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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00H7FH，用
3、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位地址信息到
4、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中的指令，但在程序计
5、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、两个三态输入缓冲器，一个输出驱动电
6、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，使FET2截至；(3)当P0作为地址/
7、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口是一个多功能端口，图2-7是P3口位结构图，与P1
8、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位地址信号锁存到地址锁存器中，P2口的P2.0P2.7送
9、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的片内数据存储器地址空间（00HFFH），其中80HFFH内仅有二
10、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
11、，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 MAIN ORG 0040H MAIN:MOV P1,#00H RET
12、 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1.片内RAM低128字节区域(00H7FH)真正RAM区,(1)工作寄存组区(00H
13、-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
14、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=07
15、H。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,程序计数器PC是一个16位专用计数器，在物理结构上是独立的，不属于特殊功能寄存器SFR。PC用于存放CPU下一条要执行指令的地址，即程序存储器地址。PC本身是没有地址的，是不可以寻址的，因此用户不能对它进行读写操作，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，从而实现程序的
16、转移。PC的寻址范围为64KB。,第三节 单片机的工作方式,一、单片机的时序 工作方式:采用“存储程序”的方式，事先把程序加载到计算机的存储器中，CPU按程序中的指令一条一条地执行。,1.时钟电路,（a）内部时钟电路；（b）外部振荡源,1振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。2时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。3机器周期：完成一个基本操作所需的时间 4指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。,MCS-51单片机各种周期的相互关系,若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期1/12MHz1
17、/12s0.0833s时钟周期1/6s0.167s机器周期1s指令周期14s,（二）MCS-51指令时序 1.单字节单周期指令（如：INC A指令）只需进行一次读指令操作，指令读取后即可执行。当第二次ALE有效时，PC不加1，此次操作无效2.双字节单周期指令（如：ADD A,#data指令）在两次ALE有效时，分别读取两个字节的内容。3.单字节双周期指令（如：INC DPTR指令）两个机器周期的四次ALE有效，只有一次读指令有效，后三次无效。4.双字节双周期指令（如：MOVX类指令）这类指令在第一个机器周期的第一次ALE有效期间读操作码送指令寄存器，第二次ALE有效，PC不加1，而在S5期间送
18、出外部RAM的地址，随后在S6 到下一周期的S3期间送出或读入数据。读写数据期间ALE端不输出有效信号。,典型指令时序图,单片机的工作方式:主要指复位、程序执行、掉电保护、低功耗、EPROM编程和校验六种。（一）单片机的复位方式 1复位状态复位是使CPU和系统中的部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。此外，当程序运行错误或系统处于死锁状态时，复位也是重新启动单片机的方法。,注:高电平的复位信号持续两个机器周期以上的有效时间,（a）上电复位电路（b）按键电平复位电路（c）按键脉冲复位电路,复位电路,(二)掉电保护方式单片机系统在运行中，如发生掉电故障，RAM中的信息就会丢失。因此，单
19、片机设置了掉电保护工作方式：即先把有用的信息转存到内部随机存储器中，再由备用电源VPD维护供电。1信息转存 如果电源发生故障，首先由系统内部的电压检测电路检测到电源电压下降到一定程度后，立即通过或产生外部中断请求。CPU中断响应后，执行中断服务程序，把有用信息送内存保护起来。2接通备用电源 信息转存完成后，要由备用电源来维持内部随机存储器的供电，备用电源与电源的自动切换靠单片机内部的电路来自动完成。在掉电保护方式下，时钟电路和中央处理器都停止工作，只有内部随机存储器和寄存器继续工作，以保存其内容。,（三）CHMOS的低功耗方式 待机方式和掉电方式。这两种工作方式的实现，是靠电源控制寄存器来完成
20、的。1.电源控制寄存器PCON(字节地址为87H),SMOD为串行通信波特率倍增控制位；GF0、GF1为两个通用标志位，由软件置位或复位；PD为掉电方式控制位，PD=1，进入掉电工作方式；IDL为待机方式控制位，IDL=1，进入待机工作方式。,2.待机方式若将PCON的IDL置为“1”，单片机即进入待机工作方式（可使用ORL PCON,#01H来实现）。若要退出待机方式，可采用以下两种方法：（1）中断退出 若要退出待机方式，可引入一个外部中断请求信号，这时，IDL位被硬件清0，执行中断服务程序到RETI指令时，返回一般工作方式。（2）硬件复位退出 在待机方式下，执行一次复位操作，IDL被清0，芯片退出待机方式。,3.掉电方式 若将PCON的PD置为“1”，单片机即进入掉电工作方式（可使用ORL PCON,#02H来实现）。在此工作方式下，芯片一切工作都停止，芯片的振荡器也停止运行，只有内部随机存储器单元和特殊功能寄存器的内容被保存。这时，单片机的功耗已降至最低。退出掉电工作方式，只有靠硬件复位来实现。,
