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1、第二章 89C51单片机硬件结构和原理,第一节 MCS-51单片机的性能及结构,MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量、I/O口功能、系统扩展能力、指令系统、引脚等都基本相同。在制造技术上，MCS-51系列单片机按两种工艺生产。一种是HMOS工艺，即高密度短沟道 MOS工艺。另一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺生产,（1）一个8位微处理器CPU（2）256B RAM和SFR（3）4KB Flash ROM（4）两个16位定时/计数器（5）四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口（6）一个全双工，用于数据的串行通信（7）具有5个中断源,2个中断优先级的中断控制系统,一
2、基本组成:,89C51单片机结构功能框图,1中央处理器CPU（1）运算器 包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的ALU单元，8位的暂存器TMP1和暂存器TMP2，8位累加器ACC，8位寄存器B和程序状态寄存器PSW。 （2）控制器 包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡和定时电路等部分。 2存储器 （1）程序存储器ROM 89C51及8751片内均有4KB字节容量的程序存储器，地址0000H开始，用于存放程序和表格常数，8031片内无ROM，使用时要进行片外扩展。,二 内部结构,（2）数据存储器RAM 89C51/8031/8751片内数据存储器均为128B，地址为00H7F
3、H，用于存放运算的中间结果、数据暂存及数据缓冲等。 3I/O接口 89C51有四个8位并行接口，即P0P3，它们是双向端口，可用于输入也可用于输出，每个端口各有8条I/O口线。,MCS-51单片机的引脚配置图,控制信号引脚 1RST/VPD（9脚）复位信号 RST是复位信号输入端，高电平有效。时钟电路工作后，在此引脚上连续出现两个机器周期的高电平，就可以完成复位操作。同一引脚的VPD是备用电源输入端（即VPD接+5V备用电源）。在VCC掉电时，为保证RAM中的信息不丢失，可使用此引脚完成掉电保护功能。2ALE/ (30脚）地址锁存信号 当CPU访问片外存储器时，ALE用于锁存P0口输出的低8位
4、地址信息到片外地址锁存器。之后，P0口作地址/数据复用口，P0口的信息究竟是地址还是数据完全由ALE来判别，ALE高电平期间，P0口出现的是地址信息，ALE下降沿到来时，P0口上的地址信息被锁存，在ALE低电平期间P0口上出现指令和数据信息。,此引脚的第二功能是对片内带有4K EPROM的89c51编写固化程序时，作为编程脉冲输入端。 3 （29脚）：片外程序存储器读选通信号。 低电平有效。89c51在访问片外程序存储器时，此引脚端输出负脉冲作为读片外程序存储器的选通信号。4 /VPP（31脚）：内部和外部程序存储器选择信号 高电平: CPU先访问片内4KEPROM/ROM，执行内部程序存储器
5、中的指令，但在程序计数器超过0FFFH时（即地址大于4KB时），将自动转向执行片外大于4KB程序存储器内的程序。 低电平（接地）:CPU只访问外部程序存储器. 此引脚的第二功能VPP，在对EPROM编程固化程序时，需施加21V编程电压。,I/O（输入/输出）端口 MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0P3，P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路，P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电路。,1)P0口（P0.0P0.7，占3932脚） P0口为三态双向口，图2-4是P0口的某一位的结构图。它包括一个输出锁存器、两个三态
6、输入缓冲器，一个输出驱动电路和一个输出控制端。,1.P0口作为一般I/O口使用 （C=0） 无外扩存储器 输入口用时，应先向锁存器写入“1”，使 =0，因为控制线为“0”，因此T1与T2全截止，引脚处于高阻抗输入状态，以避免由于T1并接在引脚上，T1的导通误将高电平拉成低电平而误读。当CPU读端口数据时，“读引脚”信号有效，打开三态缓冲器，端口数据经缓冲器读入内部总线。P0口作为地址/数据总线使用（C=1） 访问外扩存储器 1)低8位地址/数据总线： 2）输入口：总结:(1)当P0作为输出时，输出级漏极，必须外接10K欧的电阻，才 能有高电平输出； (2)当P0作为输入时，必须先向锁存器写1，
7、使FET2截至； (3)当P0作为地址/数据总线时，就无法在用作I/0口使用。,2)P1口（P1.0P1.7，占18脚） P1口是一个准双向I/O口，某一位结构如图2-5所示。P1口在结构上与P0口的区别是：没有多路开关MUX和控制电路部分，输入驱动电路与P0也不相同，只有一个场效应管，上拉电阻与电源相连。,P1口位结构原理图,3)P2口（P2.0P2.7，占2128脚） 图2-6是P2口的位结构图。P2口的位结构中上拉电阻的结构与P1口相同，但P2口比P1口多了一个输出控制部分，所以P2口还能用作高8位地址输出。,P2口位结构原理图,4)P3口（P3.0P3.7，占1017引脚） P3口是一
8、个多功能端口，图2-7是P3口位结构图，与P1口结构对比，P3口与P1口的差别是多了一个与非门和缓冲器3，正式因为有了这两部分，使得P3口除了具有P1口的双向I/O功能之外，还可以使P3口的各引脚具有第二功能。,P3口位结构原理图,P3口8位口线第二功能,综上所述，MCS-51单片机很容易将I/O口线及管脚组成传统微机系统的三总线结构，使用和系统扩展都很方便。如图2-11所示为系统组成的三总线接线图，图中，A0A15为16位地址总线，可用于扩展64KB的外部程序存储器和64KB的外部数据存储器。P0口作地址/数据复用口，访问外部存储器时，由ALE的下降沿将P0.0P0.7端口上的低8位地址信号
9、锁存到地址锁存器中，P2口的P2.0P2.7送出系统地址的高八位A8A15，从而构成16位地址总线。D0D7构成数据总线，在访问外部程序存储器时， 有效（低电平），P0口作数据总线出现指令信号；在访问外部数据存储器时， 或 信号有效时，P0口上出现数据信号。其余是12条控制信号组成的控制总线。,一、存储器配置89C51单片机的存储器从物理上分四个存储空间：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 。从用户的角度考虑， 89C51单片机的存储器又可分三个逻辑空间：片内、片外统一遍址的64KB（0000HFFFFH）程序存储器地址空间（使用16位地址线），256B的片内数据存
10、储器地址空间（00HFFH），其中80HFFH内仅有二十几个字节单元供特殊功能寄存器专用），片外可扩展的64KB（0000HFFFFH）数据存储器地址空间（使用16位地址线）。,第二节 单片机的存储器结构,这三个存储器空间地址是重叠的， 89C51的指令系统为区别这几个空间，有针对性地设置了这三个地址空间的数据传送指令：CPU访问片内RAM用MOV指令，访问片内、片外程序存储器用MOVC指令，访问片外数据存储器用MOVX指令。,二、MCS-51程序存储器地址空间 (一)程序存储器的分类 1.掩膜ROM :在制造时由生产厂家根据用户需求2.PROM:由用户编程,PROM出厂时为熔丝断裂型，编程输
11、入时，对需要写1的单元通过大电流熔断其熔丝，丝断后不可再恢复，故只能写入一次 3. EPROM: 一种可多次写入的ROM。当芯片在紫外线照射时，入射光子驱散EPROM中的电子，将原来存储的电荷信息擦除，EPROM所存信息被擦除。当再次使用时，可重新写入新内容。4. E2PROM :可电檫除,（二）程序存储器的使用 MCS-51系列单片机上电复位后，程序计数器指针PC为0000H，故CPU总是从0000H开始执行程序，若用户编写的主程序或初始化程序不从此地址开始，则应在0000H单元内存放一条绝对跳转指令，将PC转向主程序或初始化程序的入口地址。 例如: ORG 0000H START:SJMP
12、 MAIN ORG 0040H MAIN:MOV P1,#00H RET END,三、MCS-51数据存储器地址空间 （一）分类 : （1）SRAM :其存储电路以双稳态触发器为基础，其优点是状态稳定，只要不掉电，信息不会丢失，不需要刷新电路；缺点是集成度低。 （2）DRAM :其存储单元以电容为基础，电路简单，集成度高。但存在电容中电荷由于漏电会逐渐丢失的问题，需定时刷新。它适于大存储容量的计算机，常说的内存条就是由DRAM组成。（3）非易失RAM或掉电自保护RAM:,（二）MCS-51单片机的数据存储器 片内: 00HFFH,用MOV指令访问 片外:0000HFFFFH,用MOVX指令访问
13、1.片内RAM低128字节区域 ( 00H7FH ) 真正RAM区,(1)工作寄存组区(00H-1FH),8051内部数据存储器地址空间,（2）位寻址区 RAM位寻址区地址分配 (20H -2FH),（3）用户RAM区 (30H7FH 共80个单元): 也称为数据堆栈缓冲区,该区域主要用于存放用户数据或作堆栈区使用。2. 片内特殊功能寄存器SFR (80H - FFH 高128字节),注：表中带*号者既可按位寻址，也可按字节寻址,（三）部分特殊功能寄存器简介1、累加器ACC 2寄存器B: 完成乘法和除法运算.此外，B也可作暂存结果的通用寄存器。3程序状态字寄存器PSW: 8位特殊功能寄存器，用
14、于存放程序的状态和指令的执行状态，供程序查询和判别用 。,CY：进位标志位。在执行加、减法指令时，如果运算结 果的最高位（D7位）有进位或借位，CY位被置“1” 否则清“0”。AC：半进位标志位。在执行加、减法指令时，其低半字节 向高半字节有进位或借位时（D3位向D4位），AC位被 置“1”，否则清“0”。 F0：用户自定义标志位。 RS1和RS0：工作寄存器组选择位。 OV：溢出标志位。在补码运算，当运算结果超出-128+127的范围时（溢出），OV位被置“1”，无溢出，OV位为“0”。 P：奇偶校验标志位。每条指令执行完毕，A中有奇数个1，则P=1，否则P=0。,4堆栈指针SP: 8位的特殊功能寄存器，用于指出堆栈栈顶的地址。数据被压入堆栈，SP自动加1，数据从堆栈中弹出，SP自动减1。系统复位时由硬件使SP=07H。堆栈深度为128个字节。5数据指针DPTR: 16位的特殊功能寄存器 对64KB片外RAM寻址时，DPTR可以作间地址寄存器使用，执行MOVX A,DPTR指令或MOVX DPTR,A指令。 在访问程序存储器时，DPTR作基址，执行MOVC A,A+DPTR指令，以读取程序存储器内存放的表格常数。 6程序计数器PC: 不可寻址,
