第2章单片机硬件结构

1、 CPUCPU运算部件运算部件控制部件控制部件B BRAMRAMP0P0口口P2P2口口ROMROM(EPROM)(EPROM)串行口串行口 C / TC / T中断中断系统系统SFRSFRP1P1口口8 8P3P3口口8 88 88 8XTALXTAL1 1XTALXTAL2 2PSEN ALEPSEN ALE EA RESET EA RESETVccVccVssVss1.1.微处理器微处理器2.2.数据存储器数据存储器3.3.程序存储器程序存储器4.I/O4.I/O口口5.5.串行口串行口6.6.定时定时/ /计数器计数器7.7.中断系统中断系统8.8.特殊功能特殊功能寄存器寄存器1、中央

2、处理单元、中央处理单元CPU（8位）位）用于数据处理、位操作（位测试、置位、复位）用于数据处理、位操作（位测试、置位、复位）2、存储器、存储器Flash ROM（4KB）用于永久性存储应用程序，如果片内存储器程序存储容量不够，用于永久性存储应用程序，如果片内存储器程序存储容量不够，片外最多可外扩程序存储器至片外最多可外扩程序存储器至64KB3、随机存取存取器、随机存取存取器RAM片内片内128B，片外最多可以扩展，片外最多可以扩展64KB用于程序运行中存储工作变用于程序运行中存储工作变量和数据。片内量和数据。片内RAM以高速以高速RAM形式集成在单片机内形式集成在单片机内用作系统总线、扩展外存

3、、用作系统总线、扩展外存、I / O接口芯片接口芯片4、并行输入并行输入/输出口输出口I/O（32线）线）7、串行口、串行口串行通信、扩展串行通信、扩展I / O接口芯片接口芯片6、定时、定时/计数器计数器T/C它与它与CPU之间各自独立工作，当它计数满时向之间各自独立工作，当它计数满时向CPU中断中断8、特殊功能寄存器、特殊功能寄存器SFR共有共有21个特殊功能寄存器，用于片内各功能部件进行管理、控制个特殊功能寄存器，用于片内各功能部件进行管理、控制和监视。实际上是片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器和监视。实际上是片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器五源中断、两级优先，可编程进行控制。

4、五源中断、两级优先，可编程进行控制。5、中断系统、中断系统X1 X2 EA PSEN ALE RST VCC GND 8051 P0 P1 P2 P3 P00P07 P10P17 P20P27 P30P37 控控制制引引脚脚并行并行I/O口引脚口引脚电源及时钟引脚电源及时钟引脚电源管脚电源管脚 Vcc：电源端，为：电源端，为5V，允许电源有偏差；，允许电源有偏差；GND(VSS):地。地。 注注：为了防止电源脉冲对单片机的影响，一般在：为了防止电源脉冲对单片机的影响，一般在VCC和和GND之间接上一个之间接上一个1uF的电容。的电容。时钟电路管脚时钟电路管脚 XTAL1：芯片内部反相放大器输入

5、端，使用外部振荡器时需接地。芯片内部反相放大器输入端，使用外部振荡器时需接地。XTAL2: 芯片内部反相放大器输出端，使用外部振荡时接振荡器输芯片内部反相放大器输出端，使用外部振荡时接振荡器输 入的信号。入的信号。 XTAL2XTAL1内部振荡方式内部振荡方式XTAL2XTAL1外部振荡器外部振荡器外部振荡方式外部振荡方式控制管脚控制管脚 RST/VPD RST： 复位信号输入端，高电平有效。保持两个机器周期以上，单片复位信号输入端，高电平有效。保持两个机器周期以上，单片机开始从机开始从0000地址执行，即可完成单片机复位。单片机正常工作时地址执行，即可完成单片机复位。单片机正常工作时该引脚为

6、低于该引脚为低于0.5v的低电平。单片机复位不改变片内的低电平。单片机复位不改变片内RAM的值。的值。VPD: 备用电源。备用电源。+5VRESET10uF控制管脚控制管脚 EA*（低电平）（低电平）/Vpp EA*： 外部程序存储器访问允许控制端。外部程序存储器访问允许控制端。 EA*=1，访问片内程序存储器，当访问片内程序存储器，当PC值超过片内存储值超过片内存储器存储范围，将自动转向访问外部存储器中的程序。器存储范围，将自动转向访问外部存储器中的程序。 EA*=0，单片机则只访问外部程序存储器。单片机则只访问外部程序存储器。Vpp: 对单片机施加编程电压。对单片机施加编程电压。89C51

7、在对片内在对片内Flash固化固化程序时，施加编程电压程序时，施加编程电压+5V或或+12V控制线控制线 ALE/PROG ALE： 低低8位地址锁存允许信号端。当位地址锁存允许信号端。当CPU访问片外扩展存访问片外扩展存储器时，储器时，ALE的负跳变沿将的负跳变沿将P0口发出的低口发出的低8位地址锁存位地址锁存在外接的地址锁存器中，然后在外接的地址锁存器中，然后P0口再作为数据端口，以口再作为数据端口，以实现实现P0口的低口的低8位地址和数据的分时传送。位地址和数据的分时传送。PROG： 对片内对片内FLASH存储器编程时，该管脚提供编程写入存储器编程时，该管脚提供编程写入时的编程脉冲信号输

8、入端。时的编程脉冲信号输入端。 控制管脚控制管脚 PSEN PSEN： 片外程序存储器的读选通信号。单片机读外部程序片外程序存储器的读选通信号。单片机读外部程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳变沿作为读外部程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳变沿作为读外部程序存储器的选通信号。该管脚一般连程序存储器的选通信存储器的选通信号。该管脚一般连程序存储器的选通信号端号端(OE)，在访问外部，在访问外部RAM时，时，PSEN无效。无效。I/O口引脚口引脚 P0口：口：8位，漏极开路的双向位，漏极开路的双向I/O口口 外扩存储器及外扩存储器及I/O接口芯片时接口芯片时： P0口作为地址总线（低口作为地址总线（

9、低8位）及数据总线的分时复用口。位）及数据总线的分时复用口。 普通普通I/O口使用：口使用： 此时为准双向口，需上拉电阻。当作为普通此时为准双向口，需上拉电阻。当作为普通I/O口输入时，应口输入时，应先向端口的输出锁存器写入先向端口的输出锁存器写入1.I/O口引脚口引脚 P1口：口：8位，准双向位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻口，具有内部上拉电阻 为专为用户使用的准双向为专为用户使用的准双向I/O口。当作为普通口。当作为普通I/O口输入时，应口输入时，应先向端口的输出锁存器写入先向端口的输出锁存器写入1.I/O口引脚口引脚 P2口：口：8位，准双向位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻口，具

10、有内部上拉电阻 外扩存储器及外扩存储器及I/O接口芯片时接口芯片时： P2口输出地址总线高口输出地址总线高8位。位。 普通普通I/O口使用：口使用： 当作为普通当作为普通I/O口输入时，应先向端口的输出锁存器写入口输入时，应先向端口的输出锁存器写入1.I/O口引脚口引脚 P3口：口：8位位，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 通用通用I/O口使用：口使用： 当作为普通当作为普通I/O口输入时，应先向端口的输出锁存器写入口输入时，应先向端口的输出锁存器写入1.P3口提供第二功能口提供第二功能： 数据总线缓冲器/锁存器累加器A（8）暂存寄存器TMP（8）标志寄存器F（8）指

11、令寄存器IR（8）指令译码器ID累加锁存器ACT十进制调整多路转换开关通用寄存器组地址缓冲器（16）堆栈指针SP（16）程序计数器PC（16）加1减1器/地址锁存器（16）算术逻辑单元ALU（8）寄存器选择电路定时与控制中断请求写读I/O请求存储器请求等待复位时钟D0D7双向数据总线内部数据总线A0A15地址总线CPU内内部部结结构构框框图图CPU内部结构内部结构中央处理器中央处理器(CPU)-运算器运算器 （2）8位累加器位累加器ACC（A）：）：（3）8位寄存器位寄存器B：（4）8位程序状态寄存器位程序状态寄存器PSW：（5）布尔处理器：）布尔处理器：（6）2个个8位暂存器：位暂存器：运算

12、器 可对可对4位（半字节），位（半字节），8位（单字节）和位（单字节）和16位（双字节）位（双字节）数据进行运算操作。包括逻辑运算操作和基本算术操作等数据进行运算操作。包括逻辑运算操作和基本算术操作等运算操作。同时运算操作。同时89C51的的ALU还具有位操作功能。还具有位操作功能。算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALU 累加器，它是最繁忙的累加器，它是最繁忙的8位特殊功能寄存器，用位特殊功能寄存器，用A表示，表示，也可写成也可写成Acc。1）累加器）累加器A是是ALU单元的输入数据源之一，它又是单元的输入数据源之一，它又是ALU运算结果的存放单元运算结果的存放单元2）CPU中的数据传送大多都

13、是通过累加器中的数据传送大多都是通过累加器A，故累加器，故累加器A有相当于数据的中转站。有相当于数据的中转站。累加器累加器A 寄存器寄存器B 在执行乘法和除法操作中，用在执行乘法和除法操作中，用B寄存器暂存寄存器暂存数据。在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄数据。在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。存器来使用。寄存器寄存器B 8位程序状态字寄存器，用于存放指令执行后的状态信息，位程序状态字寄存器，用于存放指令执行后的状态信息，供程序查询和判别。供程序查询和判别。程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW 程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW（1）RS1、RS0：工作寄存器组选

14、择位，用：工作寄存器组选择位，用于选择当前工作寄存器组于选择当前工作寄存器组（2）CY：进位标志。在进行加法（或减法）运算时，：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）时若运算结果最高位有进位（或借位）时CY=1，否则，否则CY=0。（3）AC：半进位标志。在：半进位标志。在BCD码进行加法（或减法）码进行加法（或减法）运算时用作十位调整。即若低半字节向高半字节有进位运算时用作十位调整。即若低半字节向高半字节有进位（或借位）时（或借位）时AC=1，否则，否则AC=0。（4）OV：溢出标志。两个带符号数运算，若结果超出：溢出标志。两个带符号数运算，若结果超出-128

15、+127时为溢出，时为溢出，OV=1，否则，否则OV=0。OV=CY C6 ；C6为第为第6位向第位向第7位的进（借）位位的进（借）位（5）P：奇偶标志。若：奇偶标志。若A中内容中内容“1”的个数为奇数个时的个数为奇数个时P=1，否则，否则P=0。（6）F0：用户设定标志位：用户设定标志位。分析：分析：1.若将数据当作无符号数进行运算，则若将数据当作无符号数进行运算，则CY=1表示表示结果大于结果大于255。2.若将数据当作带符号数进行运算，则若将数据当作带符号数进行运算，则OV=1表示表示溢出，结果出错；溢出，结果出错；OV=0，结果正确。，结果正确。（2 2）指令寄存器）指令寄存器(IR)

16、(IR)（3 3）指令译码器指令译码器(ID)(ID)（4 4）振荡器及定时与控制电路）振荡器及定时与控制电路控制器中央处理器中央处理器(CPU)控制器控制器 PC是一个是一个16位位的地址寄存器，的地址寄存器，用于存放下一条将用于存放下一条将要执行的指令的地址要执行的指令的地址。 PC不属于特殊功能寄存器，不属于特殊功能寄存器，不可访问不可访问,在物理结构在物理结构上是独立的。上是独立的。16位程序计数器位程序计数器-PC 执行调用子程序或发生中断时，执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当会自动将当前前PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址

17、装入地址装入PC；子程序返回或中断返回时，恢复原；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的有被压入堆栈的PC值，继续执行原顺序程序指令。值，继续执行原顺序程序指令。 PC的基本工作方式有：的基本工作方式有： 自动加自动加1。CPU从从ROM中每读一个字节，自动中每读一个字节，自动执行执行PC+1PC； 执行转移指令时，执行转移指令时，PC会根据该指令要求修改下一会根据该指令要求修改下一次读次读ROM新的地址；新的地址；16位程序计数器位程序计数器-PC 由由PC内容指定的内容指定的ROM地址单元中取出的指地址单元中取出的指令，经指令寄存器（令，经指令寄存器（IR）送至指令译码器（）送至指令

18、译码器（ID）进行译码，进而进行译码，进而CPU产生相应的控制信号，执行产生相应的控制信号，执行指令所规定的操作。指令所规定的操作。指令存储器及指令译码器指令存储器及指令译码器 常用单片机的程序存储器容量：常用单片机的程序存储器容量： 随着单片机制造技术的发展，现在内部随着单片机制造技术的发展，现在内部ROM有有64KB，RAM达达几几KB的都有。在进行单片机应用系统开发时，应注意选择，能不的都有。在进行单片机应用系统开发时，应注意选择，能不扩展的尽量不扩展。扩展的尽量不扩展。（片内（片内128B不包含不包含SFR区）区）存储空间分布图存储空间分布图三个逻辑空间：三个逻辑空间：片内外统一寻址的

19、片内外统一寻址的64KB64KB程序存储器程序存储器空间，地址范围为空间，地址范围为0000H0000HFFFFHFFFFH。 64KB64KB的片外数据存储器的片外数据存储器空间，地址范围也为空间，地址范围也为0000H0000HFFFFHFFFFH。 256B256B的片内数据存储器的片内数据存储器空间，地址范围为空间，地址范围为00H00HFFHFFH。 0000H 7FH 00H 80H FFH 0FFFH 0FFFH 0000H 0000H EA0 FFFFH SFR RAM EA1 ROM 4KB FFFFH 64KB ROM RAM 64KB （I/O） RAM 片内存储器 10

20、00H 片外扩展存储器 程序存储器程序存储器ROM用来存放程序、常数或表格等。用来存放程序、常数或表格等。 89C51存储空间分布如下：存储空间分布如下： 片内有片内有4KB的的ROM存储单元，地址为存储单元，地址为0000H0FFFH。 片外最多可扩至片外最多可扩至64KB的的ROM，地址为，地址为1000HFFFFH。 片内外片内外ROM统一编址。统一编址。 当当EA（-）引脚接）引脚接高电平高电平时，时，CPU将首先访问片内将首先访问片内ROM，当指令地址超过，当指令地址超过0FFFH时，自动转向片外时，自动转向片外ROM取指令。取指令。 当当EA（-）引脚接）引脚接低电平低电平时，时，

21、CPU只访问片外只访问片外ROM。片外片外ROM的地址从的地址从0000H开始编址。开始编址。0FFFH0000H片内片内4K4KROMROM0000HFFFFH片外片外64KROM0FFFHEA=1EA=0单片机的程序存储器的应用：单片机的程序存储器的应用：l上电复位时，上电复位时，PC=0000;PC=0000;l程序存储器有保留单元：程序存储器有保留单元：0000H0001H0002H(PC)中断5中断4中断3中断2中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中断0定时器0中断外部中断1定时器1中断串行口中断8位位0FFFH0FFEH程序程序存储器资源分布存储器

22、资源分布中断入口地址 数据存储器数据存储器RAM主要用来存放运算的主要用来存放运算的中间结果中间结果和和数据数据等。等。 在在8051中，其存储空间分布如下：中，其存储空间分布如下： 片外片外RAM最多可扩展至最多可扩展至64KB存储单元，地址范围为存储单元，地址范围为0000HFFFFH； 片内片内RAM为为256B存储单元，地址范围为存储单元，地址范围为00HFFH； 片内片外数据存储器片内片外数据存储器分别单独编址，地址有重叠，靠指分别单独编址，地址有重叠，靠指令区分。令区分。00H07H08H0FH10H17H18H1FH2FH30H20H7FH用户RAM区位寻址区3组2组1组0组通用

23、工作寄存器通用工作寄存器R0R7低低128B的数据的数据RAM高高128B的特殊寄存器区的特殊寄存器区SFR区区80HFFH一、内部一、内部(片内片内)RAM工作寄存器区共有工作寄存器区共有32个单个单元，地址元，地址00H1FH，分为，分为4组，每组有组，每组有8个工作寄存器个工作寄存器（R0R7）。）。单元地址单元地址位地址（位地址（二进制二进制位的地址）位的地址）数据缓冲数据缓冲与堆栈区与堆栈区注意：上述存储区的划分不是绝对的。注意：上述存储区的划分不是绝对的。1.片内数据存储器片内数据存储器工作寄存器区工作寄存器区2.片内数据存储器片内数据存储器位寻址区位寻址区3.片内数据存储器片内数

24、据存储器通用通用RAM区区00H20H2FH7FH1FH30H80H0FFH特殊功能寄存特殊功能寄存器区器区普通普通RAM区区位寻址区位寻址区 工作寄存器区工作寄存器区初始初始SPSP栈顶栈顶数据出栈数据出栈SP-1指向新的栈指向新的栈顶，即下一个要顶，即下一个要出栈的数据出栈的数据 89C51将操作管理寄存器统一成特殊功能寄存器，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。通过以区别于通用寄存器。通过SFR可实现可实现80C51系列单片系列单片机内部资源的运行操作。机内部资源的运行操作。 89C51中共有中共有21个特殊功能寄存器，个特殊功能寄存器，分布在片内分布在片内RAM

25、80HFFH区间。区间。 特殊功能寄存器特殊功能寄存器(SFR)的初始值除的初始值除P0,P1,P2,P3为为FFH，SP为为07外，其余均为外，其余均为00H。二、特殊功能寄存器二、特殊功能寄存器SFR 二、片外存储器二、片外存储器DBCBAB外部外部设备设备外部外部设备设备PCORG 0000HCONT: MOV R1,#80H;79H 80HMOV R0,#02H;78H 02HMOV A,R0;E8HCPL A;F4HADD A,#1;24H 01HMOV R2,A;FAHMOV A,R1;E9HCPL A;F4HADDC A,#80H;34H 80HMOV R3,A;FEH79H80H78H02HE8HF4H24H01H00000001000200030004000500060007.0FFF0000H00H00H00H.00H000102.7F复位复位取指取指译码译码取操作数取操作数执行执行0000H79H0001H0001H80H00H80H00H.00H0002H0002H78H0003H0003H02H02H80H00H.00H0004H0004HE8H00H00H01H02H0005H西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社西安