89C51单片机 第3章

1、第3章 89C51单片机 硬件结构和原理,89C51是Atmel公司在8051基础上发展的8位单片机。介绍它的硬件结构、操作时序和工作方式，这是89C51应用的重要基础知识。,3.1 89C51单片机的基本组成,3.1.1 MCS-51系列单片机,Intel公司推出的8位单片机： 1976年推出的MCS-48系列: 8039, 8048等 1980年推出了MCS-51系列: 8031, 8051, 8751, 8052等. 其中8051成为重要的品种，应用和普及得非常广泛。,Philips、 Siemems 、 Atmel、SST等半导体公司，也生 产出与8051相兼容的低功耗、高性能的产品。

2、,ATMEL公司的89C51系列产品是近年来在我国非常流行的单片机，本书以AT89C51单片机作为典型，详细介绍其内部结构、指令系统和工作原理。,3.1.2 89C51单片机的基本组成,89C51单片机基本组成包括有:,一个8位的微处理器； 片内数据存储器RAM有128B， 21个特殊功能寄存器SFR； 片内程序存储器Flash ROM 有4KB； 可寻址片内外统一编址的64KB的ROM， 可寻址片外64KB的RAM； 4个8位并行I/O接口（P0P3）； 一个全双工通用异步串行接口UART； 两个16位的定时器/计数器； 五个中断源、两个优先级的中断控制系统； 具有位操作功能的布尔处理机及位

3、寻址功能； 片内振荡器和时钟产生电路。,3.1.3 89C51单片机的引脚,1. 电源引脚：Vcc （40脚）：电源端，接+5V电源。 Vss （20脚）：接地端，接+5V电源地端,XTAL1（19脚）： 片内振荡电路反相放大器输入 XTAL2（18脚）： 片内振荡电路反相放大器输出 当采用内部时钟时,片外连接石 英晶体和微调电容，产生原始 的振荡脉冲信号。 采用外部时钟时, XTAL1输入 外部时钟脉冲信号, XTAL2悬空.,2. 外接晶体引脚：XTAL1和XTAL2 89C51内部有一个振荡器和时钟产生电路。,3. 控制信号引脚：RST、ALE、PSEN、EA,RST (9脚) : 复位

4、信号输入端，高电平有效。 保持两个机器周期高电平时,完成复位操作。,ALE/PROG (30脚) : 地址锁存允许输出端/编程脉冲输入端 正常时,连续输出振荡器频率的1/6正脉冲信号。 访问片外存储器时： 作为锁存P0口低8位地址的控制信号。 对8751片内 ROM编程写入时： 作为编程脉冲输入端。,EA/Vpp (31脚): 外部程序存储器地址使能输入/编程电压输入端. 平常,接“1”时，CPU访问片内4KB的ROM，当地 址超4KB时，自动转向片外ROM中的程序。 当接“0”时，CPU只访问片外ROM。 第2功能Vpp对8751编程时，编程电压输入端。,PSEN (29脚): 外部程序存储

5、器读选通输出信号 访问片外ROM时,输出负脉冲作为读ROM选通. 常连接到片外ROM芯片的输出允许端（OE）作 外部ROM的读选通信号。,4. 输入/输出端口引脚 P0、P1、P2、P3,4个8位的并行输入/输出端口，共32个引脚。作为通用输入/输出端口，P0、P2和P3端口又各自有第2功能。, 通用输入/输出端口 准双向口: 作输入时要先对锁存器写“1”。,P0端口（P0.0P0.7，第3932脚）： 漏极开路的准双向口,输出能驱动8个74LS类型的负载.,P1端口（P1.0P1.7，第18脚）： 内部带上拉电阻的准双向口,输出能驱动4个74LS负载.,P2端口（P2.0P2.7，第2128

6、脚）： 内部带上拉电阻的准双向口,输出能驱动4个74LS负载.,P3端口（P3.0P3.7，第1017脚）： 内部带上拉电阻的准双向口,输出能驱动4个74LS负载.,. P0、P2、P3端口的第二功能,P0端口: 在CPU访问外部存储器或I/O接口时，P0口分时 提供低8位地址(A0-A7)和8位数据(D0-D7)总线。 这时,需要一个8位锁存器,利用ALE(地址锁存允 许)来锁存P0口低8位地址信号。,P2端口：在CPU访问外部存储器或I/O接口时，P2口提供 高8位地址(A8-A15)的总线信号。,P3端口：在CPU访问外部存储器或I/O接口时，P3口提供 读、写控制总线信号。 还提供串行

7、通信、外部中断、计数器的外部计 数输入信号等。如表3.4所示。,P3口的第二功能,3.3 89C51单片机中的CPU结构,3.3.1 运算器,算术/逻辑运算单元 ALU 对4位、8位、十六位数据完成算术运算、逻辑运算。,2. 累加器 ACC 8位的寄存器。其中经常存放一个操作数、中间结果和运算结果。用助记符A来表示。在位操作时，累加器A中的每一位都可以位寻址，这时助记符号写成 ACC.X,3. 寄存器 B 8位的寄存器。它可作通用寄存器来使用。 在乘法时，B存放乘数和乘积的高位字节。 在除法时，B存放除数和结果的余数。,4. 程序状态标志寄存器 PSW,PSW的各位包含了程序执行后的状态信息，

8、供程序查询或判别之用。 除有确定的字节地址(D0H)外，每一位均有位地址,可以位操作。,CY (PSW.7)： 进位标志位； 位操作时,CY作为位累加器使用。 AC (PSW.6)：辅助进位标志,又称半进位标志位。 RS0 和 RS1 (PSW.3和PSW.4)： 工作寄存器组选择控制位,OV (PSW.2)： 溢出标志位 当算术运算时,如果运算结果超出范围，即产生溢出。 溢出时，OV自动置“1”；无溢出时，OV自动清“0”。 P (PSW.0)： 奇偶校验标志位 反映累加器ACC中“1”的个数的奇偶情况。89C51中采用偶校验,当A中有奇数个“1”时，P标志置“1”,否则置“0”.,F0 (

9、PSW.5)： 用户标志位。 PSW.1： 为保留位。89C51未用。,5. 布尔处理器 即位处理器。用来完成位数据的传送、逻辑运算和位条件转移等。有17条位操作指令。,3.3.2 控制器,包括指令部件、时序电路、微操作信号产生电路等,功能: 根据程序计数器PC指示的地址到ROM中取指令, 取到指令寄存器IR中，然后由指令译码器ID进行 译码，按照定时电路发出的时序信号，产生微操 作信号，完成指令所规定的操作。,1. 程序计数器PC : 16位的计数器，由两个8位的计数器PCH和PCL组成， 可以寻址64KB的程序存储器空间。 用来存放CPU要执行的下一条指令的地址。 复位后,PC内容为000

10、0H,程序从ROM的0000H执行. 当指令取出后，PC的内容自动增量，指向下一条指令. 转移、中断、子程序调用等过程中，改变PC的内容。,2. 指令寄存器 IR 和指令译码器 ID ：,CPU读取的指令代码送入指令寄存器IR中，然后经 指令译码器ID对指令译码，按照定时控制电路的时序, 产生相应的微操作控制信号,完成指令所规定的操作。,3. 振荡器和定时电路,产生单片机的振荡信号，作为89C51的基本节拍。 在基本节拍控制下，发出指令要求的控制信号， 有条不紊、按部就班地完成指令所要求的功能。 时钟信号是计算机内部协调工作的时间基准，,3.4 89C51单片机的存储器,3.4.1 哈佛结构,

11、存储器是存放程序和数据的部件,普林斯顿结构: 把程序存储器ROM和数据存储器RAM 统一编址，安排在同一个存储空间中。 ROM和RAM分配不同的地址，使用同一类访问指令。 Intel的8088/8086微处理器，在PC机中采用这种结构。,哈佛结构：把程序存储器和数据存储器分开单独编址。 ROM和RAM安排在独立的地址空间，地址可以重叠。 有各自的访问指令,不同的寻址方式,不同的控制信号。 89C51单片机中使用了哈佛存储结构。在物理结构上 分为程序存储器空间和数据存储器空间，,89C51中使用哈佛存储结构,89C51中使用哈佛存储结构，地址空间分为三类：,片内、外统一编址的64KB程序存储器空

12、间， 用16位地址寻址，地址范围为0000HFFFFH。,片外64KB数据存储器空间， 用16位地址寻址，地址范围为0000HFFFFH。,片内256字节的数据存储器空间,用8位地址寻址. 低128字节为片内RAM，地址为00H7FH， 高128字节内有21个特殊功能寄存器SFR， 地址空间为80HFFH。,这三个空间有不同的数据传送指令、不同的寻址方式 和不同的硬件控制信号，因此不会混淆。,3.4.2 程序存储器,片内外统一编址的64KB程序存储器,地址0000H-FFFFH.,片内有4KB的 Flash ROM, 地址为0000H0FFFH。,引脚EA选择是否使用片内ROM： 当EA接低电

13、平时，CPU只从片外ROM中取指令。 EA接高电平时,先读片内 ROM.当地址超过4KB后,自动 转向片外ROM。片内外统一编址,最多可扩展到64KB.,CPU读取ROM指令为查表指令,用变址寻址, 分别为 : MOVC A，A+DPTR MOVC A , A+PC,CPU读取片外ROM时，发出PSEN信号（程序存储允 许输出），作为读ROM的选通控制信号。,程序存储器中的保留单元,3.4.3 片内数据存储器,89C51的数据存储器分为片内RAM和片外RAM两部分 .,片内数据存储器最大可寻址256个字节,分为两部分：,高128字节为特殊功能寄存器（SFR） 片内80HFFH中,分布着21个特

14、殊功能寄存器.,低128字节是真正的片内RAM 区，为128个字节。 用8位地址寻址，地址范围为00H7FH。 这128字节分为3部分： 工作寄存器区、位寻址区和用户数据缓冲区。,数据存储器存放运算的结果和数据的暂存,缓冲等。 特点是可读可写，断电后信息会丢失。 在单片机中使用的都是半导体静态RAM。, 工作寄存器区,32个工作寄存器00H1FH。 分为4组, 每组8个为R0-R7。 对PSW中RS1、RS0的设置, 选择当前工作寄存器组。 CPU复位后,自动选择第0组.,1. 片内RAM, 位寻址区,片内RAM的 20H2FH这16 个字节，可以 用位寻址方式 访问各位。 这128位的位地

15、址00H-7FH。 有专门的位操 作指令,采用位 寻址方式访问.,表3.7 128位 位地址分配表, 用户数据缓冲区,片内RAM的30H7FH作为用户数据缓冲区使用 。,数据传送指令为MOV, 有直接、间接寻址等寻址方式. 由于对片内操作，所以引脚上没有读写控制信号出现., 堆栈,89C51的堆栈是在片内RAM中专门开辟的一个区域， 它在片内00H7FH中，遵循“后进先出”的特点。,堆栈指针SP是8位的双向的计数器,初始化07H . 89C51的堆栈是向高地址（向上）生长 。,用途：在中断处理和子程序调用时，自动保存断点和 保存现场。也用指令进行数据的保存和调出。,2. 特殊功能寄存器（SFR

16、）区,片内80HFFH中, 分布着21个SFR。 SFR有自己的名称, 如: 累加器ACC、 寄存器B.等。 还有惟一的地址， 可用直接寻址方式. 其中11个(字节地 址正好能被8整除) 的SFR还可以位寻 址.各位还有助记名. 见表3.8，3.9 。,3.4.4 片外数据存储器,89C51可以扩展片外数据存储器RAM。 存储空间为64KB，地址范围为0000HFFFFH。,由P0口分时提供低8位地址A0-A7和数据总线D0-D7， 由P2口提供高8位地址A8A15。 执行访问指令时,由 RD (P3.7) , WR (P3.6) 控制 。 使用静态RAM, 如: 6264(8K8), 622

17、56 (32K8)等。,使用指令 MOVX。采用寄存器间接寻址 。,读：MOVX A，DPTR 或 MOVX A，Ri 写：MOVX DPTR，A 或 MOVX Ri，A,其中: DPTR为16位数据指针寄存器,寻址范围为64KB Ri为工作寄存器R0和R1，寻址范围低256B。,3.5 89C51单片机的I/O接口,4个8位的并行输入/输出端口，P0、P1、P2和P3端口。 都是准双向端口， P0、P2和P3端口有第二功能。,一个可编程的全双工的异步串行通信接口（UART）。 利用P3.0（RXD）, P3.1（TXD）实现串行通信。,两个16位的定时器/计数器 T0 和 T1 。 为16位

18、的加1计数器，有定时、计数两种工作方式。,片外扩展I/O接口芯片。如：并行接口8255A，模拟量 输入芯片ADC0809、模拟量输出芯片DAC0832、新型 的通用I/O接口芯片等。,3.5.1 并行I/O端口 P0、P1、P2、P3,4个8位的并行I/O端口，称为P0、P1、P2、P3 。,作为通用输入/输出端口，都是8位准双向口。 准双向口：对于一个双向输入/输出端口，如果在作输入口使用时要先写入“1”。如：读入P1端口的数据指令： MOV P1，#0FFH MOV A ，P1 既可以字节操作，也可以按位操作。,P0、P2、P3口有各自的第二功能。,P0P3作为特殊功能寄存器，和内部RAM

19、统一编址。,1. P0 口,. P0口作通用I/O口 : 是一个准双向口。地址为80H。 输出漏极开路，可驱动8个74LS类型的TTL门电路。,. 分时复用的地址/数据总线: 外部扩展时 (MOVX或MOVC指令): P0口首先输出低8位地址,由 地址锁存器(74LS373)在ALE 信号作用下锁存 (A0-A7)。 然后P0口就作为双向的数据 总线 (D0-D7) 使用。 P2口输出高8位地址(A8-A15),2. P1口,8位准双向口，只作通用输入/输出口使用.,P1口作为一个特殊功能寄存器，和内部RAM统 一编址，地址为90H。,它可进行字节操作，用直接寻址方式。 也可以按位操作，用位寻

20、址方式，,输出可以驱动4个74LS类型的TTL门电路。,3. P2 口,. P2口作通用I/O口 : 是一个准双向口。地址为A0H。 可驱动4个74LS类型的TTL门电路。,. P2口作高8位地址总线 : 外部扩展时 ( MOVX 或 MOVC指令): P0口分时复用作； 低位地址(A0-A7) 数据总线(D0-D7) 用。 P2口输出高8位地址 A8-A15,4. P3 口,. P3口作通用I/O口 : 是一个准双向口。地址为 B0H。 输出可驱动4个74LS类型的TTL门电路。,. P3口作第二功能 :,3.5.2 串行端口 UART,可编程的全双工串行接口,通用异步接收/发送器(UART

21、),引脚 RXD (P3.0) 串行数据接收端, TXD (P3.1) 串行数据发送端.,有关的3个特殊功能寄存器：串行数据缓冲器 SBUF 串行口控制寄存器 SCON 电源控制寄存器 PCON,4种工作方式，由串行口控制寄存器SCON来设置。,方式0：移位寄存器输入/输出方式,方式1：10位异步接收/发送方式,方式2：11位异步接收/发送方式,方式3：11位异步接收/发送方式,串口应用在以后的章节中加以说明。,3.5.3 定时器/计数器 T0、T1,两个定时器/计数器T0和T1具有定时和计数的功能.,核心部分是一个16位的加1计数器，,定时器/计数器有关的特殊功能寄存器：,定时器工作方式寄存

22、器 TMOD，地址为89H。 定时器控制寄存器 TCON，地址为88H， 每个定时器由两个8位的特殊功能寄存器组成: T0由TH0（8CH）和TL0（8AH）组成； T1由TH1（8DH）和TL1（8BH）组成。,定时方式时，定时器对单片机的机器周期数进行计 数溢出时，向CPU提出中断请求或产生标志信号.,计数方式时，对接到引脚T0（即P3.4）端和引脚T1（即P3.5）端的外部脉冲信号进行计数。,4种工作模式: 模式0是由TH和TL低5位组成13位的定时器/计数器 模式1是由TH和TL共同组成16位的定时器/计数器 模式2是一个可以自动重装载的8位定时器/计数器 模式3是将T0分为两个独立的

23、8位定时器/计数器,3.5.3 定时器/计数器 T0、T1,定时器/计数器的应用在以后的章节中加以说明。,3.6 89C51单片机的时钟电路和时序,3.6.1 时钟电路,时钟信号产生电路 ：,在XTAL1 （19脚）和 XTAL2 （18脚）间 跨接一个石英晶体振荡器和两个微调电容，和内部的高增益反相放大器构成一个稳定的自激振荡器,产生单片机的时钟信号 .,3.6.2 时序,.振荡周期：为单片机提供定时的振荡源信号的周期。 即晶体振荡器频率的倒数, 是最原始的信号周期。,.状态周期（时钟周期）：是振荡周期的两倍。 是振荡脉冲经内部二分频后提供的状态信号。,. 机器周期：CPU完成一个基本的操作

24、所需的时间。 89C51一个机器周期由6个状态周期即12个振荡周期组成.,. 指令周期：CPU从取出指令到执行完所需要的时间。 89C51的指令周期由1、2、4个机器周期组成。,例如：在外接晶体振荡器频率fosc为12MHz时：,3.6.3 89C51的指令操作时序,每条指令执行都包括取指令和执行指令两个阶段。,取指阶段CPU从内部或外部ROM中取出指令操作码 和操作数。,执行指令阶段，CPU分析指令、指令译码和指令的 执行 。,89C51指令系统共有111条指令。指令功能不同, 执行速度不相同, 指令周期由1、2或4个机器周期组成。,89C51的指令操作时序如图所示。,3.7 89C51单片机的工作方式,89C51三种工作方式: 复位,程序执行和节电工作方式.,3.7.1 复位方式,复位是对单片机进行初始化，从初始状态开始工作。,复位后，内部各个特殊功能寄存器的初始值是一定的。,程序计数器PC复位后为0000H,从0000H单元开始程序.,累加器ACC、寄存器B复位后为00H，表明已被清零,PSW复位后为00H, 其中RS1 RS0均为0, 选择第0组 当前工作寄存器组. R0-R7为片内RAM00H-07H单元.,SP复位后为07H,堆栈初始栈底为片内RAM的07