C51单片机的结构和原理.ppt

2.1 89C51单片机的结构 2.2 89C51的引脚及其功能 2.3 CPU时序 2.4 复位操作 2.5 89C51单片机的低功耗工作方式,第二章 89C51单片机的结构和原理,2.1 89C51单片机的结构,89C51单片机内部结构示意图如下所示：,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个16位 定时器/计数器,4个可编程I/O,程序存储器 4KB ROM,可编程全双工 串行口,内中断,控制,P0 P1 P2 P3,RxD,外部时钟源,外部事件计数输入,TxD,外中断,中断控制,2.1 89C51单片机的结构,1) 89C51单片机的硬件资源 一个8位的微处理器CPU 片内振荡器和时钟产生电路 片内数据存储器(RAM 128B/256B） 用于存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等 片内程序存储器Flash ROM（4KB） 用于存放程序、一些原始数据和表格。但有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031、8032、80C31等 4个8位并行I/O（输入/输出）接口P0P3 2个定时/计数器 每个定时/计数器都可以设置成计数或定时方式 1个全双工UART的串行I/O口 可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信 5个中断源，2个中断优先级的中断控制系统,MCS-51系列单片机的性能,表中型号带“C”表示所用的是CMOS工艺，具有功耗低的优点。,2) 89C51单片机 内部结构图,P0口驱动器,P2口驱动器,P0口锁存器,P2口锁存器,RAM地址寄存器,128BRAM,4KB Flash ROM,B寄存器,TMP1,TMP2,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口锁存器,P3口驱动器,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 RST,89C51单片机内部结构,（一）、中央处理单元（CPU）的组成：运算器与控制器 1.运算器 一个逻辑算术部件(ALU) 可进行加、减、乘、除四则运算和与、或、非、异或等逻辑运算，还具有数据传送、移位、判断和程序转移等功能 ALU由一个加法器、两个8位暂存器(TMP1和TMP2)和布尔处理器C（专门用于处理位操作）组成 定时控制部件 定时控制部件起着控制器的作用，由定时控制逻辑、指令寄存器和振荡器OSC等电路组成。 只要外接定时反馈电路，振荡器OSC就能自激振荡，为控制器提供时钟脉冲，其周期是89C51工作的基本节拍即时间的最小单位。 8位累加器ACC，寄存器B,程序状态寄存器，布尔处理器C (1) 累加器ACC(E0H)：在指令系统中用A作为累加器ACC的助记符。累加器ACC是89C51最常用、最忙碌的8位特殊功能寄存器，许多指令的操作数取自于ACC，许多运算中间结果也存放于ACC。,专用寄存器组,(2) 寄存器B(F0H)：专门为乘、除运算设置的8位寄存器。乘法指令的两个操作数分别取自寄存器A和B，乘积存于B和A两个8位寄存器中。除法指令中，A中存放被除数，B中放除数，商存放于A，余数存放于B。在其他指令中，B可作为一般通用寄存器或一个RAM单元使用。如： MOV A,#05H MOV B,#0FH MUL AB ;BA=A*B=5*F (3) 程序状态寄存器PSW(D0H): PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各位状态通常是在指令执行过程中自动形成的，可供程序查询或判别之用。,专用寄存器组,PSW各位的定义如下： Cy(PSW.7)： 进位标志位。Cy也是89C51在进行位操作(布尔操作)时的位累加器，在指令中用C代替Cy。在执行加法(或减法)运算指令时，如果运算结果最高位(位7)向前有进位(或借位)，则Cy位由硬件自动置1；如果运算结果最高位无进位(或借位)，则Cy清0。 AC(PSW.6)： 半进位标志位，也称辅助进位标志。当执行加法(或减法)操作时，如果运算结果(和或差)的低半字节(位3)向高半字节有半进位(或借位)，则AC位将被硬件自动置1；否则AC被自动清0。 F0(PSW.5)： 用户标志位。用户可以根据自己的需要对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，可作为软件标志。 RS0和RS1(PSW.3和PSW.4)： 工作寄存器组选择控制位。89C51共有4个工作寄存器组，每一组均用R0R7表示，但其在RAM中的物理地址不同， RS0和RS1值的组合可用于选择R0R7的组别。,89C51复位后，RS1=RS0=0，CPU自动选择第0组为当前工作寄存器组。(默认工作寄存器组) 根据需要，可利用传送指令对PSW整字节操作或用位操作指令改变RS1和RS0的状态，以切换当前工作寄存器组。这样的设置为程序中保护现场提供了方便。如：执行指令 MOV PSW,#08H，切换到第1组工作寄存器。,工作寄存器R0R7所在组别和片内RAM地址与RS1、RS0之间的关系,OV(PSW.2)：溢出标志位。溢出标志位OV=C7 C6（异或），该标志位只有带符号数运算时才有用。当进行8位二进制数的补码运算时，如果运算结果超出128127的范围，则有溢出，OV位由硬件自动置1；否则无溢出，OV=0。 PSW.1：为保留位。89C51未用，89C52为F1用户标志位。 P(PSW.0)：奇偶校验标志位。每条指令执行完后，该位始终跟踪指示累加器A中1的个数。如结果A中有奇数个1，则置P=1；否则P=0。常用于校验串行通信中的数据传送是否出错。 如：执行以下指令后，问PSW中各位的状态是什么？ MOV A, #0FH ADD A, #F8H,2. 控制器 控制器是发布操作命令的“决策机构”，是计算机的指挥中心。主要有指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。 指令部件：是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。通常，指令部件有程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)组成。 程序计数器PC:16位，由2个8位的计数器PCH和PCL组成。是程序的字节地址计数器。PC存放的内容是即将要执行的下一条指令的地址。当机器根据PC中的地址取出要执行指令的一个字节后，PC的内容自动加1，指向指令的下一个字节。 指令寄存器IR：有8位长，用于存放从存储器中取出的当前要执行指令的指令码。 指令译码器ID：对指令操作码进行译码，确定该指令要执行何种操作。,时序部件：由系统时钟和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。 微操作控制部件：可以为指令译码器输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可和外部进来的控制信号组合，共同形成相应的微操作控制序列，以完成规定的操作。,89C51单片机内部结构,（二）存储器结构 MCS-51的存储器可分为片内，片外程序存储器；片内和片外数据存储器。 1. 程序存储器 一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。可寻址空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。,MCS-51单片机按程序存储器可分为内部无ROM型（如8031）和内部有ROM型（如8051）两种，连接时引脚有区别。程序存储器结构如右图所示。,片内容量为4KB，地址范围为0000H0FFFH。 片外最多可扩至64KB ROM/EPROM，地址范围为1000HFFFFH。 片内外统一编址。 ROM的寻址方式： 1）当 EA=“1”时： 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： 片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM/EPROM中取指令，可从 0000H 开始寻址。 3）片内ROM和片外ROM取指的速度相同。,4）程序存储器的保留存储单元，如表2-2所示。 （1）0000H0002H 三个单元： 用作上电复位后引导程序的存放单元。因为复位后PC的内容为0000H，CPU总是从地址0000H开始执行程序。将转移指令存放到这3个单元，程序就被引导到指定的程序存储器空间去执行。（why?） （2）0003H002AH单元： 均分为五段，用作5个中断服务程序的入口。中断矢量地址表如表2-3所示。,表2-3 中断矢量地址表,什么是入口地址？,2 数据存储器 一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。片内、片外独立编址。,片外RAM：用指令MOVX访问。 最大范围：0000HFFFFH，64KB； 片内RAM：用指令MOV访问。 最大范围：00HFFH，256B。又分为两部分：低128B（007FH）为真正的RAM区，高128B（80FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。,1) 低128字节RAM （1）工作寄存器区（00H1FH） 89C51的32个工作寄存器与RAM安排在同一个队列空间里，统一编址并使用同样的寻址方式(直接寻址和间接寻址)。 00H1FH地址安排为4组工作寄存器区，每组有8个工作寄存器(R0R7)，共占32个单元。通过对程序状态字PSW中RS1、RS0的设置，每组寄存器均可选作CPU的当前工作寄存器组。若程序中并不需要4组，那么其余可用作一般RAM单元。CPU复位后，选中第0组寄存器为当前的工作寄存器。 （2）位寻址区（20H2FH） 这16个单元具有双重功能，它们既可以像普通RAM单元一样按字节存取，也可以对每个RAM单元中的任何一位单独存取，即位寻址。 20H2FH用作位寻址时，每位都分配了一个特定地址，即00H7FH，这些地址称为位地址。 怎么区分位地址和字节地址？,位地址的三种表示方法 直接使用位地址，如3DH； 采用第几字节第几位的表示方法，如2FH.7 ； 经伪指令定义过的字符名称。如: A1 BIT 07H ； BIT是位地址赋值伪指令。 （3）通用RAM区（30H7FH） 通用RAM区域共有80个单元，用于存放用户数据或做作堆栈用。MCS-51对这个区域中每个单元按字节存取。 在实际应用中，常需在RAM区设置堆栈，堆栈一般设置在30H7FH的范围内。在系统初始化时使用一条MOV指令就可修改SP的初始值。,低128字节RAM区,89C51片内高128字节RAM中，有21个特殊功能寄存器(SFR)，它们离散地分布在80HFFH的RAM空间中。访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。,2) 高128字节RAM特殊功能寄存器(SFR),堆栈指针SP 堆栈区域是89C51在片内RAM中专门开辟出来一个区域，数据的存取是以“后进先出”的结构方式处理的，好像冲锋枪压入子弹。这种数据结构方式对于处理中断，调用子程序非常方便。 堆栈指针SP为8位特殊功能寄存器，能自动加1或减1，专门用来存放堆栈的栈顶地址。SP的内容可指向89C51片内00H7FH RAM的任何单元。系统复位后，SP初始化为07H，即指向07H的RAM单元。 堆栈的操作有两种： 一种叫数据压入(PUSH)，另一种叫数据弹出(POP)。 89C51的堆栈指针SP是一个双向计数器。数据进栈时，SP内容自动增值，数据出栈时自动减值。,右图中，假若有8个RAM单元，每个单元都在其右面编有地址，栈顶由堆栈指针SP自动管理。每次进行数据压入或弹出操作以后，堆栈指针便自动调整以保持指示堆栈顶部的位置。,数据指针DPTR(83H，82H)： DPTR是一个16位的特殊功能寄存器，其高位字节寄存器用DPH表示(地址83H)，低位字节寄存器用DPL表示(地址82H)。DPTR既可以作为一个16位寄存器来处理，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL使用。 DPTR主要用于存放16位地址，以便对64KB片外RAM作间接寻址。 例如： MOV DPTR, #107FH ;将RAM地址107FH传送到DPTR寄存器 MOVX DPTR, A ;将A的内容传送到DPTR内容指定的外部RAM中 I/O 端口P0P3(80H，90H，A0H，B0H)： P0P3为4个8位特殊功能寄存器，分别是4个并行I/O端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个锁存器还有位地址，每一条I/O线均可独立用作输入或输出。 用作输出时，可以锁存数据；用作输入时，数据可以缓冲。,2.2 89C51的引脚功能,89C51单片机引脚图,2.2 89C51的引脚及其功能,89C51共有40条引脚，共分为电源引脚、时钟电路引脚、控制信号引脚和I/O端口引脚。 1. 电源引脚： Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端，为+5V。 Vss(20脚)：接地端。 2.时钟电路引脚： XTAL1和XTAL2 XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的一端；在89C51 片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚悬空。89C51/8031正常工作时，该引脚应有脉冲信号输出。 XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反向放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。,2.2 89C51的引脚及其功能,3. 控制信号引脚：RST、ALE/PROG、PSEN和EA/Vpp 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。 VPD ：RST引脚的第二功能，备用电源输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将+5V电源自动接入该引脚，为RAM提供备用电源，以保证RAM中的信息不丢失，使得复位后能继续正常运行。,ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许/编程线 ALE：地址锁存允许信号端。正常工作时，该引脚输出频率为fOSC/6的脉冲序列。CPU访问片外存储器时，该引脚输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。它的负载能力为8个LS型TTL负载。 PROG：对片内带有4KB EPROM的8751，在编程期间，用于输入编程脉冲。 PSEN（29脚）：片外ROM选通线 外部程序存储器读允许信号输出端。 在执行访问片外ROM的指令MOVC时，自动在该引脚产生一个负脉冲作为读片外ROM的选通信号，接片外ROM 的OE端。其他情况下，PSEN引脚均为高电平封锁状态。 它的负载能力为8个LS型TTL负载。,EA/Vpp（31脚）：允许访问片外存储器/编程电源引脚 EA： 片外ROM地址允许输入端。 当该引脚接高电平时，CPU访问片内EPROM/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EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的程序。 Vpp：对8751片内EPROM固化编程时，编程电压输入端（12-21V）。,4.端口引脚 89C51有4组I/O端口，分别命名为P0、P1、P2、P3口。每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。 每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。当I/O口作为输入时，应先向此端口锁存器写入全1， 此时该端口引脚浮空，可作高阻抗输入。 每个端口都包括一个锁存器（即特殊功能寄存器P0P3），一个输出驱动器和输入缓冲器，作输出时数据可以锁存，作输入时数据可以缓冲。,P0P3端口功能概述,P0口： 漏极开路的8位准双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL负载。 （其中“L”表示低功耗,“S”表示肖特基技术） P0口可作为一个数据输入/输出口； 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。 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。,P0P3端口功能概述,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。 P3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。,端口的负载能力和接口要求,1、P0口： 当把它用作通用I/O口使用时，用其输出去驱动NMOS输入时需外接上拉电阻。用作输入时，应先向口锁存器（80H）写1。 把它当作地址/数据总线时（8031情况），则无需外接上拉电阻。用作数据输入时，也无需先写“1”。P0口的每一位输出可驱动8个LS型TTL负载。 2、P1-P3口 每一位输出可驱动4个LS型TTL负载。 89C51单片机（HMOS）的P1-P3口无需外接上拉电阻。 80C51单片机（CHMOS），作输出口时应在端口与晶体管基极间串联一个电阻。 P1P3口也都是准双向口。作为输入时，必须先对相应端口锁存器写1。,以P2口为例剖析I/O的内部结构,在输入方面，P2端口和其他端口一样，有读引脚和读锁存器之分（*）。 要正确地从引脚读入外部信息，必须先关闭场效应管，以便由外部输入的信息确定引脚的状态，因此在做引脚读入前，必须先对该端口写入1。 MUX为切换开关，当切换开关向下接通时，从内部总线输出的一位数据经反相器和场效应管反相，输出在端口引脚线上。 当切换开关向上接通时，输出的一位地址信号经反相器和场效应管反相，输出在端口引脚线上。由于P2口输出高8位地址，无须分时复用，因此无须锁存。,2.3 CPU时序,1. 片内时钟信号的产生 89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容器C1和C2通常取30 pF左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉冲频率范围为fOSC=024 MHz。 晶体振荡器的频率为fOSC，振荡信号从XTAL2端输入到片内的时钟发生器上。,89C51的片内振荡器及时钟发生器,1）节拍与状态周期 时钟发生器是一个2分频的触发器电路，它将振荡器的信号频率fOSC除以2，向CPU提供两相时钟信号P1和P2。时钟信号的周期称为机器状态周期S(STATE)，是振荡周期的2倍。 每个时钟周期(以后常称状态S)有两个节拍(相)P1和P2，在每个时钟周期(即机器状态周期S)的前半周期，P1信号有效，在每个时钟周期的后半周期，P2信号有效。 CPU就以两相时钟P1和P2为基本节拍指挥89C51单片机各个部件协调地工作。,2）机器周期和指令周期 （1）机器周期 一个机器周期是指CPU访问存储器一次所需的时间。例如，取指令、读存储器、写存储器。 一个机器周期包括12个振荡周期，分为6个S状态：S1S6。 每个状态又分为两拍，称为P1和P2。 因此，一个机器周期中的12个振荡周期表示为S1P1，S1P2，S2P1，S6P1，S6P2。 若采用6MHz晶体振荡器，则每个机器周期为2s（微秒）。,（2）指令周期 指令周期：执行一条指令所需的时间。 每条指令由一个或若干个字节组成。有单字节指令，双字节指令，多字节指令等。字节数少则占存储器空间少。 每条指令的指令周期都由一个或几个机器周期组成。有单周期指令、双周期指令、和四周期指令。机器周期数少则执行速度快。,3）基本时序定时单位 振荡周期： 晶振的振荡周期，为最小的时序单位。 状态周期： 振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。因此，一个状态周期包含2个振荡周期。 机器周期（MC）： 1个机器周期由6个状态周期即12个振荡周期组成，是计算机执行一种基本操作的时间单位。 指令周期： 执行一条指令所需的时间。一个指令周期由14个机器周期组成，依据指令不同而不同。,2. CPU取指、执行指令周期时序 每条指令的执行都可以包括取指令和执行指令两个阶段。 在取指令阶段，CPU从内部或外部ROM中取出指令操作码及操作数，然后再执行这条指令。 单字节和双字节的指令都可能是单机器周期或双周期，而三字节指令都是双周期的，只有乘、除指令占四周期。因此，执行一条指令的时间（指令周期）分别是2s，4s和8s。,89C51单片机的取指/执行时序图,单周期指令的执行从S1P2开始，在S1P2期间读入操作码并把它锁存到指令寄存器中，而且在S4处仍有一次读操作，但这时读出的字节（下一条指令的操作码）是不予考虑的，而且程序计数器PC也不加1。双字节指令，则在同一机器周期的S4期间读出第2个字节。 对于单周期指令，在上述任何情况下，指令都在S6P2期间完成操作。 单字节双周期指令在两个机器周期内作4次读操作码的操作，但由于是单字节指令，后3次读操作是无效的。,访问外部存储器指令MOVX 执行访问外部存储器指令MOVX时，首先从程序存储器中取出指令，然后从外部数据存储器中取出数据，因此该指令执行时序图与前三类指令不同。由于MOVX是单字节双周期指令，所以在取指令阶段（即第一个机器周期的S1P1到S4P2）是读1丢1，而在执行指令读数据阶段（即第一个机器周期的S5到第二个机器周期的S3）所完成的操作如下： （1）先将外部数据存储单元的地址ADDR由DPTR从P0与P2口输出，即时序图中的S5P1到S6P2阶段。并在S4P2到S5P2阶段，发ALE信号将地址锁存。 （2）在第二个机器周期S1P2到S2P2内取消ALE与程序选通信号PSEN （即取消取指操作），使P0口专门用于传送数据。同时发读信号，通过P0口将外部数据存储单元中的数据传送到累加器A中。即：时序图的S6P2到S4P1阶段。 （3）由于锁存的地址为外部数据存储单元的地址，所以在第二个机器周期S4取消取指令的操作，即：不再发程序选通信号PSEN。 注：由于执行MOVX指令时，在第二个机器周期中要少发一次ALE信号，所以ALE的频率是不稳定的。,2.4 复位操作,单片机开机时都需要复位，以便CPU和其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。89C51的RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，持续时间要有24个振荡周期以上。 单片机复位后，其片内各寄存器状态如下表所列。复位后，片内RAM中的内容不变，包括工作寄存器R0R7。,复位电路,上电复位电路通过外部复位电路的电容充电实现。 按键手动复位电路通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现。,（a）上电复位电路,（b）按键手动复位电路,各特殊功能寄存器的复位值,表中各符号意义如下： A=00H：表明累加器已被清0。 PSW=00H：表明选寄存器0组为工作寄存器组。 SP=07H：表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元