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1、第二章 89C51单片机硬件结构和原理,第2章89C51单片机硬件结构和原理,2.1 89C51单片机芯片内部结构及特点,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 时钟电路及89C51CPU时序,2.5 复位操作,2.6 89C51单片机的低功耗工作方式,2.7 输出/输入端口结构,2.1 89C51单片机芯片内部结构及特点,2.1.1 89C51单片机的基本组成,2.1.2 89C51单片机芯片内部结构,2.1.1 89C51单片机的基本组成,89C51 CPU,振荡器和时序 OSC,64KB 总线 扩展控制器,数据存储器 256B RAM/SFR,2
2、16位 定时器/计数器,可编程I/O,程序存储器 4KB FLASH ROM,可编程全双工 串行口,外中断,内中断,控制,并行口,串行通信,外部时钟源,外部事件计数,2.1.1 89C51单片机的基本组成,另外89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0 Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式 1. 在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。 此时的电流可降到大约为正常工作方式的15%。 2.在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。 这种方式下的电流可降到15
3、 A以下，最小可降到0.6A。,2.1.1 89C51单片机的基本组成,89C51单片机还有一种低电压的型号，即89LV51，除了电压范围有区别之外，其余特性与89C51完全一致。 89C51/LV51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。它采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS51兼容； 片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此89C51/LV51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。,2.1.2 89C51单片机芯片内部结构,一、结构图,二、结构组成,
4、一、结构图,由 中央处理单元（CPU）、存储器（ROM及RAM）和I/O接口组成。 89C51单片机内部结构如 图2-2所示。,P0驱动器,P2驱动器,P0锁存器,P2锁存器,RAM地址寄存器,128BRAM,4KBROM,B寄存器,暂存器1,暂存器2,ACC,SP,程序地址寄存器,缓冲器,PC增1,PC,DPTR,中断、串行口和定时器,PSW,P1锁存器,P1驱动器,P3锁存器,P3驱动器,定时控制,指令寄存器,指令译码器,OSC,ALU,P0.0-P0.7,P2.0-P2.7,P3.0-P3.7,P1.0-P1.7,XTAL1 XTAL2,PSEN ALE EA RESET,89C51单片
5、机 内部结构图,返回,运算器,控制器,存储器,I/O接口,二、结构组成,（一）、中央处理单元（CPU）,（二）、存储器,（三）、I/O接口,返回,1、中央处理单元（89C51CPU）,1）运算器,返回,2）控制器,1）运算器,（1）8位的ALU：可对4位、8位、16位数据进行操作。,（2）8位累加器ACC（A）：它经常作为一个运算数经暂存器2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。,（3）8位程序状态寄存器PSW：指示指令执行后的状态信息供程序查询和判别用。,（4）8位寄存器B：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；如不能做乘除运
6、算时，作为通用寄存器,（5）布尔处理器：专门用于处理位操作的，以PSW中的C为其累加器。,（6）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及指令译码器ID,（3）振荡器和定时电路,返回,（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，改变执行的流向。 PC可对64KB的ROM直接寻址，也可对89C51片内RAM寻址。,返回,（2）指令寄存器IR及指令译码器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
7、序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。,返回,（3）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1.2MHz12MHz。该信号作为89C51工作的基本节拍即时间的最小单位。,返回,2、存储器,1）程序存储器（ROM）,2）数据存储器（RAM）,返回,1）程序存储器（ROM）,89C51片内为4KB Flash ROM。 地址从0000H开始。 用于存放程序和表格常数。,返回,2）数据存储器（RAM）,89C51RAM均为128B，地址为00H7FH。 用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。 这128B的RAM中有
8、32个字节单元可指定为工作寄存器。 片内还有21个特殊功能寄存器（SFR），它们同128字节RAM统一编址，地址为80HFFH。后面详细介绍。,返回,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。 P0-P3口四个锁存器同RAM统一编址，可作为SFR来寻址。,2.2.1 89C51单片机引脚,图2-3是 89C51/LV51的引脚结构图，有双列直插封装(DIP)方式和方形封装方式。,图2-3 89C51/LV51的引脚结构,一、电源引脚：Vcc和Vss,1Vcc(40脚)：电源端，为+5V。 2Vss(20脚)：接地端。,二、时钟电路
9、引脚：XTAL1和XTAL2,XTAL2（18脚）：片内它是振荡电路反向放大器的输出端 XTAL1（19脚）：在片内它是振荡电路反向放大器的输入端,三、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。当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。,三、控制信号引脚： RST、ALE、PSEN和EA,ALE/PROG（30脚）： ALE：地址锁存允许信号端。当89c51上电正常后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为震荡频率的1/6可以用作对外输出的时钟或定时信号。 CPU访问片外存储器时，该引脚输出信号作为锁存低8
10、位地址的控制信号。 PROG:对片内带有4KB Flash ROM的89C51单片机编程写入时，作为编程脉冲输入端。,三、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。当89C51由片外程序存储器取指令时，每个机器周期两次PSEN有效（即输出2个脉冲。）但在此期间内每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将部出现。 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。 它的负载能力为8个LS型TTL负载。,三、控制信号引脚： RST、ALE、PSEN和EA,EA/Vpp（31脚）： EA： 外部程序存
11、储器地址允许输入端。 当该引脚接高电平时，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。 当该引脚接低电平时，CPU只访问片外ROM并执行外部程序存储器中的程序。,EA/Vpp（31脚）： Vpp：对89C51片内 Flash ROM固化编程时，编程电压输入端（12-21V）。,三、控制信号引脚： RST、ALE、PSEN和EA,四、输入/输出端口P0、P1、P2、P3准双向,当I/O口作为输入时，应先向此口锁存器写入全1， 此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。,漏极开路的8位准双向I/O口，每位能驱动8个L
12、S型TTL负载。 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。 在Flash ROM编程时，P0端口接受指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。,1、P0口：,2、P1口：,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。 用做输入口时，需对端口写1，通过内部上拉电阻把端口拉到高电位。 在对Flash ROM编程和校验时，接收低8位地址,3、P2口：,P2口：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。 在对Flash ROM编程和校验时，接收高位地址和控制信号,4、P
13、3口：,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口除作为一般I/O口外，每个引脚都有第二功能。 在对Flash ROM编程和校验时，接收控制信号,表2-1 P3端口引脚与复用功能表,2.3 89C51存储器配置,2.3.1 89C51存储器分类 2.3.2 程序存储器地址空间 2.3.3 数据存储器地址空间,1、普林斯顿结构,一般的微机结构：通常只有一个地址空间，而ROM和RAM可以随意安排在一个地址范围内的不同空间，即ROM和RAM的地址在同一个队列里的分配不同的地址空间，CPU 访问时一个地址对应唯一的一个存储单元，可以是ROM也可以是RAM，并用同类访问
14、指令。,2.3.1 89C51存储器分类,2、89C51-物理结构（哈佛结构）,2.3.1 89C51存储器分类,3、用户角度,2.3.1 89C51存储器分类,从用户角度89C51存储器分为3类 片内外统一编址0000HFFFFH的64KB程序存储器地址空间（用16位地址） 64KB片外数据存储器地址空间，地址也从0000HFFFFH编址 256字节数据存储器地址空间用8位地址,3、用户角度-存储器的空间配置,片外RAM& I/O端口,FFFF,0000,片内,SFR,RAM,00,7F,80,FF,RD,WR,2.3.1 89C51存储器分类,程序存储器,数据存储器,1、片内、外统一编址的
15、64K程序存储器地址空间。CPU访问片内、片外ROM指令用MOVC。,2、64K的片外数据存储器地址空间。访问片外RAM指令用MOVX。,3、256字节的片内数据存储器地址空间。访问片内RAM指令用MOV。,一、用途： 二、编址： 三、寻址方式：,一、用途：,用于存放编好的程序和表格常数。程序存储器通过16位程序计数器寻址。,2.3.2 程序存储器地址空间,二、编址：,89C51片内Flash ROM的容量为4KB。地址为0000H0FFFH。 片外最多可扩至64KB ROM/EPROM，地址为1000HFFFFH。 片内外统一编址。,三、寻址方式：,1、当 EA=“1”时： 89C51的PC在00000FFFH范围内执行片内ROM中的程序，当指令地址超过0FFFH 后就自动转向片外ROM中取指令。,2、当 EA=”0”时： 89C51片内ROM不起作用，CPU只能从片ROM/EPROM中取指令。可以从 0000H 开始寻址。由于8031片内不带ROM ，所以使用时必须 EA=”0”。,片外,FFFF,0FFF,0000,EA=0,EA=1,PSEN,片内,片外,三、寻址方式：,3、89C51从片内ROM和片外ROM取指的速度相同。,三、寻址方式：,4、程序存储器
