单片机硬件结构和原理

§2.1 89C51单片机芯片内部结构及特点§2.2 89C51单片机引脚及其功能§2.3 89C51单片机存储器配置§2.4 时钟电路及89C51CPU§2.5 复位操作§2.6 89C51单片机的低功耗工作方式返回第2章 89C51单片机的结构和原理§2.7 输出/输入端口结构5/21/2024§2.1 89C51单片机芯片内部结构及特点返回89C51单片机结构框图A89C51CPU振荡器和时钟OSC64KB总线扩展控制器数据存储器256BRAM/SFR2×16位定时器/计数器可编程I/O程序存储器4KBFLASHROM可编程全双工串行口内外中断源控制并行口串行通信外部时钟源外部事件计数片内振荡器和时钟产生电路，需外接晶振和电容。片内4kB/8kBFlashROM，用以存放程序、一些原始数据和表格。128B/256B片内RAM，用以存放运算的中间结果等都可以设置成计数/定时方式，完成对外部事件进行计数或实现定时控制。8位CPU。指令简单，实现加减乘除运算、逻辑运算和强大的位控制功能。四个8位并行I/O口P0~P3，或32位独立的I/O口，可以用作输入，也可以用作输出。一个全双工UART的串行I/O口，可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。用于外部ROM、RAM或外设的扩展。五个中断源的中断控制系统。5/21/2024二、89C51系列单片机的性能1）

89C51单片机与8051相比，具有节电工作方式，即休闲方式及掉电方式。2）89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。此时的电流可降到大约为正常工作方式的15%。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。这种方式下的电流可降到15μA以下，最小可降到0.6μA。3）89C51单片机还有一种低电压的型号，即89LV51，除了电压范围有区别之外，其余特性与89C51完全一致。89C51采用5V电源，89LV采用512.7~6V电源。4）89C51/LV51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。它采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS51兼容；片内的FlashROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此89C51/LV51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。返回5/21/2024§2.1.289C51单片机芯片内部结构一、结构图二、结构组成返回5/21/2024P0驱动器P2驱动器P0锁存器P2锁存器RAM地址寄存器128BRAM4KBROMB寄存器暂存器1暂存器2ACCSP程序地址寄存器缓冲器PC增1PCDPTR中断、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寄存器指令译码器OSCALUP0.0-P0.7P2.0-P2.7P3.0-P3.7P1.0-P1.7XTAL1XTAL2PSENALEEARESET89C51单片机内部结构图返回运算器控制器存储器I/O接口5/21/20241、中央处理单元（89C51CPU）：运算器+控制器返回1）8位的ALU：可对4位、8位、16位数据进行操作。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的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。3）8位程序状态寄存器PSW：指示指令执行后的状态信息供程序查询和判别用。4）8位寄存器B：在乘除运算时，用来存放一个操作数也用来存放运算后的一部分结果；如不能做乘除运算时，作为通用寄存器。5）布尔处理器：专门用于处理位操作的，以PSW中的C为其累加器。6）2个8位暂存器：ALU的两个入口处。（1）运算器二、结构组成：CPU+存储器+I/O接口5/21/20242）控制器（1）程序计数器PC（16位）：PC是程序的字节地址计数器，PC内容为将要执行的指令地址。改变PC内容，改变执行的流向。PC可对64KB的ROM和片外RAM直接寻址，不可对89C51片内RAM寻址。由两个8位计数器PCH、PCL组成。（2）指令寄存器IR及指令译码器ID由PC中的内容指定ROM地址。取出来的指令经IR送至ID。由ID对指令译码产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。（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频率微调电容（2个30pF左右），其频率范围为1.2MHz-12MHz。该信号作为89C51工作的基本节拍，即时间的最小单位。返回5/21/20242、存储器1）程序存储器（ROM）89C51片内为4kBFlashROM。地址从0000H开始。用于存放程序和表格常数。2）数据存储器（RAM）89C51RAM均为128B，地址为00H～7FH。用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。128B的RAM=工作寄存器组+位寻址空间+普通RAM+堆栈。片内还有21个特殊功能寄存器（SFR），它们同128字节RAM统一编址，地址为80H～FFH。3、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条独立的I/O口线。P0-P3口四个锁存器同RAM统一编址，可作为SFR来寻址。返回5/21/20242.2 89C51单片机引脚及其功能§2.2.189C51单片机引脚§2.2.289C51单片机引脚功能返回5/21/2024§2.2.1 89C51单片机引脚下图是89C51/LV51的引脚结构图，有双列直插封装(DIP)方式和方形封装方式。返回2.2 89C51单片机引脚及其功能5/21/2024§2.2.289C51单片机引脚功能一、电源引脚：Vcc(40脚)+5V电源端，Vss(20脚)：接地端。二、时钟电路引脚：XTAL1和XTAL2XTAL2（18脚）、XTAL1（19脚）：分别接外部晶体和微调电容的一端，为单片机提供时钟；三、控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EARST（9脚）：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。ALE（30脚）：地址锁存允许信号端。正常工作时，该引脚以振荡频率的1/6固定输出正脉冲。CPU访问片外存储器时，该引脚输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。PSEN（29脚）：程序存储器允许信号输出端。在访问片外ROM时，定时输出负脉冲作为读片外ROM的选通信号，接片外ROM的OE端。EA（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端。EA=1：CPU访问片内ROM并执行片内程序存储器中的指令，但当PC值超过0FFFH（片内ROM为4KB）时，将自动转向执行片外ROM中的程序。EA=0：CPU只访问片外ROM并执行外部程序存储器中的程序。返回5/21/2024四、I/O端口P0、P1、P2和P31、均可字节访问。2、均可分为8位独立的I/O口使用。3、准双向：当I/O口作为输入时，应先向此口锁存器写入全1，此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。返回5/21/2024P3端口引脚与复用功能表5/21/2024§2.3 89C51存储器配置§2.3.1 89C51存储器分类§2.3.2 程序存储器地址空间§2.3.3 数据存储器地址空间返回5/21/2024§2.3.189C51存储器分类返回片内程序存储器片外程序存储器片内数据存储器片外数据存储器89C51存储器程序存储器ROM数据存储器RAM1、片内、外统一编址的64kBROM地址空间。CPU访问片内、片外ROM用MOVC指令。2、64kB的片外数据存储器地址空间。访问片外RAM指令用MOVX。3、256字节的片内数据存储器地址空间。访问片内RAM指令用MOV。上述三个存储空间地址是重叠的，须采用不同的数据传送指令符号访问。5/21/2024§2.3.2程序存储器地址空间一、用途：用于存放编好的程序和表格常数。二、编址：89C51片内FlashROM的容量为4kB。地址为0000H～0FFFH。片外最多可扩至64kBFLASH，地址为1000H～FFFFH。片内外统一编址。三、寻址方式：1、当EA=“1”时：89C51的PC在0000～0FFFH范围内执行片内ROM中的程序，当指令地址超过0FFFH后就自动转向片外ROM中取指令。2、当EA=”0”时：89C51片内ROM不起作用，CPU只能从片ROM/EPROM中取指令。3、89C51从片内ROM和片外ROM取指的速度相同。4、目前单片机通常只用内部ROM，EA=“1”。返回5/21/2024四、程序存储器的保留存储单元返回1、0000H～0002H：因为复位后PC的内容为0000H，CPU总是从0000H开始执行程序。2、0003H～002AH：均分为五段，每段8字节，用作五个中断服务程序的入口。中断矢量地址表如下所示。5/21/2024中断矢量表返回5/21/2024§2.3.3数据存储器地址空间一、用途：用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，目前通常只用于测量数据的存储。二、片外RAM：地址：0000H~FFFFH。寻址：只能用MOVX指令。三、片内RAM：低128字节RAM（00H～7FH）：工作寄存器组+位寻址空间+普通RAM+堆栈。高128字节RAM（80H～FFH）：——特殊功能寄存器SFR区，只能用直接寻址！返回5/21/2024（一）片内RAM地址空间寻址：用指令MOV最大可寻址256个单元。返回低128B（00H-7FH）：真正RAM区高128B（80H-FFH）：特殊功能寄存器（SFR）区地址：00H-FFH5/21/20241、工作寄存器区（00H~1FH）1）由四组工作寄存器组成，每组8个寄存器（R0-R7），共32个单元。2）通过程序状态寄存器PSW中RS1、RS0两位设定来选择CPU的当前工作寄存器组。复位时，第0组为当前的工作寄存器。3）若不需要四组，则其余可作为一般RAM单元。返回5/21/20242、位寻址区（20H~2FH）位寻址区有16个单元，每个单元8位，共128位。位地址为00H-7FH。只能用位寻址方式（如置1、清0、判断转移等）访问位地址空间。位寻址是89C51的一个重要特点。返回字节地址与位地址形式相同，只能用指令区分！MOV20H,30HMOVC,20H5/21/20243、用户RAM区（30H~7FH）用于堆栈和临时数据存储。只能用字节寻址方式寻址。未用的工作寄存器区和位寻址区空间可以用作用户RAM区返回5/21/2024（三）高128字节RAM（80H~FFH）返回有21个特殊功能功能寄存器。地址分布在80H～FFH的RAM空间。只能用直接寻址方式。字节地址能被8整除的11个SFR具有位寻址能力(*号)。5/21/2024特殊功能寄存器地址表返回5/21/2024部分特殊功能寄存器介绍1.累加器ACC（E0H）：用A作为ACC的助记符。用于存放第一个运算操作数及运算结果。2.寄存器B（F0H）：在乘法指令中，B用于存放乘数和乘积的高8位。在除法指令中用于存放除数和余数。在其它指令中用作一般的寄存器或RAM单元。3.堆栈指针SP（81H）：堆栈：在片内RAM中，开辟的一个按“后进先出”的结构方式处理数据的区域。用于调用子程序或中断保护现场。

SP的内容必须指向片内RAM00H—7FH的某个单元。系统复位时，SP初始化为07H。堆栈的操作：进栈：SP+1，内容进栈。出栈：内容出栈，SP-1，。返回5/21/2024PSW包含了程序执行后的状态信息，供程序查询或判断用。返回PSW程序状态寄存器（D0H）ACCYP—OVRS0RS1F0PSW（D0H）D7D6D5D4D3D2D1D0（1）CY位：进（借）位标志位。加法有进位，减法有借位，CY=1；否则，CY=0。在位操作指令中，CY位是布尔累加器，用C表示。（2）AC位：半进位标志位（辅助进位标志）。执行加法（减法）运算指令时，如运算结果的低半字节（D3）向高半字节有进位（借位），AC=1；否则，AC=0。（3）FO位：用户标志。由用户自己定义、置位、复位，以作为软件标志。（4）RS1、RS0位：工作寄存器组选择控制位。由用户用软件改变RS0和RS1的值，以切换当前选用的工作寄存器组。上电复位时，RS1=RS0=0，CPU选择第0组为当前工作寄存器组。（5）OV位：溢出标志位。有符号数运算出错，OV=1；否则，OV=0。（6）PSW.1：为保留位。（7）P位：奇偶检验位。每条指令执行后，A中“1”的个数为奇数，则P=1；5/21/2024RS1 RS0 寄存器组 片内RAM地址0 0 第0组 00H～07H 0 1 第1组 08H～0FH 1 0 第2组 10H～17H 1 1 第3组 18H～1FH 表2-8RS0，RS1的组合关系返回5/21/2024返回数据指针DPTR（83H，82H）：DPTR是唯一一个可直接访问的16位特殊功能寄存器。由DPH（83H），DPL（82H）组成。DPH，DPL可以单独使用。I/O端口P0、P1、P2、P3（80H、90H、A0H、B0H）：为四个并行I/O端口的锁存器。每个口锁存器分别对应8个位地址，所以每一条I/O线可独立输入或输出。5/21/2024返回一、振荡周期：石英晶体的固有周期。为最小的时序单位。二、状态周期S：振荡周期2分频。由时钟信号P1和P2组成。§2.4时钟电路及89C51CPU时序

§2.4.1片内时钟信号的产生5/21/2024三、机器周期：是指CPU访问存储器一次所需的时间。例如，取指令、读存储器、写存储器等等。

51单片机的一条指令由若干个字节组成。执行一条指令需要多长时间则以机器周期为单位。一个机器周期包括12个振荡周期，分为6个S状态：S1~S6。四、指令周期：执行一条指令所需的时间。每条指令都由一个或几个机器周期组成。每条指令由一个或若干个字节组成。有单字节指令，双字节指令，…多字节指令等。字节数少则占存储器空间少。每条指令的指令周期都由一个或几个机器周期组成。有单周期指令、双周期指令、和四周期指令。机器周期数少则执行速度快。返回5/21/2024外接晶振频率12MHz时的各种时序单位的大小。

振荡周期=1/fOSC=1/12MHz=0.0833μs 状态周期=2/fOSC=2/12MHz=0.167μs 机器周期=12/fOSC=12/12MHz=1μs 指令周期=（1～4）机器周期=1～4μs返回基本时序定时单位89C51单片机各种周期的相互关系5/21/2024返回§2.4.2CPU取指、执指时序5/21/2024§2.5 复位操作

2.5.1 复位操作的主要功能一、复位：单片机的初始化操作。将所需的内部资源设置为规定的状态，使单片机工作不会产生二义性，程序地址指针PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。当由于程序运行出错或操作错误使系统死锁状态时，需要复位后重新启动。返回5/21/2024§2.5.2 复位信号及其产生一、复位信号：当RST引脚为高电平，且有效时间持续24个fOSC以上，才能复位。二、产生复位信号的电路逻辑图：返回VCCCRVCCRST/VPDVSS1KΩ22μF89C51VCCCR2VCCRST/VPDVSS1KΩ22μF89C51R1200ΩRESET上电自动复位手动复位5/21/2024§2.6 89C51单片机的低功耗工作方式1、提供两种节电工作方式，即空闲（等待、待机）方式和掉电（停机）工作方式。2、空闲方式：CPU停止工作；振荡器仍继续运行；中断、串行口和定时器等环节在时钟控制下正常运行；内部资源状态不变。3、掉电方式：振荡器冻结。内部RAM区和特殊功能寄存器的内容被保留。4、硬件复位（2个机器周期以上）或中断请求被响应都可以退出空闲工作方式，进入工作状态，CPU从进入空闲方式的下一条指令开始重新执行程序。退出掉电方式的惟一方法是由硬件复位，复位后将所有特殊功能寄存器的内容初始化，但不改变片内RAM区的数据。返回5/21/2024§2.7 输出/输入端口结构返回1．89C51单片机有四个8位并行I/O端口：P0、P1、P2和P3。2．每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。3．每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。4．每个端口都包括一个锁存器（即特殊功能寄存器P0~P3），一个输出驱动器和输入缓冲器，作输出是数据可以锁存，作输入时数据可以缓冲。5/21/2024§2.7.1P1口读锁存器、写锁存器、读引脚信号由指令决定。MOVA,P1：读引脚。ANLP1，A：读锁存器。“读—修改—写”操作MOVP1，A：写锁存器。P1口是一个准双向口。在端口用作输入时，必须先向对应的锁存器写入1，使FET截止。当P1口输出高电平时，能向外提供拉电流，不必接上拉电阻。返回5/21/2024§2.7.2P2口返回读锁存器、写锁存器、读引脚信号由指令决定。在端口用作输入时，必须先向对应的锁存器写入1。通常内部硬件自动使开关MUX倒向锁存器的Q端，P2口为一般I/O口。使用“MOVXA,@Ri”指令：寻址范围是256B，只需低8位地址线就可以实现。P2口不受该指令影响，仍可作通用I/O口。使用“MOVXA,@DPTR”指令：寻址范围64KB，此时，高8位地址总线用P2口输出。在片外RAM读/写周期内，P2口锁存器仍保持原来端口的数据；在访问片外RAM周期结束后，多路开关MUX自动切换倒锁存器Q端。通常无法再用作通用I/O口。5/21/2024返回§2.7.3P0口C=0C=1读锁存器、写锁存器、读引脚信号由指令决定。控制C的状态由指令决定：当P0为地址/数据总线时，C=1。在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写入1。当P0口被地址/数据总线占用时，不能作为I/O口使用。做I/O口时必须须外接上拉电阻。P0口用作输出地址/数据总线：上下两个FET处于反相，构成推拉式的输出电路（T1导通时上拉，T2导通时下拉），提高了负载驱动能力。5/21/2024读锁存器、写锁存器、读引脚信号由指令决定。在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写入1。当P3口为通用I/O口时，由内部硬件自动将第二功能输出线W置1。当P3口用作第二功能线时，P3口不得输出0，即Q=1。返回§2.7.4 P3口W5/21/2024P3口用作第二功能使用返回5/21/2024§2.7.5端口的负载能力和接口要求1、P0口：做I/O口时必须外接上拉电阻。

在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写入1。当作地址/数据总线时(片外扩展ROM或RAM的情况)，无须外接上拉电阻。每一位输出可驱动8个LS型TTL负载。2、P1～P3口做I/O口时无需外接上拉电阻。在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写入1。每一位输出可驱动4个LS型TTL