C51单片机硬件结构和原理.ppt

03:08,2.1 89C51单片机芯片内部结构及特点,2.2 89C51单片机引脚及其功能,2.3 89C51单片机存储器配置,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,2.5 复位操作,2.6 89C51单片机的低功耗工作方式,返回,第2章 89C51单片机的结构和原理,2.7 输出/输入端口结构,03:08,2.1 89C51单片机芯片内部结构及特点,返回,89C51单片机结构框图,A89C51 CPU,振荡器和时钟 OSC,64KB 总线 扩展控制器,数据存储器 256B RAM/SFR,216位 定时器/计数器,可编程I/O,程序存储器 4KB FLASH ROM,可编程全双工 串行口,内外中断源,控制,并行口,串行通信,外部时钟源,外部事件计数,03:08,二、89C51系列单片机的性能,1） 89C51单片机与8051相比，具有节电工作方式，即休闲方式及掉电方式。 2）89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0 Hz。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。此时的电流可降到大约为正常工作方式的15%。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。这种方式下的电流可降到15 A以下，最小可降到0.6 A。 3）89C51单片机还有一种低电压的型号，即89LV51，除了电压范围有区别之外，其余特性与89C51完全一致。 89C51 采用5V电源， 89LV采用51 2.76V电源。 4）89C51/LV51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。它采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此89C51/LV51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。,返回,03:08,2.1.2 89C51单片机芯片内部结构,一、结构图,二、结构组成,返回,P0驱动器,P2驱动器,P0锁存器,P2锁存器,RAM地址寄存器,128BRAM,4KBROM,B寄存器,暂存器1,暂存器2,ACC,SP,程序地址寄存器,缓冲器,PC增1,PC,DPTR,中断、串行口和定时器,PSW,P1锁存器,P1驱动器,P3锁存器,P3驱动器,定时控制,指令寄存器,指令译码器,OSC,ALU,P0.0-P0.7,P2.0-P2.7,P3.0-P3.7,P1.0-P1.7,XTAL1 XTAL2,PSEN ALE EA RESET,89C51单片机 内部结构图,返回,运算器,控制器,存储器,I/O接口,03:08,1、中央处理单元（89C51CPU）：运算器+控制器,返回,1）8位的ALU：可对4位、8位、16位数据进行操作。 2）8位累加器ACC（A）：它经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。 3）8位程序状态寄存器PSW：指示指令执行后的状态信息供程序查询和判别用。 4）8位寄存器B：在乘除运算时，用来存放一个操作数也用来存放运算后的一部分结果；如不能做乘除运算时，作为通用寄存器。 5）布尔处理器：专门用于处理位操作的，以PSW中的C为其累加器。 6）2个8位暂存器： ALU的两个入口处。,（1）运算器,二、结构组成：CPU+存储器+ I/O接口,03:08,2）控制器,（1）程序计数器PC（16位）： PC是程序的字节地址计数器，PC内容为将要执行的指令地址。 改变PC内容，改变执行的流向。 PC可对64KB的ROM和片外RAM直接寻址，不可对89C51片内RAM寻址。 由两个8位计数器PCH、PCL组成。 （2）指令寄存器IR及指令译码器ID 由PC中的内容指定ROM地址。 取出来的指令经IR送至ID。 由ID对指令译码产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。 （3）振荡器和定时电路 89C51单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容（2个30pF左右），其频率范围为1.2MHz-12MHz。该信号作为89C51工作的基本节拍，即时间的最小单位。,返回,03:08,2、存储器 1）程序存储器（ROM） 89C51片内为4kB Flash ROM。 地址从0000H开始。 用于存放程序和表格常数。 2）数据存储器（RAM） 89C51RAM均为128B，地址为00H7FH。 用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。 128B的RAM=工作寄存器组+位寻址空间+普通RAM+堆栈。 片内还有21个特殊功能寄存器（SFR），它们同128字节RAM统一编址，地址为80HFFH。 3、I/O接口 89C51有四个8位并行I/O接口P0P3。 它们都是双向端口，每个端口各有8条独立的I/O口线。 P0-P3口四个锁存器同RAM统一编址，可作为SFR来寻址。,返回,03:08,2.2 89C51单片机引脚及其功能,2.2.1 89C51单片机引脚,2.2.2 89C51单片机引脚功能,返回,03:08,2.2.1 89C51单片机引脚,下图是 89C51/LV51的引脚结构图，有双列直插封装(DIP)方式和方形封装方式。,返回,2.2 89C51单片机引脚及其功能,03:08,2.2.2 89C51单片机引脚功能,一、电源引脚： Vcc(40脚) +5V电源端，Vss(20脚)：接地端。 二、时钟电路引脚：XTAL1和XTAL2 XTAL2（18脚）、XTAL1（19脚） ：分别接外部晶体和微调电容的一端，为单片机提供时钟； 三、控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA RST（9脚）：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。 ALE（30脚）：地址锁存允许信号端。正常工作时，该引脚以振荡频率的1/6固定输出正脉冲。CPU访问片外存储器时，该引脚输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。 PSEN（29脚）：程序存储器允许信号输出端。在访问片外ROM时，定时输出负脉冲作为读片外ROM的选通信号，接片外ROM 的OE端。 EA（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端。 EA=1：CPU访问片内ROM并执行片内程序存储器中的指令，但当PC值超过0FFFH（片内ROM为4KB）时，将自动转向执行片外ROM中的程序。 EA=0：CPU只访问片外ROM并执行外部程序存储器中的程序。,返回,03:08,四、I/O端口P0、P1、P2和P3,1、均可字节访问。 2、均可分为8位独立的I/O口使用。 3、准双向：当I/O口作为输入时，应先向此口锁存器写入全1， 此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。,返回,03:08,P3端口引脚与复用功能表,03:08,2.3 89C51存储器配置,2.3.1 89C51存储器分类 2.3.2 程序存储器地址空间 2.3.3 数据存储器地址空间,返回,03:08,2.3.1 89C51存储器分类,返回,片内程序存储器,片外程序存储器,片内数据存储器,片外数据存储器,89C51存储器,程序存储器ROM,数据存储器RAM,1、片内、外统一编址的64kBROM地址空间。CPU访问片内、片外ROM用MOVC指令。 2、64kB的片外数据存储器地址空间。访问片外RAM指令用MOVX。 3、256字节的片内数据存储器地址空间。访问片内RAM指令用MOV。 上述三个存储空间地址是重叠的，须采用不同的数据传送指令符号访问。,03:08,2.3.2 程序存储器地址空间,一、用途：用于存放编好的程序和表格常数。 二、编址：89C51片内Flash ROM的容量为4kB。地址为0000H0FFFH。片外最多可扩至64kB FLASH，地址为1000HFFFFH。片内外统一编址。 三、寻址方式： 1、当 EA=“1”时： 89C51的PC在00000FFFH范围内执行片内ROM中的程序，当指令地址超过0FFFH 后就自动转向片外ROM中取指令。 2、当 EA=”0”时： 89C51片内ROM不起作用，CPU只能从片ROM/EPROM中取指令。 3、89C51从片内ROM和片外ROM取指的速度相同。 4、目前单片机通常只用内部ROM， EA=“1”。,返回,03:08,四、程序存储器的保留存储单元,返回,1、0000H0002H：因为复位后PC的内容为0000H，CPU总是从0000H开始执行程序。 2、0003H002AH：均分为五段，每段8字节，用作五个中断服务程序的入口。中断矢量地址表如下所示。,03:08,中断矢量表,返回,03:08,2.3.3 数据存储器地址空间,一、用途：用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，目前通常只用于测量数据的存储。 二、片外RAM： 地址：0000HFFFFH。 寻址：只能用MOVX指令。 三、片内RAM： 低128字节RAM（00H7FH）：工作寄存器组+位寻址空间+普通RAM+堆栈。 高128字节RAM（80HFFH）：特殊功能寄存器SFR区，只能用直接寻址！,返回,03:08,（一）片内RAM地址空间,寻址：用指令MOV最大可寻址256个单元。,返回,低128B（00H-7FH）： 真正RAM区,高128B（80H-FFH）： 特殊功能寄存器（SFR）区,地址：00H-FFH,03:08,1、工作寄存器区（00H1FH）,1）由四组工作寄存器组成，每组8个寄存器（R0-R7），共32个单元。 2）通过程序状态寄存器 PSW中RS1、RS0两位设定来选择CPU的当前工作寄存器组。复位时，第0组为当前的工作寄存器。 3）若不需要四组，则其余可作为一般RAM单元。,返回,03:08,2、位寻址区（20H2FH）,位寻址区有16个单元，每个单元8位，共128位。位地址为00H-7FH。 只能用位寻址方式（如置1、清0、判断转移等）访问位地址空间。 位寻址是89C51的一个重要特点。,返回,字节地址与位地址形式相同，只能用指令区分！ MOV 20H, 30H MOV C, 20H,03:08,3、用户RAM区（30H7FH）,用于堆栈和临时数据存储。 只能用字节寻址方式寻址。 未用的工作寄存器区和位寻址区空间可以用作用户RAM区,返回,03:08,（三）高128字节RAM（80HFFH）,返回,有21个特殊功能功能寄存器。 地址分布在80HFFH的RAM空间。 只能用直接寻址方式。 字节地址能被8整除的11个SFR具有位寻址能力(*号)。,03:08,特殊功能寄存器地址表,返回,03:08,部分特殊功能寄存器介绍,1. 累加器ACC（E0H）： 用A作为ACC的助记符。 用于存放第一个运算操作数及运算结果。 2. 寄存器B（F0H）： 在乘法指令中，B用于存放乘数和乘积的高8位。 在除法指令中用于存放除数和余数。 在其它指令中用作一般的寄存器或RAM单元。 3. 堆栈指针SP（81H）： 堆栈：在片内RAM中，开辟的一个按“后进先出”的结构方式处理数据的区域。用于调用子程序或中断保护现场。 SP的内容必须指向片内RAM00H7FH的某个单元。 系统复位时，SP初始化为07H。 堆栈的操作： 进栈：SP+1，内容进栈。 出栈：内容出栈，SP-1，。,返回,03:08,PSW包含了程序执行后的状态信息，供程序查询或判断用。,返回,PSW 程序状态寄存器（D0H）,（1）CY位：进（借）位标志位。 加法有进位，减法有借位，CY=1；否则，CY=0。 在位操作指令中，CY位是布尔累加器，用C表示。 （2）AC位：半进位标志位（辅助进位标志）。 执行加法（减法）运算指令时，如运算结果的低半字节（D3）向高半字节有进位（借位），AC=1；否则，AC=0。 （3）FO位：用户标志。由用户自己定义、置位、复位，以作为软件标志。 （4）RS1、RS0位：工作寄存器组选择控制位。 由用户用软件改变RS0和RS1的值，以切换当前选用的工作寄存器组。 上电复位时，RS1=RS0=0，CPU选择第0组为当前工作寄存器组。 （5）OV位：溢出标志位。 有符号数运算出错，OV=1；否则， OV=0。 （6）PSW.1：为保留位。 （7）P位：奇偶检验位。 每条指令执行后，A中“1”的个数为奇数，则P=1；,03:08,表2-8 RS0，RS1的组合关系,返回,03:08,返回,数据指针DPTR（83H，82H）： DPTR是唯一一个可直接访问的16位特殊功能寄存器。 由DPH（83H），DPL（82H）组成。 DPH，DPL可以单独使用。,I/O端口P0、P1、P2、P3（80H、90H、A0H、B0H）： 为四个并行I/O端口的锁存器。 每个口锁存器分别对应8个位地址，所以每一条I/O线可独立输入或输出。,03:08,返回,一、振荡周期：石英晶体的固有周期。为最小的时序单位。 二、状态周期S：振荡周期2分频。由时钟信号P1和P2组成。,2.4 时钟电路及89C51 CPU时序 2.4.1 片内时钟信号的产生,03:08,三、机器周期：是指CPU访问存储器一次所需的时间。例如，取指令、读存储器、写存储器等等。 51单片机的一条指令由若干个字节组成。执行一条指令需要多长时间则以机器周期为单位。 一个机器周期包括12个振荡周期，分为6个S状态：S1S6。 四、指令周期：执行一条指令所需的时间。每条指令都由一个或几个机器周期组成。 每条指令由一个或若干个字节组成。有单字节指令，双字节指令，多字节指令等。字节数少则占存储器空间少。 每条指令的指令周期都由一个或几个 机器周期 组成。有单周期指令、双周期指令、和四周期指令。机器周期数少则执行速度快。,返回,03:08,外接晶振频率12 MHz时的各种时序单位的大小。 振荡周期=1/fOSC=1/12 MHz=0.083 3 s 状态周期=2/fOSC=2/12 MHz=0.167 s 机器周期=12/fOSC=12/12 MHz=1 s 指令周期=（14）机器周期=14 s,返回,基本时序定时单位,89C51单片机各种周期的相互关系,03:08,返回,2.4.2 CPU取指、执指时序,03:08,2.5 复位操作 2.5.1 复位操作的主要功能,一、复位：单片机的初始化操作。将所需的内部资源设置为规定的状态，使单片机工作不会产生二义性， 程序地址指针PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。 当由于程序运行出错或操作错误使系统死锁状态时，需要复位后重新启动。,返回,03:08,2.5.2 复位信号及其产生,一、复位信号：当RST引脚为高电平，且有效时间持续24个fOSC以上，才能复位。 二、产生复位信号的电路逻辑图：,返回,上电自动复位,手动复位,03:08,2.6 89C51单片机的低功耗工作方式,1、提供两种节电工作方式，即空闲（等待、待机）方式和掉电（停机）工作方式。 2、空闲方式： CPU停止工作；振荡器仍继续运行；中断、串行口和定时器等环节在时钟控制下正常运行；内部资源状态不变。 3、掉电方式：振荡器冻结。内部RAM区和特殊功能寄存器的内容被保留。 4、硬件复位（ 2个机器周期以上）或中断请求被响应都可以退出空闲工作方式，进入工作状态，CPU从进入空闲方式的下一条指令开始重新执行程序。 退出掉电方式的惟一方法是由硬件复位，复位后将所有特殊功能寄存器的内容初始化，但不改变片内RAM区的数据。,返回,03:08,2.7 输出/输入端口结构,返回,189C51单片机有四个8位并行I/O端口：P0、P1、P2和P3。 2每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。 3每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。 4每个端口都包括一个锁存器（即特殊功能寄存器P0P3），一个输出驱动器和输入缓冲器，作输出是数据可以锁存，作输入时数据可以缓冲。,03:08,2.7.1 P1口,读锁存器、写锁存器、读引脚信号由指令决定。 MOV A,P1：读引脚。 ANL P1，A：读锁存器。“读修改写”操作 MOV P1，A：写锁存器。 P1口是一个准双向口。 在端口用作输入时，必须先向对应的锁存器写入1，使FET截止。 当P1口输出高电平时，能向外提供拉电流，不必接上拉电阻。,返回,03:08,2.7.2 P2口,返回,读锁存器、写锁存器、读引脚信号由指令决定。 在端口用作输入时，必须先向对应的锁存器写入1。 通常内部硬件自动使开关MUX倒向锁存器的Q端，P2口为一般I/O口。 使用“MOVX A, Ri”指令：寻址范围是256B，只需低8位地址线就可以实现。P2口不受该指令影响，仍可作通用I/O口。 使用“MOVX A,DPTR”指令：寻址范围64KB，此时，高8位地址总线用P2口输出。在片外RAM读/写周期内，P2口锁存器仍保持原来端口的数据；在访问片外RAM周期结束后，多路开关MUX自动切换倒锁存器Q端。通常无法再用作通用I/O口。,03:08,返回,2.7.3 P0口,读锁存器、写锁存器、读引脚信号由指令决定。 控制C的状态由指令决定：当P0为地址/数据总线时，C=1。 在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写入1。 当P0口被地址/数据总线占用时，不能作为I/O口使用。 做I/O口时必须须外接上拉电阻。 P0口用作输出地址/数据总线：上下两个FET处于反相，构成推拉式的输出电路（T1导通时上拉，T2导通时下拉），提高了负载驱动能力。,03:08,读锁存器、写锁存器、读引脚信号由指令决定。 在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写入1。 当P3口为通用I/O口时，由内部硬件自动将第二功能输出线W置1。 当P3口用作第二功能线时，P3口不得输出0，即Q=1。,返回,2.7.4 P3口,W,03:08,P3口用作第二功能使用,返回,03:08,2.7.5 端口的负载能力和接口要求,1、P0口： 做I/O口时必须外接上拉电阻。 在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写入1。 当作地址/数据总线时(片外扩展ROM或RAM的情况)，无须外接上拉电阻。 每一位输出可驱动8个LS型TTL负载。 2、P1P3口 做I/O口时无需外接上拉电阻。 在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写入1。 每一位输出可驱动4个LS型TTL负载。 对于89C51单片机(CHMOS)，端口只能提供几毫安的输出电流，故当作输出口去驱动一个普通晶体管的基极(或TTL电路输入端)时，应在端口与晶体管基极间串联一个