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1、AT89C51的结构和原理,教学目标 2.1 AT89C51单片机的结构 2.2 AT89C51单片机外形及引脚功能 2.3 AT89C51存储器 2.4 AT89C51单片机工作方式 2.5 AT89C51时钟电路与时序 本章小结 思考题与习题,教学目标,1. 总体了解AT89C51单片机内部结构。 2. 熟悉AT89C51单片机40个引脚及其功能。 3. 熟悉AT89C51三个不同存储空间配置及地址范 围，了解不同存储空间的操作指令和控制信号。 4. 熟悉AT89C51片内RAM低128B分区结构和作用。 5. 了解特殊功能寄存器地址分布范围，理解ACC、 B、SP、DPTR的作用和功能，
2、重点掌握PSW结构 组成和各位作用。,通过本章教学，要求达到以下目标：,6. 理解程序计数器PC的功能。 7. 了解AT89C51 4个I/O端口结构及工作原理。 8. 理解在扩展外存储器情况下，P0、P2及 P3口的功能作用。 9. 了解堆栈指针SP及堆栈的作用； 10. 掌握堆栈的设置及使用方式； 11. 熟悉AT89C51复位条件、复位电路和复位后 常用的SFR的状态。 12. 理解时钟电路组成、时钟和机器周期的概念。,课前预习和复习检测,温故知新检测,微机中常用的进制有哪些？ 各有何特点？,温故知新检测,什么是BCD码和BCD数？ BCD数的加减运算有何特点？,温故知新检测,什么是原码
3、、反码和补码？,温故知新检测,1101101.1011B =？H,温故知新检测,AT89C51系列单片机内部包含哪些主要功能部件？,温故知新检测,程序计数器PC的作用是什么？,温故知新检测,AT89C51的CPU主要由哪几部分组成?,温故知新检测,单片机CPU运算器的核心部件是什么？ 其主要功能有哪些？,温故知新检测,AT89C51单片机内部有多少字节的RAM和FlashROM？,2.1 AT89C51单片机的结构,AT89系列单片机在内部结构上基本相同，其中不同型号的单片机只不过在个别模块和功能方面有些区别。AT89C51单片机内部硬件结构框图如图2.1所示。它由一个8位中央处理器（CPU）
4、、一个256B片内RAM及4KB Flash ROM 、21个特殊功能寄存器、4个8位并行I/O口、两个16位定时/计数器、一个串行I/O口以及中断系统等部分组成，各功能部件通过片内单一总线联成一个整体，集成在一块芯片上。,2.1 AT89C51单片机的结构,图2.1 AT89C51单片机内部结构框图,RAM 128B,RAM地址寄存器,P3口,P1口,P2口,P0口,锁存器,锁存器,锁存器,锁存器,中断 定时/计数器 串行口,SP,B,ACC,暂存器1,暂存器2,PSW,指令寄存器IR,指令译码器ID,DPL,缓冲器,程序计数器PC,PC增量器,地址寄存器AR,定时与控制,4K ROM,AL
5、U,DPH,运算器,控制器,存储器,I/O接口,图2.2 AT89C51单片机的内部结构示意,2.1.1 中央处理器(CPU),CPU是单片机内部的核心部件，是一个8位二进制数的中央处理单元，主要由运算器、控制器和寄存器阵列构成。 1. 运算器 运算器用来完成算术运算和逻辑运算功能，它是AT89C51内部处理各种信息的主要部件。运算器主要由算术逻辑单元(ALU)、累加器(ACC)、暂存寄存器(TMP1、TMP2)和状态寄存器(PSW)组成。,1. 运算器,(1) 算术逻辑单元(ALU)：AT89C51中的ALU由加法器和一个布尔处理器组成。 (2) 累加器(ACC)：用来存放参与算术运算和逻辑
6、运算的一个操作数或运算的结果。 (3) 暂存寄存器(TMP1、TMP2)：用来存放参与算术运算和逻辑运算的另一个操作数，它对用户不开放。 (4) 状态寄存器(PSW)：PSW是一个8位标志寄存器，用来存放ALU操作结果的有关状态。,表2.1 PSW各位定义表, 进位标志位CY：表示累加器A在加减运算过程中其最高位 A7有无 进位或借位。 辅助进位位AC：表示累加器A在加减运算时低4位(A3)有无向高4 位(A4)进位或借位。 用户标志位F0：是用户定义的一个状态标志位，根据需要可以用 软件来使它置位或清除。,1. 运算器, 寄存器选择位RS1、RS0：AT89C51共有四组，每组八个工作寄存器
7、R0R7。编程时用于存放数据或地址。但每组工作寄存器在内部RAM中的物理地址不同。RS1和RS0的四种状态组合就是用来确定四组工作寄存器的实际物理地址的。RS1、RS0状态与工作寄存器R0R7的物理地址关系如表2.2 所示。,表2.2 工作寄存器组R0R7的物理地址,RS1 RS0,工作寄存器组号,R0R1的物理地址,0 0 0 1 1 0 1 1,0 1 2 3,00H 07H 08H 0FH 10H 17H 18H 1FH, 溢出标志位OV：当执行算术指令时，由硬件自动置位或 清零，表示累加器A的溢出状态。 奇偶标志位P：用于指示运算结果中1的个数的奇偶性， 若累加器A中1的个数为奇数，则
8、P=1；若1的个数为偶 数，则P=0。,2. 控制器,控制器是单片机内部按一定时序协调工作的控制核心，是分析和执行指令的部件。控制器主要由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID和定时控制逻辑电路等构成。 程序计数器PC是专门用于存放现行指令的16位地址的。CPU就是根据PC中的地址到ROM中去读取程序指令码和数据，并送给指令寄存器IR进行分析。,2. 控 制 器,指令寄存器IR用于存放CPU根据PC地址从ROM中读出的指令操作码。 指令译码器ID是用于分析指令操作的部件，指令操作码经译码后产生相应于某一特定操作的信号。 定时控制逻辑中定时部件用来产生脉冲序列和多种节拍脉冲。,3寄存器阵
9、列,寄存器阵列是单片机内部的临时存储单元或固定用途单元，包括通用寄存器组和专用寄存器组。 通用寄存器组用来存放过渡性的数据和地址，提高CPU的运行速度。 专用寄存器组主要用来指示当前要执行指令的内存地址，存放特定的操作数，指示指令运行的状态等。,2.1.2 存储器,AT89C51单片机内部有256个字节的RAM数据存储器和4 KB的闪存程序存储器(Flash)，当不够使用时，可分别扩展为64 KB外部RAM存储器和64 KB外部程序存储器。它们的逻辑空间是分开的，并有各自的寻址机构和寻址方式。这种结构的单片机称为哈佛型结构单片机。 程序存储器是可读不可写的，用于存放编好的程序和表格常数。 数据
10、存储器是既可读也可写的，用于存放运算的中间结果，进行数据暂存及数据缓冲等。,AT89C51单片机对外部电路进行控制或交换信息都是通过I/O端口进行的。单片机的I/O端口分为并行I/O端口和串行I/O端口，它们的结构和作用并不相同。 1并行I/O端口 AT89C51有四个8位并行I/O端口，分别命名为P0口、P1口、P2口和P3口，它们都是 8位准双向口，每次可以并行输入或输出8位二进制信息。,2.1.3 I/O端口,AT89C51有一个全双工的可编程串行I/O端口，它利用了P3口的第二功能，即将P3.1引脚作为串行数据的发送线TXD，将P3.0引脚作为串行数据的接收线RXD。,2串行I/O端口
11、,2.1.4 定时器/计数器,AT89C51内部有两个16位可编程定时器/计数器，简称为定时器0(T0)和定时器1(T1)，T0和T1分别由两个8位寄存器构成，其中T0由TH0(高8位)和TL0(低8位)构成，T1由TH1(高8位)和TL1(低8位)构成。TH0、TL0、TH1、TL1都是SFR中的特殊功能寄存器。,T0和T1在TCON和TMOD的控制下可工作在定时器模式或计数器模式下，每种模式下又有不同的工作方式。当定时或计数溢出时还可申请中断。详细情况参见第6章。,2.1.5 中断系统,单片机中的中断是指CPU暂停正在执行的原程序转而为中断源服务(执行中断服务程序)，在执行完中断服务程序后
12、再回到原程序继续执行。中断系统是指能够处理上述中断过程所需要的部分电路。 AT89C51的中断系统由中断源、中断允许控制器IE、中断优先级控制器IP、定时器控制器TCON(中断标志寄存器)等构成，IE、IP、TCON均为SFR特殊功能寄存器(见表2.2)。,2.1.6 内部总线,总线是用于传送信息的公共途径。总线可分为数据总线、地址总线和控制总线。单片机内的CPU、存储器、I/O接口等单元部件都是通过总线连接到一起的。采用总线结构可以减少信息传输线的根数，提高系统可靠性，增强系统灵活性。 AT89C51单片机内部总线是单总线结构，即数据总线和地址总线是公用的。,2.2 AT89C51单片机引脚
13、及其功能,AT89C51有40条引脚，与其他51系列单片机引脚是兼容的。这40条引脚可分为I/O端口线、电源线、控制线、外接晶体线四部分。其封装形式有两种：双列直插封装(DIP)形式和方形封装形式，如图2.2所示。,图2.2 AT89C51封装和引脚分配图 (a) 双列直插式封装 (b) 方形封装,2.2 AT89C51单片机引脚及其功能,AT89C51,AT89C51,1P0口 P0口有八条端口线，命名为P0.0P0.7，其中P0.0为低位，P0.7为高位。每条线的结构组成如图2.3所示。它由一个输出锁存器，两个三态缓冲器，输出驱动电路和输出控制电路组成。P0口是一个三态双向I/O口，它有两
14、种不同的功能，用于不同的工作环境。,2.2.1 I/O端口功能,图2.3 P0口位结构图,1P0口,P1口有八条端口线，命名为P1.0P1.7，每条线的结构组成如图2.4所示。P1口是一个准双向口，只作普通的I/O口使用，其功能与P0口的第一功能相同。作输出口使用时，由于其内部有上拉电阻，所以不需外接上拉电阻；作输入口使用时，必须先向锁存器写入“1”，使场效应管T截止，然后才能读取数据。,2. P1口,图2. 4 P1口位结构图,2. P1口,P2口有八条端口线，命名为P2.0P2.7，每条线的结构如图2.5所示。P2口也是一个准双向口，它有两种使用功能：一种是当系统不扩展外部存储器时，作普通
15、I/O口使用，其功能和原理与P0口第一功能相同，只是作为输出口时不需外接上拉电阻；另一种是当系统外扩存储器时，P2口作系统扩展的地址总线口使用，输出高8位的地址A7A15，与P0口第二功能输出的低8位地址相配合，共同访问外部程序或数据存储器(64 KB)，但它只确定地址并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。,3. P2口,图2.5 P2口位结构图,3. P2口,P3口有八条端口线，命名为P3.0P3.7，每条线的结构如图2.6所示。P3口是一个多用途的准双向口。第一功能是作普通I/O口使用，其功能和原理与P1口相同。第二功能是作控制和特殊功能口使用，这时八条端口线所定义的功能各不相同，
16、如表2.3所示。,4. P3口,图2.6 P3口位结构图,4. P3口,表2.3 P3口各位的第二功能,在单片机中，口是一个集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能于一体的I/O电路。AT89C51的4个口在电路结构上基本相同， P0P3口都可作为普通I/O口来使用。但又各具特点，因此在功能和使用上各口之间有一定的差异。各口用作输入时，均须先写入“1”；P0口用作输出时，应外接上拉电阻。,5I/O口的读写,(1) VCC：+5 V电源线。 (2) VSS：接地线。,2.2.2 电源线,2.2.3 外接晶体引脚 (1) XTAL1：片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电
