單片機硬件結(jié)構(gòu)和原理

§2.1 89C51單片機芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點§2.2 89C51單片機引腳及其功能§2.3 89C51單片機存儲器配置§2.4 時鐘電路及89C51CPU§2.5 復位操作§2.6 89C51單片機的低功耗工作方式返回第2章 89C51單片機的結(jié)構(gòu)和原理§2.7 輸出/輸入端口結(jié)構(gòu)5/21/2024§2.1 89C51單片機芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點返回89C51單片機結(jié)構(gòu)框圖A89C51CPU振蕩器和時鐘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4KBFLASHROM可編程全雙工串行口內(nèi)外中斷源控制并行口串行通信外部時鐘源外部事件計數(shù)片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，需外接晶振和電容。片內(nèi)4kB/8kBFlashROM，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。128B/256B片內(nèi)RAM，用以存放運算的中間結(jié)果等都可以設(shè)置成計數(shù)/定時方式，完成對外部事件進行計數(shù)或?qū)崿F(xiàn)定時控制。8位CPU。指令簡單，實現(xiàn)加減乘除運算、邏輯運算和強大的位控制功能。四個8位并行I/O口P0~P3，或32位獨立的I/O口，可以用作輸入，也可以用作輸出。一個全雙工UART的串行I/O口，可實現(xiàn)單片機與單片機或其它微機之間串行通信。用于外部ROM、RAM或外設(shè)的擴展。五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)。5/21/2024二、89C51系列單片機的性能1）

89C51單片機與8051相比，具有節(jié)電工作方式，即休閑方式及掉電方式。2）89C51是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計的，其工作頻率可下降到0Hz。在空閑方式中，CPU停止工作，而RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。此時的電流可降到大約為正常工作方式的15%。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一次硬件復位為止。這種方式下的電流可降到15μA以下，最小可降到0.6μA。3）89C51單片機還有一種低電壓的型號，即89LV51，除了電壓范圍有區(qū)別之外，其余特性與89C51完全一致。89C51采用5V電源，89LV采用512.7~6V電源。4）89C51/LV51是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機。它采用了CMOS工藝和高密度非易失性存儲器（NURAM）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS51兼容；片內(nèi)的FlashROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。因此89C51/LV51是一種功能強、靈活性高，且價格合理的單片機，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。返回5/21/2024§2.1.289C51單片機芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)圖二、結(jié)構(gòu)組成返回5/21/2024P0驅(qū)動器P2驅(qū)動器P0鎖存器P2鎖存器RAM地址寄存器128BRAM4KBROMB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-P1.7XTAL1XTAL2PSENALEEARESET89C51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖返回運算器控制器存儲器I/O接口5/21/20241、中央處理單元（89C51CPU）：運算器+控制器返回1）8位的ALU：可對4位、8位、16位數(shù)據(jù)進行操作。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進入ALU的輸入端，與另一個來自暫存器1的運算數(shù)進行運算，運算結(jié)果又送回ACC。3）8位程序狀態(tài)寄存器PSW：指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)信息供程序查詢和判別用。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。5）布爾處理器：專門用于處理位操作的，以PSW中的C為其累加器。6）2個8位暫存器：ALU的兩個入口處。（1）運算器二、結(jié)構(gòu)組成：CPU+存儲器+I/O接口5/21/20242）控制器（1）程序計數(shù)器PC（16位）：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和片外RAM直接尋址，不可對89C51片內(nèi)RAM尋址。由兩個8位計數(shù)器PCH、PCL組成。（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。（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頻率微調(diào)電容（2個30pF左右），其頻率范圍為1.2MHz-12MHz。該信號作為89C51工作的基本節(jié)拍，即時間的最小單位。返回5/21/20242、存儲器1）程序存儲器（ROM）89C51片內(nèi)為4kBFlashROM。地址從0000H開始。用于存放程序和表格常數(shù)。2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）89C51RAM均為128B，地址為00H～7FH。用于存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存以及數(shù)據(jù)緩沖等。128B的RAM=工作寄存器組+位尋址空間+普通RAM+堆棧。片內(nèi)還有21個特殊功能寄存器（SFR），它們同128字節(jié)RAM統(tǒng)一編址，地址為80H～FFH。3、I/O接口89C51有四個8位并行I/O接口P0～P3。它們都是雙向端口，每個端口各有8條獨立的I/O口線。P0-P3口四個鎖存器同RAM統(tǒng)一編址，可作為SFR來尋址。返回5/21/20242.2 89C51單片機引腳及其功能§2.2.189C51單片機引腳§2.2.289C51單片機引腳功能返回5/21/2024§2.2.1 89C51單片機引腳下圖是89C51/LV51的引腳結(jié)構(gòu)圖，有雙列直插封裝(DIP)方式和方形封裝方式。返回2.2 89C51單片機引腳及其功能5/21/2024§2.2.289C51單片機引腳功能一、電源引腳：Vcc(40腳)+5V電源端，Vss(20腳)：接地端。二、時鐘電路引腳：XTAL1和XTAL2XTAL2（18腳）、XTAL1（19腳）：分別接外部晶體和微調(diào)電容的一端，為單片機提供時鐘；三、控制信號引腳RST、ALE、PSEN和EARST（9腳）：復位信號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持兩個機器周期的高電平時，就可以完成復位操作。ALE（30腳）：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。PSEN（29腳）：程序存儲器允許信號輸出端。在訪問片外ROM時，定時輸出負脈沖作為讀片外ROM的選通信號，接片外ROM的OE端。EA（31腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端。EA=1：CPU訪問片內(nèi)ROM并執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器中的指令，但當PC值超過0FFFH（片內(nèi)ROM為4KB）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外ROM中的程序。EA=0：CPU只訪問片外ROM并執(zhí)行外部程序存儲器中的程序。返回5/21/2024四、I/O端口P0、P1、P2和P31、均可字節(jié)訪問。2、均可分為8位獨立的I/O口使用。3、準雙向：當I/O口作為輸入時，應(yīng)先向此口鎖存器寫入全1，此時該口引腳浮空，可作高阻抗輸入。返回5/21/2024P3端口引腳與復用功能表5/21/2024§2.3 89C51存儲器配置§2.3.1 89C51存儲器分類§2.3.2 程序存儲器地址空間§2.3.3 數(shù)據(jù)存儲器地址空間返回5/21/2024§2.3.189C51存儲器分類返回片內(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89C51存儲器程序存儲器ROM數(shù)據(jù)存儲器RAM1、片內(nèi)、外統(tǒng)一編址的64kBROM地址空間。CPU訪問片內(nèi)、片外ROM用MOVC指令。2、64kB的片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間。訪問片外RAM指令用MOVX。3、256字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間。訪問片內(nèi)RAM指令用MOV。上述三個存儲空間地址是重疊的，須采用不同的數(shù)據(jù)傳送指令符號訪問。5/21/2024§2.3.2程序存儲器地址空間一、用途：用于存放編好的程序和表格常數(shù)。二、編址：89C51片內(nèi)FlashROM的容量為4kB。地址為0000H～0FFFH。片外最多可擴至64kBFLASH，地址為1000H～FFFFH。片內(nèi)外統(tǒng)一編址。三、尋址方式：1、當EA=“1”時：89C51的PC在0000～0FFFH范圍內(nèi)執(zhí)行片內(nèi)ROM中的程序，當指令地址超過0FFFH后就自動轉(zhuǎn)向片外ROM中取指令。2、當EA=”0”時：89C51片內(nèi)ROM不起作用，CPU只能從片ROM/EPROM中取指令。3、89C51從片內(nèi)ROM和片外ROM取指的速度相同。4、目前單片機通常只用內(nèi)部ROM，EA=“1”。返回5/21/2024四、程序存儲器的保留存儲單元返回1、0000H～0002H：因為復位后PC的內(nèi)容為0000H，CPU總是從0000H開始執(zhí)行程序。2、0003H～002AH：均分為五段，每段8字節(jié)，用作五個中斷服務(wù)程序的入口。中斷矢量地址表如下所示。5/21/2024中斷矢量表返回5/21/2024§2.3.3數(shù)據(jù)存儲器地址空間一、用途：用于存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，目前通常只用于測量數(shù)據(jù)的存儲。二、片外RAM：地址：0000H~FFFFH。尋址：只能用MOVX指令。三、片內(nèi)RAM：低128字節(jié)RAM（00H～7FH）：工作寄存器組+位尋址空間+普通RAM+堆棧。高128字節(jié)RAM（80H～FFH）：——特殊功能寄存器SFR區(qū)，只能用直接尋址！返回5/21/2024（一）片內(nèi)RAM地址空間尋址：用指令MOV最大可尋址256個單元。返回低128B（00H-7FH）：真正RAM區(qū)高128B（80H-FFH）：特殊功能寄存器（SFR）區(qū)地址：00H-FFH5/21/20241、工作寄存器區(qū)（00H~1FH）1）由四組工作寄存器組成，每組8個寄存器（R0-R7），共32個單元。2）通過程序狀態(tài)寄存器PSW中RS1、RS0兩位設(shè)定來選擇CPU的當前工作寄存器組。復位時，第0組為當前的工作寄存器。3）若不需要四組，則其余可作為一般RAM單元。返回5/21/20242、位尋址區(qū)（20H~2FH）位尋址區(qū)有16個單元，每個單元8位，共128位。位地址為00H-7FH。只能用位尋址方式（如置1、清0、判斷轉(zhuǎn)移等）訪問位地址空間。位尋址是89C51的一個重要特點。返回字節(jié)地址與位地址形式相同，只能用指令區(qū)分！MOV20H,30HMOVC,20H5/21/20243、用戶RAM區(qū)（30H~7FH）用于堆棧和臨時數(shù)據(jù)存儲。只能用字節(jié)尋址方式尋址。未用的工作寄存器區(qū)和位尋址區(qū)空間可以用作用戶RAM區(qū)返回5/21/2024（三）高128字節(jié)RAM（80H~FFH）返回有21個特殊功能功能寄存器。地址分布在80H～FFH的RAM空間。只能用直接尋址方式。字節(jié)地址能被8整除的11個SFR具有位尋址能力(*號)。5/21/2024特殊功能寄存器地址表返回5/21/2024部分特殊功能寄存器介紹1.累加器ACC（E0H）：用A作為ACC的助記符。用于存放第一個運算操作數(shù)及運算結(jié)果。2.寄存器B（F0H）：在乘法指令中，B用于存放乘數(shù)和乘積的高8位。在除法指令中用于存放除數(shù)和余數(shù)。在其它指令中用作一般的寄存器或RAM單元。3.堆棧指針SP（81H）：堆棧：在片內(nèi)RAM中，開辟的一個按“后進先出”的結(jié)構(gòu)方式處理數(shù)據(jù)的區(qū)域。用于調(diào)用子程序或中斷保護現(xiàn)場。

SP的內(nèi)容必須指向片內(nèi)RAM00H—7FH的某個單元。系統(tǒng)復位時，SP初始化為07H。堆棧的操作：進棧：SP+1，內(nèi)容進棧。出棧：內(nèi)容出棧，SP-1，。返回5/21/2024PSW包含了程序執(zhí)行后的狀態(tài)信息，供程序查詢或判斷用。返回PSW程序狀態(tài)寄存器（D0H）ACCYP—OVRS0RS1F0PSW（D0H）D7D6D5D4D3D2D1D0（1）CY位：進（借）位標志位。加法有進位，減法有借位，CY=1；否則，CY=0。在位操作指令中，CY位是布爾累加器，用C表示。（2）AC位：半進位標志位（輔助進位標志）。執(zhí)行加法（減法）運算指令時，如運算結(jié)果的低半字節(jié)（D3）向高半字節(jié)有進位（借位），AC=1；否則，AC=0。（3）FO位：用戶標志。由用戶自己定義、置位、復位，以作為軟件標志。（4）RS1、RS0位：工作寄存器組選擇控制位。由用戶用軟件改變RS0和RS1的值，以切換當前選用的工作寄存器組。上電復位時，RS1=RS0=0，CPU選擇第0組為當前工作寄存器組。（5）OV位：溢出標志位。有符號數(shù)運算出錯，OV=1；否則，OV=0。（6）PSW.1：為保留位。（7）P位：奇偶檢驗位。每條指令執(zhí)行后，A中“1”的個數(shù)為奇數(shù)，則P=1；5/21/2024RS1 RS0 寄存器組 片內(nèi)RAM地址0 0 第0組 00H～07H 0 1 第1組 08H～0FH 1 0 第2組 10H～17H 1 1 第3組 18H～1FH 表2-8RS0，RS1的組合關(guān)系返回5/21/2024返回數(shù)據(jù)指針DPTR（83H，82H）：DPTR是唯一一個可直接訪問的16位特殊功能寄存器。由DPH（83H），DPL（82H）組成。DPH，DPL可以單獨使用。I/O端口P0、P1、P2、P3（80H、90H、A0H、B0H）：為四個并行I/O端口的鎖存器。每個口鎖存器分別對應(yīng)8個位地址，所以每一條I/O線可獨立輸入或輸出。5/21/2024返回一、振蕩周期：石英晶體的固有周期。為最小的時序單位。二、狀態(tài)周期S：振蕩周期2分頻。由時鐘信號P1和P2組成?！?.4時鐘電路及89C51CPU時序

§2.4.1片內(nèi)時鐘信號的產(chǎn)生5/21/2024三、機器周期：是指CPU訪問存儲器一次所需的時間。例如，取指令、讀存儲器、寫存儲器等等。

51單片機的一條指令由若干個字節(jié)組成。執(zhí)行一條指令需要多長時間則以機器周期為單位。一個機器周期包括12個振蕩周期，分為6個S狀態(tài)：S1~S6。四、指令周期：執(zhí)行一條指令所需的時間。每條指令都由一個或幾個機器周期組成。每條指令由一個或若干個字節(jié)組成。有單字節(jié)指令，雙字節(jié)指令，…多字節(jié)指令等。字節(jié)數(shù)少則占存儲器空間少。每條指令的指令周期都由一個或幾個機器周期組成。有單周期指令、雙周期指令、和四周期指令。機器周期數(shù)少則執(zhí)行速度快。返回5/21/2024外接晶振頻率12MHz時的各種時序單位的大小。

振蕩周期=1/fOSC=1/12MHz=0.0833μs 狀態(tài)周期=2/fOSC=2/12MHz=0.167μs 機器周期=12/fOSC=12/12MHz=1μs 指令周期=（1～4）機器周期=1～4μs返回基本時序定時單位89C51單片機各種周期的相互關(guān)系5/21/2024返回§2.4.2CPU取指、執(zhí)指時序5/21/2024§2.5 復位操作

2.5.1 復位操作的主要功能一、復位：單片機的初始化操作。將所需的內(nèi)部資源設(shè)置為規(guī)定的狀態(tài)，使單片機工作不會產(chǎn)生二義性，程序地址指針PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)死鎖狀態(tài)時，需要復位后重新啟動。返回5/21/2024§2.5.2 復位信號及其產(chǎn)生一、復位信號：當RST引腳為高電平，且有效時間持續(xù)24個fOSC以上，才能復位。二、產(chǎn)生復位信號的電路邏輯圖：返回VCCCRVCCRST/VPDVSS1KΩ22μF89C51VCCCR2VCCRST/VPDVSS1KΩ22μF89C51R1200ΩRESET上電自動復位手動復位5/21/2024§2.6 89C51單片機的低功耗工作方式1、提供兩種節(jié)電工作方式，即空閑（等待、待機）方式和掉電（停機）工作方式。2、空閑方式：CPU停止工作；振蕩器仍繼續(xù)運行；中斷、串行口和定時器等環(huán)節(jié)在時鐘控制下正常運行；內(nèi)部資源狀態(tài)不變。3、掉電方式：振蕩器凍結(jié)。內(nèi)部RAM區(qū)和特殊功能寄存器的內(nèi)容被保留。4、硬件復位（2個機器周期以上）或中斷請求被響應(yīng)都可以退出空閑工作方式，進入工作狀態(tài)，CPU從進入空閑方式的下一條指令開始重新執(zhí)行程序。退出掉電方式的惟一方法是由硬件復位，復位后將所有特殊功能寄存器的內(nèi)容初始化，但不改變片內(nèi)RAM區(qū)的數(shù)據(jù)。返回5/21/2024§2.7 輸出/輸入端口結(jié)構(gòu)返回1．89C51單片機有四個8位并行I/O端口：P0、P1、P2和P3。2．每個端口都是8位準雙向口，共占32根引腳。3．每一條I/O線都能獨立地用作輸入或輸出。4．每個端口都包括一個鎖存器（即特殊功能寄存器P0~P3），一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器，作輸出是數(shù)據(jù)可以鎖存，作輸入時數(shù)據(jù)可以緩沖。5/21/2024§2.7.1P1口讀鎖存器、寫鎖存器、讀引腳信號由指令決定。MOVA,P1：讀引腳。ANLP1，A：讀鎖存器?！白x—修改—寫”操作MOVP1，A：寫鎖存器。P1口是一個準雙向口。在端口用作輸入時，必須先向?qū)?yīng)的鎖存器寫入1，使FET截止。當P1口輸出高電平時，能向外提供拉電流，不必接上拉電阻。返回5/21/2024§2.7.2P2口返回讀鎖存器、寫鎖存器、讀引腳信號由指令決定。在端口用作輸入時，必須先向?qū)?yīng)的鎖存器寫入1。通常內(nèi)部硬件自動使開關(guān)MUX倒向鎖存器的Q端，P2口為一般I/O口。使用“MOVXA,@Ri”指令：尋址范圍是256B，只需低8位地址線就可以實現(xiàn)。P2口不受該指令影響，仍可作通用I/O口。使用“MOVXA,@DPTR”指令：尋址范圍64KB，此時，高8位地址總線用P2口輸出。在片外RAM讀/寫周期內(nèi)，P2口鎖存器仍保持原來端口的數(shù)據(jù)；在訪問片外RAM周期結(jié)束后，多路開關(guān)MUX自動切換倒鎖存器Q端。通常無法再用作通用I/O口。5/21/2024返回§2.7.3P0口C=0C=1讀鎖存器、寫鎖存器、讀引腳信號由指令決定。控制C的狀態(tài)由指令決定：當P0為地址/數(shù)據(jù)總線時，C=1。在端口進行輸入操作前，應(yīng)先向端口鎖存器寫入1。當P0口被地址/數(shù)據(jù)總線占用時，不能作為I/O口使用。做I/O口時必須須外接上拉電阻。P0口用作輸出地址/數(shù)據(jù)總線：上下兩個FET處于反相，構(gòu)成推拉式的輸出電路（T1導通時上拉，T2導通時下拉），提高了負載驅(qū)動能力。5/21/2024讀鎖存器、寫鎖存器、讀引腳信號由指令決定。在端口進行輸入操作前，應(yīng)先向端口鎖存器寫入1。當P3口為通用I/O口時，由內(nèi)部硬件自動將第二功能輸出線W置1。當P3口用作第二功能線時，P3口不得輸出0，即Q=1。返回§2.7.4 P3口W5/21/2024P3口用作第二功能使用返回5/21/2024§2.7.5端口的負載能力和接口要求1、P0口：做I/O口時必須外接上拉電阻。

在端口進行輸入操作前，應(yīng)先向端口鎖存器寫入1。當作地址/數(shù)據(jù)總線時(片外擴展ROM或RAM的情況)，無須外接上拉電阻。每一位輸出可驅(qū)動8個LS型TTL負載。2、P1～P3口做I/O口時無需外接上拉電阻。在端口進行輸入操作前，應(yīng)先向端口鎖存器寫入1。每一位輸出可驅(qū)動4個LS型TTL