X2振蕩周期和機器周期是計算其他時間的基本時序單位指令周期=1