第2章AT89C51單片機片內(nèi)硬件結構

第2章AT89C51單片機片內(nèi)硬件結構P3P1P2全雙工串行I/O口P0外部中斷基準頻率源控制128B數(shù)據(jù)存儲器4KB程序存儲器2個16位定時/計數(shù)器

振蕩器及定時電路CPU64KB總線擴展控制準雙向并行I/O口內(nèi)部中斷計數(shù)脈沖串行輸出串行輸入FlashROM2.1AT89C51單片機的硬件組成（1）微處理器（CPU）；1個8位微處理器及1個布爾處理器（2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；128B(128字節(jié))（3）程序存儲器（4KBE2PROM）；（4）4個8位可編程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；（5）1個全雙工串行通信接口；(UART)（6）2個16位定時器/計數(shù)器；（7）中斷系統(tǒng)；5個中斷源，2個優(yōu)先級的中斷嵌套結構（8）特殊功能寄存器（SFR）。21個還有：片外存儲器（64KB+64KB）擴展總線的控制電路。準雙向圖2-1AT89C51單片機片內(nèi)結構P.10除電源、復位、時鐘外都是I/O端，多數(shù)引腳為多功能復用/AD0/AD1/AD2/AD3/AD4/AD5/AD6/AD7/A15/A14/A13/A12/A11/A10/A9/A8

圖2-22.2AT89C51單片機的引腳介紹40只引腳雙列直插封裝（DIP）。

+5V電源電源地邏輯地P.11AT89C51P0口地址和數(shù)據(jù)總線P1口通用口P2口地址總線P3口RXDTXDINT0INT1T0T1WRRDVCCVSSRST/VDDEA/VPPPSENALE/PROGXTAL1XTAL2接電源+5V端接電源地端①復位信號輸入。②接備用電源。外部中斷請求定時/計數(shù)器外部計數(shù)信號輸入端片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通1、訪問外部程序存儲器控制信號；2、編程電源VPP。準雙向I/O口1、準雙向I/O口2、第二功能

外接晶振，晶體振蕩電路反相輸出端

外接晶振，晶體振蕩電路反相輸入端1、準雙向I/O口2、有擴展外部存儲器或并行I/O口時，作為數(shù)據(jù)總線/低8位地址總線分時復用1、準雙向I/O口2、有擴展外部存儲器或并行I/O口時，作為高8位地址總線串行口接收串行口發(fā)送1、ALE地址鎖存允許。2、編程脈沖由該引腳引入。外部程序存儲器讀選通信號。40只引腳按功能分為3類：（1）電源及時鐘引腳:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。（2）控制引腳：PSEN*、EA*、ALE、RESET（即RST）。（3）I/O口引腳：P0、P1、P2、P3為4個8位I/O口的外部引腳。2.2.1電源及時鐘引腳

電源引腳

（1）Vcc（40腳）：+5V電源；

（2）Vss（20腳）：接地。時鐘引腳

（1）XTAL1（19腳）：接外部晶體，采用外接振蕩器時，外部振蕩器的輸出應接到此引腳上。

（2）XTAL2（18腳）：接外部晶體，采用外接振蕩器時懸空。2.2.2控制引腳

提供控制信號，有的引腳還具有復用功能。(1)RST/VPD(9腳)：復位/備用電源（“1”電平令CPU硬件復位）(2)EA/VPP

(EnableAddress/VoltagePulseofProgRam-ing，31腳)

第一功能:EA：片外程序存儲器選擇控制端

(接“0”全部使用片外程存)

第二功能:VPP：用于施加編程電壓（例如+21V或+12V）。對AT89C51，加在VPP腳的編程電壓為+12V或+5V。(3)ALE/PROG

（30腳）：

第一功能:ALE為地址鎖存允許，運行時，ALE端一直有正脈沖信號輸出，此頻率約為時鐘振蕩器頻率fosc的1/6。

第二功能:PROG

為編程脈沖輸入端。(4)PSEN

（29腳）：外部程序存儲器的讀選通信號。在單片機讀外部程序存儲器時，此引腳輸出脈沖的負跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。2.2.3并行I/O口引腳（簡介）P0口：8位準雙向I/O口，可驅動8個LS型TTL負載。

當8051擴展外部存儲器及I/O接口芯片時，P0口作為地址總線（A0~A7）與數(shù)據(jù)總線（D0~D7）的分時復用端口。(2)P1口：8位準雙向I/O口，可驅動4個LS型TTL負載。唯一專用I/O口(3)P2口：8位準雙向I/O口，可驅動4個LS型TTL負載。

當8051外部擴展時作地址總線（A8~A15）用，(4)P3口：8位準雙向I/O口，雙功能復用口，可驅動4個LS型TTL負載。

P3口還可提供第二功能，定義如書中表2-1所列，應熟記。準雙向口：有條件限制地實現(xiàn)輸入輸出雙向功能的接口。

（MCS-51：當作為普通的輸入端口使用時，應先向相應端口的輸出鎖存器寫入1。）1P1鎖存器P1驅動器P0驅動器P0鎖存器定時及控制指令寄存器ALUPSW程序地址寄存器P3鎖存器P3驅動器暫存2暫存1PCONSCONTMODTCONT2CONTHOTL0TH1TL1TH2*TL2*RLDH*RLDL*SBUFIEIP中斷、串行口、定時器DPTRPCPC+1緩沖器ACC寄存器

BSPRAM地址寄存器RAMP2驅動器P2鎖存器EPROM/ROMVCCVSSPSENALEEARST2.3AT89C51單片機的CPUPSW用來存放運算結果的狀態(tài)標志所有的算術運算和大部分的邏輯運算都是通過A來完成程序計數(shù)器堆棧指針2.3.1運算器(Arithmeticandlogicunit)功能—在控制器的控制下，對二進制數(shù)進行算術運算、邏輯運算及位操作。算術運算：加、減、乘、除邏輯運算：與、或、非位操作中心部件—

算術邏輯單元ALU暫存原始數(shù)據(jù)、中間結果及運算結果ALU累加器Acc暫存器TMP寄存器（Register）標志寄存器PSW保存運算結果的狀態(tài)標志存放第一操作數(shù)和操作運算結果2.3.2控制器

分析和執(zhí)行指令的部件，指揮中樞。解釋輸入計算機中的命令并發(fā)出響應的控制信號的機構。在它的控制下執(zhí)行命令、原始數(shù)據(jù)的輸入、機器內(nèi)部的信息處理、處理結果的輸出、外設與主機的信息交換，以及對異常情況和特殊情況的處理等操作。

程序計數(shù)器PC（16bit）

存放即將執(zhí)行的下一條指令的16bit地址；順序執(zhí)行指令時，微處理器每取出一條指令的一個字節(jié)，PC自動+1（如一條指令是2個字節(jié)，則執(zhí)行完畢時PC的內(nèi)容要+2）；當遇到轉移指令或子程序時，PC內(nèi)容就被指定的轉移的目標地址取代，實現(xiàn)程序轉移；系統(tǒng)開機初始化時，PC=0000H，可尋址范圍64KB。2.4AT89C51單片機的存儲器結構

MCS-51的存儲器結構與常見的微型計算機的配置方法不同,采用哈佛結構它將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開,各有自己的尋址方式、控制信號和功能。

程序存儲器用來存放程序、始終要保留的表格常數(shù)。

數(shù)據(jù)存儲器存放程序運行中所需要的常數(shù)和變量。

P.15半導體存儲器的結構存儲器由存儲體、地址譯碼器和讀/寫控制電路組成。地址譯碼器讀/寫控制CPUAB地址0000H0001H0002HFFFFH內(nèi)容0011101011000111CPUDBCPU讀/寫信號A14A15D7D0D1D2……存儲體由大量存儲單元組成，每個單元存放若干位二進制碼,若放8bit，稱為字節(jié)單元存儲單元（0002H）=C7H用一定位數(shù)的二進制碼對存儲單元進行編號，稱為存儲單元的地址。n位二進制碼可尋址2n個單元，如：28=256、216=65536。對存放在地址寄存器中的地址進行譯碼，以選擇指定的存儲單元存儲單元取出/存入信息的操作稱為讀/寫操作A0A1A2……補充1.讀操作（例如：要將01H單元的內(nèi)容3AH讀出）存儲器的讀寫操作過程地址譯碼器讀/寫控制CPUAB地址00H01H02HFFH內(nèi)容0011101011000111CPUDB讀/寫信號A0A1A2A3A4A5A6A7D5D0D1D2D3D4D6D7第一步：送地址10000000經(jīng)地址譯碼器選通01H單元第二步：CPU發(fā)出“讀”信號第三步：01H單元的內(nèi)容送數(shù)據(jù)總線上01011001地址譯碼器讀/寫控制CPUAB地址00H01H02HFFH內(nèi)容0011101011000111CPUDB讀/寫信號A0A1A2A3A4A5A6A7D5D0D1D2D3D4D6D7存儲器的讀寫操作過程2.寫操作（例如：要將D5H寫入02H單元）第一步：送地址01000000經(jīng)地址譯碼器選通02H單元第二步：CPU將D5H送到數(shù)據(jù)總線上10101110第三步：CPU發(fā)出“寫”信號D5H從數(shù)據(jù)總線送到02H單元11010101存儲器的讀寫操作過程對存儲單元的讀操作，不會破壞其原內(nèi)容，是復制;對存儲單元的寫操作，改變了其原來內(nèi)容。從物理空間（實際結構）看,AT89C51有四個存儲器地址空間：

外部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)外部程序存儲器(ROM)內(nèi)部程序存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器AT89C51AT89C51存儲器物理結構

從邏輯上（使用角度）看,AT89C51有三個存儲器空間：片內(nèi)、片外統(tǒng)一編址的程序存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器

內(nèi)部程序存儲器外部程序存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器歸為一個空間AT89C51存儲器邏輯結構1、程序存儲器（ROM）內(nèi)部ROM0000H0FFFH4KB地址重疊0000HFFFFH外部擴展ROM0FFFH片外共64KB4KB訪問程序存儲器使用MOVC指令地址線：A15~A0用PSEN作為讀選通信號P.281、程序存儲器（ROM）EA引腳電平高低對程序執(zhí)行走向的影響EA外部程序存儲器選擇控制端EA引腳電平高低對程序執(zhí)行走向的影響內(nèi)部ROM0000H0FFFH4KB0000HFFFFH外部擴展ROM0FFFH片外共64KB4KBEA接高電平程序執(zhí)行走向PC≤0FFFHPC＞0FFFHEA引腳電平高低對程序執(zhí)行走向的影響內(nèi)部ROM0000H0FFFH4KB0000HFFFFH外部擴展ROM0FFFH片外共64KB4KBEA接低電平全部執(zhí)行外部程序在8051系列中，有的單片機如8031，片內(nèi)無ROM，程序只能裝在片外擴充的ROM中，這時用戶必須把EA接地。

EA引腳電平高低對程序執(zhí)行走向的影響接高電平還是低電平，由用戶根據(jù)需要連接：如果片內(nèi)ROM有要執(zhí)行的程序，這時應接+5V；如果執(zhí)行的程序全部在片外ROM中，這時應接地；也可以用一個開關切換。程序存儲器中的幾個特殊地址的使用：地址用途0000H復位時程序入口地址0003H外部中斷0服務程序入口地址000BH定時器0中斷服務程序入口地址0013H外部中斷1服務程序入口地址001BH定時器1中斷服務程序入口地址0023H串行口中斷服務程序入口地址由于兩入口地址之間的存儲空間有限，因此在編程時，通常在這些入口地址開始的兩三個地址單元中，放入一條轉移類指令，使相應的程序轉到指定的程序存儲器區(qū)域中執(zhí)行。2、外部數(shù)據(jù)存儲器

0000HFFFFH外部擴展數(shù)據(jù)存儲器64KB作用：用于存放隨機讀寫的數(shù)據(jù)。 外部I/O口地址影像區(qū)。包括兩部分空間：1、外部RAM2、擴展的I/O口地址程序存儲器與外部數(shù)據(jù)存儲器的比較

0000HFFFFH外部數(shù)據(jù)存儲器64KB0000HFFFFH程序存儲器64KB相同：地址線A15~A0不同：訪問的指令不同，讀寫信號不同MOVC指令MOVX指令只讀，PSEN作為外部ROM讀信號可讀寫，RD作為讀信號，WR作為寫信號21個SFR內(nèi)部RAMFFH00H7FH80H（128B）3、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（單元數(shù)少，但最復雜）00HFFH內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器特殊功能寄存器空間，離散分布作數(shù)據(jù)緩沖器、標志位等8bit地址MOV指令P.16～193、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器21個SFR內(nèi)部RAMFFH00H7FH80H（128B）32B00H1FH工作寄存器區(qū)16B(16×8bit)20H2FH位尋址區(qū)30H7FH普通RAM（1）工作寄存器區(qū)32B00H1FH00H1FH0FH17H18H10H08H07H0區(qū)1區(qū)2區(qū)3區(qū)R0R7……R0R7……R0R7……R0R7……當前使用哪一個區(qū)由PSW寄存器的RS1和RS0兩個位來決定RS1RS0寄存器區(qū)R0～R7所占單元的地址000區(qū)00H～07H011區(qū)08H～0FH102區(qū)10H～17H113區(qū)18H～1FH工作寄存器區(qū)的選擇RS1：程序狀態(tài)字寄存器PSW的D4位；RS0：程序狀態(tài)字寄存器PSW的D3位；CLRRS1

;RS1清0SETBRS0

;RS0置1復位時，自動選中0區(qū)。工作寄存器區(qū)的選擇一旦選中其中一個區(qū)，其它三區(qū)只能作為普通RAM單元使用，而不能作為工作寄存器使用。設置多個工作寄存器區(qū)可以方便保護現(xiàn)場。（2）位尋址區(qū)16B(16×8bit)20H2FH共16個字節(jié)單元，每字節(jié)單元有8位，每位有一個位地址，共128位，位地址范圍為00H～7FH，該區(qū)既可位尋址，又可字節(jié)尋址。

2FH7F7E7D7C7B7A79782EH777675747372717022H171615141312111021H0F0E0D0C0B0A090820H0706050403020100位尋址區(qū)位地址分配字節(jié)地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D0…………字節(jié)地址與位地址在使用上如何區(qū)別?MOVC,20HMOVA,20H例：

2FH7F7E7D7C7B7A797824H272625242322212023H1F1E1D1C1B1A191822H171615141312111021H0F0E0D0C0B0A090820H0706050403020100字節(jié)地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D0…………位操作指令MOVC,20H位地址!!!其內(nèi)容只有1bit

2FH7F7E7D7C7B7A797824H272625242322212023H1F1E1D1C1B1A191822H171615141312111021H0F0E0D0C0B0A090820H0706050403020100字節(jié)地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D0…………字節(jié)操作指令MOVA,20H字節(jié)地址!!!其內(nèi)容共8bit表2-5內(nèi)部RAM的可尋址位及位地址P.19符號指令中可用<字節(jié)地址>.<位次>暫代其位地址20H.720H.620H.520H.420H.320H.220H.120H.02FH.72FH.62FH.52FH.42FH.32FH.22FH.12FH.0如：符號指令中可用21H.5

暫代位地址

0DH21H.721H.621H.521H.421H.321H.221H.121H.0(位地址00H~7FH)(共128個位)（3）普通RAM區(qū)30H7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)堆棧區(qū)工作單元只能字節(jié)尋址（以一個字節(jié)單元作為一個整體操作）堆棧的概念:臨時存儲某些數(shù)據(jù)信息的存儲器專用區(qū)（4）特殊功能寄存器SFR（SpecialFuctionRegister）

地址空間21個SFRFFH80HA累加器、狀態(tài)標志寄存器；單片機內(nèi)部各部件專用的控制、狀態(tài)寄存器；并行口、串行口影射寄存器；特殊功能寄存器(SFR)名稱特殊功能寄存器符號(SFR名)寄存器尋址符號位地址D7~D0B寄存器BF7H~F0H累加(寄存)器ACCAE7H~E0H程序狀態(tài)字

(標志寄存器)PSWD7H~D0H中斷優(yōu)先級控制寄存器IPBFH~B8HP3口P3B7H~B0H中斷允許控制寄存器IEBFH~B8HP2口P2A7H~A0H串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF串行口控制寄存器SCON9FH~98HP1口P197H~90H定時器/計數(shù)器1(高字節(jié))TH1定時器/計數(shù)器0(高字節(jié))TH0定時器/計數(shù)器1(低字節(jié))TL1定時器/計數(shù)器0(低字節(jié))TL0定時器/計數(shù)器方式控制寄存器TMOD定時器/計數(shù)器控制寄存器TCON8FH~88H電源控制PCON數(shù)據(jù)指針高字節(jié)DPH數(shù)據(jù)指針低字節(jié)DPL堆棧指針SPP0口P087H~80H字節(jié)地址FOHE0HD0HB8HB0HA8HA0H99H98H90H8DH8CH8BH8AH89H88H87H83H82H81H80HABDPTR符號指令中可用<SFR名>暫代其字節(jié)地址直接地址direct(80H.....F0H)位地址bit（80H....F7H）(16位)字節(jié)地址為x0H或x8H的SFR可位尋址!且D0位址同字節(jié)址表2-5SFR中的位地址分布

(可位尋址的SFR)P.19P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0ACC.7ACC.6ACC.5ACC.4ACC.3ACC.2ACC.1ACC.0符號指令中可用位名、<SFR名>.<位次>、<SFR字節(jié)地址>.<位次>暫代其位地址

CYACF0RS1RS0OV-PB.7B.6B.5B.4B.3B.2B.1B.0PSPT1PX1PT0PX0

EAESET1EX1ET0EX0

SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRITF1TR1TF0TR0IE1IT0IE0IT0√√√√√√例如D4H位：可用RS1、PSW.4、0D0H.4暫代其位地址0D4H字節(jié)地址為x0H或x8H的SFR可位尋址!且D0位址同字節(jié)址位地址空間組成及位地址表示法⑴內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的20H~2FH共16個單元可按位尋址，128位；⑵專用寄存器地址能被8整除的可按位尋址。例1：位地址1EH=23H.6即字節(jié)地址單元23H的D6位例2:位地址D4H=D0H.4=PSW.4=RS1位地址字節(jié)地址.位次寄存器名稱.位次位名稱【思考】下列指定位的位地址值是多少：

ACC.1：E1H

P2.7：A7H

ET1:

ABH

2DH.5:

6DH

PSW.2:

D2H

A.2:

B寄存器的D6:

F6H

30H.3:

P:

D0

H

D0H.2:D2H⑴累加器A(8bit）最常用；存放操作數(shù)或運算結果⑵B寄存器（8bit）

乘、除指令，用B寄存器作為其中的一個操作數(shù)；幾個特殊功能寄存器SFR介紹P14、18D7D6D5D4D3D2D1D0CyAC

F0RS1RS0OV

F1P位地址位名稱（3）PSW-程序狀態(tài)字寄存器（8bit）進/借位標志Cy=1，有進/借位；Cy=0，無進/借位。AC：反映高半字節(jié)與低半字節(jié)之間的進/借位，AC=1有進/借位；AC=0無進/借位。用戶標志位工作寄存器組選擇位OV：溢出標志有溢出OV=1，無溢出OV=0。用戶標志位P：奇偶標志運算結果有奇數(shù)個“1”，P=1；偶數(shù)個“1”，P=0。（5）堆棧指針SP(8bit)指明棧頂單元的地址?？捎绍浖O置初始值，系統(tǒng)復位時設置為07H。（6）數(shù)據(jù)指針DPTR(16bit)

作為訪問外部數(shù)據(jù)存儲器（包括外部RAM和擴展的I/O口）的間接尋址寄存器，即存放要訪問的外部存儲單元或接口的地址。由DPH、DPL組成。在某些情況下，DPH、DPL也可單獨使用。堆棧的主要作用：用于響應中斷或調用子程序時保護斷點地址；保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場。操作原則：先進后出或后進先出。指針寄存器（4）程序計數(shù)器PC（16bit）(注意：不屬于SFR地址空間）訪問不同的存儲器空間使用不同的指令程序存儲器，使用MOVC指令；內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器,使用MOV指令；外部數(shù)據(jù)存儲器,使用MOVX指令；特殊功能寄存器,使用MOV指令；位地址空間，使用MOV、SETB、CLR等指令。2.6時鐘電路與時序

2.6.1時鐘電路

時鐘電路用于產(chǎn)生89C51單片機工作所必需的時鐘控制信號。(工作時鐘)時鐘頻率直接影響單片機的速度，電路的質量直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性?！镫娙萜鰿01、C02起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。電容典型值一般選擇為30PF。內(nèi)部時鐘方式由于單片機內(nèi)部有一個高增益運算放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。P.24晶體的振蕩頻率在1.2MHz～12MHz之間，某些已達40MHz

（如AT89S52）。XTAL1XTAL2GNDAT9C51C01C02內(nèi)部時鐘方式

外部時鐘方式是把已有的時鐘信號引入單片機。這種方式適宜用于使單片機的時鐘與外部信號保持一致。常用于多片89C51單片機同時工作。

外部時鐘XTAL1XTAL2GND懸空AT89C51外部時鐘方式2.6.2機器周期、指令周期與指令時序

單片機執(zhí)行的指令的各種時序均與時鐘周期有關1.時鐘周期：單片機的基本時間單位。時鐘周期Tosc=1/fosc

如：fosc=6MHz,Tosc=0.1667us；fosc=11.0592MHz，Tosc=0.090422453us2.機器周期：CPU完成一個基本操作所需的時間稱為機器周期。8051單片機每12個時鐘周期為1個機器周期，記TM

如：fosc=6MHz,TM=12/fosc=2us；fosc=11.0592MHz，TM=1.085069444us

一個機器周期分為6個狀態(tài)：S1～S6。每個狀態(tài)分為兩拍：P1和P2。3.指令周期：執(zhí)行一條指令所需的時間。51單片機1~4個TM。圖2-13TMTMP.25例：單片機外接晶振頻率fosc=12MHz時的各種時序單位：

振蕩周期Tosc=1/fosc=1/12MHz=0.0833us狀態(tài)周期=2/fosc=2/12MHz=0.167us

機器周期TM

=12/fosc=12/12MHz=1us指令周期=(1～4)機器周期=1～4us2.7復位操作和復位電路2.7.1復位操作單片機的初始化操作，擺脫死鎖狀態(tài)。（CPU硬件復位）引腳RST加上大于2個機器周期的高電平就可使MCS-51復位。復位時,程序計數(shù)器PC為0000H,使單片機從0000H開始執(zhí)行程序。除PC之外，復位操作還對其它一些寄存器有影響：見復位狀態(tài)表。2.7.2復位電路上電自動復位電路+手動復位電路上電自動復位電路單片機與外圍接口芯片的退出復位的電平閥值有所差異，為保證系統(tǒng)同步起始工作，建議在程序初始延遲一定時間（如20～50mS）再啟用接口芯片。P.26

RST

8051

R

C

+5V

+

RST

8051

R

R1

C

+5V

+