单片机应用技术（第三版）课件 单元2 单片机内部结构与工作原理

单元2单片机内部结构和工作原理

【教学任务】任务2.1单片机的内部结构----信号灯控制器设计任务2.2单片机存储器管理---简易彩灯控制器设计【学习目标】通过任务2.1的完成，掌握AT89S51单片机的内部结构、外部引脚及其功能特点；掌握单片机并行I/O口的功能特点及控制方法。通过任务2.2的完成，掌握单片机的存储器资源及分配情况；掌握部分特殊功能寄存器的功能；了解单片机的时序概念和工作过程。单元2单片机内部结构和工作原理【技能（知识）点】能在单片机的并行口上正确连接发光二极管和独立按键。能灵活运用单片机的存储器和部分特殊功能寄存器。进一步熟悉单片机应用系统分析和软硬件设计的基本方法，建立单片机系统设计的概念。任务2.1单片机的内部结构----信号灯控制器设计【任务描述】

本任务是用单片机设计一个信号灯控制器，要求：单片机接一个发光二极管（LED）L1和一个独立按键S1，发光二极管显示按键的状态。即按下S1时，L1点亮，松开S1时,L1灭。

注意：在此演示任务

按照要求完成信号灯控制器设计任务，需要解决以下几个问题：

1）单片机选型及其最小系统硬件电路的构建；

2）单片机与发光二极管接口电路的构建；

3）单片机与按键的接口电路构建；

4）实现对按键和LED灯的控制。【任务分析】

【相关知识】2.1.1AT89S51单片机的功能特点2.1.2AT89S51单片机内部结构2.1.3AT89S51单片机的引脚概述2.1.4AT89S51单片机的并行I/O口2.1.5发光二极管（LED）的基本知识2.1.6按键的基本知识

2.1.1AT89S51单片机的功能特点AT89S51芯片介绍

AT89S51单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能的CMOS结构的8位单片机，片内带有4K字节的FLASH只读存储器，该FLASH存储器既可以在线编程（ISP），也适于常规编程器编程。与MCS-51指令兼容；4K字节在线可编程(ISP)的FLASH存储器；寿命：1000次写/擦循环；4.0-5.5V的工作电压范围；全静态工作模式:0Hz-33MHz；三级持续加密锁；128字节内部RAM；三级程序存储器锁定；32位可编程并行I/O线；AT89S51主要功能特点：2个16位定时/计数器；5个中断源，两个中断优先级；全双工的异步串行口，即UART；低功耗的闲置和掉电模式；中断可从空闲模式唤醒系统；看门狗(WDT)及双数据指针；片内振荡器和时钟电路；掉电标志和快速编程特性；灵活的ISP在线编程。2.1.2AT89S51单片机内部结构AT89S51单片机组成框图AT89S51主要包含以下功能部件8位CPU；128字节内部数据存储器RAM，21个特殊功能寄存器；4K字节（4096个单元）的在线可编程FLASH片内程序存储器FLASHROM；4个8位并行输入/输出口（即I/O口）P0、P1、P2、P3口；1个可编程全双工的异步串行口；2个16位定时/计数器；5个中断源、2个中断优先级；时钟电路，振荡频率fosc在0～33MHz。2.1.3AT89S51单片机的引脚概述1.封装形式：单片机的封装形式常见的有两种：一种是双列直插式（DIP）封装，另一种是方形封装。

右图是标准的40引脚双列直插式集成电路封装。引脚概述40个引脚：32条I/O引脚：属于P0、P1、P2、P3口2条专用电源线：用于接电源2条外接晶振：用于产生时钟信号4条控制线：

1条复位引脚

1条访问程序存储器引脚

2条用于扩展存储器的控制1.电源引脚：主电源引脚GND（20脚）和VCC（40脚）

GND：接地；

VCC：主电源+5V。2.外接晶振引脚：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚），用于外接晶振。以与单片机内部的放大器一起构成一个振荡电路，用于为单片机工作提供时钟信号。3.复位引脚：RST（9脚)，只要该引脚产生两个机器周期的高电平就可以完成单片机复位。4.I/O引脚：属于4个8位I/O口，共32个引脚P0口：P0.0---P0.7（39脚~32脚）P1口：P1.0---P1.7（1脚~8脚）P2口：P2.0---P2.7（21脚~28脚）P3口：P3.0---P3.7（10脚~17脚）注意：P1.5---P1.7和P3口的8个引脚具有第二功能。P1.5---P1.7的第二功能用于在线编程（ISP），P3口第2功能用于特殊信号输入输出和控制信号，这4个I/O口在功能上各有特点。在单片机不进行并行扩展时，4个I/O口均可作为双向I/O口使用。在单片机有并行扩展任务时，P0口专用于分时传送低8位地址信号和8位数据信号（即AD0-AD7），P2口专用于传送高8位地址信号(即A0-A7)。P3口则可根据需要使用第二功能。该引脚为复用引脚，功能如下：功能：单片机正常工作时，该脚为内外ROM选择端。当该引脚接+5V时，CPU可访问内部ROM；当它接地时，CPU只访问外部ROM。功能：在FLASHROM编程期间，由此接编程电源。5.存储器访问控制引脚：（31脚）6.外部存储器控制信号引脚：（30脚）该引脚也为复用引脚，功能如下：ALE功能：地址锁存功能

在单片机访问片外扩展的存储器时，ALE信号用于区别P0口传送的是地址信号还是数据信号。在不访问片外扩展的存储器，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。第2功能：在FLASHROM编程期间，由此接编程脉冲。7.外ROM的读选通引脚：（29脚）

该引脚为访问外部ROM时的读选通信号。当对外部ROM取指令时，会自动在该脚输出一个负脉冲，其他情况均为高电平。2.1.4AT89S51单片机的并行I/O口AT89S51单片机有4个8位并行双向I/O口，即P0、P1、P2、P3，共32根I/O线，在单片机中，主要承担着和单片机外部设备打交道的任务。此外，P0口和P2口在并行扩展时还作为总线口使用。P3口还有第二功能。口是一个综合概念，是一个集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能为一体的I/O电路。对于口有时也称为端口。AT89S51单片机4个I/O口的结构：单片机的I/O引脚结构众多功能各异的I/O引脚源于它结构的不同单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）

寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。21DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X34VccV1V221DQCK/Q读引脚=1读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X3400100截止截止=0Vcc单片机的引脚（P0口）P0用作通用I/O时，控制=0：（1）此脚作输入口（事先必须对它写“1”）V2V121DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X3400100截止截止=0Vcc单片机的引脚（P0口）P0用作通用I/O时，控制=0：（2）此脚作输出口时，当P0口用作输出口时，因输出级处于开漏状态，必须外接上拉电阻。当“写锁存器”信号加在锁存器的时钟端CLK上，此时D触发器将“内部总线”上的信号反相后输出到Q端，若D端信号为0，Q=1，v2导通，P0．x引脚输出“0”；若D端信号为1，Q=0，v2截止，虽然V1截止，因P0．x引脚已外接上拉电阻，P0．x引脚输出“1”。V2V121DQCK/Q读引脚=0读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制=1引脚P0.X341011=0导通截止=0Vcc单片机的引脚（P0口）P0口用作地址/数据复用口，控制=1（1）作地址/数据输出：输出地址/数据=0时V1V221DQCK/Q读引脚=0读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制=1引脚P0.X341100=1截止导通=1Vcc单片机的引脚（P0口）P0口用作地址/数据复用口，控制=1（2）作地址/数据输出：输出地址/数据=1时V1V221DQCK/Q读引脚=1读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制=0引脚P0.X34Vcc单片机的引脚（P0口）P0口用作地址/数据复用口（3）作/数据输入：与P0用作通用I/O时输入时情况相同，CPU使V1、V2均截止，从引脚上输入的外部数据经缓冲器U2进入内部数据总线。

V1V2P0口：P0口结构：P0口由锁存器、输入缓冲器、切换开关与相应控制电路、输出驱动电路组成，是双向、三态、数据地址分时使用的总线I/O口。P0口工作原理

1）作输出/输入口：作I/O口使用时，多路开关向下，接通（控制符号为0），与它输出低电平场效应管T1截止。输出时，内部总线若为“1”，为“0”，T2栅极为“0”，T2截止，输出端P0.x为“1”，内部总线若为“0”，为“1”，T2栅极为“1”，T2导通，P0.X端为“0”。

作输入时，必须先执行SETBP0.x或MOVP0.x，#0FFH指令将锁存器置1（Q=1，=0），T2截止，否则P0.X引脚就会被嵌位在低电平。输入信号经由引脚P0.x到读引脚三态再到内部总线。P0口工作原理2）外扩存储器时：

在访问外部扩展存储器时，多路开关向上（控制符号为“1”），与门锁定。若作地址/数据总线使用，地址符号为“1”经非门，T2相极为“0”，T2截止，引脚P0.x为“1”；若地址符号为“0”，经非门，T2相极为“1”，T2导通，引脚P0.x为“0”。在访问外部程序存储器时，P0口输出低8位地址后，变为数据总线，读指令码，在此期间，控制符号为“0”，多路开关向下，接到端，CPU自动将FFH写入P0口锁存器，T2截止，读引脚通过三态门将指令码读到内部总线。8位漏极开路型双向三态输入输出端口；作为通用I/O口时，需外接上拉电阻；作为输入口使用时，需要首先将口线置位高电平“1”，才能正确读取该端口所连接的外部数据；P0口可驱动8个LSTTL，其它端口只可以驱动4个LSTTL；在访问外部扩展存储器时，P0口身兼两职，既可作为地址总线低8位（AB0-AB7）使用，也可作为数据总线（DB0-DB7）使用，即它是分时复用的低8位地址总线和数据总线，作为地址/数据总线使用时，不需外接上拉电阻；P0口特点：P1口：结构：P1口没有多路开关，P0口的T2管用内部上拉电阻代替。因此，P1口是I/O口，准双向静态口。只能作I/O口用，且是一个准双向口。内部已有上拉电阻，不是开漏输出口。P1口具有以下特点：P1口为准双向输入输出端口；P1口内部有上拉电阻，所以实现输出功能时，不需要外界上拉电阻；作为输入口使用时，需要首先将口线置位高电平“1”，才能正确读取该端口所连接的外部数据；P1口可驱动4个LSTTL负载；进行在线编程（ISP）时，其中的P1.5当作MOSI用，P1.6当作MISO用，P1.7当作SCK用。P2口：结构：P2口有多路开关，驱动电路有内部上拉电阻，兼有P0和P1的特点，是个动态准双向口。P2口工作原理：1)作I/O口若单片机不扩展外存，或扩展外存，但不超过256字节时，P2口作为I/O口使用，这时多路开关向左。2)作高8位地址若扩展外存超过256字节，则P2口不能作I/O口，只能作执行MOVX指令16位地址的高8位，这时多路开关向右。P2口具有以下特点：准双向输入输出端口;P2口内部有上拉电阻，所以实现输出功能时，不需要外界上拉电阻；作为输入口使用时，需要首先将口线置位高电平“1”，才能正确读取该端口所连接的外部数据；P2口可驱动4个LSTTL；在访问外部扩展存储器时，可作为地址总线高8位（AB8-AB15）使用。P3口：结构：P3口是个双功能静态双向I/O口。作I/O口时和P1口相同，这时第二功能线为“1”，当作第一功能时，第二功能线为“0”。输出时，通过第二功能线输出特定符号，输入时，可以通过缓冲器读入引脚符号。还可以通过替代输入功能读入片内的特定第二功能符号。引脚功能说明P3.0RXD串行接收P3.1TXD串行发送P3.2外部中断口0输入P3.3外部中断口1输入P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6写信号输出P3.7读信号输出P3口引脚第二功能：P3口特点：准双向输入输出端口；作为输入口使用时，需要首先将口线置位高电平“1”才能正确读取该端口所连接的外部数据；P2口内部有上拉电阻，所以实现输出功能时，不需要外界上拉电阻；P3口可驱动4个LSTTL；做第二功能使用。2.1.5发光二极管（LED）的基本知识发光二极管（Light-EmittingDiode）简称为LED，是能直接将电能转变成光能的发光显示器材。体积小，耗电低，常被用作微型计算机与数字电路的输出装置，用以显示信号状态。发光二极管具有单向导电性。发光二极管的符号与实物：

发光二极管与单片机的连接示意图：2.1.6按键的基本知识开关是数字电路中最基本的输入设备，按键开关（Button）是开关的一种，它的特点是具有自动恢复（弹回）功能。当我们按下按键时其中的接点接通（或断开），手松开后接点恢复为断开（或接通）。按键的实物和符号：

（a）实物图（b）符号按键与单片机的连接示意图：(a)(b)

【任务实施】1.方案确定2.硬件设计3.软件设计---程序流程图3.软件设计---源程序

ORG0000HLJMPSTART；程序入口处理

ORG0030HSTART:MOVP3,#0FFH；P3口置为高电平，做输入口准备

MOVA，P3；读取P3口所接按键的状态

MOVP1,A；按键状态送到P1口显示

LJMPSTART；跳回START处，实现循环

END；程序结束4.系统仿真将LED灯接至P2.1，按键S1接至P2.6，依然实现LED灯显示按键的控制要求。5.能力拓展任务2.2单片机存储器管理---简易彩灯控制器设计本任务用单片机设计简易彩灯控制器，要求：单片机外接8个发光二极管L1～L8，这8个发光二极管按照设定的花样变换显示，每个花样运行的时间为1s。设定的花样顺序如图所示。简易彩灯控制器花样图

【任务描述】按照要求完成简易彩灯控制器的设计任务，主要解决几个问题：

1）单片机的选型及最小系统硬件电路的构建；２）单片机与8个LED灯的连接；

3）实现８个灯多个花样循环显示。

【任务分析】2.2.1单片机存储器的组织形式2.2.2程序存储器（ROM）2.2.3片内数据存储器（片内RAM）2.2.4片外数据存储器（片外RAM）2.2.5单片机的工作时序2.2.6单片机AT89S51的省电工作方式2.2.7单片机的工作过程

【相关知识】2.2.1单片机存储器的组织形式AT89S51单片机存储器配置图

片内程序存储器（片内ROM）片外程序存储器（片外ROM）片内数据存储器（片内RAM）片外数据存储器（片外RAM）64KB的程序存储器(ROM),包括片内ROM和片外ROM，二者统一编址；MOVC256B（包括特殊功能寄存器---SFR）的片内数据存储器（片内RAM）;MOV64KB的片外数据存储器（片外RAM）。

MOVX逻辑上分为:

3个空间物理上分为：4个空间2.2.2程序存储器（ROM）程序存储器分为片内ROM和片外ROM两大部分，二者统一编址。1.作用：存放程序及程序运行时所需的常数。2.寻址范围：寻址空间为64KB，寻址范围0000H~FFFFH。

，寻址外部ROM。

当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。3.访问指令：MOVC

，寻址内部ROM；5.具有特殊含义的单元是：

0003H——

外部中断0入口

000BH——T0溢出中断入口

0013H——

外中断1入口

001BH——T1溢出中断入口

0023H——

串口中断入口4.程序计数器PC(ProgramCounter)-地址指针指明即将执行的下一条指令的地址,自动加1.16位，初值＝0000H，所以，CPU执行程序一定从ROM的0000H单元开始取指令。可寻址范围：64KB用户不可访问PC，PC本身的地址不向用户开放。6.程序入口地址的确定：1.用伪指令“ORG程序存放地址”进行确定。2.具体处理方法是在程序入口处编写以下指令：

ORG0000H；复位后，CPU执行的第一条指令的地址

LJMPSTART；无条件跳转指令，跳转至用户程序存放的起始地址

ORG0030H；用户程序存放的起始地址START:……；用户程序

……2.2.3片内数据存储器（片内RAM）作用：数据存储器用来存放运算的中间结果、标志位以及数据的暂存和缓冲。分布：物理上分为两大区域：

00H~7FH即128B内RAM区

80H~FFH即工作寄存器区（SFR）1.内部数据存储器低128单元1）工作寄存器区（00H~1FH）选择工作寄存器组别的位工作寄存器组R0-R7所占单元地址RS1（PSW.4）RS0(PSW.3)000组00H------07H011组08H------0FH102组10H------17H113组18H------1FH位寻址区（20H—2FH）16个字节。

16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H—7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。2）位寻址区3）数据缓冲区地址为30H~7FH的80个单元是数据缓冲区；用于存放各种数据、中间结果和作堆栈区使用。2.特殊功能寄存器区（SFR）AT89S51单片机有21个特殊功能寄存器，11个可位寻址寻址空间：80H~FFH作用：具有专门用途，一般用于存放相应功能部件的控制命令、状态和数据。

分类：并行输入/输出寄存器串行输入/输出寄存器中断系统定时/计数器其他的专用寄存器

寄存器

位地址/位定义

地址

F7

F6

F5

F4

F3

F2

F1

F0

B

F0H

E7

E6

E5

E4

E3

E2

E1

E0

ACC

E0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PSW

CY

AC

F0

RS1

RS0

OV

/

P

D0H

BF

BE

BD

BC

BB

BA

B9

B8

IP

B8H

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

P3

P3.7

P3.6

P3.5

P3.4

P3.3

P3.2

P3.1

P3.0

B0H

IE

A8H

A7

A6

A5

A4

A3

A2

A1

A0

P2

P2.7

P2.6

P2.5

P2.4

P2.3

P2.2

P2.1

P2.0

A0H

SBUF

99H

++

1）累加器ACC（0E0H）：简称为A。累加器为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，功能较多，地位重要。

2）寄存器B（0F0H）：专用于乘、除指令。也可作为普通RAM单元使用。

寄存器的介绍：

3）PSW——程序状态字寄存器PSW(ProgramStatusWord)：包含程序运行状态、信息。CyACFORS1RS0OV-P进/借位辅助进位用户标志寄存器区选择控制位溢出-奇偶CY——

进位/借位标志；位累加器。AC——

辅助进/借位标志；用于十进制调整。F0——

用户定义标志位；软件置位/清零。OV——

溢出标志；

硬件置位/清零。P——

奇偶标志；A中1的个数为奇数

P=1；否则

P=0。RS1、RS0——寄存器区选择控制位。

00：

0区

R0~R701：

1区

R0~R710：

2区

R0~R711：

3区

R0~R7

4）数据指针DPTR：指明访问的数据存储器的单元地址16位可寻址范围：64KB由DPH和DPL两个8位寄存器组成5）端口P0—P3：

是I/O端口的锁存器是4个I/O并行端口映射入SFR中的寄存器通过对该寄存器的读写实现从相应I/O口的输入/输出6）SP（堆栈指针）：

是一个8位专用寄存器，它指出堆栈顶部在片RAM中的位置。关于堆栈：堆栈的作用：

用来解决多级中断、子程序调用等问题，用来保护现场等。堆栈的特点：堆栈区是在内部数据存储器中开辟的一块数据存储区。该区一端固定，一端活动，活动端称为栈顶，固定端称为栈底。且数据只允许从活动端进去。数据存取的原则遵循“先进后出”的原则，且设计为向上生成式。堆栈最深128字节。堆栈的确定：堆栈存储器的位置是由SP给定的。系统复位后，SP的初始值为07H。堆栈的操作：

将一个字节压入堆栈称作进栈，将一个字节从栈顶弹出，称为出栈。

进栈指令为PUSH，出栈指令为POP。7）串行输入/输出端口（1）串行数据缓冲器

SBUF是物理上独立的两个寄存器，共同使用一个地址（99H）。（2）串行控制/状态寄存器SCON控制监视串行口的工作状态（3）电源控制寄存器PCON控制单片机的低功耗工作方式及波特率选择。

8）中断系统（1）中断优先级寄存器IP：2级优先，可软件设定（2）中断允许寄存器IE9）定时/计数器（1）定时器方式寄存器：TMOD（2）定时器控制寄存器：TCON（3）计数寄存器：TH0、TL0；TH1、TL1。可用于设定计数初值。2.2.4片外数据存储器（片外RAM）

（1）容量:最大扩展到64KB

（2）寻址范围：0000H~FFFFH

（3）寻址方式：间接寻址可用R0，R1，DPTR

（4）访问指令：MOVX(5)作用：用于存放数据和运算结果等一般情况下，只有在片内RAM不够用的情况下，才需要外接RAM。2.2.5单片机的工作时序系统时钟就像计算机的心脏，一切工作都在它的控制下有节奏的进行。单片机的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：时钟周期、状态周期、机器周期、指令周期时钟周期：也叫振荡周期，是计算机中的最基本时间单位。它是振荡器频率的倒数。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：完成一个规定动作所需的时间，是计算机执行一种基本操作所用的时间。对于51系列单片机：

1个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期或振荡周期指令周期：执行一条指令所需要的时间。不同的指令，所用的机器周期数也不同。单字节单周期指令例：INCA双字节单周期指令例：ADDA，DATA单字节双周期指令例：INCDPTR振荡周期=1/fosc=1/12MHz=0.0833μS状态周期=2/fosc=2/12MHz=0.167μS机器周期=12/fosc=12/12MHz=1μS指令周期=(1-4)机器周期=1-4μS如：单片机外接晶振频率12MHz时的各种时序单位:2.2.6单片机AT89S51的省电工作方式CMOS型单片机有两种低功耗节电方式：

待机（空闲）方式和掉电（停机）方式。单片机的正常工作电流是11--20mA，空闲状态是约3mA；掉电方式为50uA。

两种方式的设定均由SFR中的PCON设置。2.2.7单片机的工作过程执行指令包括：取指令和执行指令两个过程。1）PC中的0000H送到片内的地址寄存器；2）PC的内容自动加1变为0001H指向下一个指令字节；3）地址寄存器中的内容0000H通过地址总线送到存储器，经存储器中的地址译码选中0000H单元；4）CPU通过控制总线发出读命令；5）被选中单元的内容74H送内部数据总线上，该内容通过内部数据总线送到单片机内部的指令寄存器。到此取指令过程结束，进入执行指令过程。假设机器码74H、E0H已存在0000H开始的单元中，取指令过程如下：执行指令的过程：1）指令寄存器中的内容经指令译码器译码后，说明这条指令是取数命令，即把一个立即数送A中；2）PC的内容为0001H送地址寄存器，译码后选中0001H单元，同时PC的内容自动加1变为0002H；3）CPU同样通过控制总线发出读命令；4）0001H单元的内容08H读出经内部数据总线送至R2，至此本指令执行结束。PC=0002H，机器又进入下一条指令的取指令过程。【任务实施】1.方案确定2.硬件设计3.软件设计:流程图3.软件设计:源程序

ORG0000HLJMPSTART；