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1、2020/7/30,第二章89C51单片机硬件结构和原理（MCS-51系列）,绪,MCS-51是Intel公司生产的一种单片机系列，于1980年推出。是8位单片机。intel8051 应用非常广泛。很多公司生产以8051为内核的单 片机。 51系列的单片机芯片型号很多。,绪,它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。主要差别在存储器上。,绪,2.1 89C51(MCS-51)单片机的结构,2.2 89C51(MCS-51)单片机引脚及其功能,2.3 89C51(MCS-51)存储器配置,2.4 89C51(MCS-51) CPU时序,2.5 复位及复位电路,2.6 输出/输入端口结构,第二
2、章89C51单片机结构和原理,2.7 89C51的低功耗工作方式,2.189C51(MCS-51)单片机的结构,一、89C51(MCS-51)单片机的基本组成,二、 89C51(MCS-51)单片机内部结构,一、 89C51(MCS-51)单片机的基本组成,89C51单片机的基本结构框图：,89C51单片机结构框图,89C51单片机主要包括：,二、 89C51(MCS-51)单片机的内部结构,（一）内部结构图,（二）主要组成部分功能,（一）内部结构图,一个完整的计算机由 中央处理单元（CPU）、存储器（ROM及RAM）和I/O接口组成。 CPU是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，由运算器
3、和控制器等部件组成。 89C51单片机内部结构如图：,（二）主要组成部分功能,、中央处理单元（CPU）,、I/O接口,、存储器,1、中央处理单元（CPU）,1）运算器,2）控制器,1）运算器,（）一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU,（）8位累加器ACC（A）,（）程序状态寄存器PSW,（）寄存器B,（）布尔处理器,（）2个8位暂存器,包括：,可对4位、8位和16位数据进行操作。 能做加、减、乘、 除、加l、减l、BCD数十进制调整及比较等算术运算。 能做与、或、异或、求补及循环移位等逻辑操作。,（）算术运算和逻辑运算的单元ALU,（）累加器ACC（A）,它经常作为一个运算数经暂存器2
4、进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。 它是最繁忙的一个寄存器。 在指令中用助记符A来表示。,（）程序状态字寄存器PSW,8位。 用于指示指令执行后的状态信息。 相当于一般微处理器的标志寄存器。 PSW中各位状态供程序查询和判别用。 详见特殊功能寄存器SFR中介绍。,（）寄存器B,8位。 在乘、除运算时，用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果。 作为通用寄存器（不做乘除运算时）。,（）布尔处理器,专门用于处理位操作的， 以PSW中的CY为其累加器。(指令中用） 可执行置位、位清0、位取反、位判断、信息 传送等位操作， 也可执行使C与其他可寻址
5、位之间进行逻辑 “与”、逻辑或操作。,（2）2个8位暂存器,ALU的两个入口处。,2）控制器,（1）程序计数器PC（16位）,（2）指令寄存器IR,（4）振荡器和定时电路,包括：,（3）指令译码器ID,（1）程序计数器PC（16位）,由两个8位计数器PCH、PCL组成。 PC是程序的字节地址计数器。 PC内容为将要执行的指令地址。 改变PC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8051片外RAM寻址。,（2）指令寄存器IR （3）指令译码器ID,由PC中的内容指定ROM地址，取出来的指令经IR送至ID， 由ID对指令译码，产生一定序列的控制信号，以执行指令所
6、规定的操作。,（4）振荡器和定时电路,89C51单片机片内有振荡电路， 只需外接石英晶体和频率微调电容（2个30pF左右），其频率范围为024MHz。 该信号作为单片机工作的基本节拍，即时间的最小单位。 单片机在其基本节拍的控制下协调地工作。,2、存储器,1）程序存储器（ROM）,2）数据存储器（RAM）,它们有各自独立的存储地址空间,1）程序存储器（ROM）,89C51、8051及8751的片内ROM容量为4KB。 地址从0000H开始。 用于存放程序和常数（如表格数据等）。,1）程序存储器（ROM）,89C51为Flash ROM 8051、80C51为掩膜ROM 8751、87C51为E
7、PROM 8031、80C31、8032 没有ROM 8752、89C52为8KB ROM 。,2）数据存储器（RAM）,片内通用RAM：89C51、8051/8751/8031 RAM均为128B，地址为00H7FH。作用：用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。 片内特殊RAM：称特殊功能寄存器SFR。21个（字节）,2）数据存储器（RAM）,特殊功能寄存器SFR地址： 分散在80FFH中,3、I/O 接口,89C51有四个8位并行I/O接口P0P3。 它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O线。 P0P3口四个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O口当作一般特殊功能寄存器来寻址。,
8、2.289C51(MCS-51)单片机引脚及其功能,一、 引脚图（DIP）,二、 引脚功能说明,一、 引脚图（DIP）,二、 引脚功能说明,1、电源引脚：Vcc和Vss 2、时钟电路引脚：XTAL1和XTAL2 3、控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA 4、I/O端口P0、P1、P2和P3,1、电源引脚：Vcc和Vss,Vcc(40脚)：电源端，为+5V。 Vss(20脚)：接地端。,图2-3,XTAL2（18脚）（89C51）：接外部晶体和微调电容的一端；在89C51 片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚悬空。89C51正常
9、工作时，该引脚应有脉冲信号输出。,2、时钟电路引脚：XTAL1和XTAL2,XTAL1（19脚）： 接外部晶体和微调电容的另一端； 在片内它是振荡电路反向放大器的输入端 在采用外部时钟时，该引脚接外时钟输入。,2、时钟电路引脚：XTAL1和XTAL2,图2-3,3、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA,RST/VPD（9脚）： RST：复位信号输入端，高电平有效 当此输入端保持不少于两个机器周期的高电平时，可完成复位操作。,3、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA,RST/VPD（9脚）： VPD ：引脚的第二功能，备用电源输入端。 当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值
10、时，将+5V电源自动接入该引脚，为RAM提供备用电源，以保证RAM中的信息不丢失，使得复位后能继续正常运行。,图2-3,3、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA,ALE/PROG（30脚）： PROG：是对片内带有4KB Flash ROM的89C51编程写入时的编程脉冲输入. ALE为地址锁存允许信号端，8031访问外部存储器时，该信号锁存低8位地址；ALE的频率为1/6时钟频率,图2-3,3、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA,PSEN（29脚）： 程序存储器允许信号输出端。 在访问片外ROM时，定时输出负脉冲作为读片外ROM的选通信号，接片外ROM 的OE端。 它的负载
11、能力为8个LS型TTL负载。,图2-3,3、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA,EA/Vpp（31脚）： EA： 外部程序存储器地址允许输入端。 EA=1时，CPU访问片内ROM,并执行片内程序存储器中的指令，但当PC值超过0FFFH（片内ROM为4KB）时，将自动转向执行片外ROM中的程序。,3、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA,EA/Vpp（31脚）： EA=0时，CPU只访问片外ROM,并执行外部程序存储器中的程序。,图2-3,3、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA,EA/Vpp（31脚）： Vpp：对89C51片内EPROM固化编程 时，编程电压输入端（
12、12V）。,图2-3,4、I/O端口P0、P1、P2和P3,1）P0口 2）P1口 3）P2口 4）P3口,1）P0口（P0.0P0.7）,漏极开路的8位准双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL负载。 P0口可作为一个数据输入/输出口。 当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器(地址80H)写入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。,1）P0口（P0.0P0.7）,在CPU访问片外存储器时，P0口为分时复用的低8位地址总线和8位数据总线。 准双向：当P0口作输入口使用时要先写1，这就是准双向的含义。,2）P1口（P1.0P1.7）,带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动
13、4个LS型TTL负载。 在Pl口作为输入口使用时，应先向Pl口锁存器(地址9OH)写入全1， 此时Pl口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。,3）P2口（P2.0P2.7）,带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。 在CPU访问片外存储器时，它输出高8位地址。 在访问片外存储器时，P2口一般不做它用,4）P3口（P2.0P2.7）,带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。 P3口与其他I/O端口有很大区别，它除作为一般准双向I/O口外，每个引脚还具有第二功能。,2.389C51(MCS-51)存储器配置,2.3.1存储器分类 2.3.2程序
14、存储器 2.3.3数据存储器,2.3.1 存储器分类,2.3.1 存储器分类,89C51存储器,程序存储器ROM,数据存储器RAM,片内程序存储器,片外程序存储器,片内数据存储器,片外数据存储器,物理上4个相互独立的存储器空间：,2.3.1 存储器分类,逻辑上3个独立的存储器空间：,MCS - 51 单片机的存储器结构,逻辑上3个独立的存储器空间：,三个逻辑地址空间地址有重叠，如何区分？ CPU访问片内、片外ROM指令用MOVC 访问片外RAM指令用MOVX 访问片内RAM指令用MOV,2.3.2 程序存储器,一、程序存储器作用 二、程序存储器空间及使用 三、程序存储器的保留单元,一、程序存储
15、器作用,用于存放编好的程序。 可以存放表格常数等。,二、程序存储器空间及使用,片内、外统一编址。 片外最多可扩至64KB 。 89C51 ROM的容量为4KB。地址为0000H0FFFH。 外扩ROM地址为1000HFFFFH，或0000H FFFFH。,当 EA=“1”时： 在地址小于4KB （00000FFFH）时，CPU访问内部的程序存储器; 在地址大于4KB时,CPU自动转向外部程序存储器中取指令。 片外范围：1000H FFFFH,二、程序存储器空间及使用,当 EA=“0”时： 片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM中取指令。 片外ROM可以从 0000H 开始寻址。0000 F
16、FFFH 由于80C31片内不带ROM ，所以使用时必须 EA=”0”。,二、程序存储器空间及使用,89C51从片内ROM和片外ROM取指的速度相同。,二、程序存储器空间及使用,三、程序存储器的保留单元,89C510000002AH给系统用,0000H0002H三个单元： 用作上电复位后引导程序的存放单元。 复位后PC的内容为0000H。 CPU总是从0000H开始执行程序。 将转移指令存放到这三个单元，程序就被引导到指定的程序存储器空间去执行。,三、程序存储器的保留单元,0003H002AH单元： 均分为五段，用作五个中断服务程序的入口。 中断矢量地址表如表所示:,三、程序存储器的保留单元,保留的存储单元,中断矢量地址表,单片机访问外部程序存储器,单片机访问外部程序存储器,2.3.3 数据存储器,一、数据存储器RAM的作用 二、片外RAM 三、片内RAM,用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。 分两部分：片内RAM、片外RAM。 地址范围： 片内RAM：00 FF
