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1、第2章 89C51单片机单片机的硬件结构,2.1 89C51单片机的片内结构 片内结构如图2-1所示:,图2-1 89C51单片机的片内结构,由如下功能部件组成：对图2-1中的片内各部件做简单介绍。 1.CPU（微处理器） 2.数据存储器（RAM） 片内为128个字节（52子系列的为256个字节） 3.程序存储器（ROM/EPROM） 8031:无此部件； 8051:4K字节ROM； 8751:4K字节EPROM ； 89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K 字节闪存。 4. 4个并行可编程的8位I/O口 P1口、P2口、P3口、P0口 5. 串行口 1个全双工的异步串行口，具有
2、四种工作方式。,6. 定时器/计数器 7. 中断系统 8. 特殊功能寄存器（SFR） 共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。 CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR，Special Function Register）的集中控制方式。,MCS-51系列单片机配置一览表,图2-2 89C51的引脚,2.2 89C51的引脚 40只引脚双列直插封装（DIP）。,从一片集成电路的角度去认识单片机,80C51：40个引脚双排直插DIP封装,大致可分为3类：电源及时钟、控制和I/O引脚。,80C51：40个引脚双排直插DIP封装,大致可分为3类：电源及时钟、控制和I/O引脚。,40只
3、引脚按功能分为3类： （1）电源及时钟引脚: Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。 （2）控制引脚： PSEN*、EA* 、ALE、RESET （即RST）。 （3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚,1电源引脚 （1）Vcc（40脚）：+5V电源； （2）Vss（20脚）：接地。 2时钟引脚 （1）XTAL1（19脚）：接外部晶体，如果采用外接振荡器时，振荡器的输出应接到此引脚上。 （2）XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端或采用外接振荡器时悬空。,2.2.1 电源及时钟引脚,1545pfx2,112MHz（MCS-51） 024MHz（Atmel-8
4、9C）,XTAL1,XTAL2,也可以由 XTAL1端接入外部时钟，此时应将 XTAL2接地：,XTAL2,XTAL1,外部时钟,通常外接一个晶振两个电容,2.2.2 控制引脚 提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。 (1) RST/VPD(9脚)：复位与备用电源。 (2) EA*/VPP(Enable Address/Voltage Pulse of ProgRaming，31脚) EA*：为内外程序存储器选择控制端。 EA*=1，访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对于8051、8751）时，即超出片内程序存储器的4K字节地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的
5、程序。 EA*=0，单片机则只访问外部程序存储器。不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，因此EA必须接地。 VPP：本引脚的第二功能。用于施加编程电压（例如+21V或+12V）。对89C51，加在VPP脚的编程电压为+12V或+5V。,(3) ALE/PROG*（30脚）：地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 第一功能:ALE为地址锁存允许，用来锁存P0口送出的低8位地址,可驱动8个LS型TTL负载。 第二功能:PROG*为编程脉冲输入端,片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。,(4) PSEN* （29脚）：外部程序存储器的读选通信号(外ROM读
6、选通信号)。或称：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控制端（OE）低有效,可驱动8个LS型TTL负载。,单片机,锁存器74LS373,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,EPROM,89C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。,2.2.3 I/O口引脚,(1) P0口：当89C51扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P0口作为地址总线（低8位）及数据总线的分时复用端口。为双向I
7、/O口。 也可作为通用的I/O口使用，但需加上拉电阻，这时为准双向口。当作为普通的I/O输入时，应先向端口的输出锁存器写入1。P0口可驱动8个LS型TTL负载。 (2) P1口：8位准双向I/O口，具有内部上拉电阻，可驱动4个LS型TTL负载。 (3) P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，具有内部上拉电阻，可驱动4个LS型TTL负载。 (4) P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，具有内部上拉电阻，可驱动4个LS型TTL负载。P3口还可提供第二功能，定义如表2-1所列，应熟记。 注意:准双向口与双向三态口的差别。 （1）当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1
8、”。 （2）准双向I/O口无高阻 “浮空”状态。,2.3 89C51的CPU 由运算器和控制器所构成 2.3.1 运算器 1算术逻辑运算单元ALU 进行算术、逻辑运算，还具有位操作功能,2累加器A 使用最频繁的寄存器，可写为Acc。 累加器A的作用： （1）是ALU的输入之一，又是运算结果的存放单元。 （2）数据传送大多都通过累加器A。MCS-51增加了一部分可以不经过累加器的传送指令，即可加快数据的传送速度，又减少A的“瓶颈堵塞”现象。 A的进位标志Cy同时又是位处理机的位累加器。 3程序状态字寄存器PSW PSW也称为标志寄存器，存放各有关标志。其结构和定义如图2-3：,（1）Cy（PSW
9、.7）进位标志位，用于表示Acc.7有否 向更高位进位。 （2）Ac(PSW.6) 辅助进位标志位，用于BCD码的十 进制调整运算。用于表示Acc.3有否 向Acc.4进位 （3）F0（PSW.5）用户使用的状态标志位。,图2-3 程序状态字寄存器PSW,（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4组工作寄存器区选择控制位1和位0。如表2-2。 RS1、RS0与4组工作寄存器区的对应关系 RS1 RS0 所选的4组寄存器 0 0 0区（内部RAM地址 00H07H） 0 1 1区（内部RAM地址 08H0FH） 1 0 2区（内部RAM地址 10H17H） 1 1 3区（内部RAM地址
10、18H1FH） （5）OV（PSW.2）溢出标志位 指示运算是否溢出。注意各种算术运算指令对该位的影响 （6）PSW.1位: 保留位，未用 （7）P(PSW.0)奇偶标志位 P=1，A中“1”的个数为奇数 P=0，A中“1”的个数为偶数,2.3.2 控制器 1程序计数器PC（Program Counter） 存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。 基本工作方式有以下几种： （1）程序计数器自动加1 （2）执行有条件转移或无条件转移指令时， PC将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。 （3）执行子程序调用或中断调用，完成下列操作： PC的现行值保护 将子程序入口地址或中断向量的地址送
11、入PC。 2指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路,2.4 89C51存储器的结构,89C51的存储器配置方式与其他常用的微机系统不同，属哈佛结构(注意:什么是哈佛结构?)，它把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器用于存放程序和表格常数；数据存储器用于存放程序运行数据和结果。,89C51的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是：, 64KB程序存储器(ROM),包括片内ROM和片外ROM；, 256B内部数据存储器(内RAM) (包括特殊功能寄存器） 。, 64KB外部数据存储器（外RAM）；,89C51存储空间配置图,存储器空间可划分为5类：
12、 1.程序存储器空间 片内程序存储器为4KB 的 Flash 存储器 2.片内数据存储器空间：128B 3.特殊功能寄存器 SFR-Special Function Register 4.位地址空间: 211个可寻址位。 5.外部数据寄存器空间:片外可扩展64K字节RAM。,地址范围：0000HFFFFH，共64KB。其中: 低段4KB：0000H0FFFH 89C51和87C51在片内，80C31在片外。 高段60KB：1000HFFFFH。在片外。 读写ROM用MOVC指令，控制信号是PSEN和EA。 读ROM是以程序计数器PC作为16位地址指针，依次读相应地址ROM中的指令和数据，每读一
13、个字节，PC+1PC，这是CPU自动形成的。 但是有些指令有修改PC的功能，例如转移类指令和MOVC指令，CPU将按修改后PC的16位地址读ROM。,2.4.1 程序存储器,存放应用程序和表格之类的固定常数。 分为片内和片外两部分，由EA*引脚上所接的电平确定。 程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址,读外ROM的过程：,CPU从PC(程序计数器)中取出当前ROM的16位地址，分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外ROM 16位地址输入端，当PSEN信号有效
14、时，外ROM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。,需要指出的是: 64KB中有一小段范围是89C51系统专用单元，0003H0023H是5个中断源中断服务程序入口地址 ，用户不能安排其他内容。 89C51复位后，PC=0000H，CPU从地址为0000H的ROM单元中读取指令和数据。从0000H到0003H只有3B，根本不可能安排一个完整的系统程序，而89C51又是依次读ROM字节的。因此，这3B只能用来安排一条跳转指令，跳转到其他合适的地址范围去执行真正的主程序。,5个专用单元具有特殊用途。为5个中断源的中断入口地址，表2-3 5种中断源的中断入口地址
15、 外中断0 0003H 定时器T0 000BH 外中断1 0013H 定时器T1 001BH 串行口 0023H,从广义上讲，89C51内RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均属于片内RAM空间，读写指令均用MOV指令。但为加以区别，内RAM通常指00H7FH的低128B空间。,2.4.2 内部数据存储器 128个，字节地址为00H7FH。,89C51内RAM又可分成三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。,00H1FH：32个单元，是4组通用工作寄存器区 20H2FH：16个单元，可进行128位的位寻址 30H7FH：用户RAM区，只能字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。
16、,作用：, 工作寄存器区,工作寄存器区分为4个区：0区、1区、2区、3区。每区有8个寄存器：R0R7，寄存器名称相同。但是，当前工作的寄存器区只能有一个，由PSW中的D4、D3位决定。,有专用于工作寄存器操作的指令，读写速度比一般内RAM要快，指令字节比一般直接寻址指令要短，还具有间址功能，能给编程和应用带来方便。, 位寻址区 地址: 从20H2FH共16字节（Byte，缩写为英文大写字母B）。每B有8位（bit，缩写为小写b），共128位，每一位均有一个位地址，可位寻址、位操作。即按位地址对该位进行置1、清0、求反或判转。 用途： 存放各种标志位信息和位数据。 注意事项: 位地址与字节地址编址相同，容易混淆。 区分方法:位操作指令中的地址是位地址; 字节
