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1、第2章 89C51单片机的结构和原理,2.1 89C51单片机的内部结构及特点 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 时针电路及89C51CPU时序 2.5 复位及复位电路 2.6 89C51的低功耗工作方式 （X） 2.7 输入/输出端口结构,2.1 89C51单片机的内部结构及特点,MCS-51单片机是由INTEL公司研发的。授权生产的公司有ATMEL、PHILIPS和SST等公司。（AT89C51，P89C51，STC89C51） 89C51芯片的特点是：低功耗、高性能、闪速可电改写的ROM、价格便宜。近年来得到极其广泛的应用。,下面以89C5
2、1单片机为典型机，介绍该芯片内部的硬件资源、各个功能部件的结构及原理。,2.1.1 89C51单片机组成原理,不同型号MCS-51单片机的CPU处理能力和指令系统 完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。,2.1.1 MCS-51单片机的基本组成,2.1.1 89C51单片机组成原理,89C51单片机的组成 ： 1. 8位CPU; 片内256字节RAM; 片内4KB的Flash ROM; 4. 4个8位并行 I/O接口； 5. 片内2个16位定时器/计数器 6. 片内5个中断源、2个中断优先级的中断处理系统 7.片内1个全双工串行I/O口 8.具有节电工作方式 9.最高允许振荡频率为2
3、4MHz（8051为12MHz）,2.1.2 MCS-51单片机内部结构,2.1.2 MCS-51单片机内部结构,各部分的功能：,一、中央处理单元（CPU）,CPU是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，由运算器和控制器等部件组成。,一、中央处理单元（CPU）,1.运算器 有：1个能进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU；8位的暂存器1、暂存器2；8位的累加器ACC；寄存器B；程序状态寄存器PSW；布尔处理器C等组成。,ALU：可对4位（半字节）、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行算术和逻辑操作。, ACC：累加器,在指令系统中用助记符A来表示。它是最繁忙的一个8位特殊功能寄存器。 许
4、多指令的操作数取自于ACC，许多运算的中间结果也存放在ACC中。, PSW：程序状态寄存器（8位）。是一个标志寄存器，用来指示指令执行后的状态信息。PSW中的各位状态可供程序查询和判别。, B：寄存器（8位）。在乘、除运算时，运算前B用来存放一个操作数，运算完后用来存放一部分运算结果；当不做乘、除运算时，则作为一般的寄存器使用。, C：布尔处理器（1位）。它是以PSW中的进位标志位CY作为它的累加器，专门用于处理位操作。,2. 控制器,包括：程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器及时钟电路。,程序计数器PC：16位，由两个8位的计数器PCH（高8位）和PCL（低8 位）组成。它
5、是程序的字节地址计数器。PC存放的内容是即将要执行的下一条指令的地址。故，改变PC的内容就可以改变程序执行的方向。 PC可对64KB的ROM直接寻址，也可对89C51片内RAM寻址。,程序计数器PC是16位的寄存器。PC变化的轨迹（即其地址的改变）决定程序的流向，PC的宽度（即地址值的位数）决定了程序存储器可以寻址的范围。 PC的基本工作方式有： 1、PC自动加1。这是最基本的工作方式，也就是这个专用寄存器被称为计数器的原因； 2、执行条件或无条件指令（第3章P72-P77，P83）时，PC将被置入新的数值（地址），程序的流向发生变化。变化的方式有： 1）带符号的相对转移指令“SJMP”； 2
6、）短跳转指令“AJMP”，长跳转指令 “LJMP”；3）散转指令“JMP A+DPTR”； 3、在执行调用指令（第3章P76）或响应中断（第5章P99）时： 硬件自动将PC的当前值，即下一条将要执行的指令的地址被送入堆栈，加以保护；同时将子程序的入口地址或者中断入口矢量地址送给PC，程序流向发生改变，程序转向去执行子程序或者中断服务程序。当子程 序或中断服务程序执行完毕，遇到子程序中的最后一条返回指令“RET”或中断服务程序的最后一条指令“RETI”时，硬件自动将保护在堆栈中的内容（地址）送到PC中，程序又返回到原来的地方继续执行。,指令寄存器IR、指令译码器ID ：由PC中的内容指定ROM（
7、程序存储器）的地址，取出来的指令经IR送至ID，由ID对指令译码并送PLA产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。,振荡器及时钟电路：89C51片内有振荡电路，只需外接晶振和频率微调电容（2个30皮法左右），频率为： 024MHz.(8051为12MHz)。,二、存储器,1.程序存储器（ROM） 89C51、8751的片内ROM容量为4KB，地址从0000H开始，到0FFFH。用于存放程序和表格常数。,89C51片内有：4KFlash程序存储器（ROM），它只能读不能写；数据存储器（RAM），它可以读、写。,2.数据存储器（RAM） 容量256B 8031、89C51、8751的片内R
8、AM容量中低128B，地址从00H开始，到7FH。用于存放运算的中间结果、数据暂存及数据缓冲等。 另外，在RAM的高128B单元中还有特殊功能寄存器（SFR），地址为80HFFH.详细内容将在后面介绍。,三、I/O接口,89C51有4个8位的并行接口，即：P0P3。它们都是准双向口（为什么是准双向口？后面会解释）。每个端口各有8根I/O线，均可作输入/输出用。 89C51有1个可编程的全双工串行口，即RXD（引脚P3.0,接收）和TXD（引脚P3.1,发送). P0P3口的4个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O作为一般特殊功能寄存器来寻址（所谓“寻址”，就是寻找指令中操作数或操作数所在的地址
9、）。,2.2 89C51单片机引脚及其功能,图2-3 89C51的引脚结构,1I/O口线功能 4个8位并行 I/O 接口引脚 P0.0P0.7 、P1.0P1.7 、 P2.0P2.7 和 P3.0P3.7。 除P1口外，其它为多功能引 脚，可自 动切换用 作数据总线、 地址总线、控制总线或I/O 接 口外部引脚。,2.2 89C51单片机引脚及其功能,只有熟悉单片机的引脚功能，才能进行硬件电路的设计！,单片机的输入/输出口 P0P3,点亮一个LED发光二极管,通常红色贴片LED:靠电流驱动，电压1.8V2.2V，电流120mA，在15mA亮度有所变化，5mA以上亮度基本无变化。,点亮一个LE
10、D发光二极管,限流电阻R1取值：150欧3K,;汇编语言程序 ORG 0000H ;ORG是汇编伪指令，通电后单片机从0000H单元开始取指令 AJMP L1 ;跳转到标号为L1的指令 ORG 0030H ;从0030H单元放第1条指令 L1:CLR P1. 0 ;P1. 0 为低电平 SJMP $ ;程序在此处原地等待，防止程序跑飞 END ;汇编伪指令，意思是（机器）汇编结束,/C语言程序 #include /头文件 sbit LED1=P10 /位地址声明，注意：sbit必须小写，P必须大写 void main() LED1=0; /使LED1亮 while(1); /程序在此处原地等待
11、，防止程序跑飞 ,编译软件：Keil（美国）；万利，伟福（中国）等。 编译就是将C/汇编程序翻译成“机器码”。 硬件仿真软件：Protues（英国）,2.2 89C51单片机引脚及其功能,2控制线 ALE/ PROG： ALE 地址锁存允许信号端。 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。 PROG是对片内带有4KB EPROM的8751编程写入时的编程脉冲输入端。 用示波器查看ALE端，若有脉冲信号输出，则说明89C51基本上是好的。,2控制线,PSEN： 外部ROM读选通信号端。在访问片外ROM时（该引脚接片外ROM 的OE端），定时输出负脉冲作为读片外ROM的
12、选通信号。 检查一个89C51最小系统上电后能否正常工作，可用示波器查看该引脚有无脉冲输出，若有，则说明基本上工作正常。 EA/VPP： EA程序存储器选择信号端。 VPP固化编程电源输入端(12V)。,2.2 89C51单片机引脚及其功能,当EA引脚接高电平（EA=1）时，CPU只访问片内ROM/EPROM，并执行片内程序存储器中的指令，当PC（程序计数器）的值超过0FFFH（89C51、8751为4KB）时，将自动转去执行片外ROM内的程序。,当EA引脚接低电平（接地，EA=0）时，CPU只访问片外ROM/EPROM，并执行片外程序存储器中的指令，而不管片内是否有ROM。 故对于无片内RO
13、MR 的8031、8032，需要外扩EPROM，此时，EA引脚必须接地。,3. 复位：,RST/VPD：复位信号端和后备电源输入端。 输入10ms以上高电平脉冲，单片机复位。 VPD使用后备电源，可实现掉电保护。,复位电路： 1）外部信号复位 2）上电复位,4.电源 工作电源：VCC（+5V） VSS（即GND端为接地端）。,5. 外接晶振引脚,XTAL2 接外部晶振和微调电容的一端。若须采用外部时钟电路时，该引脚悬空。 要查看89C51的振荡电路是否工作，可用示波器查看该引脚有无脉冲信号输出，若有则说明振荡器工作正常。 XTAL1 接外部晶振和微调电容的另一端。若须采用外部时钟电路时，该引脚
14、是外部时钟的输入端。,6. 输入/输出端口,P0口（P0.0P0.7）：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。每一位口线能驱动8个LS型TTL负载。 当P0口作为输入口使用时，要先向端口写“1”。而作为输出口使用时则不需要。 P0口内部无上拉电阻，故当作为输出口使用，需输出高电平时，应加外部上拉电阻。,在Proteus ISIS中做实验： 1）未加上拉电阻，观察LED； 2）加入上拉电阻，观察LED。,1、若P0.1为高电平时：LED1亮 2、若P0.5为低电平时:LED2不亮,;上拉电阻实验程序 ORG 0000H ;ORG是汇编伪指令，通电后单片机从0000H单元开始取指令 AJMP
15、 L1 ;跳转到标号为L1的指令 ORG 0030H ;从0030H单元放第1条指令 L1:SETB P0.1 ;P0.1为高电平 SETB P0.5 ; P0.5为高电平 SJMP $ ;程序在此处原地等待，防止程序跑飞 END ;汇编伪指令，意思是（机器）汇编结束,在Proteus ISIS中做个实验 1）未加上拉电阻，观察LED； 2）加入上拉电阻，观察LED。,6. 输入/输出端口,P0口还是复用端口，当CPU访问片外存储器时， P0口分时提供低8位的地址和8位数据。,6. 输入/输出端口,P1口（P1.0P1.7）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。每一位口线能驱动4
16、个LS型TTL负载。 当P1口作为输入口使用时，要先向端口写“1”。而作为输出口使用时则不需要。,P2口（P2.0P2.7）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。每一位口线能驱动4个LS型TTL负载。 当P2口作为输入口使用时，要先向端口写“1”。而作为输出口使用时则不需要。 当CPU访问片外存储器时，P2口输出地址的高8位。, P3口（P3.0P3.7）：P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。每一位口线能驱动4个LS型TTL负载。 P3口作为输入口使用时，要先向端口写“1”。而作为输出口使用时则不需要。 P3口还具有第二功能。, P3口作为第二功能端口时的功能表,P21. 表2-1,实例（输入/输出）,水位的电信号从P1.0和P1.1输入，即P1.0和P1.1输入口使用。水位的电信号要从P1
