ATS单片机的片内硬件结构学习教案

1、会计学1ATS单片机的片内硬件单片机的片内硬件(yn jin)结构结构第一页，共116页。2片内外片内外(niwi)设资源的基本功能及工设资源的基本功能及工作原理作原理片内存储器片内存储器(ni cn ch q)结构结构常见的常见的特殊功能寄存器特殊功能寄存器的基本功能的基本功能复位电路复位电路与与时钟电路时钟电路的设计的设计单片机最小系统单片机最小系统掌掌握握第1页/共116页第二页，共116页。3指令(zhlng)(程序)硬件(yn jin)控制(kngzh)第2页/共116页第三页，共116页。图图2-1 AT89S51单片机片内结构单片机片内结构(jigu)2.1 AT89S51单片机

2、的硬件单片机的硬件(yn jin)组成组成第3页/共116页第四页，共116页。 AT89S51单片机具有如下外围部件及特性：单片机具有如下外围部件及特性：（1）8位位CPU；（2）数据）数据(shj)存储器（存储器（128B RAM）；）；（3）程序存储器（）程序存储器（4KB Flash ROM）；）；（4）4个个8位可编程并行位可编程并行I/O口（口（P0口、口、P1口、口、P2口和口和P3口）；口）；（5）2个可编程个可编程16位定时器位定时器/计数器；计数器；第4页/共116页第五页，共116页。6（6）1个通用的全双工的异步收发串行口（个通用的全双工的异步收发串行口（UART）；）

3、；（7）中断系统具有）中断系统具有5个中断源、个中断源、5个中断向量；个中断向量；（8）特殊）特殊(tsh)功能寄存器（功能寄存器（SFR）26个；个；（9）1个看门狗定时器（个看门狗定时器（WDT）；）；第5页/共116页第六页，共116页。7第6页/共116页第七页，共116页。8第7页/共116页第八页，共116页。9（7）4个个8位的并行口：位的并行口：P0口、口、P1口、口、P2口和口和P3口。口。（8）特殊功能寄存器（）特殊功能寄存器（SFR）：共有）：共有26个特殊功能寄存个特殊功能寄存器，用于器，用于CPU对片内各外围部件进行管理、控制和监视对片内各外围部件进行管理、控制和监视

4、。特殊功能寄存器实际上是片内各外围部件的控制寄存器。特殊功能寄存器实际上是片内各外围部件的控制寄存器和状态寄存器，这些特殊功能寄存器映射在片内和状态寄存器，这些特殊功能寄存器映射在片内RAM区区的的80HFFH的地址区间内。的地址区间内。（9）1个看门狗定时器个看门狗定时器WDT，当单片机由于，当单片机由于(yuy)干扰干扰而使程序陷入死循环或跑飞状态时，可引起单片机复位，而使程序陷入死循环或跑飞状态时，可引起单片机复位，使程序恢复正常运行。使程序恢复正常运行。第8页/共116页第九页，共116页。塑料双列直插封装（塑料双列直插封装（DIP）方式，）方式，如图如图2-2所示。所示。10第9页/

5、共116页第十页，共116页。图图2-2 AT89S51双列直插封装方式双列直插封装方式(fngsh)的引脚的引脚 第10页/共116页第十一页，共116页。12第11页/共116页第十二页，共116页。13第12页/共116页第十三页，共116页。142.2.2 控制引脚控制引脚控制引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。控制引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。（1）RST（RESET，9脚）脚） 复位信号输入端，高电平有效。在此引脚加上持复位信号输入端，高电平有效。在此引脚加上持续时间大于续时间大于2个机器周期的高电平，就可使单片机复位个机器周期的高电平，就可使单片机复位。在单片机

6、正常工作时，此引脚应为。在单片机正常工作时，此引脚应为0.5V的低电平。的低电平。 当看门狗定时器溢出输出当看门狗定时器溢出输出(shch)时，该引脚将时，该引脚将输出输出(shch)长达长达96个时钟振荡周期的高电平。个时钟振荡周期的高电平。第13页/共116页第十四页，共116页。15第14页/共116页第十五页，共116页。16当当EA =0时，只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地时，只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为址范围为0000HFFFFH，片内的，片内的4KB Flash 程序存储器不程序存储器不起作用。起作用。 VPP为该引脚的第二为该引脚的第二(d r)功能

7、，在对片内功能，在对片内Flash进行编进行编程时，程时，VPP引脚接入编程电压。引脚接入编程电压。第15页/共116页第十六页，共116页。17（4）PSEN（Program Strobe ENable，29脚）脚） 片内或片外程序存储器的读选通信片内或片外程序存储器的读选通信(tng xn)号，低号，低电平有效。电平有效。第16页/共116页第十七页，共116页。第17页/共116页第十八页，共116页。19（2）P1口：口：P1.7 P1.0引脚引脚 准双向准双向I/O口，具有内部上拉电阻，可驱动口，具有内部上拉电阻，可驱动4个个LS型型TTL负载。负载。 P1口是完全可提供给用户使用的

8、准双向口是完全可提供给用户使用的准双向I/O口。口。 P1.5/MOSI、P1.6/MISO和和P1.7/SCK也可用于对片内也可用于对片内Flash存储器的串行编程和校验，它们存储器的串行编程和校验，它们(t men)分别是串行分别是串行数据输入、串行数据输出和移位脉冲引脚。数据输入、串行数据输出和移位脉冲引脚。第18页/共116页第十九页，共116页。20第19页/共116页第二十页，共116页。21（4）P3口：口：P3.7 P3.0 准双向准双向I/O口，具有内部上拉电阻。口，具有内部上拉电阻。 P3口可作为通用的口可作为通用的I/O口使用，可驱动口使用，可驱动(q dn)4个个LS型

9、型TTL负载。负载。 P3口还可提供第二功能，其第二功能定义如表口还可提供第二功能，其第二功能定义如表2-1所所示，读者应熟记。示，读者应熟记。第20页/共116页第二十一页，共116页。22第21页/共116页第二十二页，共116页。23第22页/共116页第二十三页，共116页。算术算术(sunsh)逻辑运算单元逻辑运算单元ALU累加器累加器A 位处理器位处理器程序程序(chngx)状态字寄存器状态字寄存器PSW两个暂存器两个暂存器第23页/共116页第二十四页，共116页。251算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALU ALU的功能强，不仅可对的功能强，不仅可对8位变量进行逻辑与、或、异或

10、以位变量进行逻辑与、或、异或以及循环、求补和清及循环、求补和清0等操作，还可以进行加、减、乘、除等基本等操作，还可以进行加、减、乘、除等基本(jbn)算术运算。算术运算。ALU还具有位操作功能，可对位（还具有位操作功能，可对位（bit）变量）变量进行位处理，如置进行位处理，如置“1”、清、清“0”、求补、测试转移及逻辑、求补、测试转移及逻辑“与与”、“或或”等操作。等操作。第24页/共116页第二十五页，共116页。26第25页/共116页第二十六页，共116页。273程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW AT89S51单片机的程序状态字寄存器（单片机的程序状态字寄存器（Program St

11、atus Word，PSW）位于单片机片内的特殊功能）位于单片机片内的特殊功能(gngnng)寄存器区，字节地址为寄存器区，字节地址为D0H。PSW的不同的不同位包含了程序运行状态的不同信息，其中位包含了程序运行状态的不同信息，其中4位保存当前位保存当前指令执行后的状态，以供程序查询和判断。指令执行后的状态，以供程序查询和判断。PSW格式格式见图见图2-3。第26页/共116页第二十七页，共116页。28INT0INT1WRRD第27页/共116页第二十八页，共116页。29第28页/共116页第二十九页，共116页。30（3）F0（PSW.5）用户使用的标志位：可用指令来使它）用户使用的标志

12、位：可用指令来使它置置“1”或清或清“0”，也可用指令来测试该标志位，根据测，也可用指令来测试该标志位，根据测试结果控制程序的流向。编程时，用户应当充分利用该标试结果控制程序的流向。编程时，用户应当充分利用该标志位。志位。（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4组工作寄存器区选组工作寄存器区选择控制位择控制位1和位和位0：这两位用来选择片内：这两位用来选择片内RAM区中的区中的4组工组工作寄存器区中的某一组为当前工作寄存区，作寄存器区中的某一组为当前工作寄存区，RS1、RS0与所与所选择的选择的4组工作寄存器区的对应组工作寄存器区的对应(duyng)关系如表关系如表2-2所示所示。第2

13、9页/共116页第三十页，共116页。第30页/共116页第三十一页，共116页。32第31页/共116页第三十二页，共116页。332.3.2 控制器控制器 控制器的主要任务是识别指令，并根据指控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动协调片机各部分能自动协调(xitio)地工作。地工作。 控制器主要包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器控制器主要包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制电路等。其功能是控制指令的读入、译码和执、定时及控制电路等。其功能是控制指令的读入、译码和执行，从而对单片机

14、的各功能部件进行行，从而对单片机的各功能部件进行(jnxng)定时和逻辑控制定时和逻辑控制。 程序计数器程序计数器PC是控制器中最基本的寄存器，它是一个独是控制器中最基本的寄存器，它是一个独立的立的16位计数器，用户不能直接使用指令对位计数器，用户不能直接使用指令对PC进行进行(jnxng)读读写。当单片机复位时，写。当单片机复位时，PC中的内容为中的内容为0000H，即，即CPU从程序从程序存储器存储器0000H单元取指令，开始执行程序。单元取指令，开始执行程序。第32页/共116页第三十三页，共116页。34第33页/共116页第三十四页，共116页。35 程序计数器的计数宽度决定了访问(

15、fngwn)程序存储器的地址范围。AT89S51单片机中的PC位数为16位，故可对64KB（=216B）的程序存储器进行寻址。第34页/共116页第三十五页，共116页。36第35页/共116页第三十六页，共116页。37第36页/共116页第三十七页，共116页。383.特殊功能寄存器特殊功能寄存器 AT89S51单片机片内共有单片机片内共有26个特殊功能寄存器个特殊功能寄存器SFR（Special Function Register）。）。SFR实际上是各外围部件的控制寄存器及状态寄存器，综合反映了整个单片机基本系统内部实际的工作实际上是各外围部件的控制寄存器及状态寄存器，综合反映了整个单

16、片机基本系统内部实际的工作(gngzu)状态及工作状态及工作(gngzu)方式。方式。4.位地址空间位地址空间 AT89S51单片机内共有单片机内共有211个可寻址位，构成了位地址空间。它们位于片个可寻址位，构成了位地址空间。它们位于片RAM区地址区地址20H2FH（共（共128位）和特殊功能寄存器区（片内位）和特殊功能寄存器区（片内RAM区字节地址区字节地址80HFFH，共计，共计83位）。位）。第37页/共116页第三十八页，共116页。39第38页/共116页第三十九页，共116页。第39页/共116页第四十页，共116页。相差多少(dusho)字节第40页/共116页第四十一页，共11

17、6页。42第41页/共116页第四十二页，共116页。43第42页/共116页第四十三页，共116页。44图图2-4 AT89S51片内片内RAM的结构的结构(jigu)第43页/共116页第四十四页，共116页。45第44页/共116页第四十五页，共116页。46第45页/共116页第四十六页，共116页。47第46页/共116页第四十七页，共116页。第47页/共116页第四十八页，共116页。第48页/共116页第四十九页，共116页。501堆栈指针堆栈指针SP 堆栈指针堆栈指针SP的内容指示出堆栈顶部在内部的内容指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置。它可指向内部块中的位置。它可指向内部

18、RAM 00H7FH的任何单元。的任何单元。AT89S51的堆栈结构属于向上生长型的堆栈（即每向堆栈压入的堆栈结构属于向上生长型的堆栈（即每向堆栈压入1字节数据时，字节数据时，SP的内容自动增的内容自动增1）。单片机复位后，）。单片机复位后，SP中的内容为中的内容为07H，使得堆栈实际上从，使得堆栈实际上从08H单元开始，考虑到单元开始，考虑到08H1FH单元分别是属于单元分别是属于13组的工作寄存器区，所以在程序组的工作寄存器区，所以在程序(chngx)设计中要用到这些工作寄存器区最好在复位后且运行程序设计中要用到这些工作寄存器区最好在复位后且运行程序(chngx)前，把前，把SP值改置为值

19、改置为60H或更大的值，以避免堆栈区与工作寄存器区发生冲突。或更大的值，以避免堆栈区与工作寄存器区发生冲突。 堆栈主要是为子程序堆栈主要是为子程序(chngx)调用和中断操作而设立的，具体功能有两个：保护断点和现场保护。调用和中断操作而设立的，具体功能有两个：保护断点和现场保护。第49页/共116页第五十页，共116页。51第50页/共116页第五十一页，共116页。52第51页/共116页第五十二页，共116页。532寄存器寄存器B AT89S51单片机在进行乘法和除法单片机在进行乘法和除法(chf)操作时要使用操作时要使用寄存器寄存器B。在不执行乘、除法。在不执行乘、除法(chf)操作的情

20、况下，可把它操作的情况下，可把它当作一个普通寄存器来使用。当作一个普通寄存器来使用。 乘法运算时，两个乘数分别在乘法运算时，两个乘数分别在A、B中，执行乘法指令后中，执行乘法指令后，乘积存放在，乘积存放在BA寄存器对中。寄存器对中。B中放乘积的高中放乘积的高8位，位，A中放乘中放乘积的低积的低8位。位。 除法除法(chf)运算时，被除数取自运算时，被除数取自A，除数取自，除数取自B，商存，商存放在放在A中，余数存放于中，余数存放于B中。中。第52页/共116页第五十三页，共116页。54图图2-5 AUXR寄存器的格式寄存器的格式(g shi) 第53页/共116页第五十四页，共116页。55

21、第54页/共116页第五十五页，共116页。56 WDIDLE：WDT在空闲模式下的禁止在空闲模式下的禁止/允许允许(ynx)位。位。0：允许：允许(ynx)WDT在空闲模式下计数；在空闲模式下计数；1：禁止：禁止WDT在空闲模式下计数。在空闲模式下计数。第55页/共116页第五十六页，共116页。57第56页/共116页第五十七页，共116页。58 DPTR0（或（或DPTR1）是一个）是一个(y )16位的位的SFR，其高位字节寄存器用其高位字节寄存器用DP0H（或（或DP1H）表示，低位字）表示，低位字节寄存器用节寄存器用DP0L（或（或DP1L）表示。）表示。DPTR0（或（或DPTR

22、1）既可以作为一个）既可以作为一个(y )16位寄存器来用，也位寄存器来用，也可以作为两个独立的可以作为两个独立的8位寄存器位寄存器DP0H（或（或DP1H）和）和DP0L（或（或DP1L）来用。）来用。第57页/共116页第五十八页，共116页。59 其中其中(qzhng)：DPS数据指针寄存器选择位。数据指针寄存器选择位。 0：选择数据指针寄存器：选择数据指针寄存器DPTR0； 1：选择数据指针寄存器：选择数据指针寄存器DPTR1。第58页/共116页第五十九页，共116页。606看门狗定时器看门狗定时器WDT 看门狗定时器看门狗定时器WDT包含包含1个个14位计数器和看门狗复位计数器和看

23、门狗复位寄存器（位寄存器（WDTRST）。当）。当CPU由于由于(yuy)干扰，程干扰，程序陷入死循环或跑飞状态时，看门狗定时器序陷入死循环或跑飞状态时，看门狗定时器WDT提供提供了一种使程序恢复正常运行的有效手段。了一种使程序恢复正常运行的有效手段。第59页/共116页第六十页，共116页。61第60页/共116页第六十一页，共116页。第61页/共116页第六十二页，共116页。63第62页/共116页第六十三页，共116页。第63页/共116页第六十四页，共116页。图图2-7 AT89S51单片机的存储器结构单片机的存储器结构(jigu)第64页/共116页第六十五页，共116页。66

24、第65页/共116页第六十六页，共116页。67第66页/共116页第六十七页，共116页。第67页/共116页第六十八页，共116页。69 当输出的当输出的 “地址地址/数据数据”信息为信息为0时，上方的场效应管截止，下时，上方的场效应管截止，下方的场效应管导通，方的场效应管导通，P0.x引脚输出为引脚输出为0。可见。可见P0.x引脚的输出状态随引脚的输出状态随“地址地址/数据数据”控制信号的状态变化而变化。上方的场效应管起到内控制信号的状态变化而变化。上方的场效应管起到内部上拉电阻的作用。部上拉电阻的作用。 当当P0口作为数据线输入时，仅从外部存储器（或外部口作为数据线输入时，仅从外部存储

25、器（或外部I/O）读入）读入信息，对应的信息，对应的“控制控制”信号为信号为0，MUX接通接通(ji tn)锁存器的端。由锁存器的端。由于于P0口作为地址口作为地址/数据复用方式访问外部存储器时，数据复用方式访问外部存储器时，CPU自动向自动向P0口口写入写入FFH，使下方的场效应管截止，由于控制信号为，使下方的场效应管截止，由于控制信号为0，上方的场效，上方的场效应管也截止，从而保证数据信息的高阻抗输入，从外部存储器或应管也截止，从而保证数据信息的高阻抗输入，从外部存储器或I/O输入的数据信息直接由输入的数据信息直接由P0.x引脚通过输入缓冲器引脚通过输入缓冲器BUF2进入内部总线进入内部总

26、线。第68页/共116页第六十九页，共116页。第69页/共116页第七十页，共116页。第70页/共116页第七十一页，共116页。72 P0口作为通用口作为通用I/O输入口时，有两种读入方式输入口时，有两种读入方式：“读锁存器读锁存器”和和“读引脚读引脚”。当。当CPU发出发出“读读锁存器锁存器”指令时，锁存器的状态由指令时，锁存器的状态由Q端经上方的端经上方的三态缓冲器三态缓冲器BUF1进入内部总线；当进入内部总线；当CPU发出发出“读读引脚引脚”指令时，锁存器的输出状态指令时，锁存器的输出状态=1（即端为（即端为0），从而使下方，从而使下方(xi fn)场效应管截止，引脚的状场效应管截

27、止，引脚的状态经下方态经下方(xi fn)的三态缓冲器的三态缓冲器BUF2进入内部总进入内部总线。线。第71页/共116页第七十二页，共116页。第72页/共116页第七十三页，共116页。图图2-9 P1口某一位的位电路口某一位的位电路(dinl)结构结构第73页/共116页第七十四页，共116页。第74页/共116页第七十五页，共116页。第75页/共116页第七十六页，共116页。图图2-10 P2口某一位的位电路口某一位的位电路(dinl)结构结构第76页/共116页第七十七页，共116页。第77页/共116页第七十八页，共116页。79 （2）P2口用作通用口用作通用I/O口。口。

28、在内部控制信号作用下，在内部控制信号作用下，MUX与锁存器的与锁存器的Q端接通。端接通。 CPU输出输出1时，时，Q=1，场效应管截止，场效应管截止，P2.x引脚输出引脚输出1；CPU输出输出0时时，Q=0，场效应管导通，场效应管导通，P2.x引脚输出引脚输出0。输入时，分为输入时，分为“读锁存器读锁存器”和和“读引脚读引脚”两种方式。两种方式。“读锁存读锁存器器”时，时，Q端信号经输入缓冲器端信号经输入缓冲器BUF1进入内部总线进入内部总线(zn xin)；“读引脚读引脚”时，先向锁存器写时，先向锁存器写1，使场效应管截止，使场效应管截止，P2.x引脚引脚上的电平经输入缓冲器上的电平经输入缓

29、冲器BUF2进入内部总线进入内部总线(zn xin)。 第78页/共116页第七十九页，共116页。第79页/共116页第八十页，共116页。第80页/共116页第八十一页，共116页。图图2-11 P3口某一位的位电路口某一位的位电路(dinl)结构结构 第81页/共116页第八十二页，共116页。第82页/共116页第八十三页，共116页。84（2）P3口用作第一功能口用作第一功能通用通用I/O口。口。 当当P3口用作通用口用作通用I/O的输出的输出(shch)时，时，“第二输第二输出出(shch)功能功能”端应保持高电平，端应保持高电平，“与非门与非门”为开启为开启状态。状态。CPU输出

30、输出(shch)1时，时，Q=1，场效应管截止，场效应管截止，P3.x引脚输出引脚输出(shch)为为1；CPU输出输出(shch)0时，时，Q=0，场效应管导通，场效应管导通，P3.x引脚输出引脚输出(shch)为为0。 第83页/共116页第八十四页，共116页。第84页/共116页第八十五页，共116页。862P3口总结口总结 P3口内部有上拉电阻，不存在高阻抗输入状态，故口内部有上拉电阻，不存在高阻抗输入状态，故为准双向口。为准双向口。 由于由于P3口每一引脚有第一功能与第二功能，究竟是口每一引脚有第一功能与第二功能，究竟是使用哪个功能，完全是使用哪个功能，完全是 由单片机执行的指令控

31、制由单片机执行的指令控制(kngzh)来自动切换的，用户不需要进行任何设置。来自动切换的，用户不需要进行任何设置。 引脚输入部分有两个缓冲器，第二功能的输入信号引脚输入部分有两个缓冲器，第二功能的输入信号取自缓冲器取自缓冲器BUF3的输出端，第一功能的输入信号取自缓的输出端，第一功能的输入信号取自缓冲器冲器BUF2的输出端。的输出端。 第85页/共116页第八十六页，共116页。87第86页/共116页第八十七页，共116页。88第87页/共116页第八十八页，共116页。图图2-12 AT89S51内部时钟方式内部时钟方式(fngsh)的电路的电路 第88页/共116页第八十九页，共116页。90第89页/共116页第九十页，共116页。91图图2-13 外部时钟外部时钟(shzhng)方式电路方式电路第90页/共116页第九十一页，共116页。92第91页/共116页第九十二页，共116页。图图2-14 时钟信号时钟信号(xnho)的两种引出方式的两种引出方式第92页/共116页第九十三页，共116页。94第93页/共116页第九十四页，共116页。95图图2-15 AT89S51的机器的机器(j q)周期周期第94页/共116页第九十五页，共116页。96第95页/共116