第2章單片機(jī)課件教材

2.189C51單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)

2.2

89C51的引腳

2.3

89C51的CPU

2.4

89C51的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

2.5并行I/O端口

2.6時(shí)鐘電路與時(shí)序

2.7復(fù)位操作和復(fù)位電路第2章

89C51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) 教學(xué)目標(biāo)：

理解單片機(jī)內(nèi)部組成及引腳；

理解89C51的CPU及存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)；

理解并行I/O端口；

理解時(shí)鐘電路與時(shí)序；

理解復(fù)位操作和復(fù)位電路。教學(xué)重點(diǎn)：

單片機(jī)內(nèi)部組成及引腳；

89C51的CPU及存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)；

并行I/O端口。教學(xué)難點(diǎn)：

存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)；

并行I/O端口。2.189C51單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)2.289C51的引腳

一.電源及時(shí)鐘引腳

1．電源引腳

（1）Vcc（40腳）：+5V電源；（2）Vss（20腳）：接地。2．時(shí)鐘引腳

（1）XTAL1（19腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器電路的輸入端。（2）XTAL2（18腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。二.控制引腳

ALE/:地址鎖存控制信號(hào)。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部ROM時(shí)，此信號(hào)有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。

/VPP：訪問程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。

RST/VPD：復(fù)位信號(hào)。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化。

三.I/O口引腳

P0.0～P0.7：P0口8位雙向口線。

P1.0～P1.7：P1口8位準(zhǔn)雙向口線。

P2.0～P2.7：P2口8位準(zhǔn)雙向口線。

P3.0～P3.7：P3口8位準(zhǔn)雙向口線。2.389C51的CPU

一.運(yùn)算器對(duì)操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算和位操作。1．算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU2．累加器A

使用最頻繁的寄存器，也可寫為Acc。

A的作用：（1）是ALU單元的輸入之一，又是運(yùn)算結(jié)果的存放單元。（2）數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器A。

A的進(jìn)位標(biāo)志Cy是特殊的，同時(shí)又是位處理機(jī)的位累加器。3．程序狀態(tài)字寄存器PSW

（1）Cy（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志位（2）Ac

(PSW.6)

輔助進(jìn)位標(biāo)志位（3）F0（PSW.5）標(biāo)志位由用戶使用的一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位。（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4組工作寄存器區(qū)選擇控制位1和位0。

RS1RS0所選的4組寄存器

000區(qū)（內(nèi)部RAM地址00H～07H）

011區(qū)（內(nèi)部RAM地址08H～0FH）

102區(qū)（內(nèi)部RAM地址10H～17H）

113區(qū)（內(nèi)部RAM地址18H～1FH）（5）OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位

（6）PSW.1位

保留位，未用（7）P(PSW.0)

奇偶標(biāo)志位

P=1，A中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)

P=0，A中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)二.控制器

1．程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）存放下一條要執(zhí)行的指令在程序存儲(chǔ)器中的地址。

基本工作方式有以下幾種：

（1）程序計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1

（2）執(zhí)行有條件或無條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，程序計(jì)數(shù)器將被置入新的數(shù)值，從而使程序的流向發(fā)生變化。（3）在執(zhí)行調(diào)用子程序調(diào)用或中斷調(diào)用，完成下列操作： ①PC的現(xiàn)行值保護(hù)②將子程序的入口地址或中斷向量的地址送PC。

2．指令寄存器IR、指令譯碼器及控制邏輯電路2.489C51存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

采用哈佛（Har-vard）結(jié)構(gòu)

1.程序存儲(chǔ)器

2.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

3.特殊功能寄存器（SFR)

4.位地址空間

5.外部數(shù)據(jù)寄存器

89C51單片機(jī)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)物理上分為：4個(gè)空間

片內(nèi)ROM、片外ROM

片內(nèi)RAM、片外RAM邏輯上分為：3個(gè)空間，

程序內(nèi)外存（片內(nèi)、外）統(tǒng)一編址

MOVC

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（片內(nèi)）

MOV

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（片外）

MOVX

一.程序存儲(chǔ)器

存放應(yīng)用程序和表格之類的固定常數(shù)。 分為片內(nèi)和片外兩部分，由EA*引腳上所接的電平確定。

程序存儲(chǔ)器中的0000H地址是系統(tǒng)程序的啟動(dòng)地址

5個(gè)單元具有特殊用途--中斷源的中斷入口地址 外中斷00003H

定時(shí)器T0000BH

外中斷1

0013H

定時(shí)器T1001BH

串行口0023H二.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

00H～1FH：32個(gè)單元是4組通用工作寄存器區(qū)20H～2FH：16個(gè)單元可進(jìn)行共128位的位尋址30H～7FH：用戶RAM區(qū)，只能進(jìn)行字節(jié)尋址，用作數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及堆棧區(qū)。三.特殊功能寄存器SFR1、算術(shù)運(yùn)算寄存器√（1）累加器A√（2）B寄存器：乘、除法運(yùn)算用√（3）程序狀態(tài)字PSW寄存器：包含程序運(yùn)行狀態(tài)信息。2、指針寄存器（1）堆棧指針SP

指明棧頂元素的地址，8位，可軟件設(shè)置初值，復(fù)位時(shí)SP=07H（2）數(shù)據(jù)指針DPTR @R0、@R1、@DPTR；指明訪問的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的單元地址，16位，尋址范圍64KB。

DPTR=DPH+DPL，也可單獨(dú)使用。3、并行輸入/輸出端口√寄存器P0、P1、P2、P3實(shí)為相應(yīng)端口鎖存器。4、串行輸入/輸出端口（1）串行數(shù)據(jù)緩沖器

SBUF：是物理上獨(dú)立的兩個(gè)寄存器，共同使用一個(gè)地址?！蹋?）串行控制/狀態(tài)寄存器SCON：控制監(jiān)視串行口的工作狀態(tài)。（3）電源控制寄存器PCON：控制單片機(jī)的低功耗工作方式及波特率選擇。5、中斷系統(tǒng)√（1）中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP：2級(jí)優(yōu)先，可軟件設(shè)定；√（2）中斷允許寄存器IE6、定時(shí)/計(jì)數(shù)器（1）定時(shí)器方式寄存器：TMOD√（2）定時(shí)器控制寄存器：TCON（3）計(jì)數(shù)寄存器：TH0、TL0；TH1、TL1?？捎糜谠O(shè)定計(jì)數(shù)初值。堆棧指針SP

堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所謂堆棧就是只允許在其一端進(jìn)行數(shù)據(jù)插入和數(shù)據(jù)刪除操作的線性表。數(shù)據(jù)寫入堆棧稱為插入運(yùn)算（PUSH），也叫入棧。數(shù)據(jù)從堆棧中讀出稱之為刪除運(yùn)算（POP），也叫出棧。堆棧的最大特點(diǎn)就是“后進(jìn)先出”的數(shù)據(jù)操作規(guī)則，常把后進(jìn)先出寫為L(zhǎng)IFO（LastInFirstOut），進(jìn)與出就是數(shù)據(jù)的入棧和出棧。即先入棧的數(shù)據(jù)存放在棧底，后出棧；而后入棧的數(shù)據(jù)存放棧頂，先出棧。堆棧結(jié)構(gòu)圖堆棧的功能堆棧是為子程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)立的。其具體功能有兩個(gè)：

保護(hù)斷點(diǎn)

保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)堆棧的開辟 89C51的堆棧在內(nèi)部RAM中采用內(nèi)堆棧形式。內(nèi)堆棧的主要優(yōu)點(diǎn)是操作速度快，但堆棧容量有限。

堆棧指示器堆棧共有兩種操作：進(jìn)棧和出棧。但不論是數(shù)據(jù)進(jìn)棧還是數(shù)據(jù)出棧，都是棧頂單元進(jìn)行的，即對(duì)棧頂單元的寫和讀操作。為了指示棧頂?shù)刂?，，要設(shè)置堆棧指示器SP（StackPointer），SP的內(nèi)容就是堆棧棧頂?shù)拇鎯?chǔ)單元地址。

89C51單片機(jī)由于堆棧設(shè)在內(nèi)部RAM中，因此SP是一個(gè)8位專用寄存器。系統(tǒng)復(fù)位后SP的內(nèi)容為07H。堆棧最好在內(nèi)部RAM的30H～7FH單元中開辟，在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把SP值設(shè)置為30H以后。

堆棧使用方式堆棧的使用有兩種方式。一種是自動(dòng)方式，即在調(diào)用子程序或中斷時(shí)，返回地址（斷點(diǎn)）自動(dòng)進(jìn)棧。程序返回時(shí)，斷點(diǎn)再自動(dòng)彈回PC。這種堆棧操作無需用戶干預(yù)，因此稱為自動(dòng)方式。另一種是指令方式，即使用專用的堆棧操作指令，進(jìn)行進(jìn)出棧操作。其進(jìn)棧指令為PUSH，出棧指令為POP。例如現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)就是一系列指令方式的進(jìn)棧操作；而現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)則是一系列指令方式的出棧操作。四.位地址空間五.外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（1）容量最大擴(kuò)展到64KB（2）尋址范圍：0000H~FFFFH（3）尋址方式：間接尋址可用R0，R1及DPTR

注意事項(xiàng)：(1)地址的重疊性

程序存儲(chǔ)器（ROM）與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）全部64K字節(jié)地址空間重疊)。程序存儲(chǔ)器（ROM）與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）在使用上是嚴(yán)格區(qū)分的。(3)位地址空間共有兩個(gè)區(qū)域，(4)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中，RAM與I/O端口統(tǒng)一編址。 所有外圍I/O端口的地址均占用RAM地址單元，使用與訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相同的傳送指令。

2.5并行I/O端口

4個(gè)雙向的8位并行I/O端口(Port)，記作P0～P3屬于特殊功能寄存器，可位尋址。

一.P0端口

1、作為通用I/O端口（輸出）作為通用I/O端口（輸入：讀引腳）作為通用I/O端口（輸入：讀鎖存器）2、作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口（輸出：地址線0）作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口（輸出：地址線1）作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口（輸入：數(shù)據(jù)線）二.P1端口三.P2端口

四.P3端口P3口的第二功能定義

口引腳第二功能

P3.0 RXD（串行輸入口）

P3.1 TXD（串行輸出口）

P3.2 INT0*

（外部中斷0）

P3.3 INT1*

（外部中斷1）

P3.4 T0（定時(shí)器0外部計(jì)數(shù)輸入）

P3.5 T1（定時(shí)器1外部計(jì)數(shù)輸入）

P3.6 WR*

（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）

P3.7 RD*

（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

五.P0～P3端口功能總結(jié)（1）P0～P3口都是并行I/O口，都可用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出，但P0口和P2口除了可進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入/輸出外，通常用來構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線和地址總線。（2）在4個(gè)口中只有P0口是一個(gè)真正的雙向口，P1～P3口都是準(zhǔn)雙向口。（3）P3口的口線具有第二功能，為系統(tǒng)提供一些控制信號(hào)。因此在P3口電路增加了第二功能控制邏輯。這是P3口與其它各口的不同之處。

2.6時(shí)鐘電路與時(shí)序一.時(shí)鐘電路

時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，電路的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。1、內(nèi)部時(shí)鐘方式

內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。

2、外部時(shí)鐘方式

常用于多片89C51單片機(jī)同時(shí)工作。3、時(shí)鐘信號(hào)的輸出

為應(yīng)用系統(tǒng)中的其它芯片提供時(shí)鐘，但需增加驅(qū)動(dòng)能力。

二.機(jī)器周期、指令周期與指令時(shí)序1、時(shí)鐘周期

單片機(jī)的基本時(shí)間單位。若時(shí)鐘的晶體的振蕩頻率為fosc，則時(shí)鐘周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。2、機(jī)器周期 CPU完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間稱為機(jī)器周期。執(zhí)行一條指令分為幾個(gè)機(jī)器周期。每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。89C51單片機(jī)每12個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期，

一個(gè)機(jī)器周期又分為6個(gè)狀態(tài)：S1～S6。每個(gè)狀態(tài)又分為兩拍：P1和P2。因此，一個(gè)機(jī)器周期中的12個(gè)時(shí)鐘周期表示為：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P2。

3、指令周期

執(zhí)行任何一條指令時(shí)，都可分為取指令階段和指令執(zhí)行階段。

取指令階段，PC中地址送到程序存儲(chǔ)器，并從中取出需要執(zhí)行指令的操作碼和操作數(shù)。

指令執(zhí)行階段，對(duì)指令操作碼進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生一系列控制信號(hào)完成指令的執(zhí)行。

ALE信號(hào)是為地址鎖存而定義的，以時(shí)鐘脈沖1/6的頻率出現(xiàn)，在一個(gè)機(jī)器周期中，ALE信號(hào)兩次有效（但要注意，在執(zhí)行訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的指令MOVX時(shí)，將會(huì)丟失一個(gè)ALE脈沖）2.7復(fù)位操作和復(fù)位電路一.