第2講+第二章單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)1

1復(fù)習(xí)題：1什么是單片機(jī)？2什么是51系列單片機(jī)？3二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)11010110B22第2章AT89C51單片機(jī)

硬件結(jié)構(gòu)

33

第2章目錄2.1AT89C51單片機(jī)的硬件組成2.2AT89C51的引腳功能2.3AT89C51的CPU

2.4AT89C51存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)442.1AT89C51單片機(jī)的硬件組成2.2AT89C51的引腳功能

2.2.1電源及時(shí)鐘引腳

2.2.2控制引腳

2.2.3并行I/O口引腳2.3AT89C51的CPU

2.3.1運(yùn)算器

2.3.2控制器5

2.4AT89C51存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

2.4.1程序存儲(chǔ)器空間

2.4.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間

2.4.3特殊功能寄存器（SFR）

2.4.4位地址空間6目的：本章學(xué)習(xí)，為AT89C51系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。在原理和結(jié)構(gòu)上，單片機(jī)把微機(jī)的許多概念、技術(shù)與特點(diǎn)都繼承下來(lái)。用學(xué)習(xí)微機(jī)的思路來(lái)學(xué)習(xí)單片機(jī)。772.1AT89C51單片機(jī)的硬件組成片內(nèi)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。把作為控制應(yīng)用所必需的基本功能部件都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。88圖2-1

AT89C51單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)9有如下功能部件和特性：（1）8位微處理器（CPU）；（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（128BRAM）；（3）程序存儲(chǔ)器（4KBFlashROM）；（4）4個(gè)8位可編程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；（5）1個(gè)全雙工的異步串行口；（6）2個(gè)可編程的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（7）中斷系統(tǒng)具有5個(gè)中斷源、2級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)；（8）特殊功能寄存器（SFR）21個(gè)；10片內(nèi)各功能部件通過片內(nèi)單一總線連接而成（見圖2-1），基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)微機(jī)結(jié)構(gòu)。CPU對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。1011下面簡(jiǎn)要介紹圖2-1中片內(nèi)各功能部件。（1）CPU（微處理器）

8位的CPU，包括了運(yùn)算器和控制器兩部分，還有位處理功能（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）片內(nèi)為128B（52子系列為256B），片外最多可擴(kuò)64KB。（3）程序存儲(chǔ)器（FlashROM）片內(nèi)集成有4KB的Flash存儲(chǔ)器，如片內(nèi)容量不夠，片外可外擴(kuò)至64KB。12（4）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

（依據(jù)脈沖）2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（52子系列有3個(gè)），4種工作方式。（5）中斷系統(tǒng)具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。（6）P1口、P2口、P3口、P0口4個(gè)8位并行I/O口。1213（7）串行口1個(gè)全雙工的異步串行口，4種工作方式?？蛇M(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行I/O口，還可與多個(gè)單片機(jī)構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)。（8）特殊功能寄存器（SFR）21個(gè)，對(duì)片內(nèi)各功能部件管理、控制和監(jiān)視。是各個(gè)功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，映射在片內(nèi)RAM區(qū)80H～FFH內(nèi)。1314練習(xí)：1AT89C51單片機(jī)片內(nèi)有：

個(gè)8位可編程并行I/O口；

個(gè)全雙工的異步串行口；

個(gè)可編程的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；中斷系統(tǒng)具有

個(gè)中斷源、

級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)；2AT89C51片內(nèi)集成有

的Flash程序存儲(chǔ)器，如片內(nèi)容量不夠，片外可外擴(kuò)至

。152.2AT89C51的引腳功能

2.2.1電源及時(shí)鐘引腳

2.2.2控制引腳

2.2.3并行I/O口引腳162.2AT89C51的引腳功能先了解引腳，牢記各引腳的功能。 AT89C51與51系列中各種型號(hào)芯片的引腳互相兼容。目前多采用40只引腳雙列直插，如圖2-2所示。

引腳按其功能可分為如下3類：（1）電源及時(shí)鐘引腳—VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。（2）控制引腳—

、ALE/、

/VPP、RST（RESET）（3）I/O口引腳——P0、P1、P2、P3，為4個(gè)8位I/O口1617圖2-2

AT89C51雙列直插封裝方式的引腳182.2.1電源及時(shí)鐘引腳1．電源引腳

提供能量（1）VCC（40腳）：+5V電源。（2）VSS（20腳）：接地。2．時(shí)鐘引腳

脈搏（1）XTAL1（19腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器電路輸入端。用片內(nèi)振蕩器時(shí)，該腳接外部石英晶體和微調(diào)電容。外接時(shí)鐘源時(shí)，該腳接外部時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)。（2）XTAL2（18腳）：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器，該腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容。當(dāng)使用外部時(shí)鐘源時(shí)，本腳懸空。18192.2.2控制引腳（1）RST(RESET，9腳)重啟復(fù)位信號(hào)輸入，在引腳加上持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期的高電平，可使單片機(jī)復(fù)位。正常工作，此腳電平應(yīng)≤0.5V。（2）

/VPP(31腳)

：引腳第一功能：外部程序存儲(chǔ)器訪問允許控制端。20

=1，在PC值不超出0FFFH（片內(nèi)4KBROM）時(shí)，單片機(jī)讀片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中的程序，但PC值超出0FFFH

時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向讀取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存儲(chǔ)器空間中的程序。 =0，只讀取外部的程序存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，讀取的地址范圍為0000H～FFFFH，片內(nèi)的4KB程序存儲(chǔ)器不起作用。VPP：該引腳第二功能，對(duì)片內(nèi)Flash編程，接編程電壓輸入端。5V12V21（3）ALE/（30腳）低8位地址鎖存允許信號(hào) ALE為CPU訪問外部程序存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器提供地址鎖存信號(hào)，將低8位地址鎖存在片外的地址鎖存器中，然后P0口再作為數(shù)據(jù)端口，以實(shí)現(xiàn)P0口的低8位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。

此外，單片機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，ALE端一直有正脈沖信號(hào)輸出，此頻率為時(shí)鐘振蕩器頻率fosc的1/6?？捎米魍獠慷〞r(shí)或觸發(fā)信號(hào)。2122：引腳第二功能，對(duì)片內(nèi)

Flash編程，為編程脈沖輸入腳。2223（4）

（29腳）

片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效。在單片機(jī)讀外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此引腳輸出脈沖的負(fù)跳沿作為讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。此引腳接外部程序存儲(chǔ)器的（輸出允許）端；在訪問外部RAM時(shí)，信號(hào)無(wú)效。242.2.3并行I/O口引腳P0P1P2P3四個(gè)并行I/O均為8位數(shù)據(jù)通信口，用于數(shù)據(jù)交換；均可用作通用的I/O口（1）P0口：功能1：當(dāng)AT89C51擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器及I/O口時(shí)，P0口作為低8位地址總線用，輸出低8位地址。2425（2）P2口：功能1：當(dāng)AT89C51擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器及I/O口時(shí)，P2口作為高8位地址總線用，輸出高8位地址。（3）P3口：功能2：P3口還可提供第二功能。第二功能定義見表2-1，應(yīng)熟記。262627至此，40個(gè)引腳已介紹完，應(yīng)熟記每一引腳功能對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)十分重要。27282.3AT89C51的CPU

2.3.1運(yùn)算器

2.3.2控制器292.3AT89C51的CPU由圖2-1可見，CPU由運(yùn)算器和控制器構(gòu)成。2.3.1運(yùn)算器對(duì)操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯和位操作運(yùn)算。主要包括算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU、累加器A、位處理器、程序狀態(tài)字寄存器PSW等。29301．算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU（運(yùn)算對(duì)象：字節(jié)、位）可對(duì)8位變量邏輯運(yùn)算（與、或、異或、循環(huán)、求補(bǔ)和清零），還可算術(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）ALU還有位操作功能，對(duì)位變量進(jìn)行位處理，如置“1”、清“0”、求補(bǔ)、測(cè)試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”、“或”等。312．累加器A累加器是CPU中使用最頻繁的寄存器，可寫為Acc。作用如下：（1）ALU單元的輸入數(shù)據(jù)源之一，是ALU運(yùn)算結(jié)果存放單元。（2）數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器A，相當(dāng)于數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。31323．程序狀態(tài)字寄存器PSWPSW（ProgramStatusWord）位于片內(nèi)特殊功能寄存器區(qū)，字節(jié)地址為D0H。包含了程序運(yùn)行狀態(tài)的信息，其中4位保存當(dāng)前指令執(zhí)行后的狀態(tài)，供程序查詢和判斷。格式如圖2-3所示。

圖2-3PSW的格式3233PSW中各個(gè)位的功能：（1）Cy（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志位

可寫為C。在算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)，若有進(jìn)位/借位，Cy＝1；否則，Cy＝0。在位處理器中，它是位累加器。Cy是累加器A的進(jìn)位標(biāo)志，它同時(shí)又是位處理機(jī)的位累加器（2）Ac（PSW.6）輔助進(jìn)位標(biāo)志位

在BCD碼運(yùn)算時(shí)，用作十進(jìn)位調(diào)整。即當(dāng)D3位向D4位產(chǎn)生進(jìn)位或借位時(shí)，Ac＝1；否則，Ac＝0。（3）F0（PSW.5）用戶設(shè)定標(biāo)志位

由用戶使用的一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位，可用指令來(lái)使它置1或清0，控制程序的流向。用戶應(yīng)充分利用。3334（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4組工作寄存器區(qū)選擇

選擇片內(nèi)RAM區(qū)中的4組工作寄存器區(qū)中的某一組為當(dāng)前工作寄存區(qū)見表2-2。3435（5）OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位

當(dāng)執(zhí)行算術(shù)指令時(shí)，用來(lái)指示運(yùn)算結(jié)果是否產(chǎn)生溢出。如果結(jié)果產(chǎn)生溢出，OV=1；否則，OV=0。

（6）PSW.1位

保留位

（7）P（PSW.0）奇偶標(biāo)志位

指令執(zhí)行完，累加器A中“1”的個(gè)數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。

P=1，表示A中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。

P=0，表示A中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。

此標(biāo)志位對(duì)串行通信有重要的意義，常用奇偶檢驗(yàn)的方法來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3536舉例：

A=10010110P=?B=01000110P=?1當(dāng)PSW.4=0,PSW.3=1時(shí)，工作寄存器Rn，工作在第（）區(qū)。2當(dāng)(A)=01001100PSW.0=（）3若P標(biāo)志位為1，且A中的低6位均為0，那么A的內(nèi)容為（）H或（）H。37372.3.2控制器控制器主要任務(wù)識(shí)別指令，并根據(jù)指令的性質(zhì)控制單片機(jī)各功能部件，保證單片機(jī)各部分能自動(dòng)協(xié)調(diào)地工作?？刂破靼ǎ撼绦蛴?jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、定時(shí)及控制邏輯電路等。功能是控制指令的讀入、譯碼和執(zhí)行，從而對(duì)各功能部件進(jìn)行定時(shí)和邏輯控制。38

程序計(jì)數(shù)器PC是一個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，存放著下一條要執(zhí)行的指令在程序存儲(chǔ)器中的地址，是唯一一個(gè)用戶并不能直接使用的寄存器，不可訪問。PC工作過程是：CPU讀指令時(shí)，PC的內(nèi)容作為所取指令的地址發(fā)送給程序存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器按此地址輸出指令字節(jié)，同時(shí)PC自動(dòng)加1，指向下一條指令的地址。所以PC被稱為程序計(jì)數(shù)器。39PC中內(nèi)容變化軌跡決定程序流程。PC是不可訪問的。當(dāng)順序執(zhí)行程序時(shí)自動(dòng)加1；執(zhí)行轉(zhuǎn)移程序或子程序、中斷子程序調(diào)用時(shí)，自動(dòng)將其內(nèi)容更改成所要轉(zhuǎn)移的目的地址。PC的計(jì)數(shù)寬度決定了程序存儲(chǔ)器的地址范圍。PC為16位，故可對(duì)64KB（=216B）尋址。復(fù)位時(shí)PC的內(nèi)容為0000H，程序應(yīng)從程序存儲(chǔ)器的0000H單元開始執(zhí)行。3940

2.4AT89C51存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

2.4.1程序存儲(chǔ)器空間

2.4.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間

2.4.3特殊功能寄存器（SFR）

2.4.4位地址空間412.4AT89C51存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之一是將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開（哈佛結(jié)構(gòu)），并有各自的訪問指令。存儲(chǔ)器空間可分為4類。

１.程序存儲(chǔ)器空間

２.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間

３.特殊功能寄存器SFR

４.位地址空間422.4.1程序存儲(chǔ)器空間單片機(jī)能夠按照一定的次序工作，是由于程序存儲(chǔ)器中存放了經(jīng)調(diào)試正確的程序。片內(nèi)4KB

Flash

，編程和擦除完全是電氣實(shí)現(xiàn)，且速度快?？捎猛ㄓ镁幊唐鲗?duì)其編程，也可在線編程。當(dāng)片內(nèi)4KBFlash存儲(chǔ)器不夠用時(shí)，可片外擴(kuò)展，最多可擴(kuò)展至64KB程序存儲(chǔ)器。43程序存儲(chǔ)器是只讀存儲(chǔ)器，用于存放程序和表格之類的固定常數(shù)。片內(nèi)為4KB的

Flash，地址為0000H～0FFFH。16位地址線，可外擴(kuò)的程序存儲(chǔ)器空間最大為64KB，地址為0000H～FFFFH。使用時(shí)應(yīng)注意以下問題：44（1）分為片內(nèi)和片外兩部分，訪問片內(nèi)的還是片外的程序存儲(chǔ)器，由

引腳電平確定。

=1時(shí)，CPU從片內(nèi)0000H開始取指令，當(dāng)PC值沒有超出0FFFH時(shí)，只訪問片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，當(dāng)PC值超出0FFFH自動(dòng)轉(zhuǎn)向讀片外程序存儲(chǔ)器空間1000H～FFFFH內(nèi)的程序。=0時(shí)，只能執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器（0000H～FFFFH）中的程序。不理會(huì)片內(nèi)4KBFlash存儲(chǔ)器。（2）程序存儲(chǔ)器某些固定單元用于各中斷源中斷服務(wù)程序入口。444545程序存儲(chǔ)器空間中有5個(gè)特殊單元分別對(duì)應(yīng)于5個(gè)中斷源的中斷入口地址，見表2-3。89C51復(fù)位后PC內(nèi)容為0000H，程序從程序存儲(chǔ)器中的0000H開始執(zhí)行。一般在該單元存放一條跳轉(zhuǎn)指令，跳向主程序的入口地址。46通常這5個(gè)中斷入口地址處都放一條跳轉(zhuǎn)指令跳向?qū)?yīng)的中斷服務(wù)子程序，而不是直接存放中斷服務(wù)子程序。47通常在這5個(gè)中斷入口地址處都放一條跳轉(zhuǎn)指令跳向終端服務(wù)子程序，而不是存放中斷服務(wù)子程序。由于兩個(gè)中斷入口間隔僅有8個(gè)單元，如果這8個(gè)單元存放中斷服務(wù)子程序，往往是不夠的，要利用跳轉(zhuǎn)指令跳向終端服務(wù)子程序。482.4.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間

片內(nèi)與片外兩部分。

片內(nèi)有128BRAM（52子系列為256B）。

片內(nèi)RAM不夠用時(shí)，在片外可擴(kuò)展至64KBRAM

。１.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）共128個(gè)單元，字節(jié)地址為00H～7FH。圖2-4為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。4849圖2-4AT89C51片內(nèi)RAM結(jié)構(gòu)5000H～1FH

的32個(gè)單元是4組通用工作寄存器區(qū)，每區(qū)包含8B，為R7～R0。可通過指令改變RS1、RS0兩位來(lái)選擇。20H～2FH的16個(gè)單元的128位可位尋址，也可字節(jié)尋址。30H～7FH的單元只能字節(jié)尋址，用作存數(shù)據(jù)以及作為堆棧區(qū)。２.片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器當(dāng)片內(nèi)128B的RAM不夠用時(shí)，需外擴(kuò)，最多可外擴(kuò)64KB的RAM。注意，片內(nèi)RAM與片外RAM兩個(gè)空間是相互獨(dú)立的，片內(nèi)RAM與片外RAM的低128B的地址是相同的，但由于使用的是不同的訪問指令，所以不會(huì)發(fā)生沖突。50512.4.3特殊功能寄存器（SFR）89C51中的CPU對(duì)片內(nèi)的各功能部件的控制

采用特殊功能寄存器集中控制各功能部件。特殊功能寄存器映射在片內(nèi)RAM的

80H～FFH區(qū)域中，共21個(gè)。SFR綜合反映了整個(gè)單片機(jī)基本系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)際的工作狀態(tài)及工作方式。表2-4SFR的名稱及其分布。有些還可位尋址，位地址見表2-4。51525253凡是可位尋址的SFR，字節(jié)地址末位只能是0H或8H。另外，若讀/寫未定義單元，將得到一個(gè)不確定的隨機(jī)數(shù)。541．堆棧指針SP指示堆棧頂部在內(nèi)部RAM塊中的位置。堆棧結(jié)構(gòu)—向上生長(zhǎng)型。單片機(jī)復(fù)位后，SP為07H，使得堆棧實(shí)際上從08H單元開始，由于08H～1FH單元分別是屬于1～3組的工作寄存器區(qū)，最好在復(fù)位后把SP值改置為60H或更大的值，避免堆棧與工作寄存器沖突。54下面介紹某些SFR，余下的SFR將在后面介紹。55

堆棧是為子程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)，主要用來(lái)保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)。（1）保護(hù)斷點(diǎn)。無(wú)論是子程序調(diào)用操作還是中斷服務(wù)子程序調(diào)用，最終都要返回主程序。應(yīng)預(yù)先把主程序的斷點(diǎn)在堆棧中保護(hù)起來(lái)，為程序正確返回做準(zhǔn)備。（2）現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。執(zhí)行子程序或中斷服務(wù)子程序時(shí)，要用到一些寄存器單元，會(huì)破壞原有內(nèi)容。要把有關(guān)寄存器單元的內(nèi)容保存起來(lái)，送入堆棧，這就是所謂的“現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)”。56兩種操作：數(shù)據(jù)壓入（PUSH）堆棧，數(shù)據(jù)彈出（POP）堆棧。數(shù)據(jù)壓入堆棧，SP自動(dòng)加1；數(shù)據(jù)彈出堆棧，SP自動(dòng)減1。2．寄存器B為執(zhí)行乘法和除法而設(shè)。在不執(zhí)行乘、除法操作的情況下，可把它當(dāng)作一個(gè)普通寄存器來(lái)使用。乘法，兩乘數(shù)分別在A、B中，執(zhí)行乘法指令后，乘積在BA中除法，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商存放在A中，余數(shù)存B中。5657573.數(shù)據(jù)指針DPTR

由于DPTR經(jīng)常作為對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址的地址指針，所以常稱DPTR為數(shù)據(jù)指針。DPTR是一個(gè)16位的SFR，其高位字節(jié)寄存器用DPH表示，低位字節(jié)寄存器用DPL表示。DPTR既可以作為一個(gè)16位寄存器DPTR來(lái)用，也可以作為兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器DPH和DPL來(lái)用。582.4.4位地址空間211個(gè)尋址位的位地址，位地址范圍為00H～FFH，其中00H～7FH

這128位處于片內(nèi)RAM字節(jié)地址20H～2FH

單元中，如表2-5所示。其余的83個(gè)可尋址位分布在特殊功能寄存器SFR中，見表2-6?？杀晃粚ぶ返奶厥饧拇嫫饔?1個(gè)，共有位地址88個(gè)，5個(gè)位未用，其余83個(gè)位的位地址離散地分布于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)字節(jié)地址為80H～FFH的范圍內(nèi)，其最低的位地址等于其字節(jié)地址，且其