第2講 AT89C51單片機(jī)單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

8位單片機(jī)接口與匯編大連理工大學(xué)軟件學(xué)院嵌入式系統(tǒng)教研室邱鐵qiutie@綜合樓413，0411-875716321

第2章AT89C51單片機(jī)單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)2.1AT89C51單片機(jī)的硬件組成片內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示:片內(nèi)功能部件如下：（1）微處理器（CPU）；（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）；（3）程序存儲(chǔ)器（4KBFlashROM）；（4）4個(gè)8位可編程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；（5）1個(gè)全雙工串行口；（6）2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（7）中斷系統(tǒng)；（8）特殊功能寄存器（SFR）。2圖2-13上述各功能部件通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成（見(jiàn)圖2-1），其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模式。CPU對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegister，SFR）的集中控制方式。對(duì)圖2-1所示的片內(nèi)各部件做一簡(jiǎn)單介紹：1.CPU（微處理器）包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的位處理功能。42.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）片內(nèi)為128個(gè)字節(jié)（52子系列的為256個(gè)字節(jié)）3.程序存儲(chǔ)器（ROM/EPROM）

8031:無(wú)此部件；8051:4K字節(jié)ROM；8751:4K字節(jié)EPROM；

89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K字節(jié)閃存。4.中斷系統(tǒng)5.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器6.串行口1個(gè)全雙工的異步串行口，具有四種工作方式。57.4個(gè)并行8位I/O口P1口、P2口、P3口、P0口8.特殊功能寄存器（SFR）共有21個(gè)，是一個(gè)具有特殊功能的RAM區(qū)。實(shí)際上是片內(nèi)各個(gè)功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器。映射在片內(nèi)RAM區(qū)80H～FFH的區(qū)間內(nèi)。

2.2AT89C51單片機(jī)的引腳介紹40只引腳雙列直插封裝（DIP）。

6圖2-2740只引腳按功能分為3類：（1）電源及時(shí)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(gè)8位I/O口的外部引腳。2.2.1電源及時(shí)鐘引腳

1．電源引腳

（1）Vcc（40腳）：+5V電源；（2）Vss（20腳）：接地。82．時(shí)鐘引腳（1）XTAL1（19腳）：接外部晶體，如果采用外接振蕩器時(shí)，振蕩器的輸出應(yīng)接到此引腳上。（2）XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端或采用外接振蕩器時(shí)懸空。2.2.2控制引腳提供控制信號(hào)，有的引腳還具有復(fù)用功能。

(1)RST/VPD(9腳)：復(fù)位與備用電源。(2)EA*/VPP(EnableAddress/VoltagePulseofProgRam-ing，31腳)EA*：為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇控制端。

EA*=1，訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，但在PC（程序計(jì)數(shù)器）值超

9過(guò)0FFFH（對(duì)于8051、8751）時(shí)，即超出片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的4K字節(jié)地址范圍時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。EA*=0，單片機(jī)則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。VPP：本引腳的第二功能。用于施加編程電壓（例如+21V或+12V）。對(duì)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，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。第二功能:PROG*為編程脈沖輸入端。10此外，單片機(jī)在運(yùn)行時(shí)，ALE端一直有正脈沖信號(hào)輸出，此頻率為時(shí)鐘振蕩器頻率fosc的1/6。該正脈沖信號(hào)可以作時(shí)鐘源或定時(shí)信號(hào)使用。注意:每當(dāng)AT89C51單片機(jī)訪問(wèn)外部RAM時(shí)（即執(zhí)行MOVX類指令時(shí)），要丟失1個(gè)ALE脈沖。因此，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，ALE還不宜作為精確的時(shí)鐘源或定時(shí)信號(hào)。PROG*為該引腳的第二功能，在對(duì)片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，此引腳作為編程脈沖輸入端。(4)PSEN*（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在單片機(jī)讀外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此引腳輸出脈沖的負(fù)跳沿作為讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。11

2.2.3并行I/O口引腳(1)P0口：當(dāng)89C51擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器及I/O接口芯片時(shí)，P0口作為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線的分時(shí)復(fù)用端口。為雙向I/O口。也可作為通用的I/O口使用，但需加上拉電阻，這時(shí)為準(zhǔn)雙向口。當(dāng)作為普通的I/O輸入時(shí)，應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫入1。(2)P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。(3)P2口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線（高8位）復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。12(4)P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。P3口還可提供第二功能，定義如表2-1所列，應(yīng)熟記。

13綜上所述，P0口作為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，為雙向口。作為通用的I/O口使用時(shí)，為準(zhǔn)雙向口，這時(shí)需加上拉電阻。P1口、P2口、P3口均為準(zhǔn)雙向口。要特別注意準(zhǔn)雙向口與雙向口的差別。準(zhǔn)雙向口僅有兩個(gè)狀態(tài)。雙向口P0口的口線內(nèi)無(wú)固定上拉電阻，為雙向三態(tài)I/O口。這是由于P0口作為數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，必須要有高阻的“懸浮”狀態(tài)。而準(zhǔn)雙向I/O口則無(wú)需高阻的“懸浮”狀態(tài)。14總結(jié):準(zhǔn)雙向口與雙向三態(tài)口的差別。（1）當(dāng)3個(gè)準(zhǔn)雙向I/O口作輸入口使用時(shí)，要向該口先寫“1”。（2）準(zhǔn)雙向I/O口無(wú)高阻“浮空”狀態(tài)。

2.3AT89C51的CPU

由運(yùn)算器和控制器所構(gòu)成2.3.1運(yùn)算器

1．算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算，還具有位操作功能152．累加器A

使用最頻繁的寄存器，可寫為Acc。

A的作用：（1）是ALU的輸入之一，又是運(yùn)算結(jié)果的存放單元。（2）數(shù)據(jù)傳送大多都通過(guò)累加器A。51單片機(jī)增加了一部分可以不經(jīng)過(guò)累加器的傳送指令，即可加快數(shù)據(jù)的傳送速度，又減少A的“瓶頸堵塞”現(xiàn)象。A的進(jìn)位標(biāo)志Cy同時(shí)又是位處理機(jī)的位累加器。3．程序狀態(tài)字寄存器PSW格式如圖2-3。16（1）Cy（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志位（2）Ac(PSW.6)輔助進(jìn)位標(biāo)志位，用于BCD碼的十進(jìn)制調(diào)整運(yùn)算。（3）F0（PSW.5）用戶使用的狀態(tài)標(biāo)志位。（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4組工作寄存器區(qū)選擇控制位1和位0。如下表。圖2-317RS1、RS0與4組工作寄存器區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

RS1RS0所選的4組寄存器

000區(qū)（內(nèi)部RAM地址00H～07H）011區(qū)（內(nèi)部RAM地址08H～0FH）102區(qū)（內(nèi)部RAM地址10H～17H）113區(qū)（內(nèi)部RAM地址18H～1FH）（5）OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位

指示運(yùn)算是否溢出。注意各種算術(shù)運(yùn)算指令對(duì)該位的影響（6）PSW.1位:保留位，未用（7）P(PSW.0)奇偶標(biāo)志位

P=1，A中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)

P=0，A中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)182.3.2控制器程序計(jì)數(shù)器PC是控制器中最基本的寄存器，存放下一條要執(zhí)行的指令在程序存儲(chǔ)器中的地址。

基本工作方式有以下幾種：

（1）程序計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1

（2）執(zhí)行有條件轉(zhuǎn)移或無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，PC將被置入新的數(shù)值，從而使程序的流向發(fā)生變化。（3）執(zhí)行子程序調(diào)用或中斷調(diào)用，完成下列操作： ①PC的現(xiàn)行值保護(hù)②將子程序入口地址或中斷向量的地址送入PC。19程序計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寬度決定了程序存儲(chǔ)器的地址范圍。AT89C51單片機(jī)中的PC位數(shù)為16位，故可對(duì)64KB（

=

216B）的程序存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址。2.4AT89C51單片機(jī)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

存儲(chǔ)器空間可劃分為4類：

1.程序存儲(chǔ)器空間 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器為4KB的Flash存儲(chǔ)器

2.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間：128B

3.特殊功能寄存器SFR-SpecialFunctionRegister

4.位地址空間:

211個(gè)可尋址位。

202.4.1程序存儲(chǔ)器空間

存放應(yīng)用程序和表格之類的固定常數(shù)。分為片內(nèi)和片外兩部分，由EA*引腳上所接的電平確定。程序存儲(chǔ)器中的0000H地址是系統(tǒng)程序的啟動(dòng)地址

5個(gè)單元具有特殊用途，為5個(gè)中斷源的中斷入口地址

表2-35個(gè)中斷源的中斷入口地址

外中斷00003H

定時(shí)器T0000BH

外中斷10013H

定時(shí)器T1001BH

串行口0023H212.4.2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間

128個(gè)，字節(jié)地址為00H～7FH。2200H～1FH：32個(gè)單元，是4組通用工作寄存器區(qū)20H～2FH：16個(gè)單元，可進(jìn)行128位的位尋址30H～7FH：用戶RAM區(qū)，只能字節(jié)尋址，用作數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及堆棧區(qū)。2.4.3特殊功能寄存器（SFR）CPU對(duì)片內(nèi)各種功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控制方式，共21個(gè)。有的SFR可進(jìn)行位尋址。下表是SFR的名稱及其分布。23表2-4SFR的名稱及其分布24

下面介紹SFR塊中的某些寄存器。1．堆棧指針SP

指示堆棧頂部在內(nèi)部RAM塊中的位置

復(fù)位后，SP中的內(nèi)容為07H。 （1）保護(hù)斷點(diǎn) （2）現(xiàn)場(chǎng)保護(hù) 堆棧向上生長(zhǎng)2.數(shù)據(jù)指針DPTR

高位字節(jié)寄存器用DPH表示，低位字節(jié)寄存器用DPL表示。3.寄存器B為執(zhí)行乘法和除法操作設(shè)置的。在不執(zhí)行乘、除的情況下，可當(dāng)作一個(gè)普通寄存器來(lái)使用。252.4.4位地址空間211個(gè)（128個(gè)+83個(gè)）尋址位。位地址范圍為：00H～FFH。內(nèi)部RAM的可尋址位128個(gè)(字節(jié)地址20H～2FH)特殊功能寄存器SFR為83個(gè)可尋址位26表2-5內(nèi)部RAM的可尋址位及位地址27表2-6SFR中的位地址分布28可被位尋址的寄存器有11個(gè)，共有位地址88個(gè)，其中5個(gè)位未用，其余83個(gè)位的位地址離散地分布于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)字節(jié)地址為80H～FFH的范圍內(nèi)。其最低的位地址等于其字節(jié)地址，并且其字節(jié)地址的末位都為0H或8H。圖2-5為各類存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)器空間的位置。

29圖2-5302.5AT89C51單片機(jī)的并行I/O端口

4個(gè)雙向的8位并行I/O端口(Port)，記作P0～P3，屬于特殊功能寄存器，還可位尋址。

2.5.1P0端口

圖2-6311.位電路結(jié)構(gòu)P0口某一位的電路包括：(1)一個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，用于數(shù)據(jù)位的鎖存(2)兩個(gè)三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。(3)一個(gè)多路轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)MUX，使P0口可作通用I/O口，或地址/數(shù)據(jù)線口。(4)數(shù)據(jù)輸出的驅(qū)動(dòng)和控制電路，由兩只場(chǎng)效應(yīng)管（FET）組成，上面的場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成上拉電路。2.工作過(guò)程分析（1）P0口作為地址或數(shù)據(jù)總線使用CPU發(fā)出控制信號(hào)為高電平，打開(kāi)上面的與門，使MUX打向上32邊，使內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)線與下面的場(chǎng)效應(yīng)管反相接通。此時(shí)由于上下兩個(gè)FET處于反相，形成推拉式電路結(jié)構(gòu)，大大提高負(fù)載能力。（2）P0口作通用的I/O口使用CPU發(fā)來(lái)的“控制”信號(hào)為低電平，上拉場(chǎng)效應(yīng)管截止，MUX打向下邊，與D鎖存器的Q*端接通。a.P0作輸出口使用來(lái)自CPU的“寫入”脈沖加在D鎖存器的CP端，內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)寫入D鎖存器，并向端口引腳P0.x輸出。33止），必須外接上拉電阻才能有高電平輸出（這時(shí)就不為雙向口）。b.P0作輸入口使用區(qū)分“讀引腳”和“讀鎖存器”?！白x引腳”信號(hào)把下方緩沖器打開(kāi)，引腳上的狀態(tài)經(jīng)緩沖器讀入內(nèi)部總線；“讀鎖存器”信號(hào)打開(kāi)上面的緩沖器把鎖存器Q端的狀態(tài)讀入內(nèi)部總線。3．P0口的特點(diǎn)P0口具有如下特點(diǎn)：P0口為雙功能口——地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口和通用I/O口。34（1）當(dāng)P0口用作地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口時(shí)，為一個(gè)真正的雙向口，用作外擴(kuò)存儲(chǔ)器，輸出低8位地址和輸出/輸入8位數(shù)據(jù)。（2）當(dāng)P0口用作通用I/O口時(shí)，由于需要在片外接上拉電阻，端口不存在高阻抗（懸?。顟B(tài)，因此為一個(gè)準(zhǔn)雙向口。為保證引腳信號(hào)的正確讀入，應(yīng)首先向鎖存器寫1。當(dāng)P0口由原來(lái)的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩斎霠顟B(tài)時(shí)，應(yīng)首先置鎖存器為1，方可執(zhí)行輸入操作。一般情況下，如果P0口已作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口，就不能再作為通用I/O口使用。35圖2-72.5.2P1端口

P1口是單功能的I/O口，字節(jié)地址90H，位地址90H～97H。P1口某一位的位電路結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。361．位電路結(jié)構(gòu)P1口位電路結(jié)構(gòu)由三部分組成：（1）一個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，用于輸出數(shù)據(jù)位的鎖存。（2）兩個(gè)三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器BUF1和BUF2，分別用于鎖存器數(shù)據(jù)和引腳數(shù)據(jù)的輸入緩沖。（3）數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動(dòng)電路，由一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（FET）和一個(gè)片內(nèi)上拉電阻組成。2．工作過(guò)程分析P1口只能作為通用的I/O口使用。（1）P1口作為輸出口時(shí)，若CPU輸出1，Q=1，Q*=0，場(chǎng)效應(yīng)管截止，P1口引腳的輸出為1；若CPU輸出0，Q=0，Q*=1，37場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，P1口引腳的輸出