第二章：單片機的硬件結(jié)構(gòu)

11第2章AT89C51單片機

硬件結(jié)構(gòu)

2AT89C51的片內(nèi)硬件基本結(jié)構(gòu)、引腳功能、存儲器結(jié)構(gòu)、特殊功能寄存器功能、4個并行I/O口的結(jié)構(gòu)和特點。復位電路和時鐘電路的設(shè)計。目的：本章學習為AT89C51系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計打下基礎(chǔ)。內(nèi)容概要:33

第2章目錄2.1AT89C51單片機的片內(nèi)結(jié)構(gòu)2.2AT89C51的引腳功能2.3AT89C51的CPU2.4AT89C51存儲器的結(jié)構(gòu)2.5AT89C51的并行I/O端口2.6時鐘電路與時序2.7復位操作和復位電路442.1AT89C51單片機的片內(nèi)結(jié)構(gòu)

把作為控制應(yīng)用所必需的基本功能部件都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。AT89C51單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu)5（1）CPU（微處理器）

8位的CPU，與通用CPU基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，還有面向控制的位處理功能。5（2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）片內(nèi)為128B（52子系列為256B），片外最多可擴64KB。片內(nèi)128B的RAM以高速RAM的形式集成，可加快單片機運行的速度和降低功耗。（3）程序存儲器（FlashROM）片內(nèi)集成有4KB的Flash存儲器（AT89C52則為8KB；AT89C55片內(nèi)20KB），如片內(nèi)容量不夠，片外可外擴至64KB。有如下功能部件組成：

6（4）中斷系統(tǒng)具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。（5）定時器/計數(shù)器2個16位定時器/計數(shù)器（52子系列有3個），4種工作方式。6（6）串行口1個全雙工的異步串行口，4種工作方式?？蛇M行串行通信，擴展并行I/O口，還可與多個單片機構(gòu)成多機系統(tǒng)。（7）P1口、P2口、P3口、P0口4個8位并行I/O口。（8）特殊功能寄存器（SFR）21個，對片內(nèi)各功能部件管理、控制和監(jiān)視。是各個功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，映射在片內(nèi)RAM區(qū)80H～FFH內(nèi)。72.2AT89C51的引腳功能

AT89S51與51系列中各種型號芯片的引腳互相兼容。目前多采用40只引腳雙列直插，如圖2-2所示。引腳按其功能可分為如下3類：（1）電源及時鐘引腳—VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。（2）控制引腳—

、ALE、、RST（RESET）（3）I/O口引腳——P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口引腳782.2.1電源及時鐘引腳1．電源引腳（1）VCC（40腳）：+5V電源。（2）VSS（20腳）：接地。8圖2-2

AT89C51雙列直插封裝方式的引腳2．時鐘引腳

（1）XTAL1（19腳）：片內(nèi)振蕩器輸入端、外接時鐘源時，接時鐘源的輸入信號。（2）XTAL2（18腳）：片內(nèi)振蕩器的輸出端、采用外接時鐘源時懸空。9（2）

/VPP(EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，31腳)

EA：為內(nèi)外程序存儲器選擇控制端。

EA=1，訪問片內(nèi)程序存儲器，但在PC（程序計數(shù)器）值超出片內(nèi)程序存儲器地址范圍時（0FFFH)，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序；

EA=0，只訪問外部程序存儲器。

VPP：本引腳的第二功能，對片內(nèi)Flash編程，接編程電壓。對89C51，加在VPP腳的編程電壓為+12V或+5V。2.2.2控制引腳（1）RST(RESET，9腳)復位信號輸入，在引腳加上持續(xù)時間大于2個機器周期的高電平，可使單片機復位。10（3）ALE/（30腳）

ALE：為CPU訪問外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器提供地址鎖存信號，將P0口發(fā)出的低8位地址鎖存在片外的地址鎖存器中，P0口再作為數(shù)據(jù)端口。10：引腳第二功能，對片內(nèi)

Flash編程，為編程脈沖輸入腳。（4）

（29腳）外部程序存儲器的讀選通信號。低電平有效。接外部程序存儲器的OE端。112.2.3I/O口引腳（1）P0口：8位，雙向I/O口當外擴存儲器及I/O接口芯片時，P0口作為低8位地址總線及數(shù)據(jù)總線的分時復用端口。P0口也可用作通用的I/O口，需加上拉電阻。作為通用I/O輸入口時，應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫入1?？沈?qū)動8個LS型TTL負載。11（2）P1口：8位，具有內(nèi)部上拉電阻。準雙向I/O口，作為通用I/O輸入時，應(yīng)先向端口鎖存器寫1。P1口可驅(qū)動4個LS型TTL負載。12（3）P2口：8位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。當外擴存儲器及I/O接口芯片時，P2口作為高8位地址總線，輸出高8位地址。P2口也可作為普通的I/O口使用。當作為通用I/O輸入口時，應(yīng)先向端口輸出鎖存器寫1。P2口可驅(qū)動4個LS型TTL負載。（4）P3口：8位，準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻?？勺鳛橥ㄓ玫腎/O口使用。作為通用I/O輸入口時，應(yīng)先向端口輸出鎖存器寫入1。可驅(qū)動4個LS型TTL負載。132.3AT89C51的CPU由運算器和控制器構(gòu)成。2.3.1運算器對操作數(shù)進行算術(shù)、邏輯和位操作運算。主要包括：1．算術(shù)邏輯運算單元ALU邏輯運算（與、或、異或、循環(huán)、求補和清零）算術(shù)運算（加、減、乘、除）位操作，對位變量進行位處理，如置“1”、清“0”、求補、測試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”、“或”等。13143．程序狀態(tài)字寄存器PSWPSW（ProgramStatusWord）位于片內(nèi)特殊功能寄存器區(qū)，字節(jié)地址為D0H。包含了程序運行狀態(tài)的信息，其中4位保存當前指令執(zhí)行后的狀態(tài)，供程序查詢和判斷。142．累加器A使用最頻繁的寄存器，可寫為Acc。圖2.3PSW的格式15PSW中各個位的功能：（1）Cy（PSW.7）進位標志位

可寫為C。在算術(shù)和邏輯運算時，若有進位/借位，Cy＝1；否則，Cy＝0。在位處理器中，它是位累加器。（2）Ac（PSW.6）輔助進位標志位

在BCD碼運算時，用作十進位調(diào)整。即當D3位向D4位產(chǎn)生進位或借位時，Ac＝1；否則，Ac＝0。（3）F0（PSW.5）用戶設(shè)定標志位

由用戶使用的一個狀態(tài)標志位，可用指令來使它置1或清0，控制程序的流向。用戶應(yīng)充分利用。1516（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4組工作寄存器區(qū)選擇

選擇片內(nèi)RAM區(qū)中的4組工作寄存器區(qū)中的某一組為當前工作寄存區(qū)，見表2-2。17（5）OV（PSW.2）溢出標志位

當執(zhí)行算術(shù)指令時，用來指示運算結(jié)果是否產(chǎn)生溢出。如果結(jié)果產(chǎn)生溢出，OV=1；否則，OV=0。（6）PSW.1位

保留位（7）P（PSW.0）奇偶標志位

指令執(zhí)行完，累加器A中“1”的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。17P=1，表示A中“1”的個數(shù)為奇數(shù)。

P=0，表示A中“1”的個數(shù)為偶數(shù)。1818功能：控制指令的讀入、譯碼和執(zhí)行，從而對各功能部件進行定時和邏輯控制。控制器包括：程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、定時及控制邏輯電路等。

程序計數(shù)器PC是一個獨立的16位計數(shù)器，不可訪問。單片機復位時，PC中內(nèi)容為0000H，從程序存儲器0000H單元取指令，開始執(zhí)行程序。2.3.2控制器PC的計數(shù)寬度決定了程序存儲器的地址范圍。PC為16位，故可對64KB（=216B）尋址。192.4AT89C51存儲器的結(jié)構(gòu)將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開（哈佛結(jié)構(gòu)），并有各自的訪問指令。存儲器空間可分為4類。2.4.1程序存儲器空間存放程序和表格之類的固定常數(shù)。片內(nèi)為4KB的Flash，地址為0000H～0FFFH?？赏鈹U程序存儲器空間最大為64KB，地址為0000H～FFFFH。訪問片內(nèi)的還是片外的程序存儲器，由

引腳電平確定。

=1時，從片內(nèi)0000H開始取指令，當PC值超出0FFFH自動轉(zhuǎn)向讀片外程序存儲器空間1000H～FFFFH內(nèi)的程序。=0時，只能執(zhí)行片外程序存儲器（0000H～FFFFH）中的程序。2020程序存儲器某些固定單元用于各中斷源中斷服務(wù)程序入口在程序存儲器空間中有5個特殊單元分別對應(yīng)于5個中斷源的中斷入口地址，見表2-3。通常這5個中斷入口地址處都放一條跳轉(zhuǎn)指令跳向?qū)?yīng)的中斷服務(wù)子程序，而不是直接存放中斷服務(wù)子程序。212.4.2數(shù)據(jù)存儲器空間１.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（128個單元，字節(jié)地址為00H～7FH）21圖2-489C51片內(nèi)RAM結(jié)構(gòu)00H～1FH：32個單元4組通用工作寄存器區(qū)，每區(qū)8B,用R7～R0表示?？赏ㄟ^指令改變RS1、RS0兩位來選擇20H～2FH：16個單元的128位可位尋址，也可字節(jié)尋址。30H～7FH：的單元只能字節(jié)尋址，用作存數(shù)據(jù)以及作為堆棧區(qū)。22２.片外數(shù)據(jù)存儲器當片內(nèi)128B的RAM不夠用時，需外擴，最多可外擴64KB的RAM。，片內(nèi)RAM與片外RAM兩個空間是相互獨立的，片內(nèi)RAM與片外RAM的低128B的地址是相同的，但由于使用的是不同的訪問指令，所以不會發(fā)生沖突。222.4.3特殊功能寄存器（SFR）對片內(nèi)各功能部件的控制，采用特殊功能寄存器集中控制方式。特殊功能寄存器映射在片內(nèi)RAM的80H～FFH區(qū)域中，共21個。其中字節(jié)地址的末位是0H或8H的SFR可以位尋址。23其中帶星的為可位尋址注24其中帶星的為可位尋址注251．堆棧指針SP指示堆棧頂部在內(nèi)部RAM塊中的位置。堆棧結(jié)構(gòu)—向上生長型。單片機復位后，SP為07H。復位后應(yīng)把SP值改置為60H或更大的值，避免堆棧與工作寄存器沖突。252．寄存器B為執(zhí)行乘法和除法而設(shè)。在不執(zhí)行乘、除法操作的情況下，可把它當作一個普通寄存器來使用。3.數(shù)據(jù)指針DPTR作為外部數(shù)據(jù)存儲器進行尋址的地址指針，高位字節(jié)寄存器用DPH表示，低位字節(jié)寄存器用DPL表示。可作為一個16位或二個八位的寄存器單獨使用262.4.4位地址空間211個尋址位的位地址，位地址范圍為00H～FFH。其中00H～7FH這128位處于片內(nèi)RAM中,字節(jié)地址20H～2FH

單元中。其余的83個可尋址位分布在特殊功能寄存器SFR中的11個。2627表2-589C51內(nèi)部RAM的可尋址位及其地址2828特殊功能寄存器位地址字節(jié)地址D7D6D5D4D3D2D1D0BF7HF6HF5HF4HF3HF2HF1HF0HF0HAccE7HE6HE5HE4HE3HE2HE1HE0HE0HPSWD7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HD0HIP———BCHBBHBAHB9HB8HB8HP3B7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0HB0HIEAFH——ACHABHAAHA9HA8HA8HP2A7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0HA0HSCON9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H98HP197H96H95H94H93H92H91H90H90HTCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H88HP087H86H85H84H83H82H81H80H80H表2-6SFR中的位地址分布29各類存儲器在存儲器空間的位置圖2-7AT89C51單片機的存儲器結(jié)構(gòu)MOVXMOVCMOV總結(jié)：302.5AT89C51的并行I/O端口4個雙向的8位并行I/O端口，分別記為P0、P1、P2和P3，其中輸出鎖存器屬于特殊功能寄存器。端口的每一位均由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器組成，4個端口按字節(jié)輸入/輸出外，也可位尋址。2.5.1P0口P0口是一個雙功能的8位并行端口，字節(jié)地址為80H，位地址為80H～87H。端口的各位具有完全相同但又相互獨立的電路結(jié)構(gòu)，P0口某一位的位電路結(jié)構(gòu)如圖2-8所示。303131圖2-8P0口某一位的位電路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸出的鎖存器，用于數(shù)據(jù)位的鎖存。兩個三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器，分別是用于讀鎖存器數(shù)據(jù)的輸入緩沖器BUF1和讀引腳數(shù)據(jù)的輸入緩沖器BUF2。多路轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX，一個輸入來自鎖存器的

端，另一個輸入為地址/數(shù)據(jù)信號的反相輸出。MUX由“控制”信號控制。Q數(shù)據(jù)輸出的控制和驅(qū)動電路，由兩個場效應(yīng)管（FET）組成。1．位電路結(jié)構(gòu)322．工作過程分析（P0口用作地址/數(shù)據(jù)總線）輸出時：（1）與門處于開啟狀態(tài)10XP0.x引腳輸出為1地址/數(shù)據(jù)信息為1時332．工作過程分析（P0口用作地址/數(shù)據(jù)總線）輸出時：（1）與門處于開啟狀態(tài)01XP0.x引腳輸出為0地址/數(shù)據(jù)信息為0時342．工作過程分析（P0口用作地址/數(shù)據(jù)總線）輸入時：（0）與門處于截止狀態(tài)X從外部存儲器讀入信息P0口作為地址/數(shù)據(jù)復用方式訪問外部存儲器時，CPU自動向P0口寫入FFH，使下方場效應(yīng)管截止。從外部存儲器輸入的數(shù)據(jù)信息直接由P0.x引腳通過輸入緩沖器BUF2進入內(nèi)部總線。101X352．工作過程分析（P0口用作通用I/O口）（0）與門處于截止狀態(tài)XP0口作輸出口時：P0口輸出電路為漏極開路輸出。10X輸出1時：必須外接上拉電阻才能有高電平輸出；輸出0時：下方場效應(yīng)管導通，P0口輸出為低電平。01P0口作為地址/數(shù)據(jù)復用口使用，就不能再作為通用I/O口使用。36當CPU發(fā)出“讀鎖存器”指令時，鎖存器的狀態(tài)由Q端經(jīng)上方的三態(tài)緩沖器BUF1進入內(nèi)部總線；P0口作輸入口使用時：有兩種讀入方式：“讀鎖存器”和“讀引腳”。當CPU發(fā)出“讀引腳”指令時，鎖存器的輸出狀態(tài)=1，而使下方場效應(yīng)管截止，引腳的狀態(tài)經(jīng)下方的三態(tài)緩沖器BUF2進入內(nèi)部總線。0X10X373．P0口的特點P0口為雙功能口——地址/數(shù)據(jù)復用口和通用I/O口。（1）當P0口用作地址/數(shù)據(jù)復用口時，是一個真正的雙向口，

輸出低8位地址和輸出/輸入8位數(shù)據(jù)。（2）當P0口用作通用I/O口時，由于需要在片外接上拉電阻，端口不存在高阻抗（懸?。顟B(tài)，因此是一個準雙向口。為保證引腳信號的正確讀入，應(yīng)首先向鎖存器寫1。單片機復位后，鎖存器自動被置1；當P0口由原來輸出轉(zhuǎn)變?yōu)檩斎霑r，應(yīng)先置鎖存器為1，方可執(zhí)行輸入操作。37382.5.2P1口單功能的I/O口，字節(jié)地址為

90H，位地址為

90H～97H。P1口某一位的位電路結(jié)構(gòu)如圖所示。1．位電路結(jié)構(gòu)38數(shù)據(jù)輸出鎖存器，用于數(shù)據(jù)位的鎖存。兩個三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器，分別是用于讀鎖存器數(shù)據(jù)的輸入緩沖器BUF1和讀引腳數(shù)據(jù)的輸入緩沖器BUF2。數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動電路，由一個場效應(yīng)管（FET）和一個片內(nèi)上拉電阻組成。39P1口作輸出口時：2．工作過程分析若CPU輸出1：場效應(yīng)管截止，P1口引腳的輸出為1。10X1若CPU輸出0：場效應(yīng)管導通，P1口引腳的輸出為0。01040當CPU發(fā)出“讀鎖存器”指令時，鎖存器的狀態(tài)由Q端經(jīng)上方的三態(tài)緩沖器BUF1進入內(nèi)部總線；有兩種讀入方式：“讀鎖存器”和“讀引腳”。當CPU發(fā)出“讀引腳”指令時，先向鎖存器寫1，使場效應(yīng)管截止，P1.x引腳上的電平經(jīng)輸入緩沖器BUF2進入內(nèi)部總線。P1口作為輸入口時：10X413．P1口的特點由于內(nèi)部上拉電阻，無高阻抗輸入狀態(tài)，故為準雙向口。P1口“讀引腳”輸入時，必須先向鎖存器寫入1。2.5.3P2口雙功能口，字節(jié)地址為A0H，位地址為A0H～A7H。P2口某一位的位電路結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。414242圖2-10P2口某一位的位電路結(jié)構(gòu)1．位電路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，用于數(shù)據(jù)位的鎖存。兩個三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器，分別是用于讀鎖存器數(shù)據(jù)的輸入緩沖器BUF1和讀引腳數(shù)據(jù)的輸入緩沖器BUF2。多路轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX，一個輸入來自鎖存器的Q端，另一個輸入是高8位地址。驅(qū)動電路，由場效應(yīng)管和片內(nèi)上拉電阻組成。432．工作過程分析P2口用作地址總線：1當“地址”為0時：場效應(yīng)管導通，P2口引腳輸出為0；當“地址”為1時：場效應(yīng)管截止，P2口引腳輸出1。01010X1P2口用作通用I/O口:CPU輸出1時:場效應(yīng)管截止，P2.x引腳輸出1；CPU輸出0時:場效應(yīng)管導通，P2.x引腳輸出0。01101044

P2口輸入時，分“讀鎖存器”和“讀引腳”兩種方式:“讀鎖存器”時，Q端信號經(jīng)輸入緩沖器BUF1進入內(nèi)部總線“讀引腳”時，先向鎖存器寫1，使場效應(yīng)管截止，P2.x引腳上的電平經(jīng)輸入緩沖器BUF2進入內(nèi)部總線。3．P2口的特點作為地址輸出線時，P2口高8位地址，P0口輸出的低8位地址,尋址64KB地址空間。作為通用I/O口時，P2口為準雙向口。功能與P1口一樣。一般情況下，P2口大多作為高8位地址總線口使用，這時就不能再作為通用I/O口。44452.5.4P3口P3口增加了第二功能。每1位都可以分別定義為第二輸入功能或第二輸出功能。P3口字節(jié)地址為B0H，位地址B0H～B7H。數(shù)據(jù)輸出鎖存器，用于數(shù)據(jù)位的鎖存3個三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器BUF1、BUF2和BUF3，分別用于讀鎖存器、讀引腳數(shù)據(jù)和第二功能數(shù)據(jù)的輸入緩沖。驅(qū)動電路，由與非門場效應(yīng)管和片內(nèi)上拉電阻組成。1．位電路結(jié)構(gòu)462．工作過程分析（用作第二輸入/輸出功能）當選擇第二輸出功能時，該位的鎖存器需要置1，使與非門為開啟狀態(tài)。當?shù)诙敵鰹?時：效應(yīng)管截止，P3.x引腳輸出為1；1110X1當?shù)诙敵鰹?時：效應(yīng)管導通，P3.x引腳輸出為0。010當選擇第二輸入功能時：鎖存器和第二輸出功能端應(yīng)置1，場效應(yīng)管截止，P3.x引腳的信息由輸入緩沖器BUF3的輸出獲得。10X1472．工作過程分析（用作第一功能——通用I/O口）輸出時，第二輸出功能端應(yīng)保持高電平，與非門開啟。CPU輸出1時，Q=1，場效應(yīng)管截止，P3.x引腳輸出為1；CPU輸出0時，Q=0，場效應(yīng)管導通，P3.x引腳輸出為0。1111X00010輸入時，輸出鎖存器和第二輸出功能均應(yīng)置1，場效應(yīng)管截止。P3.x引腳信息通過輸入BUF3和BUF2進入內(nèi)部總線，完成“讀引腳”操作。110X1483．P3口的特點P3口內(nèi)部有上拉電阻，無高阻抗輸入態(tài)-準雙向口。P3口作為第二功能的輸出/輸入，或第一功能通用輸入，均須將相應(yīng)位的鎖存器置1。實際應(yīng)用中，由于復位后P3口鎖存器自動置1，滿足第二功能所需的條件，所以不需任何設(shè)置工作，就可以進入第二功能操作。當某位不作為第二功能用時，可作為第一功能通用I/O使用引腳輸入部分有兩個緩沖器，第二功能的輸入信號取自緩沖器BUF3的輸出端，第一功能的輸入信號取自緩沖器BUF2的輸出端。48492.6時鐘電路與時序時鐘電路產(chǎn)生AT89C51工作時所必需的控制信號，在時鐘信號的控制下，嚴格按時序執(zhí)行指令。執(zhí)行指令時，CPU首先到程序存儲器中取出需要執(zhí)行的指令操作碼，然后譯碼，并由時序電路產(chǎn)生一系列控制信號完成指令所規(guī)定的操作。49CPU發(fā)的時序信號兩類：對片內(nèi)各個功能部件控制，用戶無須了解；對片外存儲器或I/O口的控制，這部分時序?qū)τ诜治?、設(shè)計硬件接口電路至關(guān)重要。50AT89C51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。502.6.1時鐘電路

常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。1．內(nèi)部時鐘方式圖2-13

內(nèi)部時鐘方式電路電容大小會影響振蕩器頻率高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。C1和C2的典型值為30pF，晶振頻率范圍通常是1.2～12MHz。51512．外部時鐘方式

用現(xiàn)成的外部振蕩器產(chǎn)生脈沖信號，外部時鐘源直接接到XTAL1端，XTAL2端懸空。

圖2-14

AT89S51的外部時鐘方式電路522．機器周期執(zhí)行一條指令分為幾個機器周期。每個機器周期完成一個基本操作。89C51每12個時鐘周期為1個機器