第2章單片機硬件結構

1、 CPUCPU運算部件運算部件控制部件控制部件B BRAMRAMP0P0口口P2P2口口ROMROM(EPROM)(EPROM)串行口串行口 C / TC / T中斷中斷系統(tǒng)系統(tǒng)SFRSFRP1P1口口8 8P3P3口口8 88 88 8XTALXTAL1 1XTALXTAL2 2PSEN ALEPSEN ALE EA RESET EA RESETVccVccVssVss1.1.微處理器微處理器2.2.數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器3.3.程序存儲器程序存儲器4.I/O4.I/O口口5.5.串行口串行口6.6.定時定時/ /計數(shù)器計數(shù)器7.7.中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)8.8.特殊功能特殊功能寄存器寄存器1、中央

2、處理單元、中央處理單元CPU（8位）位）用于數(shù)據(jù)處理、位操作（位測試、置位、復位）用于數(shù)據(jù)處理、位操作（位測試、置位、復位）2、存儲器、存儲器Flash ROM（4KB）用于永久性存儲應用程序，如果片內(nèi)存儲器程序存儲容量不夠，用于永久性存儲應用程序，如果片內(nèi)存儲器程序存儲容量不夠，片外最多可外擴程序存儲器至片外最多可外擴程序存儲器至64KB3、隨機存取存取器、隨機存取存取器RAM片內(nèi)片內(nèi)128B，片外最多可以擴展，片外最多可以擴展64KB用于程序運行中存儲工作變用于程序運行中存儲工作變量和數(shù)據(jù)。片內(nèi)量和數(shù)據(jù)。片內(nèi)RAM以高速以高速RAM形式集成在單片機內(nèi)形式集成在單片機內(nèi)用作系統(tǒng)總線、擴展外存

3、、用作系統(tǒng)總線、擴展外存、I / O接口芯片接口芯片4、并行輸入并行輸入/輸出口輸出口I/O（32線）線）7、串行口、串行口串行通信、擴展串行通信、擴展I / O接口芯片接口芯片6、定時、定時/計數(shù)器計數(shù)器T/C它與它與CPU之間各自獨立工作，當它計數(shù)滿時向之間各自獨立工作，當它計數(shù)滿時向CPU中斷中斷8、特殊功能寄存器、特殊功能寄存器SFR共有共有21個特殊功能寄存器，用于片內(nèi)各功能部件進行管理、控制個特殊功能寄存器，用于片內(nèi)各功能部件進行管理、控制和監(jiān)視。實際上是片內(nèi)各功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器和監(jiān)視。實際上是片內(nèi)各功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器五源中斷、兩級優(yōu)先，可編程進行控制。

4、五源中斷、兩級優(yōu)先，可編程進行控制。5、中斷系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)X1 X2 EA PSEN ALE RST VCC GND 8051 P0 P1 P2 P3 P00P07 P10P17 P20P27 P30P37 控控制制引引腳腳并行并行I/O口引腳口引腳電源及時鐘引腳電源及時鐘引腳電源管腳電源管腳 Vcc：電源端，為：電源端，為5V，允許電源有偏差；，允許電源有偏差；GND(VSS):地。地。 注注：為了防止電源脈沖對單片機的影響，一般在：為了防止電源脈沖對單片機的影響，一般在VCC和和GND之間接上一個之間接上一個1uF的電容。的電容。時鐘電路管腳時鐘電路管腳 XTAL1：芯片內(nèi)部反相放大器輸入

5、端，使用外部振蕩器時需接地。芯片內(nèi)部反相放大器輸入端，使用外部振蕩器時需接地。XTAL2: 芯片內(nèi)部反相放大器輸出端，使用外部振蕩時接振蕩器輸芯片內(nèi)部反相放大器輸出端，使用外部振蕩時接振蕩器輸 入的信號。入的信號。 XTAL2XTAL1內(nèi)部振蕩方式內(nèi)部振蕩方式XTAL2XTAL1外部振蕩器外部振蕩器外部振蕩方式外部振蕩方式控制管腳控制管腳 RST/VPD RST： 復位信號輸入端，高電平有效。保持兩個機器周期以上，單片復位信號輸入端，高電平有效。保持兩個機器周期以上，單片機開始從機開始從0000地址執(zhí)行，即可完成單片機復位。單片機正常工作時地址執(zhí)行，即可完成單片機復位。單片機正常工作時該引腳為

6、低于該引腳為低于0.5v的低電平。單片機復位不改變片內(nèi)的低電平。單片機復位不改變片內(nèi)RAM的值。的值。VPD: 備用電源。備用電源。+5VRESET10uF控制管腳控制管腳 EA*（低電平）（低電平）/Vpp EA*： 外部程序存儲器訪問允許控制端。外部程序存儲器訪問允許控制端。 EA*=1，訪問片內(nèi)程序存儲器，當訪問片內(nèi)程序存儲器，當PC值超過片內(nèi)存儲值超過片內(nèi)存儲器存儲范圍，將自動轉向訪問外部存儲器中的程序。器存儲范圍，將自動轉向訪問外部存儲器中的程序。 EA*=0，單片機則只訪問外部程序存儲器。單片機則只訪問外部程序存儲器。Vpp: 對單片機施加編程電壓。對單片機施加編程電壓。89C51

7、在對片內(nèi)在對片內(nèi)Flash固化固化程序時，施加編程電壓程序時，施加編程電壓+5V或或+12V控制線控制線 ALE/PROG ALE： 低低8位地址鎖存允許信號端。當位地址鎖存允許信號端。當CPU訪問片外擴展存訪問片外擴展存儲器時，儲器時，ALE的負跳變沿將的負跳變沿將P0口發(fā)出的低口發(fā)出的低8位地址鎖存位地址鎖存在外接的地址鎖存器中，然后在外接的地址鎖存器中，然后P0口再作為數(shù)據(jù)端口，以口再作為數(shù)據(jù)端口，以實現(xiàn)實現(xiàn)P0口的低口的低8位地址和數(shù)據(jù)的分時傳送。位地址和數(shù)據(jù)的分時傳送。PROG： 對片內(nèi)對片內(nèi)FLASH存儲器編程時，該管腳提供編程寫入存儲器編程時，該管腳提供編程寫入時的編程脈沖信號輸

8、入端。時的編程脈沖信號輸入端。 控制管腳控制管腳 PSEN PSEN： 片外程序存儲器的讀選通信號。單片機讀外部程序片外程序存儲器的讀選通信號。單片機讀外部程序存儲器時，此引腳輸出脈沖的負跳變沿作為讀外部程序存儲器時，此引腳輸出脈沖的負跳變沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。該管腳一般連程序存儲器的選通信存儲器的選通信號。該管腳一般連程序存儲器的選通信號端號端(OE)，在訪問外部，在訪問外部RAM時，時，PSEN無效。無效。I/O口引腳口引腳 P0口：口：8位，漏極開路的雙向位，漏極開路的雙向I/O口口 外擴存儲器及外擴存儲器及I/O接口芯片時接口芯片時： P0口作為地址總線（低口作為地址總線（

9、低8位）及數(shù)據(jù)總線的分時復用口。位）及數(shù)據(jù)總線的分時復用口。 普通普通I/O口使用：口使用： 此時為準雙向口，需上拉電阻。當作為普通此時為準雙向口，需上拉電阻。當作為普通I/O口輸入時，應口輸入時，應先向端口的輸出鎖存器寫入先向端口的輸出鎖存器寫入1.I/O口引腳口引腳 P1口：口：8位，準雙向位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻口，具有內(nèi)部上拉電阻 為專為用戶使用的準雙向為專為用戶使用的準雙向I/O口。當作為普通口。當作為普通I/O口輸入時，應口輸入時，應先向端口的輸出鎖存器寫入先向端口的輸出鎖存器寫入1.I/O口引腳口引腳 P2口：口：8位，準雙向位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻口，具

10、有內(nèi)部上拉電阻 外擴存儲器及外擴存儲器及I/O接口芯片時接口芯片時： P2口輸出地址總線高口輸出地址總線高8位。位。 普通普通I/O口使用：口使用： 當作為普通當作為普通I/O口輸入時，應先向端口的輸出鎖存器寫入口輸入時，應先向端口的輸出鎖存器寫入1.I/O口引腳口引腳 P3口：口：8位位，準雙向準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻口，具有內(nèi)部上拉電阻 通用通用I/O口使用：口使用： 當作為普通當作為普通I/O口輸入時，應先向端口的輸出鎖存器寫入口輸入時，應先向端口的輸出鎖存器寫入1.P3口提供第二功能口提供第二功能： 數(shù)據(jù)總線緩沖器 /鎖存器累加器A（ 8）暫存寄存器TMP（8）標志寄存器F（

11、8）指令寄存器IR（8）指令譯碼器ID累加鎖存器ACT十進制調(diào)整多路轉換開關通用寄存器組地址緩沖器 （ 16）堆棧指針 SP（16）程序計數(shù)器 PC（16）加 1減 1器 /地址鎖存器（16）算術邏輯單元ALU（ 8）寄存器選擇電路定時與控制中斷請求寫讀I/O請求存儲器請求等待復位時鐘D0D7雙向數(shù)據(jù)總線內(nèi)部數(shù)據(jù)總線A0 A15地址總線CPU內(nèi)內(nèi) 部部 結結 構構 框框 圖圖CPU內(nèi)部結構內(nèi)部結構中央處理器中央處理器(CPU)-運算器運算器 （2）8位累加器位累加器ACC（A）：）：（3）8位寄存器位寄存器B：（4）8位程序狀態(tài)寄存器位程序狀態(tài)寄存器PSW：（5）布爾處理器：）布爾處理器：（6

12、）2個個8位暫存器：位暫存器：運算器 可對可對4位（半字節(jié)），位（半字節(jié)），8位（單字節(jié)）和位（單字節(jié)）和16位（雙字節(jié)）位（雙字節(jié)）數(shù)據(jù)進行運算操作。包括邏輯運算操作和基本算術操作等數(shù)據(jù)進行運算操作。包括邏輯運算操作和基本算術操作等運算操作。同時運算操作。同時89C51的的ALU還具有位操作功能。還具有位操作功能。算術邏輯運算單元算術邏輯運算單元ALU 累加器，它是最繁忙的累加器，它是最繁忙的8位特殊功能寄存器，用位特殊功能寄存器，用A表示，表示，也可寫成也可寫成Acc。1）累加器）累加器A是是ALU單元的輸入數(shù)據(jù)源之一，它又是單元的輸入數(shù)據(jù)源之一，它又是ALU運算結果的存放單元運算結果的存

13、放單元2）CPU中的數(shù)據(jù)傳送大多都是通過累加器中的數(shù)據(jù)傳送大多都是通過累加器A，故累加器，故累加器A有相當于數(shù)據(jù)的中轉站。有相當于數(shù)據(jù)的中轉站。累加器累加器A 寄存器寄存器B 在執(zhí)行乘法和除法操作中，用在執(zhí)行乘法和除法操作中，用B寄存器暫存寄存器暫存數(shù)據(jù)。在不執(zhí)行乘、除的情況下，可當作一個普通寄數(shù)據(jù)。在不執(zhí)行乘、除的情況下，可當作一個普通寄存器來使用。存器來使用。寄存器寄存器B 8位程序狀態(tài)字寄存器，用于存放指令執(zhí)行后的狀態(tài)信息，位程序狀態(tài)字寄存器，用于存放指令執(zhí)行后的狀態(tài)信息，供程序查詢和判別。供程序查詢和判別。程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器PSW 程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器PSW（

14、1）RS1、RS0：工作寄存器組選擇位，用：工作寄存器組選擇位，用于選擇當前工作寄存器組于選擇當前工作寄存器組（2）CY：進位標志。在進行加法（或減法）運算時，：進位標志。在進行加法（或減法）運算時，若運算結果最高位有進位（或借位）時若運算結果最高位有進位（或借位）時CY=1，否則，否則CY=0。（3）AC：半進位標志。在：半進位標志。在BCD碼進行加法（或減法）碼進行加法（或減法）運算時用作十位調(diào)整。即若低半字節(jié)向高半字節(jié)有進位運算時用作十位調(diào)整。即若低半字節(jié)向高半字節(jié)有進位（或借位）時（或借位）時AC=1，否則，否則AC=0。（4）OV：溢出標志。兩個帶符號數(shù)運算，若結果超出：溢出標志。兩

15、個帶符號數(shù)運算，若結果超出-128+127時為溢出，時為溢出，OV=1，否則，否則OV=0。OV=CY C6 ；C6為第為第6位向第位向第7位的進（借）位位的進（借）位（5）P：奇偶標志。若：奇偶標志。若A中內(nèi)容中內(nèi)容“1”的個數(shù)為奇數(shù)個時的個數(shù)為奇數(shù)個時P=1，否則，否則P=0。（6）F0：用戶設定標志位：用戶設定標志位。分析：分析：1.若將數(shù)據(jù)當作無符號數(shù)進行運算，則若將數(shù)據(jù)當作無符號數(shù)進行運算，則CY=1表示表示結果大于結果大于255。2.若將數(shù)據(jù)當作帶符號數(shù)進行運算，則若將數(shù)據(jù)當作帶符號數(shù)進行運算，則OV=1表示表示溢出，結果出錯；溢出，結果出錯；OV=0，結果正確。，結果正確。（2

16、2）指令寄存器）指令寄存器(IR)(IR)（3 3）指令譯碼器）指令譯碼器(ID)(ID)（4 4）振蕩器及定時與控制電路）振蕩器及定時與控制電路控制器中央處理器中央處理器(CPU)控制器控制器 PC是一個是一個16位位的地址寄存器，的地址寄存器，用于存放下一條將用于存放下一條將要執(zhí)行的指令的地址要執(zhí)行的指令的地址。 PC不屬于特殊功能寄存器，不屬于特殊功能寄存器，不可訪問不可訪問,在物理結構在物理結構上是獨立的。上是獨立的。16位程序計數(shù)器位程序計數(shù)器-PC 執(zhí)行調(diào)用子程序或發(fā)生中斷時，執(zhí)行調(diào)用子程序或發(fā)生中斷時，CPU會自動將當會自動將當前前PC值壓入堆棧，將子程序入口地址或中斷入口值壓入

17、堆棧，將子程序入口地址或中斷入口地址裝入地址裝入PC；子程序返回或中斷返回時，恢復原；子程序返回或中斷返回時，恢復原有被壓入堆棧的有被壓入堆棧的PC值，繼續(xù)執(zhí)行原順序程序指令。值，繼續(xù)執(zhí)行原順序程序指令。 PC的基本工作方式有：的基本工作方式有： 自動加自動加1。CPU從從ROM中每讀一個字節(jié)，自動中每讀一個字節(jié)，自動執(zhí)行執(zhí)行PC+1PC； 執(zhí)行轉移指令時，執(zhí)行轉移指令時，PC會根據(jù)該指令要求修改下一會根據(jù)該指令要求修改下一次讀次讀ROM新的地址；新的地址；16位程序計數(shù)器位程序計數(shù)器-PC 由由PC內(nèi)容指定的內(nèi)容指定的ROM地址單元中取出的指地址單元中取出的指令，經(jīng)指令寄存器（令，經(jīng)指令寄存

18、器（IR）送至指令譯碼器（）送至指令譯碼器（ID）進行譯碼，進而進行譯碼，進而CPU產(chǎn)生相應的控制信號，執(zhí)行產(chǎn)生相應的控制信號，執(zhí)行指令所規(guī)定的操作。指令所規(guī)定的操作。指令存儲器及指令譯碼器指令存儲器及指令譯碼器 常用單片機的程序存儲器容量：常用單片機的程序存儲器容量： 隨著單片機制造技術的發(fā)展，現(xiàn)在內(nèi)部隨著單片機制造技術的發(fā)展，現(xiàn)在內(nèi)部ROM有有64KB，RAM達達幾幾KB的都有。在進行單片機應用系統(tǒng)開發(fā)時，應注意選擇，能不的都有。在進行單片機應用系統(tǒng)開發(fā)時，應注意選擇，能不擴展的盡量不擴展。擴展的盡量不擴展。（片內(nèi)（片內(nèi)128B不包含不包含SFR區(qū)）區(qū)）存儲空間分布圖存儲空間分布圖三個邏輯

19、空間：三個邏輯空間：片內(nèi)外統(tǒng)一尋址的片內(nèi)外統(tǒng)一尋址的64KB64KB程序存儲器程序存儲器空間，地址范圍為空間，地址范圍為0000H0000HFFFFHFFFFH。 64KB64KB的片外數(shù)據(jù)存儲器的片外數(shù)據(jù)存儲器空間，地址范圍也為空間，地址范圍也為0000H0000HFFFFHFFFFH。 256B256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間，地址范圍為空間，地址范圍為00H00HFFHFFH。 0000H 7FH 00H 80H FFH 0FFFH 0FFFH 0000H 0000H EA0 FFFFH SFR RAM EA1 ROM 4KB FFFFH 64KB ROM RAM 64KB

20、（I/O） RAM 片內(nèi)存儲器 1000H 片外擴展存儲器 程序存儲器程序存儲器ROM用來存放程序、常數(shù)或表格等。用來存放程序、常數(shù)或表格等。 89C51存儲空間分布如下：存儲空間分布如下： 片內(nèi)有片內(nèi)有4KB的的ROM存儲單元，地址為存儲單元，地址為0000H0FFFH。 片外最多可擴至片外最多可擴至64KB的的ROM，地址為，地址為1000HFFFFH。 片內(nèi)外片內(nèi)外ROM統(tǒng)一編址。統(tǒng)一編址。 當當EA（-）引腳接）引腳接高電平高電平時，時，CPU將首先訪問片內(nèi)將首先訪問片內(nèi)ROM，當指令地址超過，當指令地址超過0FFFH時，自動轉向片外時，自動轉向片外ROM取指令。取指令。 當當EA（-

21、）引腳接）引腳接低電平低電平時，時，CPU只訪問片外只訪問片外ROM。片外片外ROM的地址從的地址從0000H開始編址。開始編址。0FFFH0000H片內(nèi)片內(nèi)4K4KROMROM0000HFFFFH片外片外64KROM0FFFHEA=1EA=0單片機的程序存儲器的應用：單片機的程序存儲器的應用：l上電復位時，上電復位時，PC=0000;PC=0000;l程序存儲器有保留單元：程序存儲器有保留單元：0000H0001H0002H(PC)中斷5中斷4中斷3中斷2中斷10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中斷0定時器0中斷外部中斷1定時器1中斷串行口中斷8位位0FFFH0

22、FFEH程序程序存儲器資源分布存儲器資源分布中斷入口地址 數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器RAM主要用來存放運算的主要用來存放運算的中間結果中間結果和和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)等。等。 在在8051中，其存儲空間分布如下：中，其存儲空間分布如下： 片外片外RAM最多可擴展至最多可擴展至64KB存儲單元，地址范圍為存儲單元，地址范圍為0000HFFFFH； 片內(nèi)片內(nèi)RAM為為256B存儲單元，地址范圍為存儲單元，地址范圍為00HFFH； 片內(nèi)片外數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)片外數(shù)據(jù)存儲器分別單獨編址，地址有重疊，靠指分別單獨編址，地址有重疊，靠指令區(qū)分。令區(qū)分。00H07H08H0FH10H17H18H1FH2FH30H20H7FH用戶

23、RAM區(qū)位尋址區(qū)3組2組1組0組通用工作寄存器通用工作寄存器R0R7低低128B的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)RAM高高128B的特殊寄存器區(qū)的特殊寄存器區(qū)SFR區(qū)區(qū)80HFFH一、內(nèi)部一、內(nèi)部(片內(nèi)片內(nèi))RAM工作寄存器區(qū)共有工作寄存器區(qū)共有32個單個單元，地址元，地址00H1FH，分為，分為4組，每組有組，每組有8個工作寄存器個工作寄存器（R0R7）。）。單元地址單元地址位地址（位地址（二進制二進制位的地址）位的地址）數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖與堆棧區(qū)與堆棧區(qū)注意：上述存儲區(qū)的劃分不是絕對的。注意：上述存儲區(qū)的劃分不是絕對的。1.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器工作寄存器區(qū)工作寄存器區(qū)2.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器位尋

24、址區(qū)位尋址區(qū)3.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器通用通用RAM區(qū)區(qū)00H20H2FH7FH1FH30H80H0FFH特殊功能寄存特殊功能寄存器區(qū)器區(qū)普通普通RAM區(qū)區(qū)位尋址區(qū)位尋址區(qū) 工作寄存器區(qū)工作寄存器區(qū)初始初始SPSP棧頂棧頂數(shù)據(jù)出棧數(shù)據(jù)出棧SP-1指向新的棧指向新的棧頂，即下一個要頂，即下一個要出棧的數(shù)據(jù)出棧的數(shù)據(jù) 89C51將操作管理寄存器統(tǒng)一成特殊功能寄存器，將操作管理寄存器統(tǒng)一成特殊功能寄存器，以區(qū)別于通用寄存器。通過以區(qū)別于通用寄存器。通過SFR可實現(xiàn)可實現(xiàn)80C51系列單片系列單片機內(nèi)部資源的運行操作。機內(nèi)部資源的運行操作。 89C51中共有中共有21個特殊功能寄存器，個特殊功能

25、寄存器，分布在片內(nèi)分布在片內(nèi)RAM 80HFFH區(qū)間。區(qū)間。 特殊功能寄存器特殊功能寄存器(SFR)的初始值除的初始值除P0,P1,P2,P3為為FFH，SP為為07外，其余均為外，其余均為00H。二、特殊功能寄存器二、特殊功能寄存器SFR 二、片外存儲器二、片外存儲器DBCBAB外部外部設備設備外部外部設備設備PCORG 0000HCONT: MOV R1,#80H;79H 80HMOV R0,#02H;78H 02HMOV A,R0;E8HCPL A;F4HADD A,#1;24H 01HMOV R2,A;FAHMOV A,R1;E9HCPL A;F4HADDC A,#80H;34H 80HMOV R3,A;FEH79H80H78H02HE8HF4H24H01H00000001000200030004000500060007.0FFF0000H00H00H00H.00H000102.7F復位復位取指取指譯碼譯碼取操作數(shù)取操作數(shù)執(zhí)行執(zhí)行0000H79H0001H0001H80H00H80H00H.00H0002H0002H78H0003H0003H02H02H80H00H.00H0004H0004HE8H00H00H01H02H0005H西安電子科技大學出版社西安電子科技大學出版社西安電子科技大學出版社西安電子科技大學出版社西安電子科技大學出版社