单片机原理与应用-基于AT89S51+Proteus仿真 第2版 课件 第2章 单片机结构及工作原理

单片机原理与应用第2章单片机结构及工作原理内容指南本章以AT89S51/52单片机为例，介绍单片机的组成结构及工作原理。包括AT89S51的基本硬件结构、工作原理、外部信号引脚、存储器结构、I/O口结构及单片机时序与工作方式。学习目标掌握AT89S51单片机的内部基本结构与外部引脚功能。了解AT89S51单片机的主要内部资源。掌握AT89S51单片机的存储器结构及工作原理。掌握AT89S51单片机4个通用I/O口的结构与功能。第2章单片机结构及工作原理MCS®---Intel公司的注册商标，

MicroControllerSeries微控制器系列MCS-51---51系列微控制器（8位）MCS-96---96系列微控制器（16位）51系列又分为51和52两个子系列，结构相同，只是存储器数量、定时/计数器个数、中断源数不同。典型芯片是80C51和80C52.第2章单片机结构及工作原理AT89S51/52是美国Atmel公司的单片机，是AT89C51/52的升级换代产品。与MCS-51系列单片机完全兼容。关于MCS-51内核单片机MCS-51系列设计上的成功，以及很高的市场占有率，已成为8位单片机的工业标准。Intel公司以专利形式把8051内核技术转让给ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。这些公司生产的51内核单片机与MCS-51兼容，因而常用51系列单片机来称呼所有这些具有8051指令系统的单片机。这些兼容机的各种衍生品种统称为51系列单片机或简称为51单片机。第2章单片机结构及工作原理与MCS-51兼容的主要产品第2章单片机结构及工作原理单片机—将通用微计算机的基本功能部件集成在一块芯片上构成的一种微计算机系统MCU=CPU+程序存储器+数据存储器+I/O+定时/计数器+内外中断+可编程全双工串行口+…第2章单片机结构及工作原理基本概念单片机是通过执行程序来工作的，执行不同的程序就能完成不同的任务。单片机程序是由一条条有序指令组成，按一定形式存放在程序存储器中；执行程序时，CPU从程序存储器中取指令，分析并执行指令，执行完将结果放到内部寄存器或指定的数据存储器中；存储器是由一个个存储单元组成，并以地址进行区分，即每个存储单元都有一个地址。第2章单片机结构及工作原理基本概念存储单元中存放8位二进制数，即1个字节。程序和数据以字节为单位存放在各自的存储器中。务必搞清两个概念：存储单元地址存储单元内容（指令）第2章单片机结构及工作原理变量名与存储单元地址相对应，变量值与存储单元的内容相对应。例如例如：程序中定义的变量第2章单片机结构及工作原理基本概念单片机内部有三种总线：数据总线，传送8位数据的双向通道，从CPU到存储器或I/O端口，或从存储器、I/O端口到CPU；地址总线，传送地址的单向通道，地址只能从CPU传向存储器或I/O端口；地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的存储空间大小，51单片机有16位地址线。控制总线，传送控制信号的通道。第2章单片机结构及工作原理

2.1单片机的内部结构第2章单片机结构及工作原理程序存储器：4KBFlashROM，用于存放程序/表格常数。数据存储器：共128个RAM单元，用于存放可读写数据。定时/计数器：2个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。中断控制系统：5个中断源（外部中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：1个全双工串行口第2章单片机结构及工作原理AT89S51单片机的CPUAT89S51的CPU是由运算器和控制器所构成的。第2章单片机结构及工作原理2.3AT89S51单片机的CPU运算器：ALU、和专用寄存器由定时和控制部件构成的控制器，包括定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、数据地址指针DPTR、程序计数器PC、堆栈指针SP、ROM地址寄存器以及16位地址缓冲器等。第2章单片机结构及工作原理运算器运算器的功能主要进行算术和逻辑运算，它由算术逻辑单元ALU、累加器ACC、B寄存器、PSW状态字寄存器和两个暂存器组成。算术逻辑单元ALU。加、减、乘、除、增量、十进制调整和比较等算术运算；与、或、异或等逻辑运算；左移位、右移位和半字节交换等操作；

操作数暂存于累加器和相应寄存器，操作结果存于累加器，操作结果的状态保存于状态寄存器(PSW)中。第2章单片机结构及工作原理运算器累加器A(Accumulator)

程序中最常用的8位特殊功能寄存器。主要功能为存放操作数以及存放运算的中间结果。单片机中大部分单操作数指令的操作数取自累加器，多操作数指令中的一个操作数也取自累加器。加、减、乘、除算术运算指令的运算结果都存放于累加器A或B寄存器中。指令系统中用A作为累加器的助记符。第2章单片机结构及工作原理运算器寄存器B主要用于乘除法运算的8位寄存器。

乘法运算时，B为乘数，乘积的高位亦存于B中。

除法运算时，B为除数，并将余数存于B中。此外，寄存器B也可以作为一般数据寄存器来使用。第2章单片机结构及工作原理程序状态字PSW(ProgramStatusWord)用于存放指令执行时的状态信息的8位寄存器。其中有些位的状态是根据指令执行结果，由硬件自动设置的。PSW的状态可用专门的指令进行测试，也可以用指令读出。一些条件转移指令将根据PSW中有关位的状态来进行条件转移，其各位定义如下：第2章单片机结构及工作原理程序状态字PSW(ProgramStatusWord)P…OVRS0RS1F0ACCyD7D6D5D4D3D2D1D0进位标志、在算术/逻辑运算时,若有进位/借位,Cy＝1;否则,Cy＝0.在位处理器中它是位累加器。辅助进位标志在BCD码运算时,用作十进位调整.

用户通用状态标志

溢出标志,用来指示运算结果是否产生溢出奇偶标志位

保留位

工作寄存器组选择控制位

若A中有奇数个“1”，则P置1，否则清0

第2章单片机结构及工作原理由定时和控制部件构成的控制器，包括定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、数据地址指针DPTR、程序计数器PC、堆栈指针SP、ROM地址寄存器以及16位地址缓冲器等。第2章单片机结构及工作原理控制器控制器的功能是控制单片机各部件协调动作。它由程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路组成。其工作过程就是执行程序的过程，而程序的执行是在控制器的控制下进行的。步骤如下：从片内外程序存储器ROM中取出指令，送指令寄存器，通过指令寄存器再送指令译码器，将指令代码译成一种或几种电平信号。由时序逻辑电路进行综合后用以控制系统各部件进行相应的操作，完成指令的执行。第2章单片机结构及工作原理程序计数器PC(ProgramCounter)一个16位的计数器，用于存放将要执行的指令地址，寻址范围达64KB。PC有自动加1的功能，以实现程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的，无法对它进行读写。但在执行转移、调用、返回等指令时，能自动改变其内容，以改变程序的执行顺序。第2章单片机结构及工作原理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①②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单片机的工作过程取指过程例:MOVA,#09H74H

09H;把09H送到累加器A中执行过程PC=0000H0001H0000H0002H0111010000001001(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？第2章单片机结构及工作原理51系列单片机一般采用40只引脚的双列直插式（DIP——DualIn-linePackage）封装结构2.3单片机引脚及功能

第2章单片机结构及工作原理除DIP封装外，51单片机还采用44只引脚的方形扁平(QFP

——QuadFlatPackage)封装方式（4只引脚无用）。第2章单片机结构及工作原理DIP引脚分布电源及晶振引脚（共4只）控制引脚（共4只）端口引脚（共32只）三类第2章单片机结构及工作原理（1）电源及晶振引脚VCC(40脚)：+5V电源引脚VSS(20脚)：接地引脚XTAL1(19脚)；外接晶振引脚（内置放大器输入端）XTAL2(18脚)：外接晶振引脚（内置放大器输出端）89S51Vcc80C512040Vss+5V89S51第2章单片机结构及工作原理20～40pF1～24MHz（AT89C51）

1～33MHz（AT89S51）也可以由XTAL1端接入外部时钟，此时应将XTAL2悬空：XTAL1XTAL2XTAL2XTAL1外部时钟通常外接一个晶振两个电容第2章单片机结构及工作原理第2章单片机结构及工作原理（2）控制引脚RST/VPD

(9)：复位/备用电源引脚ALE/PROG

(30)：地址锁存使能输出/编程脉冲输入PSEN

(29)：输出访问片外程序存储器读选通信号EA/VPP

(31)：外部ROM允许访问/编程电源输入20μF8K10k80C51第2章单片机结构及工作原理控制引脚的第二功能不用理会！系统扩展用单片机访问外部存储器时，P0口可用作地址/数据复用口。P0口的信息是地址还是数据由ALE来定义。

ALE高电平期间，P0口上一般出现地址信息，在ALE下降沿时，将P0口上地址信息锁存到片外地址锁存器，在ALE低电平期间P0口上一般出现指令和数据信息。在不访问片外存贮器时，该端也以六分之一的时钟频率固定输出正脉冲。可作系统中其它芯片的时钟源。对片内EPROM编程时，此脚用于编程脉冲输入。ALE/PROG：地址锁存允许信号/编程脉冲输入端。第2章单片机结构及工作原理PSEN：片外程序存储器选通信号，低有效。在寻址外部程序存储器时选通外部ROM的读控制端(OE)。89S51P0.0-P0.7ALEPSENP2.0-P2.48D8QOEA8-A12A0-A7D0-D7GEAOECEEPROM373第2章单片机结构及工作原理当EA为高时CPU访问程序存贮器有两种情况：①地址小于4K时访问内部程序存贮器。②地址大于4K时访问外部程序存贮器。当EA接地，则不使用内部程序存贮器，不管地址大小，取指时总是访问外部程序存贮器。对于最小系统EA应当接高电平第2章单片机结构及工作原理（3）端口引脚P0.0～P0.7（39～32脚）——P0口P1.0～P1.7（1～8脚）——P1口P2.0～P2.7（21～28脚）——P2口P3.0～P3.7（10～17脚）——P3口8只/组×4组=32只引脚P0口～P3口是单片机对外联络的重要通道第2章单片机结构及工作原理最简单的单片机电路图MCU的电源引脚被隐藏（ISIS仿真与Vcc和Vss无关）第2章单片机结构及工作原理51单片机引脚小结控制引脚并行I/O口引脚电源及时钟引脚X1

X2

EA

PSEN

ALE

RST

VCC

GND

AT89S51

P0

P1

P2

P3

P00~P07

P10~P17

P20~P27

P30~P37

第2章单片机结构及工作原理2.4AT89S51单片机存储器结构

1.

存储器划分方法计算机存储器地址空间的两种结构形式：普林斯顿结构和哈佛结构。RAM和ROM统一编址

RAM和ROM分别编址

第2章单片机结构及工作原理程序存储器ROM数据存储器RAM第2章单片机结构及工作原理51单片机采用哈佛结构，共有4个物理存储空间：片内RAM、片内ROM、片外RAM、片外ROM各类存储器分别编址片内RAM片内ROM片外RAM片外ROM00H000H0000H0000H

FFH

FFFHFFFFHFFFFH1

2

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15EPROM27641

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15RAM62641

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15RAM6264

80318751805189C51片内RAM片内ROM256B（字节）4KB64KB64KB在物理结构上有4个存储空间★CPU访问这几个不同的逻辑空间时采用不同的指令：

MOV

MOVX

MOVC在逻辑地址上只有3个存储空间片内RAM和片外RAM是独立编址的，而片内ROM与片外ROM是统一编址的，所以在逻辑地址上只有3个存储空间片内RAM片外RAM第2章单片机结构及工作原理51单片机的四个物理存储空间仅相当于三个逻辑存储空间片内RAM片内ROM片外RAM片外ROM00H000H0000H0000H

FFH

FFFHFFFFHFFFFH物理存储空间逻辑存储空间2.程序存储器(ROM)作用：存放程序、表格或常数，具有非易失性特点：片内ROM与片外ROM可有2种组合方案第2章单片机结构及工作原理方案1

：4KB以内的地址在片内ROM，大于4KB的地址在片外ROM中（图中折线），两者共同构成64KB空间；方案2

：片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（图中直线）。2种组合方案由EA引脚的电平状态决定：EA=1时为方案1（使用片内ROM）EA=0时为方案2（只使用片外ROM）EA引脚接低电平时，仅使用片外ROM（片外ROM不可缺省)。由于片内、外ROM是统一编址的，故只能算作1个逻辑存储空间。第2章单片机结构及工作原理EA引脚接高电平时，可同时使用2种ROM(片外ROM可以缺省)；第2章单片机结构及工作原理中断程序执行过程：某一突发事件→相应中断入口地址自动装入PC→引导两次跳转→执行相应中断服务程序主程序一般应安排在0030H地址以后（有中断需要时）ROM有6个特殊存储器单元——用于程序引导…主程序跳转指令INT0中断跳转指令T0中断跳转指令INT1中断跳转指令T1中断跳转指令主程序首指令0000H0003H000BH0013H001BH0030H0023HRI/TI中断跳转指令ROM

0000H：主程序入口地址

0003H：INT0中断程序入口地址

000BH：T0中断程序入口地址

0013H：INT1中断程序入口地址

001BH：T1中断程序入口地址

0023H：RI/TI中断程序入口地址3.片内数据存储器(RAM)作用：存放程序运行结果字长：8位数量：128B+128B（80C51）30H低128B（00H～7FH）为普通RAM区高128B（80H～FFH）为特殊功能寄存器区第2章单片机结构及工作原理(1)低128字节的区域

①工作寄存器区（00H～1FH）

②可位寻址区（20H～2FH）

③用户RAM区（30H～7FH）①②③30H第2章单片机结构及工作原理①区共有32个存储单元；每个单元都有1个8位地址（字节地址）每个单元都有1个寄存器名称（R0～R7）32个单元分为4组（第0～

第3组）CPU只能选一组为当前工作寄存器组当前工作寄存器组取决于PSW的设置①30HCPU复位后RS1和RS0默认值为0，即默认第0组为当前工作寄存器组。第2章单片机结构及工作原理②30H②区共有16个存储单元；每个单元都有一个字节地址每个单元都有8个不同的位地址

②区共有128个位地址②区可以字节地址和位地址两种方式存取数据。第2章单片机结构及工作原理③区共有80个存储单元；每个单元都有一个字节地址，但没有位地址，也没有寄存器名。③30H此区可作为堆栈区和中间数据存储区使用——用户RAM区【注意】：①区和③区只能按字节进行数据存取操作，②区则可按字节和位两种方式存取操作。第2章单片机结构及工作原理（2）高128字节RAM区

30HSFR承担着51单片机内部资源的管理工作每个存储单元都有一个字节地址，但只有其中21个单元可以使用，并有相应寄存器名称。51单片机共有21个特殊功能寄存器（Spetial

FunctionRegister）第2章单片机结构及工作原理字节地址末位是0或8的SFR，都具有位地址。88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH2.5并行I/O口结构

并行：数据位同时传送称为并行。51单片机有4个并行I/O口，分别是P0，P1，P2，P3；每个并行口又有8位，也称为有32位I/O口。I/O口既可以并行使用，也可以单独使用。（既有字节地址又有位地址）做通用I/O使用时，每一位I/O都能独立地用作输入或输出。第2章单片机结构及工作原理由于一机多能，4个并行口的内部结构也不同（有些口有第二功能）。了解4个口的内部结构对于正确使用这些I/O口非常重要。第2章单片机结构及工作原理P0口功能1、可作为8位普通I/O口功能2、扩展外部总线时作为地址总线低8位和8位数据总线复用口使用。第2章单片机结构及工作原理P0口12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X43VccT1T2MUX=0第2章单片机结构及工作原理P0口引脚P0.X12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制43VccT1T2MUX=0第2章单片机结构及工作原理P0口引脚P0.X12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制43VccT1T2MUX=1第2章单片机结构及工作原理P0口作为一般I/O口使用12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制43VccT1T2MUX=0引脚P0.X00截止Vcc10k1、P0口用作输出例:MOVP0,#10101010B11001第2章单片机结构及工作原理P0口作为一般I/O口使用12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制43VccT1T2MUX=0引脚P0.X00截止Vcc10k例:MOVP0,#10101010B00110P0口能驱动8个LSTTL门电路1、P0口用作输出第2章单片机结构及工作原理2、P0口用作输入P0口作为一般I/O口使用12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制43VccT1T2MUX=0引脚P0.X00截止Vcc10k例:MOVA,P0?=1若锁存器原保存数据Q=0，将使T2导通；P0.X始终为低电平,不能输入’1’信号。因此，在P0口作输入口使用前必须先置1。第2章单片机结构及工作原理P0口作为一般I/O口使用12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制43VccT1T2MUX=0引脚P0.X00截止Vcc10k“读-修改-写”指令ANLP0,A第2章单片机结构及工作原理P0口作为地址/数据总线使用12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制43VccT1T2MUX=1引脚P0.X3、输出地址时：1001导通1第2章单片机结构及工作原理P0口作为地址/数据总线使用12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制43VccT1T2MUX=1引脚P0.X3、输出地址时：0110截止0第2章单片机结构及工作原理P0口作为地址/数据总线使用12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制43VccT1T2MUX=1引脚P0.X4、输入数据时：=1截止输入指令将使引脚与内部总线直通第2章单片机结构及工作原理P0口总结特点：（1）P0口可作通用I/O口，又可作地址/数据总线口；（2）P0既可按字节寻址，又可按位寻址；（3）作通用I/O口应外接上拉电阻；（4）作通用I/O口输入时，需先向对应的锁存器写1；（5）作地址/数据总线口时，P0是一真正双向口，而作通用I/O口时，只是一个准双向口。第2章单片机结构及工作原理P1口12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线VccT2引脚P1.X1101MOVP0,A（1）只能作普通I/O口（2）输出驱动接有上拉电阻,不是开漏输出,无高阻态。第2章单片机结构及工作原理P1口12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线VccT2引脚P1.X0010MOVP0,A（1）只能作普通I/O口（2）输出驱动接有上拉电阻,不是开漏输出,无高阻态。第2章单片机结构及工作原理P1口12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线VccT2引脚P1.XMOVA,P0=1（3）输入数据时，需先向对应的锁存器写1；（4）P1口能驱动4个LSTTL门电路（1）只能作普通I/O口（2）输出驱动接有上拉电阻,不是开漏输出,无高阻态。第2章单片机结构及工作原理P2口12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址控制VccT2MUX引脚P20.X（4）可位寻址，也可按字节寻址。（1）可用作输出高8位地址、通用I/O口。（2）输出驱动接有上拉电阻，不是开漏输出,无高阻态，因此是准双向口。（3）从P2口输入数据时，先向锁存器写“1”。第2章单片机结构及工作原理P3口

P3口作为通用I/O接口时,第2功能输出线为高电平,使与非门3的输出取决于口锁存器的状态。

在这种情况下,P3口仍是1个准双向口,它的工作方式、负载能力均与P1、P2口相同。第2章单片机结构及工作原理P3口口线替代的第二功能P3.0RXD（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2INT0（外部中断0输入）P3.3INT1（外部中断1输入）P3.4T0(定时器0的外部输入)P3.5T1(定时器1的外部输入)P3.6WR（写选通控制输出）P3.7RD（读选通控制输出）第2章单片机结构及工作原理结论：在最小应用系统中P0～P3口都作为准双向通用I/O口，其中只有P0口需要外接上拉电阻；在总线扩展系统中，P2口作为高8位地址线，P0口作为低8位地址线/8位数据线复用口，此时P0口是真双向口。第2章单片机结构及工作原理P1～P3口驱动LED发光二极管（a）不恰当连接：高电平驱动（b）恰当的连接：低电平驱动发光二极管与I/O口的直接连接第2章单片机结构及工作原理I/O口应用举例红外防盗报警器第2章单片机结构及工作原理问：P1.3作什么口？P1.0,P1.1,P1.2?如何加一个蜂鸣器？光路通畅，R亮

2K

光路阻断，R暗

400K

第2章单片机结构及工作原理

JOB3:CLRP1.1;亮绿灯

REDO:SETBP1.3;P1.3作输入口必先置1CHECK:JNBP1.3,CHECK;检测通道是否被阻断？

LOOP:…………;有入侵者，报警！

AJMPREDO;再跳回去检测P1.3口用于输入状态检测的语句红外线光路通畅时，P1.3端＝低电平红外线光路阻断时，P1.3端＝高电平第2章单片机结构及工作原理（1）时序的概念第2章单片机结构及工作原理时序是对象（或引脚、事件、信息）间按照时间顺序组成的序列关系。时序可以用状态方程、状态图、状态表和时序图4种方法表示，其中时序图最为常用。时序图亦称为波形图或序列图，纵坐标表示不同对象的电平，横坐标表示时间（从左往右为时间正向轴），通常