單片機技術(shù)基礎(chǔ)優(yōu)秀公開課

第2章單片機硬件結(jié)構(gòu)單片機技術(shù)基礎(chǔ)2.189C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點2.289C51單片機引腳及其功能2.389C51存儲器配置2.4CPU時序2.5復(fù)位及復(fù)位電路2.689C51單片機的低功耗工作方式2.7輸出/輸入端口結(jié)構(gòu)2.8思考題與習(xí)題4/11/20231

熟悉芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理掌握存儲器配置及特點掌握21個特殊功能寄存器（SFR）的功能掌握復(fù)位電路及堆棧的概念掌握各個引腳的功能，達(dá)到會應(yīng)用的目的了解CPU時序及單片機的工作過程了解并行I/O端口內(nèi)部結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)目的和要求4/11/20232

將電子產(chǎn)品抽象成一個硬件的模型，大約有以下組成：1)輸入2)處理核心3)輸出輸入基本可能有：1)鍵盤2)串行接口（RS232/485/canbus/以太網(wǎng)/USB）3)開關(guān)量（TTL，電流環(huán)路，干接點）4)模擬量（4~20ma、0~10ma、0~5V（平衡和非平衡信號））輸出的基本組成：1)串行接口（RS232/485/canbus/以太網(wǎng)/USB）2)開關(guān)量（TTL、電流環(huán)路、干接點、功率驅(qū)動）3)模擬量（4~20ma，0~10ma，0~5V（平衡和非平衡信號））4)LED顯示：發(fā)光管等5)液晶顯示器6)蜂鳴器處理核心主要有：1)8位單片機，主要就是51系列2)32位arm單片機，主要有atmel和三星系列4/11/20233

2.1.189C51單片機的基本組成

2.1.289C51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.189C51單片機的結(jié)構(gòu)4/11/20235

MCS-51系列單片機為Intel公司產(chǎn)品,1980年推出。MCS-51系列單片機有:8051,8751,803180c51BH,80c31BH…它們的基本組成、基本性能和指令系統(tǒng)都是相同的。89C51單片機是ATNMEL、PHILIPS、SST公司的產(chǎn)品：89C51＝80C51＋373＋FlashROM價格便宜，得到更廣泛的應(yīng)用。4/11/202362.1.189C51單片機的基本組成80C51CPU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4KBROM可編程全雙工串行口外中斷內(nèi)中斷控制并行口串行通信外部時鐘源外部事件計數(shù)輸入89C51單片機結(jié)構(gòu)框圖4/11/20237

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

可實現(xiàn)單片機與單片機或與其它微機之間串行通信。一個全雙工UART的串行I/O口:但需外接晶振和電容。片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路:五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)。2個外中斷，2個定時/計數(shù)器中斷，1個串行口中斷4/11/2023951系列單片機的溫度適用范圍為：民品（商業(yè)用）0～70°C

工業(yè)品－40～＋85°C

軍品－55～＋125°C

與8051相比，89C51具有兩種用軟件選擇的節(jié)電工作方式：

空閑方式：CPU停止工作，RAM、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等繼續(xù)工作。

掉電方式：片內(nèi)振蕩器停止，所以系統(tǒng)不能工作，僅保存RAM中內(nèi)容。

第2章89C51單片機硬件結(jié)構(gòu)和原理4/11/202310如表2－1所示MCS-51系列單片機的性能表

表中型號帶“C”表示所用的是CMOS工藝，具有功耗低的優(yōu)點。4/11/202311P0驅(qū)動器P2驅(qū)動器P0鎖存器P2鎖存器RAM地址寄存器128BRAM4KBFlashROMB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(qū)動器P3鎖存器P3驅(qū)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-P1.7XTAL1XTAL2PSENALEEARET4/11/202313（一）、中央處理單元（CPU）運算器控制器單片機中的中央處理器(CPU)和通用微處理器基本相同，只是增設(shè)了“面向控制”的處理功能。例如：位處理、查表、多種跳轉(zhuǎn)、乘除法運算、狀態(tài)檢測、中斷處理等，增強了實時性。CPU1．運算器+、–、×、÷算術(shù)運算，與、或、非、異或邏輯運算，循環(huán)移位、位處理（1）算術(shù)邏輯運算單元ALU(8位)：4/11/202314

（2）8位累加器ACC（A）：它經(jīng)常作為一個運算數(shù)經(jīng)暫存器2進(jìn)入ALU的輸入端，與另一個來自暫存器1的運算數(shù)進(jìn)行運算，運算結(jié)果又送回ACC。指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)信息供程序查詢和判別用。（3）8位程序狀態(tài)寄存器PSW：（4）8位寄存器B：

在乘除運算時，用來存放一個操作數(shù)也用來存放運算后的一部分結(jié)果；如不能做乘除運算時，作為通用寄存器4/11/202315（1）程序計數(shù)器PC（16位）由兩個8位計數(shù)器PCH、PCL組成。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片內(nèi)RAM尋址。2．控制器（2）指令寄存器IR及指令譯碼器ID由PC中的內(nèi)容指定ROM地址，取出來的指令經(jīng)IR送至ID，由ID對指令譯碼產(chǎn)生一定序列的控制信號，以執(zhí)行指令所規(guī)定的操作。4/11/202317（3）振蕩器和定時電路89C51單片機片內(nèi)有振蕩電路，只需外接石英晶體和2個頻率微調(diào)電容（30pF左右），產(chǎn)生頻率范圍為1.2MHz~12MHz。該信號就作為89C51工作的基本節(jié)拍（時間的最小單位）。4/11/202318（二）存儲器程序存儲器（ROM）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）存儲器普林斯頓結(jié)構(gòu)：

程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲器邏輯空間，統(tǒng)一編址。哈佛結(jié)構(gòu)：

程序與數(shù)據(jù)分為兩個獨立存儲器邏輯空間，分開編址?！?9C51存儲器屬于哈佛結(jié)構(gòu)：包含4KB程序存儲器FlashROM包含128B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器。4/11/202319

2.289C51單片機引腳及其功能

89C51單片機引腳圖4/11/202321一.電源引腳：Vcc和Vss1．Vcc(40腳)：電源端，為+5V。2．Vss(20腳)：接地端。二.時鐘電路引腳：XTAL1和XTAL2XTAL2（18腳）:接外部晶體和微調(diào)電容的一端。是89C51片內(nèi)振蕩器反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。當(dāng)采用外部時鐘時，此腳懸空。若89C51正常工作時，該引腳應(yīng)有脈沖信號輸出。P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS1234567891011121314151617181920VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALE/PROGPSENEA/VPP313029282726252423222140393837363534333280C514/11/202322

XTAL1（19腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸入端，在采用外部時鐘時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS1234567891011121314151617181920VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALE/PROGPSENEA/VPP313029282726252423222140393837363534333280C514/11/202323

三、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和EARST/VPD（9腳）：復(fù)位/后備電源輸入時鐘信號正常時，該引腳高電平時,單片機進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)（RST);當(dāng)VCC掉電時，該引腳作為后備電源輸入，以保持片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)不丟失（VPD）。ALE/PROG（30腳）：地址鎖存允許/編程脈沖輸入端ALE：地址鎖存允許信號端。正常工作時，該引腳以振蕩頻率的1/6固定輸出正脈沖。CPU訪問片外存儲器時，該引腳輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。它的負(fù)載能力為8個LS型TTL負(fù)載。PROG：是對片內(nèi)帶有4KBFlashROM編程寫入時的編程脈沖輸入端。4/11/202325PSEN（29腳）：程序存儲器允許信號輸出端。在訪問片外ROM時，定時輸出負(fù)脈沖作為讀片外ROM的選通信號，接片外ROM

的OE端。它的負(fù)載能力為8個LS型TTL負(fù)載。VPP：用于在對89C51的片內(nèi)FlashROM編程時，施加(12V～21V）的編程允許電源。EA＝1，CPU訪問片內(nèi)FlashROM，并執(zhí)行其指令。當(dāng)PC>0FFFH時（4KB）,自動轉(zhuǎn)向片外ROM。EA/VPP（31腳）——內(nèi)外程序存儲器選擇/編程電源輸入EA=0，不論片內(nèi)是否有存儲器，只執(zhí)行片外ROM的指令。4/11/202326

（3）

P1口（P1.0～P1.7，1～8pin，I/O）8位準(zhǔn)雙向I/O口。

輸出時，P1口的每一位能驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。

輸入時，先向P1口鎖存器寫入全1，此時將P1口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。第2章89C51單片機硬件結(jié)構(gòu)和原理（2）P2口（P2.0～P2.7，21～28，I/O)8位準(zhǔn)雙向I/O口，可用作8位數(shù)據(jù)輸入/輸出，同時也可用作外部地址總線的高8位。當(dāng)有外部存貯器時，用作高8位地址總線).當(dāng)無外部存貯器時，可用作一般I/O線。

（4）P3口（P3.0～P3.7，10～17pin，I/O）

8位準(zhǔn)雙向I/O端口。每位能驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。P3口除作為一般I/O口外，每個引腳都有第二功能。4/11/202329P3.0RXDP3.1TXDP3.2INT0P3.3INT1P3.4T0P3.5T1P3.6WRP3.7RD串行口輸入/

輸出端外部中斷輸入定時/計數(shù)器的計數(shù)脈沖輸入片外RAM讀/寫信號P3口第二功能：系統(tǒng)控制信號，定義如下：任意一位不用于第二功能（首選）時，可用于第一功能。第2章89C51單片機硬件結(jié)構(gòu)和原理4/11/202330

2.389C51存儲器配置89C51存儲器程序存儲器ROM數(shù)據(jù)存儲器ROM片內(nèi)程序存儲器片外程序存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器物理結(jié)構(gòu)（哈佛結(jié)構(gòu)）4/11/202331128B128BSFR片外64KB片內(nèi)外程序存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器0000HFFFFH提示：CPU訪問片內(nèi)、外ROM用指令MOVC片外RAM用指令MOVX片內(nèi)RAM用指令MOV片外60KB片外60KB片內(nèi)4KBFFFFH0000H0000H0FFFH1000HFFFFHEA=1EA=000H7FH80HFFH4/11/2023322.3.1程序存儲器用于存放程序和常數(shù)表。含4KBFlashROM，當(dāng)EA=1時，片內(nèi)程序存儲器被允許（地址為0000~0FFFH時自動訪問片內(nèi)，地址為1000H~FFFFH時自動訪問片外）。當(dāng)EA=0時，片內(nèi)程序存儲器被禁止。片外60KB片外60KB片內(nèi)4KBFFFFH0000H0000H0FFFH1000HFFFFHEA=1EA=0片內(nèi)片外統(tǒng)一編址：0000H~FFFFH4/11/202333中斷向量表0023H串行口中斷001BH定時器1溢出中斷0013HINT1中斷000BH定時器0溢出中斷0003HINT0中斷中斷入口地址中斷源0003H～002AH均勻地分為5段，為5個中斷服務(wù)程序起始處。因為字節(jié)單元太少，所以常在這些存儲單元中存放轉(zhuǎn)移指令。片內(nèi)ROM和片外ROM取指的速度相同。應(yīng)盡量避免外擴程序存儲器芯片而增加硬件的負(fù)擔(dān).在極特殊的情況下,才應(yīng)外擴程序存儲器芯片執(zhí)行外部程序.程序存儲器的低地址的40多個單元留給系統(tǒng)使用。4/11/2023342.3.2數(shù)據(jù)存儲器地址空間用于存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。1.片外RAM

0000H～FFFFH，使用MOVX指令訪問。2.片內(nèi)RAM

00H～FFH，使用MOV指令訪問。4/11/202335安排了21個SFR地址分布離散32個字節(jié)通用Reg.區(qū)即可字節(jié)尋址，又可位尋址.80字節(jié)RAM區(qū)由PSW中RS1、RS0組合來決定選中當(dāng)前組CPU上電時選中0組；未用到的組可作為RAM用.程序執(zhí)行的任何時刻，只能用一組。4/11/202336圖2－8低128字節(jié)RAM區(qū)圖2－9高128字節(jié)RAM區(qū)(SFR區(qū))第2章89C51單片機硬件結(jié)構(gòu)和原理4/11/2023371)低128字節(jié)RAM89C51的32個工作寄存器與RAM安排在同一個隊列空間里，統(tǒng)一編址并使用同樣的尋址方式(直接尋址和間接尋址)。00H～1FH地址安排為4組工作寄存器區(qū)，每組有8個工作寄存器(R0～R7)，共占32個單元。通過對程序狀態(tài)字寄存器PSW中RS1、RS0的設(shè)置，每組寄存器均可選作CPU的當(dāng)前工作寄存器組。若程序中并不需要4組，那么其余可用作一般RAM單元。CPU復(fù)位后，選中第0組寄存器為當(dāng)前的工作寄存器。工作寄存器區(qū)后的16字節(jié)單元(20H～2FH)，可用位尋址方式訪問其各位。在89系列單片機的指令系統(tǒng)中，還包括許多位操作指令，這些位操作指令可直接對這128位尋址。這128位的位地址為00H～7FH。4/11/2023382)高128字節(jié)RAM——特殊功能寄存器(SFR)89C51片內(nèi)高128字節(jié)RAM中，有21個特殊功能寄存器(SFR)，它們離散地分布在80H～FFH的RAM空間中。訪問特殊功能寄存器只允許使用直接尋址方式。(1)累加器ACC(E0H)累加器ACC是89C51最常用、最忙碌的8位特殊功能寄存器，許多指令的操作數(shù)取自于ACC，許多運算中間結(jié)果也存放于ACC。在指令系統(tǒng)中用A作為累加器ACC的助記符。4/11/202339(2)寄存器B(F0H)在乘、除指令中，用到了8位寄存器B。乘法指令的兩個操作數(shù)分別取自A和B，乘積存于B和A兩個8位寄存器中。除法指令中，A中存放被除數(shù)，B中放除數(shù)，商存放于A，B中存放余數(shù)。在其他指令中，B可作為一般通用寄存器或一個RAM單元使用。(3)程序狀態(tài)寄存器PSW(D0H)PSW是一個8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序執(zhí)行后的狀態(tài)信息，供程序查詢或判別之用。PSW除有確定的字節(jié)地址(D0H)外，每一位均有位地址。4/11/202340

PXOVRS0RS1F0ACCYPSW(D0H)進(jìn)借位標(biāo)志，位地址D7H位操作時的位累加器。CY——AC——半進(jìn)位標(biāo)志。FO——用戶標(biāo)志位(用戶可設(shè)置其為0或1)RS1、RSO——選擇工作Reg.區(qū)OV——溢出標(biāo)志P——奇偶標(biāo)志，運行結(jié)果有奇數(shù)個1，P=1；否則P=0。4/11/202341CY(PSW.7)：進(jìn)位標(biāo)志位。在執(zhí)行加法(或減法)運算指令時，如果運算結(jié)果最高位(位7)向前有進(jìn)位(或借位)，則CY位由硬件自動置1；如果運算結(jié)果最高位無進(jìn)位(或借位)，則CY清0。CY也是89C51在進(jìn)行位操作(布爾操作)時的位累加器，在指令中用C代替CY。AC(PSW.6)：半進(jìn)位標(biāo)志位，也稱輔助進(jìn)位標(biāo)志。當(dāng)執(zhí)行加法(或減法)操作時，如果運算結(jié)果(和或差)的低半字節(jié)(位3)向高半字節(jié)有半進(jìn)位(或借位)，則AC位將被硬件自動置1；否則AC被自動清0。F0(PSW.5)：用戶標(biāo)志位。用戶可以根據(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，以作為軟件標(biāo)志。4/11/202342RS0和RS1(PSW.3和PSW.4)：工作寄存器組選擇控制位。這兩位的值可決定選擇哪一組工作寄存器為當(dāng)前工作寄存器組。通過用戶用軟件改變RS1和RS0值的組合，以切換當(dāng)前選用的工作寄存器組。89C51上電復(fù)位后，RS1=RS0=0，CPU自動選擇第0組為當(dāng)前工作寄存器組。根據(jù)需要，可利用傳送指令對PSW整字節(jié)操作或用位操作指令改變RS1和RS0的狀態(tài)，以切換當(dāng)前工作寄存器組。這樣的設(shè)置為程序中保護(hù)現(xiàn)場提供了方便。4/11/202343OV(PSW.2)：溢出標(biāo)志位。當(dāng)進(jìn)行補碼運算時，如有溢出，即當(dāng)運算結(jié)果超出－128～＋127的范圍時，OV位由硬件自動置1；無溢出時，OV=0。PSW.1：為保留位。89C51未用，89C52為F1用戶