1、89C51單片機硬件結構和基本的原理主要掌握基本組成（內部資源）引腳存儲器的配置I/O口的應用功能（以89C51（AT89C51、P89C51、STC89C51）為代表講解）2.1 89C51單片機的基本組成1. 89C51單片機結構框圖8位CPU256字節RAM4KB Flash ROM4個8位I/O口2個定時/計數器5個中斷源1個全雙工串行口片內振蕩器和時鐘產生電路（最高允許振蕩頻率為24MHz）節電工作方式（空閑、掉電）Flash ROM89C5189C51bus3. 89C51 CPU功能介紹由運算器和控制器構成運算器：進行算術運算、邏輯運算，由ALU、A、B、PSW、暫存器組成。控制

2、器：包括PC、IR、ID、振蕩器和時鐘電路單片機的核心ALU Arithmetic Logic Unit 算術/邏輯運算單元A 最忙碌的寄存器 累加器B 多用于乘除運算 寄存器PSW 用于指示指令執行后的狀態信息， 可供程序查詢和判別用。程序狀態字寄存器PC Program Counter，下一條指令的地址。改變PC的內容可以改變程序運行方向。 IR Instruction Register 指令寄存器ID Instruction Decoder 指令譯碼器振蕩器及時鐘電路：提供片內時鐘2.2 89C51單片機的引腳及功能MCS-51單片機信號引腳簡介 P3口線的第二功能VCCVSSXTAL2

3、XTAL1RSTALE2、振蕩電路：XTAL1、XTAL23、復位引腳：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址鎖存控制信號1、電源線：VCC(+5V)、VSS(地)EAPSEN5、EA：訪問程序存儲控制信號6、PSEN：外部ROM讀選通信號RXD/TXD/INT0/ INT1/ T0/ T1/WR/ RD/123456789101112819204039383736353433323252424222180318051 875189C512.3 89C51單片機的存儲器配置1. 存儲器結構普林斯頓結構一般微機采用的結構ROM、RAM安排在同一個地址空間相同指令訪問ROM、RA

4、M哈佛結構89C51采用此結構ROM和RAM占用不同的物理空間采用不同指令訪問2. 89C51 存儲空間物理結構ROM片內、片外RAM片內、片外邏輯結構（從用戶使用的角度看）ROM： MOVC 0000-FFFFH片內RAM ：MOV 0000-00FFH片外RAM： MOVX 0000-FFFFH12345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM276412345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM2764123456789101112819204039383736353433

5、323252424222112345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 12345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 存儲器80318751805189C51片內RAM片內ROM256B（字節）4K64K64K3. 程序存儲器與ROM密切相關的兩個引腳 、 通過16位PC尋址，最大可尋址64kB地址空間當ROM容量不夠時，盡量選擇高容量存儲器空間的單片機，如89C52、89C54、89C58等，應避免外擴程序存儲器，因為會增加硬件負擔。程序存儲器程序存儲器內部外部

6、0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序執行的起始單元,在這三個單元存放一條無條件轉移指令中斷5中斷4中斷3中斷2中斷10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中斷0定時器0中斷外部中斷1定時器1中斷串行口中斷8位0FFFH0FFEHEA=1 EA=0程序存儲器資源分布中斷入口地址4. 數據存儲器如何區分0000-00FFH的地址空間是片內RAM還是片外RAM？片內RAM：低128B片內RAM 0000-007FH 高128B片內RAM 0080-00FFH片內、片外分開

7、編址SFR：特殊功能寄存器區0000HFFFFH(64K)內部外部數據存儲器數據存儲器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM專用寄存器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0區R0R7R0R7R0R7R0R71區2區3區工作寄存器區可位尋址區20H2FH7F 7807 0030H7FH數據緩沖區/堆棧區內部RAM存儲器 1 1第 3 區18H1FH 0 1第 1 區08H0FHRS1 RS0寄存器區片內RAM地址 0 0第 0 區00H07H 1 0第 2 區10H17H工作寄存器區選擇位RS0、RS1PSW位地址 CY ACF0RS1RS0OVF1PMSBMos

8、t Significant Bit （最高有效位）LSB Least Significant Bit （最低有效位）單元地址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F776F675F574F473F372F271F170F07 MSB 位地址 LSB7E766E665E564E463E362E261E160E067D756D655D554D453D352D251D150D057C746C645C544C443C342C241C140C047B736B635B534B433B332B231B130B037A726A625A524A423A

9、322A221A120A027971696159514941393129211911090178706860585048403830282018100800RAM位尋址區位地址表高128個單元離散分布有21個特殊功能寄存器SFR。 11個可以進行位尋址。特別提示：對SFR只能使用直接尋址方式，書寫時可使用寄存器符號，也可用寄存器單元地址。5. 特殊功能寄存器（SFR）ACCBDPTR： Data Pointer，16位，對64kB片外RAM/ROM和外圍設備作間接尋址。 例：MOV DPTR,#2000H MOVX A，DPTR 則： DPH=20H, DPL=00H, DPTR=2000H

10、結果是：取出片外RAM地址為2000H的數據，存放于A。特殊功能寄存器PSW：Program Status Word：進位carry、輔助進位auxiliary、用戶標志flag zero、寄存器選擇register select、溢出overflow、奇偶parity。CYACF0RS1RS0OVP例：MOV A,#0FH ADD A,#0F8H 0000 1111+ 1111 1000 1 0000 0111 AC=1， CY=1， OV=CYAC=11=0，P=1，所以：1101特殊功能寄存器SP ：堆棧指針 (Stack Pointer)， 8位，專門存放堆棧的棧頂單元的地址。入棧時自

11、動加1，出棧時自動減1。復位后，SP07H0708090A0B35PUSH ACC，SP08H0708090A0BC135PUSH PSW，SP09H0708090A0B35POP PSW，SP08H0708090A0B0708090A0BPOP ACC，SP07H單片機工作條件單片機正常工作最基本條件是：正確的電源、時鐘和復位信號。單片機最小系統1、時鐘電路要給單片機CPU提供時鐘信號，就需要相關的硬件電路，即振蕩器和時鐘電路。51系列單片機內部有一個高增益反相放大器，這個反相放大器的作用就是構成振蕩器，但要形成時鐘，外部還需要加一些附加電路。51系列單片機本身一般不能自動進行復位的，必須配

12、合相應的外部電路才能實現。當5l系列單片機的復位引腳RST出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執行復位操作。如果RST持續為高電平，單片機就處于循環復位狀態。2.復位電路2.4 時鐘電路及CPU時序1. 時鐘電路 根據硬件電路的不同，單片機的時鐘連接方式可分為內部時鐘方式和外部時鐘方式，如圖所示。89C51XTAL1Vcc外部時鐘輸入TTL（a）內部時鐘電路；（b） HMOS型外部振蕩源 (C) CHMOS型外部振蕩源 外接晶振時，電容的值一般取30pF；外接陶瓷諧振器時，電容的值一般取47pF2. 基本概念振蕩器： 產生內部脈沖信號 若采用外部脈沖信號時鐘發生器：根據脈沖信號產生時鐘信號

13、振蕩周期P：脈沖信號周期時鐘周期（狀態周期）S ：(機器狀態時間)S=P1+P2機器周期： 指令執行的單位=6S=12P指令周期： 指令執行的時間=N * 6S，N=1、2、3對HMOS單片機：XTAL2輸入，XTAL1接地對CHMOS單片機：XTAL1輸入，XTAL2懸空3. CPU取指、執行周期時序ALE有效時，表示可以讀取指令。一個機器周期內，ALE有效兩次提問：若采用12MHz的晶振頻率，計算機器周期？2.5 復位操作MCS-51單片機復位(RST高電平2個機器周期) 任何單片機在工作之前都要有個復位的過程，復位是什么意思呢？對單片機來說，是程序還沒有開始執行，是在做準備工作-初始狀態

14、。 如何進行復位呢？只要在單片機的RST引腳上加上高電平，就可以了。為了達到這個要求，可以用很多種方法，見圖。一、復位電路在通電瞬間，由于RC的充電過程，在 RST端出現2個機器周期以上的高電平，只要該正脈沖保持2個機器周期以上，就能使單片機自動復位。根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式，即上電復位和按鍵復位805187518031RSTCRR1R25V上電復位按鍵復位上電后，由于電容充電，使 RST持續一段高電平時間。當單片 機已在運行過程中時，按下復位鍵 也能使 RST持續一段時間的高電平， 從而實現上電且開關復位的操作。 通常選擇 C=10f ,R=10K。二、復位后單片機的狀態復

15、位后各寄存器的狀態PC 0000H(程序入口) P0、P1、P2、P3 0FFH (可以直接輸入) SP 07H （棧底已經設好）PSW 00H （選擇0組寄存器）其余大部分都是0熟悉復位后各寄存器的狀態，可以減短初始化程序。2.6 89C51單片機的低功耗工作方式89C51提供兩種節電工作方式：空閑(待機)工作方式：不向CPU供電，只供中斷、串行口、定時器部分。可以通過中斷觸發方式退出待機模式。掉電工作方式：所有功能停止工作。方式的設定PCON（電源控制寄存器）8051：HMOS（高密度短溝道MOS）半導體工藝89C51：CHMOS=HMOS+CMOSSMOD - - -GF1GF0PDID

16、L2.7 輸入/輸出端口單片機I/O口的使用對單片機的控制，其實就是對I/O口的控制，無論單片機對外界進行何種控制，亦或接受外部的控制，都是通過I/O口進行的。單片機總共有P0、P1、P2、P3四個8位雙向輸入輸出端口，每個端口都有鎖存器、輸出驅動器和輸入緩沖器。4個I/O端口都能作輸入輸出口用，其中P0和P2通常用于對外部存儲器的訪問。一. I/O口的構成口鎖存器(CPU通過內部總線把數據寫入口鎖存器)輸出驅動器輸入緩沖器鎖存器的含義CTR開關Bus鎖存器其它器件0OUT=Bus1OUT保持OUT二. 89C51的 I/O口4個8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3；均可作為雙向I/O端口

17、使用。(1)特點： P0：訪問片外擴展存儲器時， 復用為低8位地址線和數據線 P2：高8位地址線。P1：雙向I/O端口 P3：第二功能123456789101112819204039383736353433323252424222180318051 875189C51準雙向口含義： 端口每位都可以定義為輸入/輸出,但作為輸入時，必須先向該位的口鎖存器寫”1”。在讀入端口數據時，如果T導通，就會將輸入的高電平拉成低電平，產生誤讀。所以在端口進行輸入操作前，應先向端口鎖存器寫“1”，使T截止，引腳處于懸浮狀態，變為高阻抗輸入。這就是所謂的準雙向口。D QCLK QP1.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀

18、引腳VCCRTP1口引腳CPU對I/O口的讀操作一是讀口鎖存器的狀態二是CPU讀口引腳上的外部輸入信息D QCLK QP1.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP1口引腳4個I/O口的用途P1口只有通用輸入/輸出端口的功能；P0，P2，P3除了可以作為通用的I/O口，還可以用于其他用途。共同點：P0、P1、P2、P3都是準雙向口；執行“讀修改寫”類指令時，讀的是鎖存器而不是引腳，如：ANL P1，AORL P1，#dataXRL P1，ACPL P1. INC P1DEC P1下圖為P0口的某位(n=07)結構圖，它由一個輸出鎖存器、兩個三態輸入緩沖器和輸出驅動電路及控制電路組成。從圖中

19、可以看出，P0口既可以作為I/O用，也可以作為地址/數據線用。D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳地址/數據控制VCCT1T2P0口引腳1、P0口的結構（1）P0口作為普通I/O口輸出時CPU發出控制電平“0”封鎖“與”門，將輸出上拉場效應管T1截止，同時使多路開關MUX把鎖存器與輸出D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳地址/數據控制VCCT1T2P0口引腳驅動場效應管T2柵極接通。故內部總線與P0口同相。由于輸出驅動級是漏極開路電路，若驅動NMOS或其它拉流負載時，需要外接上拉電阻。D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳地

20、址/數據控制VCCT1T2P0口引腳如果是驅動led，那么用1K左右的就行了。如果希望亮度大一些，電阻可減小，最小不要小于200歐姆，否則電流太大；如果希望亮度小一些，電阻可增大，增加到多少呢，主要看亮度情況，以亮度合適為準，一般來說超過3K以上時，亮度就很弱了，但是對于超高亮度的LED，有時候電阻為10K時覺得亮度還能夠用。通常就用1k的。 對于驅動光耦合器，如果是高電位有效，即耦合器輸入端接端口和地之間，那么和LED的情況是一樣的；如果是低電位有效，即耦合器輸 入端接端口和VCC之間，那么除了要串接一個之間的電阻以外，同時上拉電阻的阻值就可以用的特別大，用100k500K之間的都行，當然用

21、10K的也可以，但是考慮到省電問題，沒有必要用那么小的。 對于驅動晶體管，又分為PNP和NPN管兩種情況：對于NPN，毫無疑問NPN管是高電平有效的，因此上拉電阻的阻值用2K20K之間的，具體的大小還要看晶體管的集電極接的是什么負載，對于LED類負載，由于發管電流很小，因此上拉電阻的阻值可以用20k的，但是對于管子的集電極為繼電器負載時，由于集電極電流大，因此上拉電阻的阻值最好不要大于，有時候甚至用2K的。對于PNP管，毫無疑問PNP管是低電平有效的，因此上拉電阻的阻值用100K以上的就行了，且管子的基極必須串接一個110K的電阻，阻值的大小要看管子集電極的負載是什么，對于LED類負載，由于發

22、光電流很小，因此基極串接的電阻的阻值可以用20k的，但是對于管子的集電極為繼電器負載時，由于集電極電流大，因此基極電阻的阻值最好不要大于。 對于驅動TTL集成電路，上拉電阻的阻值要用110K之間的，有時候電阻太大的話是拉不起來的，因此用的阻值較小。但是對于CMOS集成電路，上拉電阻的阻值就可以用的很大，一般不小于20K，我通常用100K的，實際上對于CMOS電路，上拉電阻的阻值用1M的也是可以的，但是要注意上拉電阻的阻值太大的時候，容易產生干擾，尤其是線路板的線條很長的時候，這種干擾更嚴重，這種情況下上拉電阻不宜過大，一般要小于100K，有時候甚至小于10K。( 輸入時-分讀引腳或讀鎖存器讀引

23、腳：由傳送指令(MOV)實現； 下面一個緩沖器用于讀端口引腳數據，當執行一條由端口輸入的指令時，讀脈沖把該三態緩沖器打開，這樣端口引腳上的數據經過緩沖器讀入到內部總線。D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳地址/數據控制VCCT1T2P0口引腳（2）P0作為地址/數據總線 在系統擴展時，P0端口作為地址/數據總線使用時，分為： P0引腳輸出地址/數據信息。 D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳地址/數據控制VCCT1T2P0口引腳 CPU發出控制電平“1”，打開“與”門，又使多路開關MUX把CPU的地址/數據總線與T2柵極反相接通，輸出地址或數據。

24、由圖上可以看出，上下兩個FET處于反相，構成了推拉式的輸出電路，其負載能力大大增強。P0的輸出級可驅動8個LSTTL負載。D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳地址/數據控制VCCT1T2P0口引腳（2） P0作為地址/數據總線 P0引腳作輸入口 輸入信號是從引腳通過輸入緩沖器進入內部總線。（2） P0作為地址/數據總線D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳地址/數據控制VCCT1T2P0口引腳2、P2的內部結構（1）P2口作為普通I/O口D QCLK QMUXP2.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳CPU發出控制電平“0”

25、 ，使多路開關MUX倒向鎖存器輸出Q端，構成一個準雙向口。其功能與P1相同。 （2） P2口作為地址總線 在系統擴展片外程序存儲器擴展數據存儲器且容量超過256B (用MOVX DPTR指令)時，CPU發出控制電平“1”，使多路開關MUX倒內部地址線。此時，P2輸出高8位地址。D QCLK QMUXP2.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳3、 P1口、P3口的內部結構 （1）P1口的一位的結構 它由一個輸出鎖存器、兩個三態輸入緩沖器和輸出驅動電路組成-準雙向口。D QCLK QP1.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP1口引腳（2）P3的內部結構D QCLK

26、Q讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能作為通用I/O口與P1口類似-準雙向口(W=1)W（2）P3的內部結構D QCLK Q讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能 P3第二功能(Q=1)此時引腳部分輸入(Q=1、W=1) ,部分輸出(Q=1、W輸出) 。WP3第二功能各引腳功能定義：P3.0：RXD串行口輸入P3.1：TXD串行口輸出P3.2：INT0外部中斷0輸入P3.3：INT1外部中斷1輸入P3.4：T0定時器0外部輸入P3.5：T1定時器1外部輸入P3.6：WR外部寫控制P3.7：RD外部讀控制端口的負載能力和接

27、口要求 1、P0口的負載能力和接口要求負載能力:可驅動8個LS（低功耗、甚高速）型TTLP0接口要求：作為一般I/O口輸出時，若驅動的是NMOS電路或OC門電路，其引腳要接上拉電阻，否則高電平電位不確定； 2、P1P3口的負載能力和接口要求負載能力:可驅動4個LS型TTL接口要求：作為一般I/O口輸出時，驅動任何電路都不需要要接上拉電阻（因為內部有上拉電阻）；作為一般I/O口為準雙向口。指令寄存器譯碼地址譯碼程序計數器地址寄存器累加器A運算器存儲器內部數據總線外部地址總線AB數據緩沖器外部數據總線DB寄存器區外部控制總線CB內部控制信號時鐘及清零總結：單片機的工作過程取指過程例: MOV A,

28、#09H 74H 09H ;把09H送到累加器A中執行過程PC=0000H0001H0000H0002H0 1 1 1 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 1(PC)(PC)0001H0002H0000H外部控制總線CB取指過程(PC)執行過程你知道PC的作用嗎？1、CPU主要的組成部部分為( )。B加法器，寄存器 C運算器,寄存器 D運算器，指令譯碼器A運算器，控制器 課堂練習2、8031有四個工作寄存器區，由PSW狀態字中的RS1、RS0兩位的狀態來決定，單片機復位后，若執行 SETB RS1 指令，此時只能使用（ ）區的工作寄存器。A0區B1區C2區D3區課堂練習3. 09H位所在的單元地址是（ ）A 02HC 08HB 21HD20H課堂練習4.單片機在進行取指令操作時，指令的地址是由（ ）的內容決定。A SPC DPTRD PSEN和ALE BPC課堂練習5. P0,P1口作輸入用途之前必須( )。A外接高電平 B外接上拉電阻C相應端口先置0 D相應端口先置1 課堂練習6.程序計數器PC用來( )。A存放指令 B存放上一條的指令地址D存放正在執行的指令地址 C存放下一條的指令地址 課堂練習1. 8031單片機內部RAM包括( ) 。 A.程序存儲區 B堆棧區