AT89C51单片机硬件结构

主要单片机简介 总体结构 存储器配置 并行I O口 时钟电路和复位电路 AT89C51单片机的硬件结构 2 一 MicroChip公司的PIC系列单片机主要产品是PIC12F PIC16F PIC17F等系列8位单片机 CPU采用RISC结构 分别仅有33 35 58条指令 采用Harvard双总线结构 运行速度快 工作电压低 低功耗 有较大的输入 输出直接驱动能力 可靠性高 二 Freescale Motorola公司半导体产品部 系列单片机全系列 8 16 32 DSP 多种系统时钟模块 多种通讯模块接口 具有更多的可选模块 可靠性高 抗干扰性强 低功耗 多种引脚数和封装选择 主要单片机简介 3 三 MCS 51系列单片机 MCS 51是美国Intel公司的8位高档单片机系列 也是我国目前应用最为广泛的一种单片机系列 8051 80C51是整个MCS 51系列单片机的核心 该系列其他型号的单片机都是在这一内核的基础上发展起来的 MCS 51单片机系列分为51和52子系列 并以芯片型号的末位数字加以标识 其中 51子系列是基本型 而52子系列是增强型 单片机型号带有字母 C 的 表示该单片机采用的是CHMOS工艺 具有低功耗的特点 8051的功耗为630mW 而80C51的功耗只有120mW 4 MCS 51系列单片机技术参数表 51子系列 52子系列主要是片内资源上的区别 5 与80C51兼容的51系列单片机或51单片机 6 Atmel公司的AT89系列单片机ATMEL公司将Flash存储器与80C51内核相结合 形成了AT89系列 AT89系列与MCS 51系列单片机在功能 引脚及指令系统方面完全兼容 又增加了一些新的功能 如看门狗定时器WDT ISP InSystemProgramming 及SPI串行接口等 AT89系列单片机不但具有一般MCS 51单片机的所有特性 而且其Flash程序存储器可以用电擦除方式瞬间擦除 改写 写入单片机内的程序还可以进行加密 Atmel公司的89系列单片机主要有AT89S51 AT89S52AT89C51 AT89C2051和AT89C1051等型号 7 ATMEL的51系列单片机 AT89C51单片机的硬件结构 IntelMCS系列单片机简介 总体结构 存储器配置 并行I O口 时钟电路和复位电路 9 Flash 一 AT89C51单片机的基本组成 10 二 AT89C51单片机的引脚功能说明 一 概述 51单片机的封装形式有两种 一种是双列直插式 DIP 封装 另一种是方形封装 AT89C51的40个引脚可分为 1 电源引脚2根2 时钟引脚2根3 控制引脚4根4 I O引脚32根 AT89C51单片机是高性能的单片机 受到引脚数目的限制 采用引脚复用技术 部分引脚具有第二功能 11 二 引脚图及功能 DIP引脚图逻辑符号 12 电源引脚 2根 VCC 40脚 电源端 接 5V电源 VSS 20脚 接地端 时钟引脚 2根 XTAL1 19脚 接外部晶振和微调电容的一端 XTAL2 18脚 接外部晶振和微调电容的另一端 外部时钟 13 控制引脚 4根 RST VPD 9脚 复位信号 备用电源输入引脚 当RST引脚保持两个机器周期的高电平后 就可以使AT89C51完成复位操作 ALE PROG 30脚 地址锁存允许信号输出 编程脉冲输入引脚 当AT89C51上电正常工作后 自动在ALE端输出频率为fosc 6的脉冲序列 fosc代表振荡器的频率 VPP EA 31脚 编程电压输入端 外部程序存储器地址允许输入端 单片使用时EA 接高电平 PSEN 29脚 片外ROM读选通信号端 在读片外ROM时 PSEN 有效 为低电平 以实现对片外ROM的读操作 14 I O引脚 4 8 32根 P0 0 P0 7 39 32脚 P0口的8位准双向I O口线 漏极开路 P1 0 P1 7 1 8脚 P1口的8位准双向I O口线 P1口作为通用的I O口使用 P2 0 P2 7 21 28脚 P2口的8位准双向I O口线 P3 0 P3 7 10 17脚 P3口的8位准双向I O口线 P3口除了作为通用的I O口使用之外 每个引脚还具有第二功能 15 P3口第二功能 IntelMCS系列单片机简介 总体结构 存储器配置 并行I O口 时钟电路和复位电路 AT89C51单片机的硬件结构 17 一 AT89C51的存储器结构 1 特点 AT89C51的存储器结构与常见的微型计算机的配置方式不同 它把程序存储器和数据存储器分开 有各自的寻址系统 控制信号和功能 2 配置 AT89C51的存储器在结构上分为片内数据存储器 片内程序存储器 片外数据存储器和片外程序存储器4个存储空间 但从用户使用的角度看 89C51的存储器分为3个逻辑空间 18 最大允许存储空间分布图 三个逻辑空间 片内外统一寻址的64KB程序存储器空间 地址范围为0000H FFFFH 64KB的片外数据存储器空间 地址范围也为0000H FFFFH 256B的片内数据存储器空间 地址范围为00H FFH 19 二 AT89C51片内存储器配置 单片应用 数据存储器 程序存储器 20 一 程序存储器 ROM 程序存储器ROM用来存放程序 常数或表格等 在AT89C51片内有4KB的FLASH存储单元 地址为0000H 0FFFH 当单片使用时EA 引脚接高电平 21 在程序存储器中 以下6个地址空间有专门的用途 0000H 单片机复位后的程序入口地址 0003H 外部中断0的中断服务程序入口地址 000BH 定时器0的中断服务程序入口地址 0013H 外部中断1的中断服务程序入口地址 001BH 定时器1的中断服务程序入口地址 0023H 串行口的中断服务程序入口地址 22 因此 在编程时通常采用以下结构 ORG0000H 程序从0000H单元开始LJMPMAIN 跳转到主程序ORG0003H 中断服务程序 根据需要 LJMPS INT0 ORG0030HMAIN S INT0 END 23 程序计数器PC 1 PC是一个16位的地址寄存器 用于存放下一条将要执行的指令在程序存储器中的地址 2 PC不属于特殊功能寄存器 不可访问 在物理结构上是独立的 3 PC的基本工作方式有 自动加1 CPU从程序存储器中每读一个字节 自动执行PC 1 PC 执行转移指令时 PC会根据该指令要求修改下一次读程序存储器新的地址 执行调用子程序或发生中断时 CPU会自动将当前PC值压入堆栈 将子程序入口地址或中断入口地址装入PC 子程序返回或中断返回时 恢复原有被压入堆栈的PC值 继续执行原顺序程序指令 24 二 数据存储器 RAM 数据存储器RAM主要用来存放运算的中间结果和数据 RAM共256B 地址00H 7FH 低128B 地址00H 7FH 片内RAM 工作寄存器区位寻址区数据缓冲与堆栈区 高128B 地址80H FFH 特殊功能寄存器 SFR 区 25 1 内部 片内 RAM 工作寄存器区共有32个单元 地址00H 1FH 分为4组 每组有8个工作寄存器 R0 R7 单元地址 位地址 二进制位的地址 数据缓冲与堆栈区 注意 上述存储区的划分不是绝对的 26 工作寄存器区 RS1 RS0为寄存器组选择位 可位寻址 例 SETBRS1 RS1 1CLRRS0 RS0 0 选择第2组默认使用第0组 27 位寻址区 注意区分单元地址与位地址 位地址可用多种方法表示 例 表示单元20H的第0位可用 00H 直接位地址 20H 0 点操作符 ALARMBIT20H 0 用户定义的符号名 28 3 堆栈是RAM中一个专用的连续存储区 是一种单端读写操作的存储结构 51单片机的堆栈在片内RAM开辟 进出 1 2 29 堆栈指针 SP 8位寄存器 用来存放堆栈的栈顶地址 单片机复位后 SP 07H 堆栈的操作压入堆栈 SP自动加1 数据进栈 弹出堆栈 数据出栈 SP自动减1 例 假设SP 70H 将数据12H 34H依次压入堆栈的过程如下 30 SP自动加1 SP 71H 将数据12H压入SP所指的堆栈单元 71H SP自动加1 SP 72H 将数据34H压入SP所指的堆栈单元 72H 如图所示 初始状态 31 反之 现在要将堆栈单元的内容弹出的话 过程如下 将SP所指堆栈单元 72H 的内容34H弹出 SP自动减1 SP 71H 将SP所指堆栈单元 71H 的内容12H弹出 SP自动减1 SP 70H 初始状态 32 堆栈操作的原则 先进后出 后进先出 堆栈的作用 用来保护断点地址和保护现场 堆栈操作指令压入堆栈PUSHdirect SP先自动加1 然后将direct单元内容压入SP所指的堆栈单元弹出堆栈POPdirect 先将SP所指堆栈单元的内容弹给direct 然后SP自动减1 33 2 特殊功能寄存器SFR SpecialFunctionRegister AT89C51将操作管理寄存器统一成特殊功能寄存器 以区别于通用寄存器 通过SFR可实现AT89C51系列单片机内部资源的运行操作 AT89C51中共有21个特殊功能寄存器 分布在片内RAM80H FFH区间 34 SFR的名称及其分布 35 SFR中的位地址分布 36 常用的特殊功能寄存器 1 累加器ACC 简称为A 8位寄存器 用来存放参与运算的一个数及运算结果 2 寄存器B 8位寄存器 在乘 除法运算中用来暂存数据或作为普通存储单元使用 3 数据指针寄存器DPTR 16位寄存器 主要作为片外数据存储器的地址指针 也可拆成高字节DPH和低字节DPL两个独立的8位寄存器 4 端口P0 P3 80C51把I O当作一般的专用寄存器来使用 不专设口操作指令 37 5 程序状态字寄存器PSW 8位寄存器 用作程序运行状态的标志 RS1 RS0 工作寄存器组选择位 用于选择当前工作寄存器组 38 CY 进位标志 在进行加法 或减法 运算时 若运算结果最高位有进位 或借位 时CY 1 否则CY 0 AC 半进位标志 在进行加法 或减法 运算时 若低半字节向高半字节有进位 或借位 时AC 1 否则AC 0 OV 溢出标志 两个带符号数运算 若结果超出 128 127时为溢出 OV 1 否则OV 0 OV CY C6 C6为第6位向第7位的进 借 位 P 奇偶标志 若A中内容 1 的个数为奇数个时P 1 否则P 0 39 例 其中C6为D6向D7的进位标志 分析 1 若将数据当作无符号数进行运算 则CY 1表示结果大于255 2 若将数据当作带符号数进行运算 则OV 1表示溢出 结果出错 OV 0 结果正确 01010100 0110100110111101CY 0AC 0P 0OV CY C6 1 11001011 11111000111000011CY 1AC 1P 0OV CY C6 0 40 不同存储空间的操作 IntelMCS系列单片机简介 总体结构 存储器配置 并行I O口 时钟电路和复位电路 AT89C51单片机的硬件结构 42 一 并行I O口结构 AT89C51单片机有4个8位并行I O端口 称为P0 P1 P2和P3口 每个端口都各有8条I O口线 每条I O口线都能独立地用作输入或输出 在无片外扩展存储器的系统中 这四个I O口都可以作为通用I O口使用 在有片外扩展存储器的系统中 P2口作为高8位地址线 P0口分时作为低8位地址先和8位数据线 43 并行I O口的内部结构1 P0口 P0口某一位的结构图如下图所示 它由一个输出锁存器 两个三态输入缓冲器 一个转换开关MUX 一个输出驱动电路 T1和T2 和一个与门及一个非门组成 44 C 0 1 P0口用作通用I O口 控制信号C 0 MUX与锁存器的Q端接通 与门输出为0 T1截止 输出驱动级就工作在需外接上拉电阻的漏极开路方式 P0口用作输出口 10 01 45 P0口用作输入口方式1 读引脚 CPU在执行 MOV 类输入指令时 如 MOVA P0 内部产生的操作信号是 读引脚 注意 在读引脚时 必须先向电路中的锁存器写入1 准双向口 使T2截止 P0 X引脚处于悬浮状态 可作为高阻抗输入 方式2 读锁存器 CPU在执行 读 改 写 类输入指令时 如 ANLP0 A 内部产生的操作信号是 读锁存器 锁存器中的数据经过缓冲器1送到内部总线 然后与A的内容进行逻辑 与 结果送回P0的端口锁存器并出现在引脚 除了MOV类指令外 其他的读口操作指令都属于这种情况 46 2 P0口用作地址 数据总线 MUX将地址 数据线与T2接通 同时与门输出有效 若地址 数据线为1 则T1导通 T2截止 P0口输出为1 反之T1截止 T2导通 P0口输出为0 当数据从P0口输入时 读引脚使三态缓冲器2打开 端口上的数据经缓冲器2送到内部总线 C 1 47 3 P0口小结 P0口既可作地址 数据总线使用 也可作通用I O口使用 当P0口作地址 数据总线使用时 就不能再作通用I O口使用了 P0口作I O口使用时 输出级属漏极开路 必须外接上拉电阻 才有高电平输出 P0口作输入口读引脚时 应先向锁存器写1 使T2截止 不影响输入电平 48 2 P1口 P1口是唯一的单功能口 仅能作为通用I O口使用 由于在其输出端接有上拉电阻 故可以直接输出而无需外接上拉电阻 同P0口一样 当作输入口时 必须先向锁存器写 1 使场效应管T截止 49 3 P2口 图中的控制信号C决定转换开关MUX的位置 当C 0时 MUX拨向下方 P2口为通用I O口 当控制信号C 1时 MUX拨向上方 P2口作为地址总线使用 在实际应用中 P2口通常作为高8位地址总线使用 50 4 P3口 P3口用作通用I O口时 第二输出功能信号W 1 P3口的每一位都可定义为输入或输出 其工作原理同P1口类似 在真正的应用电路中 P3口的第二功能显得更为重要 51 P3口第二功能 52 AT89C51单片机I O口使用要点 P0口应外接上拉电阻输出时可以直接输出数据因I O口是准双向口输入时要先向锁存器写 1 53 P1口输出 例1 P1口做输出口 控制八只发光二极管 54 例2 利用P1 0输出控制继电器 以实现对外部装置 55 例3 连接键盘 IntelMCS系列单片机简介 总体结构 存储器配置 并行I O口 时钟电路和复位电路 AT89C51单片机的硬件结构 57 一 时钟电路 1 最小应用系统 单片应用 外加电源 程序下载电路 ISP 不外接存储器 P0 P3主要作为I O口使用 时钟 复位 高电平 58 AT89C51单片机的时钟信号通常由两种方式产生 一是内部振荡方式 二是外部时钟方式 a 内部方式时钟电路 b 外部方式时钟电路 内部振荡方式 内部振荡方式是在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个电容构成稳定的自激振荡电路 电容C1和C2通常取30pF 晶振频率fosc 1 2MHz 12MHz 2 时钟电路 59 机器周期 指令周期与指令时序单片机执行的指