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2020/7/30,第二章89C51单片机硬件结构和原理(MCS-51系列),绪,MCS-51是Intel公司生产的一种单片机系列,于1980年推出。是8位单片机。intel8051 应用非常广泛。很多公司生产以8051为内核的单 片机。 51系列的单片机芯片型号很多。,绪,它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。主要差别在存储器上。,绪,2.1 89C51(MCS-51)单片机的结构,2.2 89C51(MCS-51)单片机引脚及其功能,2.3 89C51(MCS-51)存储器配置,2.4 89C51(MCS-51) CPU时序,2.5 复位及复位电路,2.6 输出/输入端口结构,第二章89C51单片机结构和原理,2.7 89C51的低功耗工作方式,2.189C51(MCS-51)单片机的结构,一、89C51(MCS-51)单片机的基本组成,二、 89C51(MCS-51)单片机内部结构,一、 89C51(MCS-51)单片机的基本组成,89C51单片机的基本结构框图:,89C51单片机结构框图,89C51单片机主要包括:,二、 89C51(MCS-51)单片机的内部结构,(一)内部结构图,(二)主要组成部分功能,(一)内部结构图,一个完整的计算机由 中央处理单元(CPU)、存储器(ROM及RAM)和I/O接口组成。 CPU是单片机的核心,是计算机的控制和指挥中心,由运算器和控制器等部件组成。 89C51单片机内部结构如图:,(二)主要组成部分功能,、中央处理单元(CPU),、I/O接口,、存储器,1、中央处理单元(CPU),1)运算器,2)控制器,1)运算器,()一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU,()8位累加器ACC(A),()程序状态寄存器PSW,()寄存器B,()布尔处理器,()2个8位暂存器,包括:,可对4位、8位和16位数据进行操作。 能做加、减、乘、 除、加l、减l、BCD数十进制调整及比较等算术运算。 能做与、或、异或、求补及循环移位等逻辑操作。,()算术运算和逻辑运算的单元ALU,()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。 它是最繁忙的一个寄存器。 在指令中用助记符A来表示。,()程序状态字寄存器PSW,8位。 用于指示指令执行后的状态信息。 相当于一般微处理器的标志寄存器。 PSW中各位状态供程序查询和判别用。 详见特殊功能寄存器SFR中介绍。,()寄存器B,8位。 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。 作为通用寄存器(不做乘除运算时)。,()布尔处理器,专门用于处理位操作的, 以PSW中的CY为其累加器。(指令中用) 可执行置位、位清0、位取反、位判断、信息 传送等位操作, 也可执行使C与其他可寻址位之间进行逻辑 “与”、逻辑或操作。,(2)2个8位暂存器,ALU的两个入口处。,2)控制器,(1)程序计数器PC(16位),(2)指令寄存器IR,(4)振荡器和定时电路,包括:,(3)指令译码器ID,(1)程序计数器PC(16位),由两个8位计数器PCH、PCL组成。 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,就可以改变程序执行的方向。 PC可对64KB的ROM直接寻址,也可对8051片外RAM寻址。,(2)指令寄存器IR (3)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。,(4)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024MHz。 该信号作为单片机工作的基本节拍,即时间的最小单位。 单片机在其基本节拍的控制下协调地工作。,2、存储器,1)程序存储器(ROM),2)数据存储器(RAM),它们有各自独立的存储地址空间,1)程序存储器(ROM),89C51、8051及8751的片内ROM容量为4KB。 地址从0000H开始。 用于存放程序和常数(如表格数据等)。,1)程序存储器(ROM),89C51为Flash ROM 8051、80C51为掩膜ROM 8751、87C51为EPROM 8031、80C31、8032 没有ROM 8752、89C52为8KB ROM 。,2)数据存储器(RAM),片内通用RAM:89C51、8051/8751/8031 RAM均为128B,地址为00H7FH。作用:用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。 片内特殊RAM:称特殊功能寄存器SFR。21个(字节),2)数据存储器(RAM),特殊功能寄存器SFR地址: 分散在80FFH中,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I/O线。 P0P3口四个锁存器同RAM统一编址,可以把I/O口当作一般特殊功能寄存器来寻址。,2.289C51(MCS-51)单片机引脚及其功能,一、 引脚图(DIP),二、 引脚功能说明,一、 引脚图(DIP),二、 引脚功能说明,1、电源引脚:Vcc和Vss 2、时钟电路引脚:XTAL1和XTAL2 3、控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA 4、I/O端口P0、P1、P2和P3,1、电源引脚:Vcc和Vss,Vcc(40脚):电源端,为+5V。 Vss(20脚):接地端。,图2-3,XTAL2(18脚)(89C51):接外部晶体和微调电容的一端;在89C51 片内它是振荡电路反向放大器的输出端,振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时,该引脚悬空。89C51正常工作时,该引脚应有脉冲信号输出。,2、时钟电路引脚:XTAL1和XTAL2,XTAL1(19脚): 接外部晶体和微调电容的另一端; 在片内它是振荡电路反向放大器的输入端 在采用外部时钟时,该引脚接外时钟输入。,2、时钟电路引脚:XTAL1和XTAL2,图2-3,3、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和EA,RST/VPD(9脚): RST:复位信号输入端,高电平有效 当此输入端保持不少于两个机器周期的高电平时,可完成复位操作。,3、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和EA,RST/VPD(9脚): VPD :引脚的第二功能,备用电源输入端。 当主电源Vcc 发生故障,降低到低电平规定值时,将+5V电源自动接入该引脚,为RAM提供备用电源,以保证RAM中的信息不丢失,使得复位后能继续正常运行。,图2-3,3、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和EA,ALE/PROG(30脚): PROG:是对片内带有4KB Flash ROM的89C51编程写入时的编程脉冲输入. ALE为地址锁存允许信号端,8031访问外部存储器时,该信号锁存低8位地址;ALE的频率为1/6时钟频率,图2-3,3、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和EA,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。 它的负载能力为8个LS型TTL负载。,图2-3,3、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和EA,EA/Vpp(31脚): EA: 外部程序存储器地址允许输入端。 EA=1时,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。,3、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和EA,EA/Vpp(31脚): EA=0时,CPU只访问片外ROM,并执行外部程序存储器中的程序。,图2-3,3、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和EA,EA/Vpp(31脚): Vpp:对89C51片内EPROM固化编程 时,编程电压输入端(12V)。,图2-3,4、I/O端口P0、P1、P2和P3,1)P0口 2)P1口 3)P2口 4)P3口,1)P0口(P0.0P0.7),漏极开路的8位准双向I/O口,每位能驱动8个LS型TTL负载。 P0口可作为一个数据输入/输出口。 当P0口作为输入口使用时,应先向口锁存器(地址80H)写入全1,此时P0口的全部引脚浮空,可作为高阻抗输入。,1)P0口(P0.0P0.7),在CPU访问片外存储器时,P0口为分时复用的低8位地址总线和8位数据总线。 准双向:当P0口作输入口使用时要先写1,这就是准双向的含义。,2)P1口(P1.0P1.7),带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口,每位能驱动4个LS型TTL负载。 在Pl口作为输入口使用时,应先向Pl口锁存器(地址9OH)写入全1, 此时Pl口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。,3)P2口(P2.0P2.7),带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口,每位能驱动4个LS型TTL负载。 在CPU访问片外存储器时,它输出高8位地址。 在访问片外存储器时,P2口一般不做它用,4)P3口(P2.0P2.7),带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口,每位能驱动4个LS型TTL负载。 P3口与其他I/O端口有很大区别,它除作为一般准双向I/O口外,每个引脚还具有第二功能。,2.389C51(MCS-51)存储器配置,2.3.1存储器分类 2.3.2程序存储器 2.3.3数据存储器,2.3.1 存储器分类,2.3.1 存储器分类,89C51存储器,程序存储器ROM,数据存储器RAM,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,物理上4个相互独立的存储器空间:,2.3.1 存储器分类,逻辑上3个独立的存储器空间:,MCS - 51 单片机的存储器结构,逻辑上3个独立的存储器空间:,三个逻辑地址空间地址有重叠,如何区分? CPU访问片内、片外ROM指令用MOVC 访问片外RAM指令用MOVX 访问片内RAM指令用MOV,2.3.2 程序存储器,一、程序存储器作用 二、程序存储器空间及使用 三、程序存储器的保留单元,一、程序存储器作用,用于存放编好的程序。 可以存放表格常数等。,二、程序存储器空间及使用,片内、外统一编址。 片外最多可扩至64KB 。 89C51 ROM的容量为4KB。地址为0000H0FFFH。 外扩ROM地址为1000HFFFFH,或0000H FFFFH。,当 EA=“1”时: 在地址小于4KB (00000FFFH)时,CPU访问内部的程序存储器; 在地址大于4KB时,CPU自动转向外部程序存储器中取指令。 片外范围:1000H FFFFH,二、程序存储器空间及使用,当 EA=“0”时: 片内ROM不起作用,CPU只能从片外ROM中取指令。 片外ROM可以从 0000H 开始寻址。0000 FFFFH 由于80C31片内不带ROM ,所以使用时必须 EA=”0”。,二、程序存储器空间及使用,89C51从片内ROM和片外ROM取指的速度相同。,二、程序存储器空间及使用,三、程序存储器的保留单元,89C510000002AH给系统用,0000H0002H三个单元: 用作上电复位后引导程序的存放单元。 复位后PC的内容为0000H。 CPU总是从0000H开始执行程序。 将转移指令存放到这三个单元,程序就被引导到指定的程序存储器空间去执行。,三、程序存储器的保留单元,0003H002AH单元: 均分为五段,用作五个中断服务程序的入口。 中断矢量地址表如表所示:,三、程序存储器的保留单元,保留的存储单元,中断矢量地址表,单片机访问外部程序存储器,单片机访问外部程序存储器,2.3.3 数据存储器,一、数据存储器RAM的作用 二、片外RAM 三、片内RAM,用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。 分两部分:片内RAM、片外RAM。 地址范围: 片内RAM:00 FF
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