第7章 解剖单片机

实例解读51单片机完全学习与应用

Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller

杨欣YangX张延强ZhangY编著莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX主审电子工业出版社2011.21

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX第7章解剖单片机2第7章解剖单片机AT89S51单片机的内部结构3

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX第7章解剖单片机7.1■

单片机的功耗7.1.1运行功耗4在时钟频率较高时，如表中的4.0MHz，单片机运算速度较快，相应的1.25mA工作电流比在时钟频率为1.0MHz时的550µA工作电流要高。12MHz下的运行功耗达25mA。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX第7章解剖单片机7.1.2I/O口驱动功耗5I/O口都会使能驱动电路去控制功率较大的外设，如蜂鸣器、电机等。根据AT89S51单片机的技术手册，其I/O口的输出电流不能超过15mA。所以在谈I/O口驱动功耗时，我们更多关注的是外设通过驱动电路所消耗的功率。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX第7章解剖单片机7.2■

单片机内部结构7.2.1从I/O口到内部结构6比较一下图（a）和（b），前者显示出4根数据线：读锁存器、内部总线、写锁存器、读管脚。这4根数据线与单片机内部结构中的总线相连。而后者则用一个双向箭头（

）来表示这4根数据线，说明锁存器与总线之间的关系。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX第7章解剖单片机7.2.1从I/O口到内部结构7可把整个P1口都抽象出一个结构框图，如图示，其中把8位I/O口的独立结构抽象到了P1口锁存器和P1口驱动两个方框中，这与图7-1所示的P0、P1、P2、P3口结构是一致的。由于I/O口都是双向的，所有的数据线都使用双向箭头。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX第7章解剖单片机7.2.2数据在内部交换8举例：RAM是单片机的随机访问存储器，用于存储运行过程中的数据。假设RAM中地址30H上存储了数据“3CH”，现在单片机执行指令“MOVA,30H”，之后，RAM中地址30H上的数据3CH“跑”到总线上，而累加器A根据指令要求，从总线上接收这个数据，执行完毕后，A=3CH。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX第7章解剖单片机7.2.3算术逻辑单元（ALU）9ALU为“进行算术运算和逻辑运算的处理单元”。它能进行加、减法等算术运算，也能做与、或、异或等逻辑运算。ALU就是单片机的“CPU”，ALU的输入端A和B，它们的数据都来自总线，经过ALU运算后，结果通过R又输出到总线上。在运算过程中，ALU通过输出D向程序状态字PSW输出状态，PSW会随着ALU的运算发生相应的变化。如执行加法指令ADD时，当最高位有进位时，PSW的进位标志C就被置1，这都归功于ALU通过D向PSW的C位输出高电平。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX第7章解剖单片机7.3■

单片机的程序存储器7.3.1整体结构10

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX第7章解剖单片机7.3.2程序下载到哪里？11

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX以.HEX为后缀的执行代码文件可通过下载线下载到单片机中（4.4节）。如果用记事本打开执行代码文件会得到一串十六进制数，其中包含了每条指令的执行代码。比如指令“MOVA,#88H”执行代码为“74”、“88”，其他指令都可从附录C中找到相应的执行代码。执行代码通过下载线下载到了单片机的片内ROM中。因为片内ROM中下载的是程序，所以也称这个片内ROM为片内程序存储器。第7章解剖单片机7.3.3片内程序存储器12

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuXAT89S51单片机的片内程序存储器容量为4Kbytes，即4×1024=4096bytes。

这4096bytes片内程序存储器可用地址0000H～0FFFH来指向。在我们通过下载线往单片机下载程序时，执行代码将从0000H开始，被依次存储到单片机中。如图示的执行代码，存储到0000H里的是74H，即“01110100”；0001H里的是88H，即“10001000”。按照这种方法直到程序全部下载完毕，根据程序的长短不同，程序存储器被占用的空间多少也就不同。第7章解剖单片机7.3.4程序计数器PC13

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX程序计数器PC，它用于指示单片机下一条将要执行的代码的地址。当单片机上电复位时，PC=0000H，即指向程序存储器中的0000H，单片机就把0000H上的代码取出执行。之后PC自动增加1，变成0001H，如图示，接着单片机就执行0001H地址上的代码。第7章解剖单片机7.3.4程序计数器PC14

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX由于程序计数器PC是个两个字节（16位）的寄存器，于是受PC的制约，AT89S51单片机最大的寻址范围是0000H~FFFFH，共64Kbytes。也就是说，除了AT89S51单片机片内的4Kbytes程序存储器（地址0000H~0FFFH）外，单片机能寻址的外部扩展的程序存储器空间最大为64Kbytes-4Kbytes=60Kbytes，即地址1000H~FFFFH。第7章解剖单片机7.3.5是片内还是片外程序存储器?15

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX当

接高电平时，单片机复位时读取片内程序存储器中的程序，即从PC=0000H开始，依次读取0000H～0FFFH上的程序。当PC增加到0FFFH时，PC再增加1等于1000H，单片机将自动转到片外程序存储器上执行其中的程序。而当

接低电平时，单片机则完全读取片外程序存储器中的程序，即从片外程序存储器中的0000H开始，依次读取程序来执行。由于受到程序计数器PC的位数限制，读取片内或片外程序存储器的最大地址范围为0000H～FFFFH。第7章解剖单片机7.4■

单片机的数据存储器7.4.1片内数据存储器16

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX单片机的数据存储器也有片内和片外之分。片内数据存储器就是单片机中原有的数据存储器，即片内RAM。片内数据存储器可分成三个部分：工作寄存器区、位寻址区、开放区。这三个区都可用来保存单片机运行过程所产生的数据。但片内数据存储器是一个RAM，即随机访问存储器，在掉电后其中的数据将会丢失。第7章解剖单片机7.4.1片内数据存储器17

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX单片机的128×8-bit的片内数据存储器只有其中的20H~7FH共96个字节（开放区+位寻址区）给我们使用的，而00H~1FH则是工作寄存器区，一般通过工作寄存器R0~R7来使用。AT89S51单片机最大的数据存储器（片内＋片外）寻址范围也为0000H~FFFFH，共64Kbytes的空间。第7章解剖单片机7.4.2工作寄存器区（00H~1FH）18

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX工作寄存器共有8个，分别为R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，前面有许多程序已经涉及工作寄存器。这8个工作寄存器可以用来装载1个字节长度的数据，在程序中可视为一个变量来使用，常常用来作为计数值、显示值等。指令“MOVR0,#24H”，把立即数24H装载到工作寄存器R0中。第7章解剖单片机7.4.2工作寄存器区（00H~1FH）19

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX工作寄存器R0~R7指向片内数据存储器中的地址，当单片机上电复位时，R0～R7映射片内数据存储器的00H～07H，即第0组。执行指令“MOVR0,#24H”，立即数24H装载到R0，实际上被装载到00H地址空间上。执行“MOVR5,#3FH”，那R5映射的片内数据存储器05H地址上即被装载3FH。第7章解剖单片机7.4.2工作寄存器区（00H~1FH）20

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX工作寄存器R0～R7除了映射片内数据存储器的地址00H～07H外，还可以映射向其余的地址08H～1FH。工作寄存器可用不同组别来称呼。第7章解剖单片机7.4.2工作寄存器区（00H~1FH）21

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuXAT89551单片机上电复位时工作寄存器默认的组别是第0组，即R0～R7映射00H～07H。如果想改变当前程序使用的工作寄存器组别，可以通过更改程序状态字PSW中的第3位（RS0）和第4位（RS1）。第7章解剖单片机7.4.3位寻址区（20H~2FH）22

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX片内数据存储器的20H~2FH（共16个字节）为位寻址区，这16个字节共有16×8=128位的空间可进行位寻址。位寻址的意思是可对某一位单独进行操作，比如指令SETB可让位寻址区的任何一位置1，指令CLR可清0位寻址区的任何一位。第7章解剖单片机7.4.3位寻址区（20H~2FH）23

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX在使用位寻址区时，并不是直接操作20H~2FH这16个地址，而是用图示的映射地址来完成。假如程序中需要把20H上的B0位清0，就需要操作20H上的B0位所映射的地址——00H，于是指令可设计为：“CLR 00H”。再如想把2AH上的B4位置1，指令则为“SETB 54H”。第7章解剖单片机7.4.4开放区（30H~7FH）24

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX片内数据存储器的地址30H～7FH是开放给用户使用的空间，用户可以在这段空间里存储单片机运行时产生的数据，也可以读取存储的数据到工作寄存器、累加器等中。例如以下指令实现将累加器A的数据载入33H上，执行过后（33H）=8FH。第7章解剖单片机7.5■

单片机的特殊功能寄存器7.5.1特殊功能寄存器分布图25

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuXAT89S51单片机共有26个特殊功能寄存器，位于地址80H～0FFH上。其中有前面使用过的累加器A、程序状态字PSW、P0～P3口等。第7章解剖单片机7.5.2特殊功能寄存器的功能26

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuXAT89S51单片机多个内部功能模块如中断控制、Timer0/1、串行口等都由特殊功能寄存器控制。每个特殊功能寄存器的长度都是1个字节，它们的详细介绍将在随后的章节中详细展开。第7章解剖单片机7.5.3特殊功能寄存器的字节操作27

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX操作特殊功能寄存器寄存器的过程，实际就是控制单片机充分发挥自身功能的过程。例如指令“MOVP1,#00H”，这条指令把立即数00H从P1口送出去。P1也是特殊功能寄存器的一份子，它的地址为90H。所以指令“MOVP1,#00H”就是对特殊功能寄存器的操作，会让特殊功能寄存器区的（90H）=00H。以上这种操作我们称为字节操作，因为在执行“MOVP1,#00H”时，P1就像一个符号，实际上立即数是送到P1对应的特殊功能寄存器地址空间上，也就是90H。所以，这和我们往片内数据存储器的开放区某一个地址装载1个字节的数据的过程是一样的。第7章解剖单片机7.5.4特殊功能寄存器的位操作28

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX某些特殊功能寄存器还支持位操作，比较常用的是置1指令“SETB”和清0指令“CLR”。例如指令“CLRP2.0”将P2.0清0。执行这条指令后，只有P2.0=0，之相连的发光二极管点亮。而P2.1～P2.7仍然保持原来的状态。支持位操作的特殊功能寄存器：P0（P0口锁存器） P1（P1口锁存器）P2（P2口锁存器） P3（P3口锁存器）ACC（累加器） B（B寄存器）PSW（程序状态字寄存器） TCON（定时/计数器控制寄存器）SCON（串行口控制寄存器） IE（中断使能寄存器）IP（中断优先控制寄存器）第7章解剖单片机7.6■

应用体验——用取表方式实现流水灯7.6.1取表法29

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX要实现流水灯需要在P2口按图示依次输出每一行数据，如果用十六进制表示每一行数据为：FEH、FDH、FBH、F7H、EFH、DFH、BFH、7FH。取表法的思路就是把这些数据预先放在一个数据表中，作为程序的一部分。单片机执行时每次取一个数据从P2口送出，延时后再取下一个数据送出，这样就可以从发光二极管上看到流水灯的效果了。第7章解剖单片机7.6.1取表法30

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX第7章解剖单片机7.6.1取表法31

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller编著：杨欣YangX张延强ZhangY主审：莱·诺克斯NokesL王玉凤WangY刘湘黔LiuX第7章解剖单片机7.6.3体验流水灯3