第2章单片机芯片的硬件结构

第

章

单

片

机

的硬件结构

本章内容SingleChipMicrocomputer2.1AT89C51单片机的逻辑结构及信号引脚2.2

AT89C51的内部存储器2.3实训1：单片机复位、晶振、ALE信号的观测12.1.1AT89C51单片机的逻辑结构时钟电路CPUROMRAMT0T1中断系统串行接口并行接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定时计数器结构框图中央处理器CPU：8位，运算和控制功能内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用存放器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一个全双工串行口。中断控制系统：5个中断源〔外部中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个〕时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ21、AT89C51单片机的根本组成中央处理器CPU：8位，运算和控制功能内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用存放器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一个全双工串行口。中断控制系统：5个中断源〔外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个〕时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ32.89C51芯片逻辑结构图4指令寄存器译码地址译码程序计数器地址寄存器累加器A运算器①②存储器内部数据总线外部地址总线AB数据缓冲器外部数据总线DB寄存器区外部控制总线CB内部控制信号时钟及清零3.单片机的工作过程取指过程例:MOVA,#09H74H

09H;把09H送到累加器A中执行过程PC=0000H0001H0000H0002H0111010000001001(PC)(PC)0001H0002H0000H外部控制总线CB取指过程(PC)执行过程你知道PC的作用吗？52.1.3AT89C51的信号引脚P3口线的第二功能VCCVSSXTAL2

XTAL1RSTP0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.72、振荡电路：XTAL1、XTAL23、复位引脚：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址锁存控制信号1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地)EAPSEN5、EA：访问程序存储控制信号6、PSEN：外部ROM读选通信号RXD/

TXD/

INT0/INT1/

T0/

T1/

WR/

RD/1

2

3

4

5

6

7

8

9

10111213141516171819

2040

39

38

37

36

35

34

33

32

31302928272625242422218031AT89C51875163.控制、选通和复位引脚〔1〕(9脚)：复位信号输入端。当振荡器工作时，RST引脚出现两个周期以上高电平将使单片机复位。〔2〕(30脚)：地址锁存使能端/编程脉冲。当访问外部器件时的负跳变将低8位地址写入地址锁存器；在Flash编程时输入编程脉冲。在非访问外部器件期间，引脚仍以1/6振荡频率的脉冲输出，可用于外部计数或时钟信号。〔3〕(29脚)：访问外部程序存储器读选通信号。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生两次有效信号，即输出两个有效脉冲，有效信号作为外部ROM芯片输出允许OE的选通信号。在读内部ROM或片内外RAM时，信号无效。〔4〕(31脚)：访问内部或外部程序存储器选择信号/编程电源。当端保持高电平(接Vcc)时那么CPU首先从片内0000H单元开始执行内部程序存储器程序，如果外部还有扩展程序存储器，那么CPU在执行完内部程序存储器的程序后自动转向执行外部程序存储器的程序；端保持低电平(接GND端)时，只访问片外ROM，即从0000H~FFFFH单元顺序访问〔MCS-51系列芯片8031无片内ROM，那么直接接低电平〕；如果保密位被编程，那么复位时内部会锁存端的状态。为Flash编程电压。在对片内Flash编程时，此引脚施加12V编程允许电压(如果选用的Flash编程电压是12V允许值的话)。7P3口线的第二功能P3.0(10脚)：(串行接收端口)。P3.1(11脚)：(串行发送端口)。P3.2(12脚)：(外部中断0请求端)。P3.3(13脚)：(外部中断1请求端)。P3.4(14脚)：(定时/计数器0外部计数输入端)。P3.5(15脚)：(定时/计数器1外部计数输入端)。P3.6(16脚)：(外部数据写选通)。P3.7(17脚)：(外部数据读选通)。芯片引脚的第二功能〔1〕80C51的引脚复用P3口的8条口线都定义有第二功能。有的芯片还有与编程相关的第二功能。〔2〕引脚复用不会引起混乱第一功能与第二功能是不同工作方式下的信号，不会发生使用上的矛盾。84、并行输入/输出电路结构P0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.74个8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3；均可作为双向I/O端口使用。(1)特点：P0：访问片外扩展存储器时，

复用为低8位地址线和数据线

P2：高8位地址线。P1：双向I/O端口

P3：第二功能1

2

3

4

5

6

7

8

9

10111213141516171819

2040

39

38

37

36

35

34

33

32

31302928272625242422218031AT89C5187519111111110000000011111111010101011ALEWR

RDP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7指令1：MOVP1,#00H指令2：MOVP1,#0FFH指令3：MOVP1,#0AAH(2)输出举例指令4：CLRP1.0指令5：SETBP1.0+5V下一页101111111111111111(3)输入举例S0+5V4.7kWALEWR

RDP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7读端口：MOVP3,#11111111BMOVA,P389C51××××××××存放器A注：当I/O端口作为输入使用时，需先向端口写入“1〞，使内部的FET截止，再读入引脚的状态。你知道P3.4对应存放器A哪一位吗？P3.4你知道这是为什么吗？1111111101112.1.4〔1〕时钟电路1.振荡电路石英晶体作为感性元件，与电容构成振荡回路，为片内放大器提供正反响和振荡所需的相移条件，从而构成一个稳定的自激振荡器，如以下图。

〔a〕内部时钟方式〔b〕外部时钟方式122.分频电路振荡电路产生的振荡信号并不直接为单片机所用，而要进行分频，以得到单片机各种相关的时钟信号。13定时单位1.拍节与状态即振荡周期，时钟脉冲频率的倒数，定义为拍节〔P〕。时钟信号的周期定义为状态〔S〕。1S=2P2.机器周期规定一个机器周期的宽度为6个状态，S1~S6。3.指令周期执行一条指令所需要的时间，可包含1个、2个或4个机器周期。14单片机复位条件:必须使RST引脚持续10ms以上高电平即2机周(外部时钟12MHz)2.1.4〔2〕复位电路谁知道复位电路怎么起到复位的作用?152.初始化状态

复位后的片内状态为PC 0000HACC 00HB 00HPSW 00HSP 07HDPTR 0000HP0~P3 0FFHIP xxx00000B完成复位操作需24个状态周期IE 0x000000BTMOD 00HTCON 00HTH0,TL0,TH1,TL1 00HSCON 00HSBUF 不定PCON 0xxxxxxxB161

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1428

27

26

25

24

23

22

2120

19

18

17

16

15EPROM27641

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1428

27

26

25

24

23

22

2120

19

18

17

16

15EPROM27641

2

3

4

5

6

7

8

9

10111213141516171819

2040

39

38

37

36

35

34

33

32

31302928272625242422211

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1428

27

26

25

24

23

22

2120

19

18

17

16

15RAM62641

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1428

27

26

25

24

23

22

2120

19

18

17

16

15RAM6264

2.2

存

储

器80318751AT89C5189C51片内RAM片内ROM256B〔字节〕4K64K64K170000HFFFFH(64K)内部外部2.2.1数据存储器数据存储器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM专用

存放器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0区R0R7R0R7R0R7R0R71区2区3区工作寄存器区可位寻址区20H2FH7F78070030H7FH数据缓冲区/堆栈区内部RAM存储器

11第3区18H~1FH

01第1区08H~0FHRS1RS0寄存器区片内RAM地址

00第0区00H~07H10第2区10H~17H工作存放器区选择位RS0、RS1PSW位地址CYACF0RS1RS0OVF1P18MSB——MostSignificantBit〔最高有效位〕

LSB——LeastSignificantBit〔最低有效位〕单元地址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F776F675F574F473F372F271F170F07

MSB

位地址

LSB7E766E665E564E463E362E261E160E067D756D655D554D453D352D251D150D057C746C645C544C443C342C241C140C047B736B635B534B433B332B231B130B037A726A625A524A423A322A221A120A027971696159514941393129211911090178706860585048403830282018100800RAM位寻址区位地址表19高128个单元☆离散分布有21个特殊功能存放器SFR。☆

11个可以进行位寻址。☆特别提示：对SFR只能使用直接寻址方式，书写时可使用存放器符号，也可用存放器单元地址。202.2.2内部数据存储器高128单元区1.专用存放器简介〔1〕累加器A〔或ACC----ACCumulator〕 累加器是最常用的专用存放器〔2〕B存放器〔Bregister〕 在乘除指令中用到B存放器 乘MULAB；A与B相乘，高字节放在B中，低字节放在A中。 除DIVAB；A除以B，商放在A中，余数放在B中。 其他指令中，B同一般的RAM。

21〔3〕程序状态字〔PSW----ProgramStatusWord〕是8位存放器，它包含了程序状态信息。CY：进位标志。在执行某些算术和逻辑运算时，可被硬件或软件置位或去除。AC：辅助进位标志。当低4位数向高4位数进位或借位时，AC将被硬件置1，否那么就被去除。RS0，RS1：用软件置位或去除来确定工作存放器区。〔0，0〕——区0〔00H~07H〕 〔0，1〕——区1〔08H~0FH〕 〔1，0〕——区2〔10H~17H〕 〔1，1〕——区3〔18H~1FH〕OV：溢出标志。执行算术运算时，由硬件置位或去除。 加减法时OV=C’6异或C’7 乘除也会影响OV，积大于255或除数为0，OV置位否那么清零。P：奇偶标志。每个指令周期都由硬件来置位或清零。A中值为1的位数为奇数，那么P置位，否那么清零。22〔4〕数据指针DPTRDPTR数据指针:是一个16位专用存放器，高8位为DPH，低8位为DPL。可作16位来处理，也可分别作8位来处理。2.专用存放器的单元寻址80C51中有21个专用存放器：A，B，PSW，SP，DPL，DPH，IE，IP，P0，P1，P2，P3，PCON，SCON，SBUF，TCON，TMOD，TL0，TL1，TH0，TH1。3.专用存放器的位寻址这些专用存放器，有11个存放器是可以位寻址的。包括：B，A，PSW，IP，P3，IE，P2，SCON，P1，TCON，P0。4.程序计数器PC〔ProgramCounter〕PC存放器在物理上是独立的，不属于内部数据专用存放器区。232.2.3堆栈操作1.堆栈的功用堆栈主要是为子程序调用和中断操作而设立的，对应有两项功能：保护断点和保护现场。2.堆栈的开辟只能开辟在芯片的内部数据存储中。3.堆栈指针堆栈的两种操作：进栈和出栈。都是对栈顶单元进行的。堆栈指针SP用来指示栈顶。SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。244.堆栈类型两种不同类型的堆栈结构

两种类型：向上生长型和向下生长型。80c51使用向上生长型堆栈，操作规那么如下：进栈操作：先SP加1，后写入数据。出栈操作：先读出数据v，后SP减1。255.堆栈使用方式两种：自动方式和指令方式。自动方式：在调用子程序或中断时，返回地址自动进栈。程序返回时，断点再自动弹回PC。指令方式：使用专用的堆栈操作指令，进行进出栈操作。进栈指令为PUSH，出栈指令为POP。262.2.4程序存储器程序存储器内部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序执行的起始单元,

在这三个单元存放一条

无条件转移指令中断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．．．0FFFH0FFEHEA=1EA=0程序存储器资源分布中断入口地址272.3实训1：单片机复位、晶振、ALE信号的观测

实训目的：1.熟悉单片机应用研发工具和教学实验装置的使用方法，熟悉AT89C51的引脚分布；2.掌握AT89C51的最小系统电路结构和调试方法；3.掌握AT89C51的最小系统相关信号的测试方法。实训设备：1.单片机应用研发工具和教学实验装置及导线假设干；2.40MHz双踪示波器。28图2-9单片机复位、晶振与ALE信号观测电路原理图29用示波器观测单片机复位状态电信号要实现单片机复位操作，必须使单片机RST〔9脚〕引脚上保持至少两个机器周期的电平。一般可用上电复位和按键复位方法。(1)将示波器(最好为数字存储示波器)接在单片机RST引脚上(即9脚)，上电时观察并记录上电复位电信号波形。观察并说明复位高电平持续时间与什么有关。(2)将示波器(最好为数字存储示波器)接在单片机RST引脚上(即9脚)，上电后观察用按键复位的电波形并记录。观察并说明复位高电平持续时间与什么有关。301、CPU主要的组成部局部为()。B．加法器，存放器C．运算器,存放器D．运算器，指令译码器A．运算器，控制器

课堂练习312、8031有四个工作存放器区，由PSW状态字中的RS1、RS0两位的状态来决定，单片机复位后，假设执行SETBRS1指令，此时只能使用〔〕区的工作存放器。A．0区B．1区C．2区D．3区课堂练习323.09H位所在的单元地址是〔〕A．02HC．08HB．21HD．20H课堂练习334.单片机在进行取指令操作时，指令的地址是由〔〕的内容决定。A．SPC．DPTRD．PSEN和ALE

B．PC课堂练习345.P0,P1口作输入用途之前必须()。A．外接高电平

B．外接上拉电阻C．相应端口先置0

D．相应端口先置1

课堂练习356.程序计数器PC用来()。A．存放指令

B．存放上一条的指令地址D．存放正在执行的指令地址

C．存放下一条的指令地址

课堂练习361.数123可能是()。A.二进制数B.八进制数C.十六进制数D．四进制数E.十进制数2.8031单片机内部RAM包括()。A.程序存储区B．堆栈区C．工作存放器及特殊功能区D．位寻址区E.中断入口地址区3.AT89C51单片机CPU的主要功能有()。A.产生控制信号B．存储数据C.算术、逻辑运算及位操作D．I/O端口数据传送E.驱动LED思考题37思考题4.单片机能够直接运行的程序是〔〕。A.汇编源程序B.C语言源程序C.高级语言程序D.机器语言源程序5.十进制数126其对应的十六进制可表示为()。A．8FB．8EC．FED.7E6.十进制数89.75其对应的二进制可表示为().A.10001001.01110101B．7.二进制数110010010对应的十六进制数可表示为()A.192HB．C90HC．1A2HD.CA0H8.二进制数110110110对应的十六进制数可表示为()。A．1D3HB，1B6HC．DBOHD.666H9.-3的补码是()。A．10000011B.11111100C．11111110D．1111110138思考题10.CPU主要的组成部局部为()。A．运算器，控制器B．加法器，存放器C.运算器,存放器D.运算器，指令译码器11.INTELAT89C51CPU是()位的单片机。A．16B．4C．8D.准16位12.对于INTEL8031来说，/EA脚总是()A.接地B.接电源C.悬空D.不用13.在单片机中，通常将一些中间计算结果放在(〕中A.累加器B．控制器C.程序存储器D.数据存储器14.程序计数器PC用来()。A．存放指令B．存放正在执行的指令地址C.存放下一条的指令地址D．存放上一条的指令地址39思考题15.指令和程序是以()形式存放在程序存储器中。A.源程序B.汇编程序C.二进制编码D．BCD码16.单片机应用程序一般存放在()中。A.RAMB．ROMC.存放器