单片机笔记（１）

第2章 89C51单片机的结构与原理

2.1 89C51单片机的主要特性

89C51具有如下特性：
（1）面向控制的8位CPU；
（2）一个片内振荡器和时钟产生的电路；
（3）片内4 KB Flash ROM 程序存储器；
（4）128B的片内数据存储器；
（5）可寻址64 KB的片外程序存储器和片外数据存储器控制电路；
（6）2个16位定时/计数器；
（7）4个并行I/O口，共32条可单独编程的的I/O线；
（8）5个中断源，2个中断优先级；
（9）一个全双工的异步串行口；
（10）21个特殊功能寄存器（SFR）；
（11）具有节点工作方式

2.2 89C51单片机的内部总体结构

       有8个部件组成，CPU、片内数据存储器、片内程序存储器、输入/输出接口、可编程串行口、定时/计数器、中断系统和特殊功能寄存器。见书P8 图2-1。

       CPU：单片机的最核心部分,它是整个单片机的控制和指挥中心,完成所有的计算和控制任务。
       程序存储器：用于存放单片机的程序。
       数据存储器：用于存放内部待处理的数据和处理后的结果。
       并口和串口:数据传输通道，方便CPU从芯片外部取得待处理的对象及将处理结果送到芯片外部。
       中断控制逻辑:处理临时到达的突发事件。
       定时器/计数器:完成对外部输入脉冲的计数或者根据内部的时钟及定时设置，周期性的产生定时信号。
       内部总线：内部CPU与程序存储器、数据存储器、并行I/O接口、串行I/O接口和定时器/计数器之间都是通过内部总线联系在一起。

2.3 89C51单片机的引脚功能

2.3.1 89C51单片机引脚功能

       本书讨论的是40脚双列直插封装。

       如图是89C51单片机的引脚图（导出自Proteus，DIP40） 。

1. 电源引脚 VSS 和 VCC
   VSS（20脚）：接地端；
   VCC（40脚）：电源端；

2. 时钟振荡电路引脚
   XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）的内部是一个振荡电路。
   当使用内部振荡电路时在这两个管脚上外接石英晶体和微调电容；
   当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号,此时XTAL1接外部时钟脉冲，XTAL2悬空。

3. 输入/输出引脚
   P0，P1，P2，P3共四个8位并行I/O口。

   口 线	第二功能	名称
   P3.0	RXD	串行数据接收端
   P3.1	TXD	串行数据发送端
   P3.2	$\overline{\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{T}0}$	外部中断 0 申请输入端
   P3.3	$\overline{\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{T}1}$	外部中断 1 申请输入端
   P3.4	T0	定时器 0 计数输入端
   P3.5	T1	定时器 1 计数输入端
   P3.6	$\overline{\mathrm{W}\mathrm{R}}$	外部 RAM 写选通
   P3.7	$\overline{\mathrm{R}\mathrm{D}}$	外部 RAM 读选通

4. 控制信号引脚 RESET、$\mathrm{A}\mathrm{L}\mathrm{E}/\overline{\mathrm{P}\mathrm{R}\mathrm{O}\mathrm{G}}$ 、$\overline{\mathrm{P}\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{N}}$和$\overline{\mathrm{E}\mathrm{A}}/\mathrm{V}\mathrm{P}\mathrm{P}$

   $\mathrm{A}\mathrm{L}\mathrm{E}$ ：地址锁存允许信号输出端；
   $\overline{\mathrm{P}\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{N}}$：外部程序存储器读选通信号输出端，低电平有效；
   $\overline{\mathrm{E}\mathrm{A}}$：访问内部/外部程序存储器选择控制信号；
   $\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}$：复位信号输入端。

2.3.2 三总线结构

       单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入和用户I/O外，扩展出的其他引脚构成了三总线，如下图。

       地址总线：16位，可寻址64K，由P0口（A0~A7）, P2口（A8~A15）组成；
       数据总线：8位，由P0口提供；
       控制总线：由P3口的部分引脚实现（$\overline{\mathrm{R}\mathrm{D}},\overline{\mathrm{W}\mathrm{R}}$)及$\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{T}$，$\overline{\mathrm{E}\mathrm{A}},\overline{\mathrm{P}\mathrm{S}\mathrm{E}\mathrm{N}}$, $\mathrm{A}\mathrm{L}\mathrm{E}$ 4根独立控制线。

2.3.3 单片机工作原理

       单片机在电路连接无误后，将程序下载到单片机的程序存储器中，单片机系统就可以上电工作了。
       上电复位后，从存储器的0000H单元开始取指令，并执行指令。

2.3.4 点亮最小单片机系统

       按图连线，上电工作后，点亮一个发光二极管。
       由仿真结果可见，当P2.0引脚输出低电平时，PN结导通，发光二极管LED-GREEN上有电流流过，发光二极管发光。

       代码部分如下

		ORG　　0000H
		MOV　　P2,#11111110H  ;P2.0引脚输出低电平
		END

2.4 89C51单片机的主要组成部分

       89C51单片机的主要组成：CPU、存储器和I/O接口。

2.4.1 CPU

       CPU是单片机的核心部分，89C51单片机内部有一个8位的CPU，由运算器和控制器组成。
        运算器：主要用来实现数据的传送，数据的 算术和逻辑运算，位变量处理等。
        存储器：统一指挥和控制计算机工作的部件。

2.4.2 存储器

       89C51可寻址范围64KB(16位地址线)；

       89C51单片机在物理上有4个独立的存储空间：
               64K字节程序存储器空间；
               128字节内部RAM；
               128字节内部特殊功能寄存器空间；
               64K外部数据存储器空间

       64KB的程序存储器中，有4KB的地址对片内ROM（程序存储器）和片外ROM是公共的，地址为0000H~0FFFH， 从1000H~FFFFH为外部ROM的地址， 即内部ROM地址为0000H~0FFFH， 外部ROM地址为0000H~FFFFH；

       128B的内部RAM（数据存储器）地址从00H~7FH（8位地址）； 64KB外部RAM地址从0000H~FFFFH.

1. 程序存储器

       89C51内部有 4KB Flash ROM，片外最多可扩展 64 KB ROM，两者统一编址，CPU的控制器专门提供 一个控制信号$\overline{\mathrm{E}\mathrm{A}}$ 来区分内部ROM和外部ROM的公共地址区0000H~0FFFH；当$\overline{\mathrm{E}\mathrm{A}}$接高电平，单片机从片内4KB的ROM取指令，指令地址超过0FFFH后，自动转向片外ROM。当$\overline{\mathrm{E}\mathrm{A}}$接低电平时，CPU只从片外ROM取指令。

       89C51复位后，CPU总是从0000H开始执行程序。

2. 数据存储器

       RAM分为内外两部分，89C51内部有128B RAM，地址为00H~7FH；片外最多可扩展64KB RAM，地址为0000H~FFFFH。

       内部128B RAM 从功能和用途可以划分为三个区域：

       工作寄存器区：00H~1FH， 4组工作寄存器，由PSW中的RS0和RS1选择。每组有R0~R7共8个工作寄存器；

       位寻址区：20H~2FH，不仅可以字节寻址，8个字节的每一位都可以位寻址 ；
               位地址范围 00H~7FH, 地址范围 20H~2FH
               位地址表示方法：位地址，字节地址.位
               位地址与字节地址的转换关系 ： 位地址=(字节地址-20H)*8+Di的 i 值

       用户RAM区：30H~7FH，可用作堆栈或数据缓冲器。
               若用作堆栈，后进先出。可用于保护现场和断点地址。
               堆栈指针sp，指示栈顶的位置。
               堆栈操作指令:

          %进栈指令%
			PUSH ; (sp)+1→sp，数据进栈
          %出栈指令%
			POP  ; (sp)-1→sp，数据出栈

3. 特殊功能寄存器（SFR）

       离散地分布在80H~FFH中，共21个 ：

​        （1）是MCS-51单片机中各个功能部件所对应的寄存器
​         （2）用以存放相应功能部件的控制命令、状态或数据的区域。

       与片内RAM统一编址（未占用的地址单元无定义）。
        （1）部分可以位寻址，也可以字节寻址。其中带*号的（能被8整除）寄存器即可字节寻址又可位寻址。
       （2）编程中，可使用符号，也可使用地址。
        (3）可位寻址的可用位符号，可用位地址，也可用“字节 地址.位”，还可用“寄存器名.位”

寄存器符号	地 址	寄存器名称
* ACC	E0H	累加器
* B	F0H	乘法寄存器
* PSW	D0H	程序状态字
SP	81H	堆栈指针
DPL	82H	数据存储器指针（低8位）
DPH	83H	数据存储器指针（高8位）
* IE	A8H	中断允许控制器
* IP	D8H	中断优先级控制器
* P0	80H	通道0
* P1	90H	通道1
* P2	A0H	通道2
* P3	B0H	通道3
PCON	87H	电源控制和波特率选择
* SCON	98H	串行口控制器
SBUF	99H	串行数据缓冲器
* TCON	88H	定时控制器
TMOD	89H	定时方式选择
TL0	8AH	定时器0 低8位
TL1	8BH	定时器1 低8位
TH0	8CH	定时器0 高8位
TH1	8DH	定时器1高8位

       CPU中使用的特殊功能寄存器：

（1）程序计数器 PC （不属于SFR）

       16位，存放下一条将要从程序存储器中 取出的指令的地址。 用户无法对其进行读写，只能通过转移、调用和返回等指令来改变其内容。
基本工作方式：每取出1字节机器码后，自动加1 ；
执行转移指令时，被置入新的数值。

（2）累加器A

       最常用的8位特殊功能寄存器，它既可用于存放操作数，也可用来存放中间结果。

（3）寄存器B

       一个8位寄存器，主要用于乘除法运算。也可作一般寄存器使用。

（4）状态字寄存器 PSW

8位，用于存放程序运行的状态信息。

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
CY	AC	FO	RS1	RS0	OV	—	P

       CY（PSW.7）：进位标志，是累加器 A的溢出位，如果操作结果在最高位有进位或借位时，置1；
        AC（PSW.6）：辅助进位标志，低半字节进位位，加减法运算中低4位向高4位有进位或借位时，置1；
        FO（PSW.5）：用户标志位；
        RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3）：工作寄存器组选择位；

RS1	RS0	当前寄存器组	对应的RAM地址
0	0	第0组	00H~07H
0	1	第1组	08H~0FH
1	0	第2组	10H~17H
1	1	第3组	18H~1FH

       OV（PSW.2）：溢出标志位；
        P（PSW.0）：奇偶标志位，跟踪累加器A内容的奇偶性。如果有奇数个“1”，则P置1，反之为0.

（5）堆栈指针SP

       堆栈式在内存中专门开辟出来按照 “先进后出、后进先出” 的原则进行存取的RAM区域。

       堆栈可设置在内部 RAM 的任意区，堆栈共有两种操作：进栈和出栈，都是对栈顶单元进行的。

       89C51单片机复位后，堆栈指针SP总是初始化到内部 RAM 地址07H。

（6）数据指针DPTR

       DPTR是要给16位寄存器，用来存放16位的存储器地址，以实现对外部RAM的访问。可以分为两个8位寄存器：DPH、DPL。

*关于DPTR与PC的比较

       相同点：都是与地址有关的16位寄存器。
                      作为地址寄存器时，PC与DPTR都通过P0，P2口（作为16为地址总线）输出。

       不同点：PC与程序存储器有关，DPTR与数据存储器有关；
                      PC的输出与ALE及/PSEN引脚有关，DPTR与$\mathrm{A}\mathrm{L}\mathrm{E}$、$\overline{\mathrm{R}\mathrm{D}}$和$\overline{\mathrm{W}\mathrm{R}}$引脚有关。
                      PC只能作为16位寄存器；
                      PC不可访问，其内容变化与程序流程有关。

2.4.3 并行I/O口

       基本功能：
P0：I/O口（系统扩展时作为地址/数据总线口，分时复用）。
P1： I/O口
P2： I/O口（系统扩展时作为高8位地址总线口）
P3： I/O口（特殊输入/输出线）

1. P0口的结构

       P0口字节地址为80H，位地址为80H～87H

       如图，当控制线C=0时，MUX开关向下，P0口作为普通 I/O口使用；当C=1时，MUX开关向上，P0口作为地址/数据总线使用。由于P0内部没有上拉电阻，每根口线必须 外接上拉电阻。P1~P3口内部有上拉电阻，不用外接。

2. P1口的结构

       P1口的字节地址为90H，位地址为90H～97H，只能作为普通I/O口使用，没有转换开关MUX。

       当P1口输出高电平时，可以向外提供拉电流负载，所以不必再接上拉电阻；

       当输入时，与P0口一样，必须先向锁存器写 “1” ，使场效应管截止

       通过一条指令将数据写入P1的数据锁存器，然后通过输出驱动器送到端口引脚。

       MOV P1, A      ;累加器A中内容送P1口 

       读端口，为适应对口进行“读-修改-写”类指令的需要。

	   ANL P1,#0FH    ；读P1锁存器中数据，与立 即数 0FH进行逻辑与操作后，将结果写回P1口。

3. P2口的结构

       P2口的字节地址为0A0H，位地址为0A0H～0A7H， 可以作为普通I/O口或高8位地址线。

       P2口作第二功能时：作为系统扩展的地址总线口，输出高8位地址A8～A15。

       P2口高8位地址来源：CPU访问外部程序存贮器时，来源于PC 的高8位。 CPU访问外部数据存贮器时，来源于DPH。

3. P3口的结构

       P3口的字节地址为0B0H，位地址为0B0H～0B7H， 可以作为普通I/O口或特殊输入/输出线。