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第 2 章 AT89C51 单片机结构和原理

第 2 章 AT89C51 单片机结构和原理. 2.1 AT89C51 单片机的结构 2.2 AT89C51 单片机的引脚及其功能 2.3 AT89C51 存储器 2.4 单片 机的工作方式 2.5 A T89C51 时钟电路与时序. 2.1 AT89C51 单片机的结构. 图 2.1 单片机结构框图. 2.1.1 中央处理器 CPU. 算术、逻辑、位运算. 运算器 控制器 寄存器阵列. 分析、控制指令执行. 保存计算的中间、最终结果. 一、运算器. 要点 : 掌握 PSW 各位的含义.

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第 2 章 AT89C51 单片机结构和原理

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  1. 第2章 AT89C51单片机结构和原理 2.1 AT89C51单片机的结构 2.2 AT89C51单片机的引脚及其功能 2.3 AT89C51存储器 2.4 单片机的工作方式 2.5 AT89C51时钟电路与时序

  2. 2.1 AT89C51单片机的结构 图 2.1 单片机结构框图

  3. 2.1.1 中央处理器CPU 算术、逻辑、位运算 • 运算器 • 控制器 • 寄存器阵列 分析、控制指令执行 保存计算的中间、最终结果

  4. 一、运算器 要点:掌握PSW各位的含义 1、算术逻辑单元ALU 2、累加器ACC（Accumulator） 3、暂存寄存器TEMP1，TEMP2 4、程序状态字PSW（Programe State Word）P15 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

  5. 表 2.2 RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系

  6. 二、控制器 控制器由程序计数器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。

  7. （1）程序计数器PC（Program Counter） PC用于存放CPU下一条要执行的指令地址，是一个16位的专用寄存器，可寻址范围是0000H~0FFFFH共64KB。 程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元, 并都有自己的存放地址。CPU要执行哪条指令时，就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。在顺序执行程序中，当PC的内容被送到地址总线后，会自动加 1，即(PC)← (PC)+1，又指向CPU 下一条要执行的指令地址。

  8. （2）指令寄存器和指令译码器 指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时, 由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器, 经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号, 完成指令所指定的操作。

  9. 三、寄存器阵列 通用寄存器组和专用寄存器组。

  10. 2.1.2. 存储器 AT89C51 有128B内部RAM和4KB FLASH ROM。

  11. 2.1.3 I/O端口 1、并行I/O端口 P0~P3 2、串行I/O端口 串行I/O端口 RXD（P3.0）,TXD（P3.1），和串行口控制寄存器SCON，电源和波特率选择寄存器PCON，串行数据缓冲器SBUF配合使用，实现串行通讯。

  12. 2.1.4 定时器和计数器 AT89C51有两个16位可编程定时器/计数器 T0/T1。 T0由TH0，TL0构成，T1由TH1，TL1构成。 T0/T1在定时控制寄存器TCON和方式选择寄存器TMOD控制下，可实现定时或计数。

  13. 2.1.5 中断系统 1、中断的概念 2、AT89C51的中断系统由中断源、中断允许控制器IE，优先级控制器IP，定时器控制器TCON（中断标志寄存器）等构成，共有5个中断源。两个外部中断源INT0，INT1，三个内部中断源：定时器0溢出中断，定时器1溢出中断，串口中断。

  14. 2.1.6 内部总线 AT89C51是单总线结构，地址线和数据线是共用的，采用分时操作和使用，不会冲突。

  15. 2.2 单片机的引脚及其功能 图 2.6 单片机引脚及总线结构

  16. 2.2.1 I/O端口功能 1、P0口 图 2.3 P0 口位结构图

  17. P0口有八条口线P0.0~P0.7，是一个三态双向I/O口。 （1）P0 口可以作为普通的I/O口使用。 由于是开漏极，必须外接上拉电阻。当读外部输入数据时，必须先向P0口写入“1”, 然后再读。 （2）在需要外部扩展存储器时P0口作地址/数据总线使用。

  18. 2、P1、P2和P3口 P1、P2 和P3 口为准双向口, 均可作为基本的I/O口使用。 P1口是用户专用 8 位准双向I/O口, 具有通用输入/输出功能, 每一位都能独立地设定为输入或输出。当有输出方式变为输入方式时, 该位的锁存器必须写入“1”, 然后才能进入输入操作。

  19. P2口是 8 位准双向I/O口。外接I/O设备时, 可作为扩展系统的地址总线, 输出高8位地址, 与P0 口一起组成 16 位地址总线。

  20. 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，同样作输出口时不需要上拉电阻。第二功能是作控制和特殊功能口使用。

  21. 表 2.3 P3口的第二功能

  22. 2.2.2 电源线 VCC：+5V VSS： 地

  23. 2.2.3 外接晶体引脚 XTAL1：片内震荡器反线放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。 XTAL2：片内震荡器反线放大器的输出端。

  24. 具体时钟电路 4~24M 22~30P 内部时钟电路 外部振荡源

  25. 2.2.4 控制线 （1）RST：复位输入端 （2）ALE/PROG 地址锁存允许/编程线。当访问外部存储器时ALE输出一个高电平脉冲，将P0口输出的低8位地址锁存到地址锁存器中。常用的地址锁存器有74LS373，74LS573。 不访问外外部存储器时ALE以1/6晶振频率输出脉冲序列，因而可利用它来给其他电路（例如8155，ADC0809等）提供脉冲，做脉冲源使用。 在对AT89C51内部FLASH ROM编程时，输入编程负脉冲。

  26. （3） PSEN 外部程序存储器的读选通线。 （4） EA/VPP EA=1 时先访问内部程序存储器，=0时访问外部程序存储器。 在对AT89C51内部FLASH存储器编程时，施加编程电压。

  27. 2.3 存储器的结构

  28. 2.3.1 程序存储器 对于AT89C51来说, 程序存储器（ROM）的内部地址为 0000H~0FFFH, 共 4 KB; 最多可外扩 64 KB程序存储器,使用内部还是外部由EA脚控制。 64KB的ROM中， 6 个单元地址具有特殊用途, 是保留给系统使用的。0000H是系统的启动地址, 一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。0003H、000BH、 000BH、001BH和 0023H对应 5 种中断源的中断服务入口地址。

  29. 2.3.2 数据存储器 1、内部RAM 片内RAM为 256 字节，地址范围为00H~FFH，分为两大部分：低 128 字节（00H~7FH）为真正的RAM区；高 128 字节（80H~FFH）为特殊功能寄存器区SFR。 

  30. （1）用户RAM 30H~7FH，80个单元。存放用户数据、开辟堆栈。 （2）工作寄存器 00H~1FH共 32 单元是 4 个通用工作寄存器区。每一个区有 8 个通用寄存器R0~R7。 （3）位寻址RAM

  31. 选用哪一组呢？ 表 2.2 寄存器与RAM 地址对照表

  32. 表 2.4 RAM中的位寻址区地址表

  33. （4）特殊功能寄存器区SFR 片内80H～FFH这一区间，集合了一些特殊用途的寄存器，一般称之为特殊功能寄存器SFR，它们的功能是固定的，用户不得更改。 每个SFR占有一个RAM单元。它们离散地分布在80H～FFH地址范围内。

  34. 位地址接在用户位寻址后编址 表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表 SP DPL DPTR DPH

  35. 表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表

  36. 表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表

  37. 数据指针寄存器DPTR 数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器, 其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器DPTR来处理, 也可作为两个独立的 8 位寄存器DPH和DPL来处理。  DPTR 主要用来存放 16 位地址, 当对 64 KB外部数据存储器空间寻址时, 作为间址寄存器用。在访问程序存储器时, 用作基址寄存器。

  38. 堆栈指针SP（Stack Pointer） 堆栈操作是在内存RAM区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一种工作方式, 主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回, 它在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回, 进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。SP用来指示堆栈所处的位置, 在进行操作之前, 先用指令给SP赋值, 以规定栈区在RAM区的起始地址（栈底层）。当数据推入栈区后, SP的值也自动随之变化。MCS - 51 系统复位后, SP初始化为07H。

  39. 2. 外部RAM 外部数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由用户根据需要而定, 最大可扩展到 64 KB RAM , 地址是 0000H~0FFFFH。 CPU通过MOVX指令访问外部数据存储器, 用间接寻址方式, R0、R1和 DPTR都可作间接寄存器。注意, 外部RAM和扩展的I/O接口是统一编址的, 所有的外扩I/O 口都要占用 64 KB中的地址单元。

  40. 2.4 单片机工作方式 1. 复位方式 2. 程序执行方式 3. 省电方式 4. EPROM编程和校验方式

  41. 表2-7 特殊功能寄存器的复位状态

  42. 2.5 单片机工作的基本时序 1. 机器周期和指令周期 （1） 振荡周期: 也称时钟周期, 是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。  （2） 状态周期: 每个状态周期为时钟周期的2倍, 是振荡周期经二分频后得到的。  （3） 机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期S1~S6, 也就是 12 个时钟周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。  （4） 指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。

  43. 外部时钟 内部振荡器

  44. 状态时钟和机器周期

  45. 2. 指令的取指/执行时序 图： 单片机取指/执行时序

  46. 3. 访问外部ROM和RAM的时序 图 2.8 读外部程序ROM时序

  47. 图 2 - 9 读外部数据RAM时序

  48. 图 2.10 写外部数据RAM的时序

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