单片机技术基础市公开课一等奖省赛课获奖课件

第2章单片机硬件结构和原理单片机原理与应用2.189C51单片机内部结构及特点2.289C51单片机引脚及其功效2.389C51存放器配置2.4CPU时序2.5复位及复位电路2.689C51单片机低功耗工作方式2.7输出/输入端口结构2.8思索题与习题10/10/1单片机技术基础第1页

熟悉89C51内部结构熟悉部分特殊功效存放器（SFR）功效掌握存放器配置及特点掌握复位电路及堆栈概念掌握部分引脚功效，到达会应用目标了解CPU时序及单片机工作过程了解并行I/O端口内部结构学习目和要求10/10/2单片机技术基础第2页

被抽象为一个硬件模型电子产品大致包含：1)输入2)处理关键3)输出输入可能有：1)键盘2)串行接口（RS232/485/canbus/以太网/USB）3)开关量（TTL，电流环路，干接点）4)模拟量（4~20ma、0~10ma、0~5V（平衡和非平衡信号））处理关键主要有：1)8位单片机，主要就是51系列2)32位arm单片机，主要有atmel和三星系列输出基本组成：1)串行接口（RS232/485/canbus/以太网/USB）2)开关量（TTL、电流环路、干接点、功率驱动）3)模拟量（4~20ma，0~10ma，0~5V（平衡和非平衡信号））4)LED显示：发光管等5)液晶显示器6)蜂鸣器10/10/3单片机技术基础第3页51系列单片机最小系统：实际上，51单片机关键外围电路是很简单即：单片机+时钟电路+复位电路单片机：atmel89C51系列、89C51系列、winbond78E52系列，还有philips系列等；复位电路：由电容串联电阻组成。适当组合RC取值能够确保可靠复位。普通C取10f，R取8.2K。至于怎样定量计算，能够参考相关书籍。时钟电路：普通选取11.0592M晶振，为了准确无误地得到9600波特率和19200波特率；两片磁片电容：22pf~30pf，能够查找什么晶振频率对应什么容量磁片电容。10/10/4单片机技术基础第4页

2.1.189C51单片机基本组成

2.1.289C51单片机内部结构2.189C51单片机结构10/10/5单片机技术基础第5页

MCS-51系列单片机为Intel企业产品,1980年推出。89C51单片机是ATNMEL、PHILIPS、SST企业产品：89C51＝80C51＋373＋FlashROM价格廉价，广泛应用。它们基本组成、基本性能和指令系统都是相同。10/10/6单片机技术基础第6页2.1.189C51单片机基本组成80C51CPU振荡器和时序OSC64KB总线扩展控制器数据存放器256BRAM/SFR2×16位定时器/计数器可编程I/O程序存放器4KBROM可编程全双工串行口外中止内中止控制并行口串行通信外部时钟源外部事件计数输入89C51单片机结构框图DBUS10/10/7单片机技术基础第7页

80c51CPU字长8位，地址16位，最大存放器寻址能力为64KB。能实现8位二进制数加、减、乘、除以及与、或、异或、移位等运算。用以存放能够读/写数据，如运算中间结果、最终止果以及欲显示数据等。256B/128BRAM/SFR

用以存放程序、一些原始数据和表格。但有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031、8032、80C31等（8051/8052是掩膜ROM，8751/8752是EPROM，但8031、8032、80C32片内无ROM）

。片内4KB程序存放器FlashROM:每个口能够用作输入，也能够用作输出。四个8位并行I/O（输入/输出）接口P0~P3:10/10/8单片机技术基础第8页

每个定时/计数器都能够设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也能够设置成定时方式，并能够依据计数或定时结果实现计算机控制。两个定时/计数器:

可实现单片机与单片机或与其它微机之间串行通信。一个全双工UART串行I/O口:但需外接晶振和电容。片内振荡器和时钟产生电路:五个中止源中止控制系统。2个外中止，2个定时/计数器中断，1个串行口中止10/10/9单片机技术基础第9页51系列单片机温度适用范围为：民品（商业用）0～70°C

工业品－40～＋85°C

军品－55～＋125°C

与8051相比，89C51含有两种用软件选择节电工作方式：

空闲方式：CPU停顿工作，RAM、定时/计数器、中止系统等继续工作。掉电方式：片内振荡器停顿，所以系统不能工作，仅保留RAM中内容。

第2章89C51单片机硬件结构和原理10/10/10单片机技术基础第10页2.1.289C51单片机内部结构由中央处理单元（CPU）、存放器（ROM及RAM）和I/O接口组成。MCS-51单片机内部结构如图2－1所表示。10/10/11单片机技术基础第11页P0驱动器P2驱动器P0锁存器P2锁存器RAM地址存放器128BRAM4KBFlashROMB存放器暂存器1暂存器2ACCSP程序地址存放器缓冲器PC增1PCDPTR中止、串行口和定时器PSWP1锁存器P1驱动器P3锁存器P3驱动器定时控制指令存放器指令译码器OSCALUP0.0-P0.7P2.0-P2.7P3.0-P3.7P1.0-P1.7XTAL1XTAL2PSENALEEARET10/10/12单片机技术基础第12页（一）、中央处理单元（CPU）运算器控制器单片机中中央处理器(CPU)和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制”处理功效。比如：位处理、查表、各种跳转、乘除法运算、状态检测、中止处理等，增强了实时性。CPU1．运算器+、–、×、÷算术运算，与、或、非、异或逻辑运算，循环移位、位处理（1）算术逻辑运算单元ALU(8位)：10/10/13单片机技术基础第13页

（2）8位累加器ACC（A）：它经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU输入端，与另一个来自暂存器1运算数进行运算，运算结果又送回ACC。指示指令执行后状态信息供程序查询和判别用。（3）8位程序状态存放器PSW：（4）8位存放器B：

在乘除运算时，用来存放一个操作数也用来存放运算后一部分结果；如不能做乘除运算时，作为通用存放器10/10/14单片机技术基础第14页

（5）布尔处理器：专门用于处理位操作，以PSW中C为其累加器。（6）2个8位暂存器：ALU两个入口处。10/10/15单片机技术基础第15页（1）程序计数器PC（16位）由两个8位计数器PCH、PCL组成。PC是程序字节地址计数器，PC内容为将要执行指令地址。改变PC内容，改变程序流向。PC可对64KBROM直接寻址，也可对89C51片内RAM寻址。2．控制器（2）指令存放器IR及指令译码器ID由PC找到ROM地址，取出指令经IR再送至ID，由ID对指令译码产生一定序列控制信号，以执行指令所要求操作。（3）振荡器和定时电路89C51单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体和2个频率微调电容（30pF左右），产生频率范围为1.2MHz~12MHz。该信号就作为89C51工作基本节拍（时间最小单位）。10/10/16单片机技术基础第16页（二）存放器程序存放器（ROM）数据存放器（RAM）存放器★89C51存放器包含4KB程序存放器FlashROM包含128B内部数据存放器。（三）、I/O接口89C51有四个8位并行I/O接口P0～P3。它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O线。P0-P3口四个锁存器同RAM统一编址，可作为SFR来寻址。10/10/17单片机技术基础第17页

2.289C51单片机引脚及其功效

89C51单片机引脚图10/10/18单片机技术基础第18页一.电源引脚：Vcc和Vss2个1．Vcc(40脚)：电源端，为+5V。2．Vss(20脚)：接地端。二.时钟电路引脚：XTAL1和XTAL2

2个XTAL2（18脚）:接外部晶体和微调电容一端。是89C51片内振荡器反向放大器输出端，振荡电路频率就是晶体固有频率。当采取外部时钟时，此脚悬空。若89C51正常工作时，该引脚应有脉冲信号输出。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/VPP313029282726252423222140393837363534333280C5110/10/19单片机技术基础第19页

XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容另一端；在片内它是振荡电路反向放大器输入端，在采取外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。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/VPP313029282726252423222140393837363534333280C5110/10/20单片机技术基础第20页振荡电路频率为晶体固有频率C30PFC30PF6MHZ89C51X1X2VCC5.1K外时钟信号89c51X1X2第2章89C51单片机硬件结构和原理10/10/21单片机技术基础第21页

三、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA4个RST/VPD（9脚）：复位/后备电源输入时钟信号正常时，该引脚高电平时,单片机进入复位状态（RST);当VCC掉电时，该引脚作为后备电源输入，以保持片内RAM中数据不丢失（VPD）。ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许/编程脉冲输入端ALE：地址锁存允许信号端。正常工作时，该引脚以振荡频率1/6固定输出正脉冲。CPU访问片外存放器时，该引脚输出信号作为锁存低8位地址控制信号。它负载能力为8个LS型TTL负载。PROG：是对片内带有4KBFlashROM编程写入时编程脉冲输入端。10/10/22单片机技术基础第22页PSEN（29脚）：程序存放器允许信号输出端。在访问片外ROM时，定时输出负脉冲作为读片外ROM选通信号，接片外ROM

OE端。它负载能力为8个LS型TTL负载。VPP：用于在对89C51片内FlashROM编程时，施加(12V～21V）编程允许电源。EA＝1，CPU访问片内FlashROM，并执行其指令。当PC>0FFFH时（4KB）,自动转向片外ROM。EA/VPP（31脚）——内外程序存放器选择/编程电源输入EA=0，不论片内是否有存放器，只执行片外ROM指令。10/10/23单片机技术基础第23页单片机上电后不运转原因首先应该确认电源电压是否正常。用电压表测量接地引脚跟电源引脚之间电压，看是否是电源电压；接下来就是检验复位引脚电压是否正常，分别测量按下复位按钮和放开复位按钮电压值，看是否正确；然后再检验晶振是否起振了，普通用示波器来看晶振引脚波形，注意应该使用示波器探头“X10”档。另一个方法是测量复位状态下IO口电平，按住复位键不放，然后测量IO口（没接外部上拉P0口除外）电压，看是否是高电平，假如不是高电平，则多半是因为晶振没有起振。另外还要注意地方是，假如使用片内ROM话,一定要将EA引脚拉高，不然会出现程序乱跑情况。经过上面几点检验，普通即可排除故障了。假如系统不稳定话，有时是因为电源滤波不好造成。在单片机电源引脚跟地引脚之间接上一个0.1uF电容会有所改进。假如电源没有滤波电容话，则需要再接一个更大滤波电容，比如220uF。碰到系统不稳定时，就能够并上电容试试（越靠近芯片越好）。10/10/24单片机技术基础第24页四、I/O端口P0、P1、P2和P3

（1）P0口（P0.0～P0.7，39～32pin，I/O）是8位准双向

I/O端口。准双向

作为输入口使用时，应先写入全1。每位能驱动8个LS型TTL负载。可用作8位数据输入/输出，同时也可用作外部地址总线低8位。在CPU访问片外存放器（RAM、ROM）时，P0口作为分时复用低8位地址总线/数据总线。10/10/25单片机技术基础第25页

（3）

P1口（P1.0～P1.7，1～8pin，I/O）8位准双向I/O口。

输出时，P1口每一位能驱动4个LS型TTL负载。

输入时，先向P1口锁存器写入全1，此时将P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。第2章89C51单片机硬件结构和原理（2）P2口（P2.0～P2.7，21～28，I/O)8位准双向I/O口，可用作8位数据输入/输出，同时也可用作外部地址总线高8位。当有外部存贮器时，用作高8位地址总线).当无外部存贮器时，可用作普通I/O线。

（4）P3口（P3.0～P3.7，10～17pin，I/O）

8位准双向I/O端口。每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口除作为普通I/O口外，每个引脚都有第二功效。10/10/26单片机技术基础第26页P3.0RXDP3.1TXDP3.2INT0P3.3INT1P3.4T0P3.5T1P3.6WRP3.7RD串行口输入/

输出端外部中止输入定时/计数器计数脉冲输入片外RAM读/写信号P3口第二功效：系统控制信号，定义以下：任意一位不用于第二功效（首选）时，可用于第一功效。第2章89C51单片机硬件结构和原理10/10/27单片机技术基础第27页

2.389C51存放器配置89C51存放器程序存放器ROM数据存放器ROM片内程序存放器片外程序存放器片内数据存放器片外数据存放器物理结构（哈佛结构）10/10/28单片机技术基础第28页普林斯顿结构：

程序和数据共用一个存放器逻辑空间，统一编址。哈佛结构：

程序与数据分为两个独立存放器逻辑空间，分开编址。★89C51存放器属于哈佛结构：包含4KB程序存放器FlashROM包含128B内部数据存放器。存放器结构10/10/29单片机技术基础第29页片内外程序存放器片内数据存放器片外数据存放器片外64KB0000HFFFFH提醒：CPU访问片内、外ROM用指令MOVC片外RAM用指令MOVX片内RAM用指令MOV片外60KB片外60KB片内4KBFFFFH0000H0000H0FFFH1000HFFFFHEA=1EA=0128B128BSFR00H7FH80HFFH10/10/30单片机技术基础第30页2.3.1程序存放器用于存放程序和常数表。含4KBFlashROM，当EA=1时，片内程序存放器被允许（地址为0000~0FFFH时自动访问片内，地址为1000H~FFFFH时自动访问片外）。当EA=0时，片内程序存放器被禁止。片外60KB片外60KB片内4KBFFFFH0000H0000H0FFFH1000HFFFFHEA=1EA=0片内片外统一编址：0000H~FFFFH10/10/31单片机技术基础第31页中止向量表0023H串行口中止001BH定时器1溢出中止0013HINT1中止000BH定时器0溢出中止0003HINT0中止中止入口地址中止源0003H～002AH均匀地分为5段，为5个中断服务程序起始处。因为字节单元太少，所以常在这些存放单元中存放转移指令。片内ROM和片外ROM取指速度相同。应尽可能防止外扩程序存放器芯片而增加硬件负担.在极特殊情况下,才应外扩程序存放器芯片执行外部程序.程序存放器低地址40多个单元留给系统使用。10/10/32单片机技术基础第32页2.3.2数据存放器地址空间用于存放运算中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。1.片外RAM

0000H～FFFFH，使用MOVX指令访问。2.片内RAM

00H～FFH，使用MOV指令访问。10/10/33单片机技术基础第33页安排了21个SFR地址分布离散32个字节通用Reg.区即可字节寻址，又可位寻址.80字节RAM区由PSW中RS1、RS0组合来决定选中当前组CPU上电时选中0组；未用到组可作为RAM用.程序执行任何时刻，只能用一组。10/10/34单片机技术基础第34页图2－8低128字节RAM区图2－9高128字节RAM区(SFR区)第2章89C51单片机硬件结构和原理10/10/35单片机技术基础第35页1)低128字节RAM89C5132个工作存放器与RAM安排在同一个队列空间里，统一编址并使用一样寻址方式(直接寻址和间接寻址)。00H～1FH地址安排为4组工作存放器区，每组有8个工作存放器(R0～R7)，共占32个单元。经过对程序状态字存放器PSW中RS1、RS0设置，每组存放器均可选作CPU当前工作存放器组。若程序中并不需要4组，那么其余可用作普通RAM单元。CPU复位后，选中第0组存放器为当前工作存放器。工作存放器区后16字节单元(20H～2FH)，可用位寻址方式访问其各位。在89系列单片机指令系统中，还包含许多位操作指令，这些位操作指令可直接对这128位寻址。这128位位地址为00H～7FH。10/10/36单片机技术基础第36页2)高128字节RAM——特殊功效存放器(SFR)89C51片内高128字节RAM中，有21个特殊功效存放器(SFR)，它们离散地分布在80H～FFHRAM空间中。访问特殊功效存放器只允许使用直接寻址方式。(1)累加器ACC(E0H)累加器ACC是89C51最惯用、最忙碌8位特殊功效存放器，许多指令操作数取自于ACC，许多运算中间结果也存放于ACC。在指令系统中用A作为累加器ACC助记符。10/10/37单片机技术基础第37页(2)存放器B(F0H)在乘、除指令中，用到了8位存放器B。乘法指令两个操作数分别取自A和B，乘积存于B和A两个8位存放器中。除法指令中，A中存放被除数，B中放除数，商存放于A，B中存放余数。在其它指令中，B可作为普通通用存放器或一个RAM单元使用。(3)程序状态存放器PSW(D0H)PSW是一个8位特殊功效存放器，它各位包含了程序执行后状态信息，供程序查询或判别之用。PSW除有确定字节地址(D0H)外，每一位都有位地址。10/10/38单片机技术基础第38页

PXOVRS0RS1F0ACCYPSW(D0H)进借位标志，位地址D7H位操作时位累加器。CY——AC——半进位标志。FO——用户标志位(用户可设置其为0或1)RS1、RSO——选择工作Reg.区OV——溢出标志P——奇偶标志，运行结果有奇数个1，P=1；不然P=0。10/10/39单片机技术基础第39页CY(PSW.7)：进位标志位。在执行加法(或减法)运算指令时，假如运算结果最高位(位7)向前有进位(或借位)，则CY位由硬件自动置1；假如运算结果最高位无进位(或借位)，则CY清0。CY也是89C51在进行位操作(布尔操作)时位累加器，在指令中用C代替CY。AC(PSW.6)：半进位标志位，也称辅助进位标志。当执行加法(或减法)操作时，假如运算结果(和或差)低半字节(位3)向高半字节有半进位(或借位)，则AC位将被硬件自动置1；不然AC被自动清0。F0(PSW.5)：用户标志位。用户能够依据自己需要对F0位赋予一定含义，由用户置位或复位，以作为软件标志。10/10/40单片机技术基础第40页RS0和RS1(PSW.3和PSW.4)：工作存放器组选择控制位。这两位值可决定选择哪一组工作存放器为当前工作存放器组。经过用户用软件改变RS1和RS0值组合，以切换当前选取工作存放器组。89C51上电复位后，RS1=RS0=0，CPU自动选择第0组为当前工作存放器组。依据需要，可利用传送指令对PSW整字节操作或用位操作指令改变RS