第2章 51系列单片机系统结构1

第2章51系列单片机系统结构

重点：存储器组织、定时器以及并行口结构

难点：并行口操作和存储器组织2.1总体结构一、51系列单片机一般的总体结构二、AT89C52的总体结构2.11．AT89C52的总体结构框图2．AT89C52芯片封装2.1

PDIPPQFP/TQFPPLCCPQFP/TQFP

2.1PLCC3．AT89C52引脚功能

2.1

P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7、P3.0～P3.7为4个8位（共32个）具有第1功能—I/O口功能的引脚，其中P0.0～P0.7、P1.0、P1.1、P2.0～P2.7、P3.0～P3.7等26个引脚具有第2功能，具体情况详见I/O口第2功能表2.1

I/O口第2功能表引脚第2功能功能说明P0.0～P0.7AD0～AD7低8位地址/8位数据复用信号线P1.0T2定时器/计数器2计数输入端P1.1T2EXT2的捕捉/重新加载触发输入信号P2.0～P2.7A8～A15高8位地址线，16位地址可寻址64KB范围P3.0RXDUART串行数据输入端P3.1TXDUART串行数据输出端P3.2INT0外部中断0请求信号P3.3INT1外部中断1请求信号P3.4T0定时器/计数器0计数输入端P3.5T1定时器/计数器1计数输入端P3.6/WR外部RAM写控制信号P3.7/RD外部RAM读控制信号

2.1VCC：电源正端，典型值为+5V；GND：地。RST：复位信号引脚。必须在此引脚上出现两个机器周期的高电平，才能保证单片机可靠的复位。返回低电平则退出复位。/EA/VPP：正常运行方式：为/EA程序存储器选择信号。

Flash编程方式：为VPP编程电源输入端(+5V或+12V)。XTAL1、XTAL2：为内部振荡电路的输入端和输出端。外接石英晶振，也可直接引入外部时钟。

2.1ALE//PROG：正常运行方式：为ALE地址锁存允许信号。其作用：当外接存储器（RAM/ROM）时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低8位。一般ALE接锁存器74HC373的EN端。当没有外部存储器时，ALE端可输出脉冲信号，此频率为石英振荡频率的1/6。因此，它可用作对外部芯片提供输出的时钟，或用于定时的目的。

Flash编程方式：为/PROG编程脉冲输入信号。2.2中央处理器

51系列单片机都有一个在功能上相同（或相近）的中央处理器CPU。CPU由运算器(包括算术逻辑运算部件ALU、布尔处理器、工作寄存器)、控制器组成。

一、运算器

2.21.ALU和布尔处理器是实现数据传送和数据运算的部件。

ALU完成：数据传送操作；加、减、乘、除算术运算；增量、减量运算；十进制调整运算；与、或、非、异或逻辑运算。

布尔处理器实现位运算，即位置“1”、清“0”和取反。

2.2

2.工作寄存器：就是对用户开放的寄存器，包括：程序计数器PC，位于内部SFR中的累加器ACC（A）、寄存器B、、数据指针DPTR、程序状态字PSW、堆栈指针SP，位于内部RAM中的工作寄存器R0～R7。二、控制器

2.2控制整个单片机系统各种操作的部件。包括：时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、存储器的/数据传送控制等。2.3存储器组织

51系列(主要品种：51子系列、52子系列)单片机有5个存贮空间(扩展系统地址线A0～A15)：①扩展系统有64KB(0～0FFFFH)程序ROM空间，片内51子系列有4KB(0000H～0FFFH)或52子系列8KB(0000H～1FFFH)程序ROM空间；②51子系列128B(0～7FH)、52子系列256B(0～0FFH)内部RAM空间；

2.3

③128B(80H～0FFH，名义值)内部特殊功能寄存器(SFR)；④256b(0～0FFH，名义值)位寻址空间，其中128b((0～7FH))在内部RAM20H～2FH的16B中，另128b(80H～0FFH，名义值)在内部SFR中能够被8整除的16B中。⑤扩展系统有64KB(0～0FFFFH)外部数据存储器(RAM/IO)空间。一、程序存储器2.3

51系列单片机程序存储器空间为64KB，其地址指针为16位的程序计数器PC，对应地址线A0～A15。1.入口地址：①复位入口地址：复位后，PC值为0，CPU从0000H开始执行程序，即地址0为复位入口地址。2.3

②中断入口地址：被安排在程序ROM的开始部分，各中断入口地址如下：0003H：INT0中断；000BH：INT1中断；0013H：T0中断；001BH：T1中断；0023H：串行口中断；002BH：T2中断(52子系列才有)

2.3

2.3

2.与程序ROM相关的引脚：①P0口、P1口:分别产生A0～A7、A8～A15；②ALE：地址锁存信号；③/PSEN:扩展了外部程序存储器时，仅当访问外部程序存储器时，产生读选通负脉冲信号；2.3

④/EA：程序存储器可以在片内，也可以在片外，取决于单片机的类型，并由/EA的电平所控制。/EA=0：CPU总是从片外M中取指令执行程序。/EA=1：CPU先从片内M开始取指令执行程序，再到片外M中取指令执行程序。即：若系统设计程序存储器总容量超过片内M容量时，则CPU实际取指令时，在片内M容量范围内是从片内M中取指令，超过时在片外M中取指令。在只使用片内M时，/EA必须接高电平，即/EA=1。

2.32.3以下是51系列常见的单片机品种(第1章曾讲述)资源配置子系列片内ROM形式片内ROM容量片内RAM容量定时器/计数器中断源无ROMEPROMEEPROM(Flash)NMOS5180318051875189514KB128B2×165NMOS5280328052875289528KB256B3×166CMOS5180C3180C5187C51(AT89C51)4KB128B2×165CMOS5280C3280C5287C52(AT89C52)8KB256B3×1662.3二、内部数据存储器1.根据操作分类：⑴多功能型51系列单片机均有，一般RAM容量128B或256B。⑵单功能型少数新型51单片机才有，只能完成数据传送操作。实质是把外部RAM放进片内，称为XRAM。2.32.根据功能和用途分类：

⑴CPU工作寄存器工作寄存器共有四组，每组8字节一个区，对应工作寄存器为R0～R7。占用内部RAM的0～1FH共32字节。CPU使用工作寄存器只能分区使用。CPU当前使用的工作寄存器区由程序状态字PSW的RS0（PSW.3）位和RS1（PSW.4）位的状态决定。2.3

RSO、RS1可以人为修改，即CPU工作在哪个工作寄存器区可以人为设定。这一特点可以提高CPU现场和恢复现场的速度，从而提高CPU的工作效率和响应中断的速度。

复位时RS0、RS1为0、0，即复位时系统自动设置在0区。注意：不需要4组工作寄存器时，这个区域多余的单元可以作为一般的数据缓冲器使用。

对这部分RAM，CPU有三种字节型寻址方式：当作工作寄存器的寄存器寻址，当作普通RAM的直接寻址或寄存器间接寻址。

2.3以下是各工作寄存器的地址映象和工作寄存器区的状态选择表：寄存器区域寄存器地址映象R0～R7对应寄存器区域状态选择RS1、RS00区00H～07H0、01区08H～0FH0、12区10H～17H1、03区18H～1FH1、12.3

⑵位标志区内部RAM20H～2FH这16B是位寻址区，共有16×8＝128b的位地址，占据位地址空间0～7FH，这128b的每个单元都可视为一个软件触发器，用于存放各种程序标志、位控制变量。所以这部分位寻址区也称为位标志区。注意：位标志不多时，这个区域不用的RAM可以作为数据缓冲器使用。

对这部分RAM，CPU在字节操作时有二种寻址方式：直接寻址或寄存器间接寻址；在位操作时只能直接寻址。

2.3

⑶堆栈和数据缓冲区

①堆栈

堆栈是用于CPU保护现场的后进先出、先进后出的缓冲器。

复位时，堆栈指针SP＝07H。考虑工作寄存器区和位标志区的存在，所以堆栈一般设在30H～7FH或30H～0FFH之间。故此系统在初始化程序中一般要修改SP值。

如设SP＝5FH，则堆栈设置在60H开始的区域中。2.3

当然，在实际编制的程序堆栈不需要比较大的区域，且工作寄存器组有多、位标志较少时，堆栈也可以设置在08H～2FH之间的区域范围内，如果程序不设位标志，堆栈区域还可以扩大到08H～7FH或0FFH。

堆栈操作是字节型寄存器间接寻址。进栈时：SP＝（SP）＋1，（direct）→(SP)；退栈时：（（SP））→direct，SP＝（SP）－1。

即堆栈存放数据是由低地址向高地址逐步扩大存放区域的（8086/8088系统恰好相反）。

2.3②数据缓冲区

数据缓冲区用于存放中间数据或运算结果。对于不用作工作寄存器、位标志、堆栈操作的内部RAM单元均可用来作为数据缓冲区。数据缓冲器数量不够时，可以考虑选择内部RAM容量较大的品种或扩展外部RAM解决。

数据缓冲器的寻址方式为字节型，有两种：直接寻址或寄存器间接寻址。对于52系列，内部RAM80～0FFH单元只能采用字节型寄存器间接寻址方式。2.3

2.3三、特殊功能寄存器

特殊功能寄存器SFR包括：内部CPU寄存器、I/O口锁存器、各种功能控制寄存器和状态寄存器。SFR根据型号不同，多少不一，差别较大，但常用的51、52两个子系列基本相同。SFR离散地分布在80H～0FFH之间。以下是AT89C52SFR地址映象2.3AT89C52的SFR地址映象SFR字节地址SFR字节地址SFR字节地址＊P080HTH08CH＊PSW0D0HSP81HTH18DH＊ACC0E0HDPL82H＊P190H＊B0F0HDPH83H＊SCON98H＊T2CON0C8HPCON87HSBUF99HT2MOD0C9H＊TCON88H＊P2A0HRCAP2L0CAHTMOD89H＊IE0A8HRCAP2A0CBHTL08AH＊P30B0HTL20CCHTL18BH＊IP0B8HTH20CDH2.3说明：

①上述SFR共27个，前21个51子系列均有。52子系列因为增加了T2定时器/计数器功能，从而增加了6个FSR。

②上述SFR中12个带“＊”号的SFR均能被8整除，这些寄存器均具有位寻址功能。③ACC（A）—累加器，最重要的寄存器，用于存放参加运算的数据和运算结果。2.3

B—运算器中寄存器，在乘除运算中存放参加运算的数据和运算结果，在其他运算中作中间结果寄存器。SP—堆栈指针。DPTR—16位数据指针，由DPL和DPH组成，用于访问外部数据存储器。CPU可以DPL、DPH单独操作。④SFR不用的单元是空的(厂商预留发展新芯片用单元)，用户不应对这些单元进行读写操作。

SFR的操作：直接寻址(字节型、能被8整除字节的位)；能寄存器寻址的有：A(字节)、B(字节)、C(PSW的CY位)、AB(双字节)、DPTR(双字节)。

2.3

四、位地址空间从前面可知，51系列的内部RAM中20H～2FH单元以及地址为8的倍数的SFR可以位寻址，占据了相应的位地址。这些单元有8位作为一个整体的字节操作，也有按位进行的位操作。所以有字节地址和位地址之分。内部RAM20H～2FH字节地址与0～7FH位地址对应关系见下表。

2.3内部RAM20H～2FH字节地址与0～7FH位地址对应关系字节地址位地址D7D6……D1D020H07H06H……01H00H21H0FH0EH……09H08H22H17H16H……11H10H23H1FH1EH……19H18H24H27H26H……21H20H25H2FH2EH……29H28H26H37H36H……31H30H27H3FH3EH……39H38H28H47H46H……41H40H29H4FH4EH……49H48H2AH57H56H……51H50H2BH5FH5EH……59H58H2CH67H66H……61H60H2DH6FH6EH……69H68H2EH77H76H……71H70H2FH7FH7EH……79H78H2.3SFR80H～0FFH字节地址为8的倍数字节地址与80H～0FFH位地址对应关系见下表。相关SFR字节地址与80H～0FFH位地址对应关系SFR字节地址位地址D7D6……D1D0P080H87H86H……81H80HTCON88H8FH8EH……89H88HP190H97H96H……91H90HSCON98H9FH9EH……99H98HP2A0HA7HA6H……A1HA0HIEA8HAFHAEH……A9HA8HP3B0HB7HB6H……B1HB0HIPB8HBFHBEH……B9HB8HT2CON

C8HCFHCEH……C9HC8HPSWD0HD7HD6H……D1HD0HACCE0HE7HE6H……E1HE0HBF0HF7HF6H……F1HF0H2.4时钟和时钟电路、复位和复位电路一、时钟和时钟电路

时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，并且可通过提高时钟频率来提高CPU的速度。单片机允许的最高频率随型号而异，目前单片机多使用CMOS工艺，最高频率可达60MHZ。2.4图中：XTAL1、XTAL2分别为单片机的输入、输出引脚。片内反相放大器和片外晶体振荡器(或陶瓷谐振器)、电容组成振荡器。其频率主要取决于晶体振荡器(或陶瓷谐振器)，但不高于器件所允许的最高频率。C1、C2典型值为30pf±10pf(晶体振荡器)或40pf±10pf(陶瓷谐振器)，

C1、C2作用：帮助起振、微调频率。2.4

Rf反馈电阻。Ra限流保护。二个二极管限压保护。/PD(PCON.1)控制振荡器起停。

复位后/PD=1(PCON.1=0)振荡器工作，可由软件使PCON.1=1(/PD=0)让振荡器停振，使单片机停止工作，达到节电的目的。

2.4二、复位和复位电路

复位就是在启动计算机时，使CPU和其他相关部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

复位条件：为了实现单片机的复位，在时钟电路工作后，必须在单片机的RESET端至少维持2个机器周期以上的高电平，单片机才进入复位状态。若时钟频率为12MHZ，机器周期为1μs，则在单片机的RESET端只需持续2μs以上时间的高电平就能进入复位状态。2.4

复位状态：单片机复位后，片内RAM中低128B的内容不会改变，但特殊功能寄存器（SFR）的值被初始化。复位期间单片机的ALE、/PSEN和P0～P3端输出高电平。各寄存器复位状态如下：

89C52复位后各位不是全0的SFR寄存器共10个：SP=07H，P0～P3(口锁存器内容)=11111111B，IP=××000000B，IE=0×000000B，SBUF不定，

PCON=0×××0000B，T2MOD=××××××00B。

89C52复位后各位是全0的SFR寄存器共17个，包括：DPTR(DPH+DPL)、ACC、B等。

复位后，PC=0(PC不是SFR，不可直接访问)，计算机从0000H地址开始执行程序。

2.4复位电路：以下是普通CMOS单片机的上电自动复位电路和手动开关复位电路。上电自动复位电路实质是一个RC微分电路。2.4

89C52内部具有下拉电阻，其复位电路更简单。2.4

当系统中不止一个芯片需要复位操作时，可参照以下系统复位电路的思路设计符合要求的系统复位电路。

其中a图的R1、C组成RC积分电路。电容、电阻的具体值要由所用的芯片和使用频率决定。三、CPU时序

2.4

MCS-51包括4个定时单位，它们分别是：振荡周期（节拍）、时钟周期（状态周期）、机器周期和指令周期。以下是单片机两种常用晶振4个周期信号的对比表。1.振荡周期2.4

振荡周期也叫节拍，用P表示，振荡周期是指为单片机提供定时信号的振荡源的周期。是时序中最小的时间单位。例如：若某单片机时钟频率为2MHz，则它的振荡周期应为0.5μs。2.时钟周期

时钟周期又叫做状态周期，用S表示。是振荡周期的二倍，其前半周期对应的节拍叫P1拍，后半周期对应的节拍叫P2。P1节拍通常完成算术、逻辑运算，P2节拍通常完成传送指令。3.机器周期2.4

机器周期是实现特定功能所需的周期。51系列一个机器周期是固定不变的，由S1～S6(S1P1、S1P2～S6P1、S6P2)等6个状态周期（12个振荡周期）组成。4.指令周期指令周期是最大的时序定时单位。指令周期是指执行一条指令需要的时间。通常MCS-51的指令周期可以包含有1～4个机器周期，大多数指令执行时间为1～2个机器周期，只有乘法和除法指令需要4个机器周期。MCS-51的几种典型的指令时序如下图所示，每个机器周期内地址锁存信号（ALE）产生两次有效信号，分别出现在S1P2、S2P1期间与S4P2、S5P1期间。但在访问外部RAM时，ALE的有效信号将减少一次。下图是51系列单片机的CPU时序图2.4一、中断的概念

执行主程序主程序继续执行主程序断点中断请求中断响应执行中断处理程序中断返回中断是指CPU正在处理正常工作时，外部发生了某一事件，请求CPU迅速处理，CPU暂时中断当前工作，转去处理所发生的事件，处理完后，再回到原来被中断的地方继续原来工作的过程。2.5中断系统

优点2.5①分时操作。②实现实时处理。③故障处理。中断的功能①实现中断及返回。②能实现优先权排队。多个中断源时，当几个中断同时到来时，需要按轻重缓急处理，由此须设置各中断的优先级别。③能实现中断嵌套。如果在执行中断处理程序过程中，程序又被新的更高级中断所打断，并去执行新的中断处理程序，然后返回来执行原中断程序。这一过程叫中断嵌套。

2.5

二、89C52中断系统2.5

下图是89C52的中断系统结构1共有六个中断源，分别是外部中断两个、内部的定时中断三个和串行中断一个，它们是：外部中断0—INT0：由P3.2提供。外部中断1—INT1：由P3.3提供。外部中断有两种信号方式，即电平方式和脉冲方式。T0溢出中断—TF0：由片内定时/计数器0提供。T1溢出中断—TF1：由片内定时/计数器1提供。串行口中断—RI/TI：由片内串行口提供。T2溢出中断—TF2/EXF2：由片内定时/计数器2提供。1.89C52中断请求源

2.52.5

在中断请求被响应前，中断请求是由CPU锁存在特殊功能寄存器TCON、SCON、T2CON的相应中断标志位中。与中断控制有关的控制寄存器有五个：TCON—定时控制寄存器；IE—中断允许控制寄存器；IP—中断优先级控制寄存器；SCON—串行口控制寄存器；T2CON—T2定时控制寄存器。⑴定时控制寄存器TCON2.5

D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TF0IE1IT1IE0IT0中断请求标志触发方式选择0低电平1下降沿TF1：T1溢出中断标志。T1被启动计数后，从初值开始加1计数，直至计满溢出由硬件使TF1=l，向CPU请求中断，此标志一直保持到CPU响应中断后，才由硬件自动清“0”TF1。也可用软件查询该标志，并由软件清“0”TF1。TF0：T0溢出中断标志。其操作功能类似于TF1。IE1：外部中断1标志。IE1=1表明外部中断1向CPU申请中断。在边沿触发方式下，CPU响应中断后由硬件清“0”IE1IE0：外部中断0标志。其操作功能与IE1类似。⑵串行口控制寄存器SCON

2.5

D7D6D5D4D3D2D1D0TIRI串行中断请求标志TI：串行发送中断标志。CPU将一个字节数据写入发送缓冲器SBUF后启动发送，每发送完一个串行帧，硬件置位TI，使TI=1。但CPU响应中断后，并不能自动清除TI标志，必须由软件清“0”TI。

RI：串行接收中断标志。在串行口允许接收时，每接收完一个串行帧，硬件置位RI，使RI=1。同样CPU响应中断后不会自动清除RI标志，必须由软件清“0”RI。

⑶T2定时控制寄存器T2CON2.5D7D6D5D4D3D2D1D0T2EXF2EXEN2T2中断请求标志TF2：T2溢出中断标志。在捕捉方式和常数自动重装方式中，T2溢出时，置“1”TF2

，向CPU请求中断。CPU响应中断后，必须由用户程序清“0”TF2。在T2作为串行口波特率发生器或时钟输出方式时，TF2不会被置“1”，即不会产生中断溢出。EXF2：T2外部中断标志。EXEN2=1时，当T2EX(P1.1)发生负跳变时置“1”EXF2，向CPU请求中断。CPU响应中断后，必须由用户程序清“0”TF2。在T2作为加减计数方式时，EXF2不会产生中断。T2外部允许标志2.中断控制

2.5⑴中断使能控制—中断允许控制寄存器IED7D6D5D4D3D2D1D0EAET2ESET1EX1ET0EX00禁止，1允许EA：CPU中断总允许位。EA=1，CPU开放中断，每个中断源是被允许还是被禁止，分别由各自的允许位确定；EA=0，CPU屏蔽所有的中断要求，称关中断。2.5ET2：T2中断允许位。ET2=1，允许T2中断；ET2=0，禁止T2中断。ES：串行口中断允许位。ES=1，允许串行口中断；ES=0，禁止串行口中断。ET1：T1中断允许位。ET1=1，允许T1中断；ET1=0，禁止T1中断。EX1：外部中断1允许位。EX1=1，允许外部中断1中断；EX1=0，禁止外部中断1中断。ET0：T0中断允许位。ET0=1，允许T0中断；ET0=0，禁止T0中断。EX0：外部中断0允许位。EX0=1，允许外部中断0中断；EX0=0，禁止外部中断0中断。⑵中断优先级控制—中断优先级控制寄存器IP2.5

基本原则是：①高优先级不能被低优先级中断；②低优先级可被高优先级中断。③任何一种中断（不管是高级还是低级），一旦得到响应，不会再被它的同级中断所中断。④两个同一级的中断源同时向CPU发出中断申请，CPU通过内部硬件查询，按自然优先级确定优先响应哪一个中断要求。最低次低低高次高最高ET2ESET1EX1ET0EX0

PT2：定时计数器T2中断优先级控制位。PS：串行口中断优先级控制位。PT1：定时计数器T1中断优先级控制位。PX1：外部中断1中断优先级控制位。PT0：定时计数器T0中断优先级控制位。PX0：外部中断0中断优先级控制位。单片机复位后，IP寄存器被清0，所有中断源为低级中断。

中断优先级控制寄存器（IP）2.5

D7D6D5D4D3D2D1D0PT2PSPT1PX1PT0PX00低级别，1高级别3.中断响应

2.5⑴CPU的中断响应条件

①无同级或高级中断正在服务；②正在执行的机器周期不是所执行指令的最后一个机器周期；③若现行指令是RETI、RET或访问IE、IP指令，则需要执行完当前指令后，至少再执行一条指令后方可响应。⑵响应过程①置位中断优先级状态触发器，即关闭同级和低级中断：②调用入口地址，断点入栈，相当于硬件的LCALL指令；③进入中断服务程序。

中断源入口地址(52子系列)2.5中断源入口地址INT00003HT0000BHINT10013HT1001BHRI/TI0023HT2002BH在这些地址中往往安排一条跳转指令，如SJMP(机器代码2字节，地址低8位可变，范围－128B～＋127B)、AJMP(机器代码2字节，地址低11位可变，范围2KB)、LJMP(机器代码3字节，地址16位均可变，范围64KB)跳转到真正的中断服务程序中去执行程序，这是因为给每个中断源安排的空间只有8个单元。特别注意：复位后PC从0000H地址开始执行程序，而0000H到00003H之间只有三个字节，因此，真正意义上的应用程序往往被安排在002EH单元之后的某个地址上开始，此时也需要在0000H地址安排一条跳转指令(常用LJMP)转向应用程序。4.响应时间

2.5响应时间—从查询中断请求标志位到转向中断服务入口地址所需的机器周期数。⑴最快响应时间以外部中断的电平触发为最快。从查询中断请求信号到中断服务程序需要3个机器周期：

1个周期（查询）＋2个周期（长调用LCALL）⑵最长时间若当前指令是RET、RETI和IP、IE指令，紧接着下一条是乘除指令发生，则最长为8个周期：

2个周期执行当前指令（其中含有1个周期查询）＋4个周期乘除指令＋2个周期长调用＝8个周期。三、外部中断应用

2.51.外部中断触发方式