89C51单片机硬件结构和基本的原理

1、89C51单片机硬件结构和基本的原理主要掌握基本组成（内部资源）引脚存储器的配置I/O口的应用功能（以89C51（AT89C51、P89C51、STC89C51）为代表讲解）2.1 89C51单片机的基本组成1. 89C51单片机结构框图8位CPU256字节RAM4KB Flash ROM4个8位I/O口2个定时/计数器5个中断源1个全双工串行口片内振荡器和时钟产生电路（最高允许振荡频率为24MHz）节电工作方式（空闲、掉电）Flash ROM89C5189C51bus3. 89C51 CPU功能介绍由运算器和控制器构成运算器：进行算术运算、逻辑运算，由ALU、A、B、PSW、暂存器组成。控制

2、器：包括PC、IR、ID、振荡器和时钟电路单片机的核心ALU Arithmetic Logic Unit 算术/逻辑运算单元A 最忙碌的寄存器 累加器B 多用于乘除运算 寄存器PSW 用于指示指令执行后的状态信息， 可供程序查询和判别用。程序状态字寄存器PC Program Counter，下一条指令的地址。改变PC的内容可以改变程序运行方向。 IR Instruction Register 指令寄存器ID Instruction Decoder 指令译码器振荡器及时钟电路：提供片内时钟2.2 89C51单片机的引脚及功能MCS-51单片机信号引脚简介 P3口线的第二功能VCCVSSXTAL2

3、XTAL1RSTALE2、振荡电路：XTAL1、XTAL23、复位引脚：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址锁存控制信号1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地)EAPSEN5、EA：访问程序存储控制信号6、PSEN：外部ROM读选通信号RXD/TXD/INT0/ INT1/ T0/ T1/WR/ RD/123456789101112819204039383736353433323252424222180318051 875189C512.3 89C51单片机的存储器配置1. 存储器结构普林斯顿结构一般微机采用的结构ROM、RAM安排在同一个地址空间相同指令访问ROM、RA

4、M哈佛结构89C51采用此结构ROM和RAM占用不同的物理空间采用不同指令访问2. 89C51 存储空间物理结构ROM片内、片外RAM片内、片外逻辑结构（从用户使用的角度看）ROM： MOVC 0000-FFFFH片内RAM ：MOV 0000-00FFH片外RAM： MOVX 0000-FFFFH12345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM276412345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM2764123456789101112819204039383736353433

5、323252424222112345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 12345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 存储器80318751805189C51片内RAM片内ROM256B（字节）4K64K64K3. 程序存储器与ROM密切相关的两个引脚 、 通过16位PC寻址，最大可寻址64kB地址空间当ROM容量不够时，尽量选择高容量存储器空间的单片机，如89C52、89C54、89C58等，应避免外扩程序存储器，因为会增加硬件负担。程序存储器程序存储器内部外部

6、0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序执行的起始单元,在这三个单元存放一条无条件转移指令中断5中断4中断3中断2中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中断0定时器0中断外部中断1定时器1中断串行口中断8位0FFFH0FFEHEA=1 EA=0程序存储器资源分布中断入口地址4. 数据存储器如何区分0000-00FFH的地址空间是片内RAM还是片外RAM？片内RAM：低128B片内RAM 0000-007FH 高128B片内RAM 0080-00FFH片内、片外分开

7、编址SFR：特殊功能寄存器区0000HFFFFH(64K)内部外部数据存储器数据存储器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM专用寄存器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0区R0R7R0R7R0R7R0R71区2区3区工作寄存器区可位寻址区20H2FH7F 7807 0030H7FH数据缓冲区/堆栈区内部RAM存储器 1 1第 3 区18H1FH 0 1第 1 区08H0FHRS1 RS0寄存器区片内RAM地址 0 0第 0 区00H07H 1 0第 2 区10H17H工作寄存器区选择位RS0、RS1PSW位地址 CY ACF0RS1RS0OVF1PMSBMos

8、t Significant Bit （最高有效位）LSB Least Significant Bit （最低有效位）单元地址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F776F675F574F473F372F271F170F07 MSB 位地址 LSB7E766E665E564E463E362E261E160E067D756D655D554D453D352D251D150D057C746C645C544C443C342C241C140C047B736B635B534B433B332B231B130B037A726A625A524A423A

9、322A221A120A027971696159514941393129211911090178706860585048403830282018100800RAM位寻址区位地址表高128个单元离散分布有21个特殊功能寄存器SFR。 11个可以进行位寻址。特别提示：对SFR只能使用直接寻址方式，书写时可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。5. 特殊功能寄存器（SFR）ACCBDPTR： Data Pointer，16位，对64kB片外RAM/ROM和外围设备作间接寻址。 例：MOV DPTR,#2000H MOVX A，DPTR 则： DPH=20H, DPL=00H, DPTR=2000H

10、结果是：取出片外RAM地址为2000H的数据，存放于A。特殊功能寄存器PSW：Program Status Word：进位carry、辅助进位auxiliary、用户标志flag zero、寄存器选择register select、溢出overflow、奇偶parity。CYACF0RS1RS0OVP例：MOV A,#0FH ADD A,#0F8H 0000 1111+ 1111 1000 1 0000 0111 AC=1， CY=1， OV=CYAC=11=0，P=1，所以：1101特殊功能寄存器SP ：堆栈指针 (Stack Pointer)， 8位，专门存放堆栈的栈顶单元的地址。入栈时自

11、动加1，出栈时自动减1。复位后，SP07H0708090A0B35PUSH ACC，SP08H0708090A0BC135PUSH PSW，SP09H0708090A0B35POP PSW，SP08H0708090A0B0708090A0BPOP ACC，SP07H单片机工作条件单片机正常工作最基本条件是：正确的电源、时钟和复位信号。单片机最小系统1、时钟电路要给单片机CPU提供时钟信号，就需要相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。51系列单片机内部有一个高增益反相放大器，这个反相放大器的作用就是构成振荡器，但要形成时钟，外部还需要加一些附加电路。51系列单片机本身一般不能自动进行复位的，必须配

12、合相应的外部电路才能实现。当5l系列单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。2.复位电路2.4 时钟电路及CPU时序1. 时钟电路 根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式可分为内部时钟方式和外部时钟方式，如图所示。89C51XTAL1Vcc外部时钟输入TTL（a）内部时钟电路；（b） HMOS型外部振荡源 (C) CHMOS型外部振荡源 外接晶振时，电容的值一般取30pF；外接陶瓷谐振器时，电容的值一般取47pF2. 基本概念振荡器： 产生内部脉冲信号 若采用外部脉冲信号时钟发生器：根据脉冲信号产生时钟信号

13、振荡周期P：脉冲信号周期时钟周期（状态周期）S ：(机器状态时间)S=P1+P2机器周期： 指令执行的单位=6S=12P指令周期： 指令执行的时间=N * 6S，N=1、2、3对HMOS单片机：XTAL2输入，XTAL1接地对CHMOS单片机：XTAL1输入，XTAL2悬空3. CPU取指、执行周期时序ALE有效时，表示可以读取指令。一个机器周期内，ALE有效两次提问：若采用12MHz的晶振频率，计算机器周期？2.5 复位操作MCS-51单片机复位(RST高电平2个机器周期) 任何单片机在工作之前都要有个复位的过程，复位是什么意思呢？对单片机来说，是程序还没有开始执行，是在做准备工作-初始状态

14、。 如何进行复位呢？只要在单片机的RST引脚上加上高电平，就可以了。为了达到这个要求，可以用很多种方法，见图。一、复位电路在通电瞬间，由于RC的充电过程，在 RST端出现2个机器周期以上的高电平，只要该正脉冲保持2个机器周期以上，就能使单片机自动复位。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式，即上电复位和按键复位805187518031RSTCRR1R25V上电复位按键复位上电后，由于电容充电，使 RST持续一段高电平时间。当单片 机已在运行过程中时，按下复位键 也能使 RST持续一段时间的高电平， 从而实现上电且开关复位的操作。 通常选择 C=10f ,R=10K。二、复位后单片机的状态复

15、位后各寄存器的状态PC 0000H(程序入口) P0、P1、P2、P3 0FFH (可以直接输入) SP 07H （栈底已经设好）PSW 00H （选择0组寄存器）其余大部分都是0熟悉复位后各寄存器的状态，可以减短初始化程序。2.6 89C51单片机的低功耗工作方式89C51提供两种节电工作方式：空闲(待机)工作方式：不向CPU供电，只供中断、串行口、定时器部分。可以通过中断触发方式退出待机模式。掉电工作方式：所有功能停止工作。方式的设定PCON（电源控制寄存器）8051：HMOS（高密度短沟道MOS）半导体工艺89C51：CHMOS=HMOS+CMOSSMOD - - -GF1GF0PDID

16、L2.7 输入/输出端口单片机I/O口的使用对单片机的控制，其实就是对I/O口的控制，无论单片机对外界进行何种控制，亦或接受外部的控制，都是通过I/O口进行的。单片机总共有P0、P1、P2、P3四个8位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。4个I/O端口都能作输入输出口用，其中P0和P2通常用于对外部存储器的访问。一. I/O口的构成口锁存器(CPU通过内部总线把数据写入口锁存器)输出驱动器输入缓冲器锁存器的含义CTR开关Bus锁存器其它器件0OUT=Bus1OUT保持OUT二. 89C51的 I/O口4个8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3；均可作为双向I/O端口

17、使用。(1)特点： P0：访问片外扩展存储器时， 复用为低8位地址线和数据线 P2：高8位地址线。P1：双向I/O端口 P3：第二功能123456789101112819204039383736353433323252424222180318051 875189C51准双向口含义： 端口每位都可以定义为输入/输出,但作为输入时，必须先向该位的口锁存器写”1”。在读入端口数据时，如果T导通，就会将输入的高电平拉成低电平，产生误读。所以在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写“1”，使T截止，引脚处于悬浮状态，变为高阻抗输入。这就是所谓的准双向口。D QCLK QP1.n读锁存器内部总线写锁存器读

18、引脚VCCRTP1口引脚CPU对I/O口的读操作一是读口锁存器的状态二是CPU读口引脚上的外部输入信息D QCLK QP1.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP1口引脚4个I/O口的用途P1口只有通用输入/输出端口的功能；P0，P2，P3除了可以作为通用的I/O口，还可以用于其他用途。共同点：P0、P1、P2、P3都是准双向口；执行“读修改写”类指令时，读的是锁存器而不是引脚，如：ANL P1，AORL P1，#dataXRL P1，ACPL P1. INC P1DEC P1下图为P0口的某位(n=07)结构图，它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成。从图中

19、可以看出，P0口既可以作为I/O用，也可以作为地址/数据线用。D QCLK QMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚1、P0口的结构（1）P0口作为普通I/O口输出时CPU发出控制电平“0”封锁“与”门，将输出上拉场效应管T1截止，同时使多路开关MUX把锁存器与输出D QCLK QMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚驱动场效应管T2栅极接通。故内部总线与P0口同相。由于输出驱动级是漏极开路电路，若驱动NMOS或其它拉流负载时，需要外接上拉电阻。D QCLK QMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地

20、址/数据控制VCCT1T2P0口引脚如果是驱动led，那么用1K左右的就行了。如果希望亮度大一些，电阻可减小，最小不要小于200欧姆，否则电流太大；如果希望亮度小一些，电阻可增大，增加到多少呢，主要看亮度情况，以亮度合适为准，一般来说超过3K以上时，亮度就很弱了，但是对于超高亮度的LED，有时候电阻为10K时觉得亮度还能够用。通常就用1k的。 对于驱动光耦合器，如果是高电位有效，即耦合器输入端接端口和地之间，那么和LED的情况是一样的；如果是低电位有效，即耦合器输 入端接端口和VCC之间，那么除了要串接一个之间的电阻以外，同时上拉电阻的阻值就可以用的特别大，用100k500K之间的都行，当然用

21、10K的也可以，但是考虑到省电问题，没有必要用那么小的。 对于驱动晶体管，又分为PNP和NPN管两种情况：对于NPN，毫无疑问NPN管是高电平有效的，因此上拉电阻的阻值用2K20K之间的，具体的大小还要看晶体管的集电极接的是什么负载，对于LED类负载，由于发管电流很小，因此上拉电阻的阻值可以用20k的，但是对于管子的集电极为继电器负载时，由于集电极电流大，因此上拉电阻的阻值最好不要大于，有时候甚至用2K的。对于PNP管，毫无疑问PNP管是低电平有效的，因此上拉电阻的阻值用100K以上的就行了，且管子的基极必须串接一个110K的电阻，阻值的大小要看管子集电极的负载是什么，对于LED类负载，由于发

22、光电流很小，因此基极串接的电阻的阻值可以用20k的，但是对于管子的集电极为继电器负载时，由于集电极电流大，因此基极电阻的阻值最好不要大于。 对于驱动TTL集成电路，上拉电阻的阻值要用110K之间的，有时候电阻太大的话是拉不起来的，因此用的阻值较小。但是对于CMOS集成电路，上拉电阻的阻值就可以用的很大，一般不小于20K，我通常用100K的，实际上对于CMOS电路，上拉电阻的阻值用1M的也是可以的，但是要注意上拉电阻的阻值太大的时候，容易产生干扰，尤其是线路板的线条很长的时候，这种干扰更严重，这种情况下上拉电阻不宜过大，一般要小于100K，有时候甚至小于10K。( 输入时-分读引脚或读锁存器读引

23、脚：由传送指令(MOV)实现； 下面一个缓冲器用于读端口引脚数据，当执行一条由端口输入的指令时，读脉冲把该三态缓冲器打开，这样端口引脚上的数据经过缓冲器读入到内部总线。D QCLK QMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚（2）P0作为地址/数据总线 在系统扩展时，P0端口作为地址/数据总线使用时，分为： P0引脚输出地址/数据信息。 D QCLK QMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚 CPU发出控制电平“1”，打开“与”门，又使多路开关MUX把CPU的地址/数据总线与T2栅极反相接通，输出地址或数据。

24、由图上可以看出，上下两个FET处于反相，构成了推拉式的输出电路，其负载能力大大增强。P0的输出级可驱动8个LSTTL负载。D QCLK QMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚（2） P0作为地址/数据总线 P0引脚作输入口 输入信号是从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。（2） P0作为地址/数据总线D QCLK QMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚2、P2的内部结构（1）P2口作为普通I/O口D QCLK QMUXP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCCRTP2口引脚CPU发出控制电平“0”

25、 ，使多路开关MUX倒向锁存器输出Q端，构成一个准双向口。其功能与P1相同。 （2） P2口作为地址总线 在系统扩展片外程序存储器扩展数据存储器且容量超过256B (用MOVX DPTR指令)时，CPU发出控制电平“1”，使多路开关MUX倒内部地址线。此时，P2输出高8位地址。D QCLK QMUXP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCCRTP2口引脚3、 P1口、P3口的内部结构 （1）P1口的一位的结构 它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成-准双向口。D QCLK QP1.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP1口引脚（2）P3的内部结构D QCLK

26、Q读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP3口引脚第二输入功能第二输出功能作为通用I/O口与P1口类似-准双向口(W=1)W（2）P3的内部结构D QCLK Q读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP3口引脚第二输入功能第二输出功能 P3第二功能(Q=1)此时引脚部分输入(Q=1、W=1) ,部分输出(Q=1、W输出) 。WP3第二功能各引脚功能定义：P3.0：RXD串行口输入P3.1：TXD串行口输出P3.2：INT0外部中断0输入P3.3：INT1外部中断1输入P3.4：T0定时器0外部输入P3.5：T1定时器1外部输入P3.6：WR外部写控制P3.7：RD外部读控制端口的负载能力和接

27、口要求 1、P0口的负载能力和接口要求负载能力:可驱动8个LS（低功耗、甚高速）型TTLP0接口要求：作为一般I/O口输出时，若驱动的是NMOS电路或OC门电路，其引脚要接上拉电阻，否则高电平电位不确定； 2、P1P3口的负载能力和接口要求负载能力:可驱动4个LS型TTL接口要求：作为一般I/O口输出时，驱动任何电路都不需要要接上拉电阻（因为内部有上拉电阻）；作为一般I/O口为准双向口。指令寄存器译码地址译码程序计数器地址寄存器累加器A运算器存储器内部数据总线外部地址总线AB数据缓冲器外部数据总线DB寄存器区外部控制总线CB内部控制信号时钟及清零总结：单片机的工作过程取指过程例: MOV A,

28、#09H 74H 09H ;把09H送到累加器A中执行过程PC=0000H0001H0000H0002H0 1 1 1 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 1(PC)(PC)0001H0002H0000H外部控制总线CB取指过程(PC)执行过程你知道PC的作用吗？1、CPU主要的组成部部分为( )。B加法器，寄存器 C运算器,寄存器 D运算器，指令译码器A运算器，控制器 课堂练习2、8031有四个工作寄存器区，由PSW状态字中的RS1、RS0两位的状态来决定，单片机复位后，若执行 SETB RS1 指令，此时只能使用（ ）区的工作寄存器。A0区B1区C2区D3区课堂练习3. 09H位所在的单元地址是（ ）A 02HC 08HB 21HD20H课堂练习4.单片机在进行取指令操作时，指令的地址是由（ ）的内容决定。A SPC DPTRD PSEN和ALE BPC课堂练习5. P0,P1口作输入用途之前必须( )。A外接高电平 B外接上拉电阻C相应端口先置0 D相应端口先置1 课堂练习6.程序计数器PC用来( )。A存放指令 B存放上一条的指令地址D存放正在执行的指令地址 C存放下一条的指令地址 课堂练习1. 8031单片机内部RAM包括( ) 。 A.程序存储区 B堆栈区