第一章89C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理(20121220)

1、總體架構(gòu)主要組成 時(shí)鐘電路和時(shí)序分析 復(fù)位操作2021年年12月月15日日基本框架內(nèi)部結(jié)構(gòu)管腳分配2021年年12月月15日日8位CPU以及指令系統(tǒng)片內(nèi)有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器n00H7FH段：存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等n80HFFH段：零散分布21個(gè)特殊功能寄存器。片內(nèi)有4K字節(jié)ROMn存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。4個(gè)8位的并行I/O口nP0、P1、P2和P3n每個(gè)口可以用作輸入，也可以用作輸出。片外存儲(chǔ)器擴(kuò)展n可擴(kuò)展64K程序存儲(chǔ)器。n可擴(kuò)展64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。2021年年12月月15日日2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器n可設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)

2、。n可設(shè)置成定時(shí)方式，對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)。1個(gè)全雙工串行口n可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)或其它微機(jī)之間串行通信。5個(gè)中斷源，2級(jí)優(yōu)先1個(gè)片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路n需外接晶振和電容Vcc：電源，正端 Vss：地線，接地XTAL2（18腳）和XTAL1（19腳）：n內(nèi)部：片內(nèi)有晶體振蕩電路，外接石英晶振，電源上電，自動(dòng)進(jìn)行振蕩；n外接：XTAL1接外部時(shí)鐘脈沖，XTAL2懸空?？刂菩盘?hào)引腳RST、ALE、PSEN和EA nRST: 復(fù)位信號(hào)，高電平有效nALE/PROG: 地址鎖存允許信號(hào)/片內(nèi)ROM固化程序的編程脈沖 nPSEN:片外ROM讀選通信號(hào)nEA/VPP :片內(nèi)外ROM選擇信號(hào)/編程電壓

3、的輸入端ALE/PROGnALE地址鎖存允許信號(hào)nPROG: 對(duì)89C51片內(nèi)ROM固化程序的時(shí)候，加入編程脈沖。對(duì)8031、8051而言，這個(gè)功能是沒用的。PSENn片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào) n低電平有效n選通后讀EPROM或ROM中的指令代碼EA/VPP nEA=0時(shí)，PC指向片外的程序存儲(chǔ)器，EA=1時(shí)，PC指向片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器。nEA=1時(shí)，先到片內(nèi)，當(dāng)PC值超過4K（0FFFH），自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外。nVPP：對(duì)8751進(jìn)行編程固化時(shí)，加21V的編程電壓。對(duì)89C51片內(nèi)Flash編程固化時(shí)，高電壓編程時(shí)加12V電壓，低電壓編程時(shí)加5V電壓。 P0口nP0口是一個(gè)漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O口

4、，每位可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型的TTL負(fù)載。n在CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，P0分時(shí)提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。P2口nP2口是內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，每位可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型的TTL負(fù)載。w主要作用：在訪問片外存儲(chǔ)器的時(shí)候后，P2口輸出高8位地址。wP2口和P0口共同組成了16位的地址總線，可以對(duì)64K存儲(chǔ)器范圍進(jìn)行訪問。P1口nP1口它是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，每位可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型的TTL負(fù)載。wP1口是用戶隨意使用的端口。P3口nP3口是內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，每位可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型的TTL負(fù)載。nP3口的每一位都有第二功能，P3口的使用主要是在于它的第

5、二功能。地址總線：16位，可尋址64K，由P0口(A0A7), P2口(A8A15)組成。數(shù)據(jù)總線：8位，由P0口提供。控制總線：由P3口的部分引腳 (/RD, /WR)及4根獨(dú)立控制線(RESET，/EA，/PSEN，ALE)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)在電路連接無誤后，將程序下載到單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，單片機(jī)系統(tǒng)就可以上電工作了。上電復(fù)位后，從存儲(chǔ)器的0000H單元開始取指令，并執(zhí)行指令。按圖連線，上電工作后，點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)光二極管。由圖可見，當(dāng)P2.0引腳輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管上有電流流過，發(fā)光二極管發(fā)光。ORG 0000HMOV P2,#11111110BAJIMP $ENDCPU的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器I/O口的

6、口結(jié)構(gòu)CPU是單片機(jī)的核心部分。功能：讀取指令，分析指令，產(chǎn)生控制信號(hào)控制數(shù)據(jù)的傳送，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算以及位操作等操作。構(gòu)成：1、運(yùn)算器2、控制器運(yùn)算器：算術(shù)邏輯單元ALU 、累加器ACC 、暫存器TMP1和TMP2 、程序狀態(tài)字寄存器PSW （Program Status Word） 、BCD碼運(yùn)算調(diào)整電路和布爾處理器等。為了提高數(shù)據(jù)處理和位操作能力，片內(nèi)還增加了一個(gè)通用寄存器B和一些專用寄存器。PSW中的進(jìn)位位C可以作為位累加器使用，整個(gè)位操作系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)布爾處理器。算術(shù)邏輯單元是由加法器和邏輯電路組成，主要完成二進(jìn)制數(shù)的四則運(yùn)算，以及布爾代數(shù)的邏輯運(yùn)算。通過對(duì)運(yùn)算結(jié)果的判斷，

7、決定程序狀態(tài)字PSW的相關(guān)狀態(tài)標(biāo)志位的變化。 ACC是一個(gè)8位累加器，通過暫存器和算術(shù)邏輯單元相連。ACC是CPU中最繁忙的寄存器。在指令系統(tǒng)中， A作為累加器的助記符。n累加器ACC可以按位來操作，如果按位操作，必須寫成ACC.0、ACC.1，一直到ACC.7，而不能A.0、A.1到A.7。 nPUSH ACC, POP ACC程序狀態(tài)字PSW是8位寄存器，7位有效：n用作程序運(yùn)行的狀態(tài)標(biāo)志，如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算或移位操作時(shí)，如果結(jié)果會(huì)影響到標(biāo)志位的時(shí)候，PSW相關(guān)位就會(huì)做出相應(yīng)反應(yīng)，進(jìn)行清零或置1。n其中有兩位用作工作寄存器選擇位。nPSW字節(jié)地址是D0H。CY進(jìn)位位，在位操作時(shí)作為累加器

8、；AC輔助進(jìn)位位，或稱為半進(jìn)位位； F0用戶標(biāo)志位；RS0和RS1工作寄存器指針，用來選擇不同的四組工作寄存器（共32個(gè)字節(jié)）； OV溢出標(biāo)志；PSW.1沒有定義；P奇偶位，始終跟蹤累加器A 中1的個(gè)數(shù)的奇偶性。ACCYPOVRS0RS1F0PSW（D0H）D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0每位的具體含義： nC是進(jìn)位標(biāo)志：w在進(jìn)行字節(jié)加法或減法運(yùn)算時(shí)，如果最高位（第7位）有進(jìn)位或借位時(shí)，C被置1，否則C被清0。w在進(jìn)行位操作時(shí)，C被稱為位累加器。 nAC是輔助進(jìn)位標(biāo)志：w在進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時(shí)候，如果低半字節(jié)（第3位），向高半字節(jié)有進(jìn)位或借位，AC被置1，否則AC被清0。w在進(jìn)行

9、BCD碼運(yùn)算時(shí)，AC還作為BCD碼調(diào)整時(shí)的判別位。nF0是用戶標(biāo)志位。用戶可根據(jù)自己需要，自主來置位或清零，作為程序運(yùn)行的狀體標(biāo)志使用。 nRS1和RS0是工作寄存器指針，用于選擇當(dāng)前工作的寄存器組，用戶可以改變RS1和RS0的組合，來切換當(dāng)前工作寄存器組。nOV是溢出標(biāo)志：w進(jìn)行有符號(hào)數(shù)加減運(yùn)算時(shí)，如果發(fā)生溢出，OV被置1，否則OV清0。w進(jìn)行無符號(hào)數(shù)乘法時(shí)，如乘積超過255，OV被置1，否則清零。w進(jìn)行無符號(hào)數(shù)除法時(shí)，如除數(shù)為0，OV被置1，表示除法不能進(jìn)行，否則被清零。nP是奇偶標(biāo)志：wP始終跟蹤累加器A的奇偶性。w如果A中1的個(gè)數(shù)是奇數(shù)個(gè)，P被置1；如果是偶數(shù)個(gè)，P被清0?？刂破魇怯脕?/p>

10、統(tǒng)一指揮和控制計(jì)算機(jī)工作的部件。n結(jié)構(gòu)：時(shí)鐘發(fā)生器、定時(shí)控制邏輯、程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR、堆棧指針SP、以及地址譯碼器和地址緩沖器等。n功能：從存儲(chǔ)器逐條讀取指令，進(jìn)行指令譯碼，并且通過定時(shí)和控制電路，在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需要的控制信息以及CPU所需的控制信號(hào)，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的各種操作。PC是一個(gè)16位的專用寄存器。nPC存放與指示下一條要執(zhí)行指令的地址，當(dāng)一條指令按照PC所指示的地址從存儲(chǔ)器中取出來之后，PC會(huì)自動(dòng)加1指向下一條指令。nPC在物理結(jié)構(gòu)上是獨(dú)立的，不屬于內(nèi)部RAM，沒有地址，是不可尋址的。n用戶無法對(duì)它進(jìn)行讀寫，只

11、有通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用和返回等指令來改變PC中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。堆棧：在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中開辟的按照“先進(jìn)后出，后進(jìn)先出”的原則進(jìn)行存取的RAM區(qū)。n分布：是片內(nèi)RAM的低128字節(jié)（007FH段）。n用途：保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和斷電保護(hù)（中斷和調(diào)用子程序時(shí)）。n操作：壓棧和出棧通過堆棧指針SP來進(jìn)行堆棧操作：nSP隨時(shí)跟蹤棧頂?shù)刂?；n按照先進(jìn)后出的原則進(jìn)行壓棧和出棧操作。開機(jī)復(fù)位后，SP指向片內(nèi)RAM地址07H。DPTR是一個(gè)16位的寄存器，主要用來存放16位的地址，做間接尋址寄存器使用。n可以對(duì)64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O口進(jìn)行尋址.nDPTR可以拆成高字節(jié)DPH和低字節(jié)DPL兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存

12、器，分別占用83H和82H這兩個(gè)地址，83H是DPH，82H是DPL。n拆分之后，可以按照8位寄存器的方式進(jìn)行操作和尋址。 可尋址范圍64KB(16位地址線)有4個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間片內(nèi)程序存儲(chǔ)器片內(nèi)程序存儲(chǔ)器片外程序存儲(chǔ)器片外程序存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器89C51存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM用于存放程序，常數(shù)和表格。8051片內(nèi)有4KROM，片外用16根地址線最多可以擴(kuò)展64KROM，兩者統(tǒng)一編址，地址空間0000HFFFFH。 n若EA=1，PC先在片內(nèi)0000H0FFFH 4K字節(jié)范圍內(nèi)讀取程序，當(dāng)尋址范圍超過0FFF

13、H后，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外1000HFFFFH取指。n若EA=0，所有取指均在片外ROM，即片外0000H0FFFFH中。8031沒有片內(nèi)ROM，只有向外擴(kuò)展64K ROM 。 nEA只能接地，PC指向片外，從片外取指令。6個(gè)特殊單元：n0000H：開機(jī)或系統(tǒng)復(fù)位入口n0003H：外部中斷0的中斷入口n000BH：定時(shí)器T0的溢出中斷入口n0013H：外部中斷1的中斷入口n001BH：定時(shí)器T1溢出中斷的入口n0023H：串行口中斷的入口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是用來存放運(yùn)算的中間結(jié)果，數(shù)據(jù)的暫存以及緩沖。128B 片內(nèi)RAM，地址00H7FH。從功能和用途可以劃分為三個(gè)區(qū)域：n工作寄存器區(qū)：00H1FH，4組工

14、作寄存器。每組有R0R7共8個(gè)工作寄存器。n位尋址區(qū)：20H2FH，不僅可以字節(jié)尋址，8個(gè)字節(jié)的每一位都可以位尋址n用戶RAM區(qū)：30H7FH，可用作堆?；驍?shù)據(jù)緩沖器。任一時(shí)刻CPU只能使用其中的一組寄存器n由程序狀態(tài)字寄存器PSW中RS1，RS0位的狀態(tài)組合來決定。用寄存器直接尋址，指令數(shù)量多，均為單周期，執(zhí)行快。提高現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)的速度，主程序用一組，進(jìn)入子程序或中斷服務(wù)程序切換用一組，返回時(shí)重新切換回原來的那組。組組RS1 RS0R0R1R2R3R4R5R6R70 0 000H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H1 0 108H 09H 0AH 0BH 0CH 0

15、DH 0EH 0FH2 1 010H 11H12H 13H 14H 15H 16H 17H3 1 118H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1EH 1FH位尋址區(qū)：工作寄存器后的16個(gè)字節(jié)（20H2FH），可以位尋址。21個(gè)，離散地分布在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的高128字節(jié)地址（80HFFH），并沒占滿整個(gè)128個(gè)字節(jié)。字節(jié)地址能夠被8整除的SFR可以位尋址。位地址的表示方法SFRMSB 位地址位地址/位定義位定義 LSB字節(jié)地址字節(jié)地址B BF7F7F6F6F5F5F4F4F3F3F2F2F1F1F0F0F0F0ACCACCE7E7E6E6E5E5E4E4E3E3E2E2E1E1E0E0E0

16、E0PSWPSWD7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D0D0D0CYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PIPIPBFBFBEBEBDBDBCBCBBBBBABAB9B9B8B8B8B8P3P3B7B7B6B6B5B5B4B4B3B3B2B2B1B1B0B0B0B0IEIEAFAFAEAEADADACACABABAAAAA9A9A8A8A8A8EAEAESESET1ET1EX1EX1ET0ET0EX0EX0P2P2A7A7A6A6A5A5A4A4A3A3A2A2A1A1A0A0A0A0SBUFSBUF9999SCONSCON9F 9F 9E9

17、E9D9D9C 9C 9B9B9A 9A 999998989898SM0SM0SM1SM1SM2SM2RENRENTB8TB8RB8RB8TITIRIRIP1P1979796969595949493939292919190909090TH1TH18D8DTH0TH08C 8C TL1TL18B8BTL0TL08A 8A TMODTMODGATEGATEC/TC/TM1M1M0M0GATEGATEC/TC/TM1M1M0M08989TCONTCON8F 8F 8E8E8D8D8C 8C 8B8B8A 8A 898988888888TF1TF1TR1TR1TF0TF0TR0TR0IE1IE1IT1

18、IT1IE0IE0IT0IT0PCONPCONSMODSMOD/ / / /GF1GF1GF0GF0PDPDIDLIDL8787DPHDPH8383DPLDPL8282SPSP8181P0P08787868685858484838382828181808080801、P0口2、P1口3、P2口4、P3口P0口是最重要的，也是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的一個(gè)口。 P0口每一位由一個(gè)鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)電路組成。 P0口有兩種用途：n作為普通I/O口wP0口是一個(gè)漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O口。n作為地址/數(shù)據(jù)總線wP0口是一個(gè)真正的雙向口，可以隨意地讀寫。1）一般I/O口輸出情況2）一般I/O口輸

19、入情況3）作為地址數(shù)據(jù)總線輸出4）作為地址數(shù)據(jù)總線輸入口P1是通用I/O口，是真正的用戶口，用戶可以隨意使用它。 P1比P0口上簡(jiǎn)單，包括一個(gè)鎖存器兩個(gè)三態(tài)緩沖器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)管V2，其漏極通過上拉電阻與電源相連。 P1口也是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，每次從輸出轉(zhuǎn)成輸入之前，預(yù)先向口鎖存器寫1。P2口的位結(jié)構(gòu)與P0口類似，也有多路開關(guān)、控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)部分與P1口類似，內(nèi)部去掉V1，接了上拉電阻，但比P1口多了一個(gè)轉(zhuǎn)換控制部分。P3口是個(gè)多功能端口，主要使用其第二功能，在單片機(jī)應(yīng)用中起到重要作用。時(shí)鐘電路時(shí)序分析1、內(nèi)部時(shí)鐘2、外部時(shí)鐘3、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器89C51單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)高增益的反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。n XTAL1是反相放大器的輸入端， XTAL2是反相放大器的輸出端，在這兩個(gè)端口之間跨接是石英晶體以及接兩個(gè)補(bǔ)償電容，就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激多諧振蕩器。nR1限流電阻，R2是偏置電阻。使得反相放大器工作在線性區(qū)，容易產(chǎn)生振蕩。89C51可以使用外部振蕩脈沖電路，外部振蕩信號(hào)從XTAL1送進(jìn)去，直接送到內(nèi)部的時(shí)鐘電路上去。晶體振蕩器的振蕩信號(hào)從XTAL1端輸入到片內(nèi)的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器上，時(shí)鐘發(fā)生器實(shí)際上是一個(gè)二分頻的電路，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)序，一個(gè)是P1，一個(gè)是P2。相關(guān)的概念n振蕩周期：?jiǎn)纹瑱C(jī)中最基本的時(shí)間單位，是振蕩源的周期，通過石英晶體振蕩電