第2章at89c52單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

第2章

AT89C52單片機(jī)的結(jié)構(gòu)

和工作原理第2章AT89C52單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

AT89C52單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

AT89C52單片機(jī)的引腳功能AT89C52單片機(jī)的主要組成部分AT89C52單片機(jī)的時鐘與復(fù)位電路AT89C52單片機(jī)的低功耗工作方式AT89C52單片機(jī)的時序2.1AT89C52單片機(jī)的主要特性和內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)AT89C52與MCS-51兼容，它由8個部件組成:8位CPU核心（時鐘電路24MHz

）FlashROM8KBRAM256BSFR128B（27個）并行I/O口（P0～P3口）P0和P2兼作外總線串行口全雙工串行口定時器/計數(shù)器3個16位中斷系統(tǒng)6個中斷源，2個優(yōu)先級圖2-1AT89C52單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)為適應(yīng)不同產(chǎn)品的應(yīng)用需求，AT89C52單片機(jī)提供有PDIP、DQFP/TQFP及PLCC等3種封裝形式。2.2AT89C52單片機(jī)的引腳功能1、電源引腳GND和VccVcc為+5V電源端2、時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2是外接晶體引線端。當(dāng)芯片使用內(nèi)部時鐘時，用于外接石英晶體和電容；當(dāng)用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。2.2.1單片機(jī)引腳功能介紹3、控制信號引腳

ALE地址鎖存控制信號

PSEN片外程序存儲器選通信號，低電平有效

EA訪問外部程序存儲器的控制信號，低電平有效

RST復(fù)位信號，高電平有效

4、端口線P0～P3P0口（P0.0～P0.7）可作為外部擴(kuò)展時的數(shù)據(jù)總線/低8位地址總線的分時復(fù)用口，又可作為通用I/O口。每個引腳可驅(qū)動8個TTL負(fù)載。對Flash進(jìn)行編程和校驗時，P0口用于輸入/輸出數(shù)據(jù)。P1口（P1.0～P1.7）可作為通用I/O口。每個引腳可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。對Flash進(jìn)行編程和校驗時，用來接收低8位地址。此外，P1.0和P1.1還可分別作為外部計數(shù)輸入和輸出。P2口（P2.0～P2.7）可作為外部擴(kuò)展時的高8位地址總線，又可作為通用I/O口。每個引腳可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。對Flash進(jìn)行編程和校驗時，用來接收高位地址。P3口（P3.0～P3.7）是雙功能復(fù)用口，作為通用I/O口時，功能與P1口相同，常用第二功能。每個引腳可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。2.2.2三總線結(jié)構(gòu)2.3AT89C52單片機(jī)的主要組成部分1CPU2存儲器3并行I/O接口4串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)CPU是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，由運算器和控制器兩大部分組成。1.運算器運算器是計算機(jī)的運算部件，用于實現(xiàn)算術(shù)邏輯運算、位變量處理、移位和數(shù)據(jù)傳送等操作。它以算術(shù)邏輯單元（ALU）為核心，加上累加器ACC、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字（PSW）以及十進(jìn)制調(diào)整電路和布爾處理器組成。2.3.1CPU程序狀態(tài)字PSWCyACF0RS1RS0OV-P

PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0Cy(PSW.7)進(jìn)位標(biāo)志位AC(PSW.6)輔助進(jìn)位（或稱半進(jìn)位）標(biāo)志F0(PSW.5)用戶標(biāo)志位RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）工作寄存器組選擇位OV(PSW.2)溢出標(biāo)志位

PSW.1未定義位P(PSW.0)奇偶標(biāo)志位Cy是PSW中最常用的標(biāo)志位。由硬件或軟件置位和清零。Cy

字節(jié)運算中(ALU)：它表示運算結(jié)果是否有進(jìn)位（或借位）。

Cy=SUB⊕C8加法時(SUB=0)：有進(jìn)位Cy由硬件置“1”即Cy=1；無進(jìn)位Cy被硬件清“0”即Cy=0。減法時(SUB=1)：有借位Cy由硬件置“1”即Cy=1；無借位Cy被硬件清“0”即Cy=0。位操作（布爾操作）時，Cy作為累加器使用，其作用相當(dāng)于字節(jié)操作的累加器ACC。在指令中可作為轉(zhuǎn)移的條件

JCrel；cy=1轉(zhuǎn)移

JNCrel；cy=0轉(zhuǎn)移位操作指令中做累加器

ANLC,bitANLC,/bitORLC,bitORLC,/bitSETBCCLRCCPLC

MOVC,bitMOVbit,CCyCAC（PSW.6）輔助進(jìn)位（或稱半進(jìn)位）標(biāo)志。

當(dāng)執(zhí)行加減運算時，其運算結(jié)果產(chǎn)生低四位向高四位進(jìn)位或借位時,AC由硬件置“1”；否則AC位被自動清“0”。

AC=SUB⊕

C4

一般在BCD碼運算時，系統(tǒng)用于進(jìn)行十進(jìn)制調(diào)整。AcOVOV（PSW.2）溢出標(biāo)志位它反映運算結(jié)果是否溢出，溢出時則由硬件將OV位置“1”；否則置“0”。只有在補(bǔ)碼運算時起作用。

雙進(jìn)位位法判溢出：

OV=C8⊕C7

溢出和進(jìn)位是兩種不同性質(zhì)的概念。溢出是指有正負(fù)號的兩個數(shù)運算時，運算結(jié)果超出了累加器以補(bǔ)碼所能表示一個有符號數(shù)的范圍。補(bǔ)碼運算是閉運算。而進(jìn)位則表示兩數(shù)運算最高位（D7）相加（或相減）有無進(jìn)位（或借位）。無符號運算是開運算。因此使用時應(yīng)加以注意。OV與Cy

F0（PSW.5）用戶標(biāo)志位。用戶可根據(jù)自己的需要對F0位賦予一定的含義，由用戶置位或復(fù)位，作為軟件標(biāo)志。

SETBF0;置位

CLRF0

;復(fù)位相當(dāng)于高級語言中的邏輯變量F0P（PSW.0）奇偶標(biāo)志位

P標(biāo)志表明累加器ACC中1的個數(shù)的奇偶性。在每條指令執(zhí)行完后，單片機(jī)根據(jù)ACC的內(nèi)容對P自動置位或復(fù)位。若累加器ACC中有奇數(shù)個“1”，則P=1；若累加器ACC中有偶數(shù)個“1”，則P=0。P專門用來存放指令代碼的專用寄存器對指令進(jìn)行譯碼，即把指令轉(zhuǎn)變成所需的電平信號。CPU根據(jù)ID輸出的電平信號使定時控制電路定時地產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需的各種控制信號，以使計算機(jī)能正確執(zhí)行程序所要求的各種操作。控制器是計算機(jī)的指揮控制部件，對來自存儲器中的指令進(jìn)行譯碼，并通過定時和控制電路在規(guī)定的時刻發(fā)出各種操作所需要的控制信號。包括程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP以及定時控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路等。2.

控制器程序存儲器PC取出指令碼指令寄存器IR指令譯碼器ID把指令轉(zhuǎn)變成所需要的電平信號CPU產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需的各種控制信號取指令分析指令執(zhí)行指令

PC是程序的字節(jié)地址計數(shù)器，其內(nèi)容是將要執(zhí)行的下一條指令的地址，尋址范圍達(dá)64KB。

PC有自動加1功能，從而實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。程序計數(shù)器（PC）16位

數(shù)據(jù)指針DPTR為16位寄存器。它的功能是存放16位的地址，作為訪問外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器時的地址。編程時，DPTR既可按16位寄存器使用，也可以按兩個8位寄存器分開使用。即：

DPH DPTR的高8位

DPL DPTR的低8位數(shù)據(jù)指針DPTR

堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是內(nèi)部RAM的一段區(qū)域。堆棧存取數(shù)據(jù)的原則是“后進(jìn)先出”。堆棧指針SP是一個8位寄存器，用于指示堆棧的棧頂，它決定了堆棧在內(nèi)部RAM中的物理位置。

AT89C52單片機(jī)的堆棧地址向大的方向變化（與微機(jī)堆棧地址向小的方向變化相反）。系統(tǒng)復(fù)位后，SP初值為07H，實際應(yīng)用中通常根據(jù)需要在主程序開始處對堆棧指針SP進(jìn)行初始化，一般設(shè)置SP為30～7FH。設(shè)立堆棧的目的是用于數(shù)據(jù)的暫存，中斷、子程序調(diào)用時斷點和現(xiàn)場的保護(hù)與恢復(fù)。堆棧指針SP8位2.3.2存儲器1程序存儲器2數(shù)據(jù)存儲器3特殊功能寄存器2.3.2AT89C52單片機(jī)的存儲器

單片機(jī)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了哈佛型，其存儲器在物理結(jié)構(gòu)上分程序存儲器（ROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。有四個物理上相互獨立的存儲空間，其配置如圖2-6所示：片內(nèi)ROM片外ROM片內(nèi)RAM

片外RAM/I/O口8KB256B128BSFR

用戶使用的角度上看，存儲空間分為三類：

片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64K字節(jié)的ROM；

256字節(jié)片內(nèi)RAM；

64K字節(jié)片外RAM或I/O口地址空間四個空間地址的重疊

ROM中片內(nèi)外低8K字節(jié)：控制信號/EARAM中片內(nèi)外低256個字節(jié)：MOV與MOVXRAM與ROM64K地址：控制信號/PSEN

SFR和高128B的RAM：直接尋址和間接尋址說明0000H-0002H（開機(jī)復(fù)位單元）3個0003H-000AH（INT0中斷地址區(qū)）8個000BH-0012H（T/C0中斷地址區(qū)）8個0013H-001AH（INT1中斷地址區(qū)）8個001BH-0022H（T/C1中斷地址區(qū)）8個0023H-002AH（串行口中斷地址區(qū)）8個002BH-0032H（T/C2中斷地址區(qū)）8個1程序存儲器程序存儲器用來存放程序和常數(shù)，分為片內(nèi)和片外兩部分。AT89C52內(nèi)部帶有8KB的FlashROM，地址范圍是0000H-1FFFH，片外用16位地址線擴(kuò)充64kB的ROM，兩者統(tǒng)一編址。（從片內(nèi)還是從片外取指取決于EA）特殊單元

當(dāng)CPU的引腳/EA接高電平時，PC在0000H～1FFFH范圍內(nèi)，CPU從片內(nèi)ROM取指令；而當(dāng)PC＞1FFFH后，則自動轉(zhuǎn)向片外ROM去取指令。當(dāng)引腳/EA接低電平時，89C52片內(nèi)ROM不起作用，CPU只能從片外ROM取指令，地址可以從0000H開始編址

89C52從片內(nèi)ROM和片外ROM取指時執(zhí)行速度相同。

數(shù)據(jù)存儲器用來存放運算的中間結(jié)果、標(biāo)志位及數(shù)據(jù)的暫存和緩沖等。分為片內(nèi)RAM和片外RAM。89C52單片機(jī)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器最大可尋址256個單元，片外可尋址16位（64kB）的地址空間。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器是單獨編址的。2數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（RAM）與T2相關(guān)的6個SFR沒有列出用戶RAM區(qū)（堆棧、數(shù)據(jù)緩沖）（30H-FFH）位尋址區(qū)（位地址00H-7FH）（20H-2FH）第3組通用寄存器（18H-1FH）第2組通用寄存器（10H-17H）第1組通用寄存器（08H-0FH）第0組通用寄存器（00H-07H）用于存放操作數(shù)及中間結(jié)果。由于它們的功能預(yù)先不作規(guī)定，因此稱為通用寄存器，也叫工作寄存器。任一時刻，CPU只能使用一組工作寄存器。（由PSW的RS0和RS1決定）可以直接對位進(jìn)行尋址（共16個單元，128個位）用于存放用戶數(shù)據(jù)和做堆棧用00HFFH內(nèi)部RAM的三個區(qū)域R0~R74個(1)工作寄存器（00H～1FH)RS1RS0寄存器組片內(nèi)RAM地址00第0組00H~07H01第1組08H~0FH10第2組10H~17H11第3組18H~1FH

這16個單元（共計128位）的每一位都有一個8位表示的位地址，位尋址范圍為00H～7FH。(2)可位尋址區(qū)（20H～2FH)47H46H45H44H43H42H41H40HD0D1D2D3D4D5D6D728H字節(jié)地址MOV28H,#56HSETB43HCLR42H0010101110字節(jié)操作位操作

30H～FFH是供用戶使用的一般RAM區(qū)，也是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，共208個單元。對用戶RAM區(qū)的使用沒有任何規(guī)定或限制，一般用于存放用戶數(shù)據(jù)及作堆棧區(qū)使用。(3)用戶RAM區(qū)（30H～FFH）當(dāng)一條指令訪問7FH以上的內(nèi)部地址單元時，尋址方式?jīng)Q定是訪問高128B的RAM單元還是訪問特殊功能寄存器。80H-FFH單元高128個字節(jié)與特殊功能器地址是重疊的，但物理上分開。直接尋址方式，訪問SFR

MOV0A0H,#data;P2口字節(jié)地址為0A0H間接尋址方式，訪問高128B的RAM單元

MOVR0,#0A0HMOV@R0,#data高128字節(jié)特殊功能寄存器SFR

89C52片內(nèi)有27個特殊功能寄存器，又稱為專用寄存器。它們離散地分布在80H～0FFHRAM空間中。在27個特殊功能寄存器中，有12個寄存器可位尋址。它們的字節(jié)地址正好能被8整除，而且字節(jié)地址與該字節(jié)最低位的位地址相同。符號名稱地址*ACC累加器0E0H*BB寄存器0F0H*PSW程序狀態(tài)字0D0HSP堆棧指針81HDPTR（DPH，DPL）數(shù)據(jù)指針（高字節(jié)，低字節(jié)）82H、83H*P0P0口80H*P1P1口90H*P2P2口0A0H*P3P3口0B0H*IP中斷優(yōu)先級控制寄存器0B8H*IE中斷允許控制寄存器0A8HTMOD定時器/計數(shù)器方式控制89H*TCON定時器/計數(shù)器控制寄存器88HTH0定時器/計數(shù)器0的高字節(jié)8CHTL0定時器/計數(shù)器0的低字節(jié)8AHTH1定時器/計數(shù)器1的高字節(jié)8DHTL1定時器/計數(shù)器1的低字節(jié)8BH*SCON串行控制98HSBUF串行數(shù)據(jù)緩沖器99HPCON電源控制寄存器87H特殊功能寄存器SFR的名稱及地址（與T2相關(guān)的6個SFR沒有列出）符號地址位地址字節(jié)地址BF7F6F5F4F3F2F1F0F0HACCE7E6E5E4E3E2E1E0E0HPSWD7D6D5D4D3D2D1D0D0HIP---BCBBBAB9B8B8HP3B7B6B5B4B3B2B1B0B0HIEAF--ACABAAA9A8A8HP2A7A6A5A4A3A2A1A0A0HSBUF99HSCON9F9E9D9C9B9A999898HP1979695949392919090HTH18DHTH08CHTL18BHTL08AHTMOD89HTCON8F8E8D8C8B8A898888HPCON87HDPH83HDPL82HSP81HP0878685848382818080H特殊功能寄存器地址分布圖2.3.4并行I/O接口

89C52有4個8位并行接口即P0-P3，它們都具有雙向I/O功能，均可以作為數(shù)據(jù)輸入/輸出使用。每個I/O口由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動器和數(shù)據(jù)輸入緩沖器組成。

在訪問片外存儲器時，P2為高8位地址線，P0口分時輸出低8位地址和8位數(shù)據(jù)；P3口常作為控制線使用。

計算機(jī)與外界、計算機(jī)與計算機(jī)之間的信息交換稱為通信，有串行通信和并行通信兩種基本方式。并行通信是數(shù)據(jù)的各位同時傳送，而串行通信是數(shù)據(jù)的各位按順序一位一位地傳送。

89C52單片機(jī)內(nèi)部有一個可編程的全雙工的串行接口。三個相關(guān)的SFR：串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF，串行口控制寄存器SCON、電源控制和波特率選擇寄存器PCON。串行口89C52內(nèi)部有3個16位可編程序的定時器/計數(shù)器，均為二進(jìn)制加1計數(shù)器，命名為T0~T2。T0和T1均有定時和計數(shù)的功能，共有4種工作方式，T2還有其他功能。定時器/計數(shù)器(T/C)在定時器模式下，計數(shù)脈沖可以由單片機(jī)時鐘脈沖經(jīng)12分頻后提供。在計數(shù)器模式下，計數(shù)脈沖可以從P3.4和P3.5引腳上輸入。

對T0~T2的控制由定時器方式選擇寄存器TMOD和定時器控制寄存器TCON完成。中斷系統(tǒng)89C52可處理6個中斷源（2個外部，4個內(nèi)部）發(fā)出的中斷請求，并可對其進(jìn)行優(yōu)先權(quán)處理。外部中斷的請求信號可以從P3.2和P3.3（即INT0和INT1）引腳上輸入，有電平或邊沿兩種觸發(fā)方式；內(nèi)部中斷源有4個，3個定時器/計數(shù)器中斷源和1個串行口中斷源。中斷：CPU暫停原程序執(zhí)行，轉(zhuǎn)而為外部設(shè)備服務(wù)（執(zhí)行中斷服務(wù)程序），并在服務(wù)完后返回到原程序執(zhí)行的過程。中斷系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)中斷功能的硬件電路和軟件程序。中斷源：能產(chǎn)生中斷請求信號的源泉。與中斷有關(guān)的SFR有：TCON、SCON、中斷允許控制器IE和中斷優(yōu)先級控制器IP。

片內(nèi)振蕩器結(jié)構(gòu)和時鐘電路2.4AT89C52單片機(jī)的時鐘與復(fù)位電路MCS-51單片機(jī)片內(nèi)有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。

單片機(jī)時鐘電路通常有兩種形式：

1.內(nèi)部時鐘方式：外接石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振電路

2.外部時鐘方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘信號引入單片機(jī)內(nèi)。常用于多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中。使用片外振蕩信號接法

內(nèi)部時鐘方式

XTAL1XTAL2C1C2CYSXTAL2GNDNCXTAL1外部振蕩器信號1、單片機(jī)的初始化操作－復(fù)位單片機(jī)在開機(jī)時都需要復(fù)位，以使CPU以及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。當(dāng)程序運行出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死循環(huán)時，也需按復(fù)位鍵重新啟動機(jī)器。2、復(fù)位信號

RST引腳是復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號為高電平有效。當(dāng)高電平持續(xù)24個振蕩脈沖周期即兩個機(jī)器周期以上時，單片機(jī)完成復(fù)位。

復(fù)位操作與復(fù)位電路MCS-51單片機(jī)復(fù)位后PC與SFR狀態(tài)表寄存器內(nèi)容寄存器內(nèi)容PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0～P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000B復(fù)位后不影響片內(nèi)RAM存放的內(nèi)容3、復(fù)位電路復(fù)位分為按鍵手動復(fù)位和上電自動復(fù)位。2.5

AT89C52單片機(jī)的低功耗工作方式1.空閑方式

在程序執(zhí)行過程中，如果不需要CPU工作可以讓它進(jìn)入空閑工作方式。

2.掉電方式

先把有用信息轉(zhuǎn)存，然后再啟用備用電源維持供電。信息轉(zhuǎn)存是指當(dāng)電源出現(xiàn)故障時，立即將有用信息轉(zhuǎn)存到內(nèi)部RAM中，是通過中斷服務(wù)程序完成的。接通備用電源后，內(nèi)部RAM由備用電源供電，該工作由切換電路完成。PCON.7PCON.6PCON.5PCON.4PCON.3PCON.2PCON.1PCON.0SMOD－－POFGF1GF0PDIDL空閑和掉電方式的進(jìn)入由單片機(jī)執(zhí)行程序來控制退出空閑方式可采用中斷或復(fù)位；退出掉電方式只能由硬件復(fù)位振蕩器時鐘發(fā)生器中斷、串行口和定時器控制模塊PDIDLM1M2至CPU低功耗工作方式原理圖2.5.2CPU時序1．節(jié)拍與狀態(tài)把振蕩脈沖的周期定義為節(jié)拍（用P表示）。每2個節(jié)拍定義為一個狀態(tài)（用S表示）。2．機(jī)器周期MCS-51規(guī)定一個機(jī)器周期的寬度為6個狀態(tài)。由于1個狀態(tài)包括2個節(jié)拍，因此一個機(jī)器周期總共有12個節(jié)拍。即1Tcy＝12/fosc3．指令周期執(zhí)行一條指令所需的時間稱為指令周期。MCS-51的指令周期根據(jù)指令的不同，可分別包含有一、二、四個機(jī)器周期。

時序定時單位MCS-51的時序定時單位從小到大依次為：節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期。單片機(jī)在執(zhí)行指令時，通常將一條指令分解為若干基本的微操作，這些微操作所對應(yīng)的脈沖信號在時間上的先后次序稱為單片機(jī)的時序。P1P2P2振蕩周期時鐘周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S1S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2單片機(jī)各種周期的相互關(guān)系取指/執(zhí)行時序讀下一條指令讀下一條指令XTAL2(OSC)P2S1ALE讀操作碼讀下一個操作碼（丟棄）讀第二字節(jié)（a）單字節(jié)，單周期指令例：MOVA,R1（d）單字節(jié)，雙周期指令，如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1讀操作碼P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1讀下一個操作碼（丟棄）（b）雙字節(jié)，單周期指令例：ADDA,direct（c）單字節(jié)，雙周期指