2、89C51单片机硬件结构和原理(1)
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第2章 89C51单片机硬件结构和原理 (单片机原理课件)
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单片机原理及接口技术
1、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。
17:43
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单片机原理及接口技术
2、P0口：
P0口可作为一个8位数据准双向输入/输出口；
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。
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3、片内4KB程序存储器Flash ROM（4KB）: 用以存放程序、一些原始数据和表格。但有一些单片机内
部不带ROM/EPROM，如8031、8032、80C31等。
4、四个8位并行I/O（输入/输出）接口 P0~P3: 每个口可以用作输入，也可以用作输出。
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单片机原理及接口技术
5、两个或三个定时/计数器: 每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部 事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据 计数或定时的结果 实现计算机控制。 6、一个全双工UART的串行I/O口: 可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。 7、片内振荡器和时钟产生电路: 但需外接晶振和电容。 8、五个中断源的中断控制系统。 9、具有节电工作方式：
（3）8位程序状态寄存器PSW： （4）8位寄存器B：
（5）布尔处理器： （6）2个8位暂存器：
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单片机原理及接口技术
1）运算器 （1）8位的ALU： 可对4位、8位、16位数据进行操作。
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单片机原理及接口技术
（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。
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第二章89C51单片机的结构和原理
第2章 89C51单片机的结构和原理
（3）I/O接口 89C51有四个8位并行接口，即P0-P3。它们
都是双向端口，每个端口有8条I/O线，均可输 入/输出。P0-P3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。
第2章 89C51单片机的结构和原理
2-2 89C51单片机引脚及其功能
第2章 89C51单片机的结构和原理Vss Vcc XTAL1
RST/VPD
XTAL2
EA/Vpp PSEN
ALE/PROG
RXD
TXD INT0 INT1
端 口
TT10
3
WR
RD
8030 89C51 8751
端口0 端口1 端口2
第2章 89C51单片机的结构和原理
各引脚功能简要说明如下：
1.电源引脚Vcc和Vss Vcc（40脚）：电源端，为+5V。 Vss（20脚）：接地端。 2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19）：接外部晶体和微调电容的一端；
89C51是Intel公司生产的一个单片机系列的名称。该公司 继 1976 推 出 MCS-48 系 列 8 位 单 片 机 后 ， 又 于 1980 年 推 出 了 89C51系列高档8位单片机。属于这一系列的单片机芯片有很 多种，如8051，8031，8751，80C51BH等等，它们的基本组 成、基本性能和指令系统都是相同的。为了叙述方便，今后 如不作说明，则常用89C51代表MCS51系列单片机。
第2章 89C51单片机的结构和原理
在这128B的RAM中，有32个字节单元可指定为工作 寄存器，这同一般微处理器不同。89C51的片内RAM和 工作寄存器排在一个队列里统一编址。
第2章 89C51单片机硬件结构和原理
2．累加器A 使用最频繁的寄存器，可写为Acc。“A”与“Acc” 书写上 的差别，将在第3章介绍。
作用如下：
（1）ALU单元的输入数据源之一，又是ALU运算结果存放单元。 （2）数据传送大多都通过累加器A，相当于数据的中转站。为 解决“瓶颈堵塞”问题，AT89S51增加了一部分可以不经过 累加器的传送指令。
18
PSW中各个位的功能： （1）Cy（PSW.7）进位标志位
可写为C。在算术和逻辑运算时，若有进位/借位，Cy＝1；
否则，Cy＝0。在位处理器中，它是位累加器。 （2）Ac（PSW.6）辅助进位标志位 在BCD码运算时，用作十进位调整。即当D3位向D4位产生进 位或借位时，Ac＝1；否则，Ac＝0。 （3）F0（PSW.5）用户设定标志位 由用户使用的一个状态标志位，可用指令来使它置1或清0， 控制程序的流向。用户应充分利用。
端（12-21V）。
4、I/O端口P0、P1、P2和P3 准双向的含义：
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。
1）P0口：用作通用的I/O口；当外扩存储器及I/O接口芯片时，P0口作为低8位地址 总线及数据总线的分时复用端口。 2）P1口：用作通用的I/O口 3）P2口：用作通用的I/O口；当外扩存储器及I/O接口芯片时，P2口作为高8位地址 总线 4）P3口：用作通用的I/O口；每个引脚有第二功能
图2－6 高128字节RAM(SFR区)
1、堆栈指针SP
堆栈指针SP（8位），可指向片内RAM00H～7FH的任何单元。系统 复位后，SP指向07H的RAM单元，所以入栈的第一个数据位于08H单元。
堆栈：在片内RAM区专门开辟的一个区域，数据的存取是按“后进先
第2章AT89C51单片机结构和原理
的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。例如8051的功耗为630 mW，
而80C51的功耗只有120 mW。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上， 低功耗是非常有意义的，因此，在这些产品中必须使用CHMOS的单片 机芯片。
第2章
AT89C51单片机结构和原理
在片内存储器的配置上，早期有三种形式：掩模ROM、EPROM和无片 内存储器。现在一般采用Flash ROM，如AT89C51和AT89S51。 89S51相对于89C51增加的新功能包括： -- 新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更 低！ -- ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不 需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 -- 最高工作频率为33MHz，89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具 有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 -- 具有双工UART串行通道。 -- 内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元 电路。
D2H
D1H
D0H
第2章
AT89C51单片机结构和原理
① 进位标志位CY：表示累加器A在加减运算过程 中其最高位A7有无进位或借位。 ② 辅助进位位AC：表示累加器A在加减运算时低 4位(A3)有无向高4位(A4)进位或借位。 ③ 用户标志位F0：是用户定义的一个状态标志位，
根据需要可以用软件来使它置位或清除。
成在一块芯片上。
第2章
AT89C51单片机结构和原理
图2-1 AT89C51内部结构框图
第2章
AT89C51单片机结构和原理
芯片内部集成有： 一个8位的CPU 128/256字节的内部RAM(数据存储器) 4KB/8KB内部 Flash ROM（程序存储器） 一组特殊功能寄存器 （SFR） 一个可位寻址的布尔处理器 4个输出输入口（32根）
89C51单片机硬件结构与基本原理
89C51单片机硬件结构和 基本的原理
1. 89C51单片机结构框图
Flash ROM
bus
89C51
89C5189C51单片机硬件结构和 基本的原理
8位CPU
256字节RAM
4KB Flash ROM
4个8位I/O口
2个定时/计数器
5个中断源
1个全双工串行口
片内振荡器和时钟 产生电路（最高允 许振荡频率为 24MHz）
EA ALE PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地) 2、振荡电路：XTAL1、XTAL2 3、复位引脚：RST 4、并行口：P0、P1、P2、P3 5、EA：访问程序存储控制信号 6、PSEN：外部ROM读选通信号 7、ALE：地址锁存控制信号
振荡器及时钟电路：提供片内时钟
89C51单片机硬件结构和 基本的原理
2.2 89C51单片机的引脚及功能
89C51单片机硬件结构和 基本的原理
MCS-51单片机信号引脚简介
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
RST RXD/ P3.0 TXD/ P3.1 INT0/ P3.2 INT1/ P3.3 T0/ P3.4
片内RAM：
① 低128B片内RAM ② 高128B片内RAM
0000-007FH 0080-00FFH
SFR：特殊功能寄存器区
89C51单片机硬件结构和 基本的原理
PSW位地址
数据存储器
FFFFH
CY AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
1 1 第3区 1 0 第2区 0 1 第1区 0 0 第0区 RS1 RS0 寄存器区
1. 89C51单片机结构框图
Flash ROM
bus
89C51
89C5189C51单片机硬件结构和 基本的原理
8位CPU
256字节RAM
4KB Flash ROM
4个8位I/O口
2个定时/计数器
5个中断源
1个全双工串行口
片内振荡器和时钟 产生电路（最高允 许振荡频率为 24MHz）
EA ALE PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地) 2、振荡电路：XTAL1、XTAL2 3、复位引脚：RST 4、并行口：P0、P1、P2、P3 5、EA：访问程序存储控制信号 6、PSEN：外部ROM读选通信号 7、ALE：地址锁存控制信号
振荡器及时钟电路：提供片内时钟
89C51单片机硬件结构和 基本的原理
2.2 89C51单片机的引脚及功能
89C51单片机硬件结构和 基本的原理
MCS-51单片机信号引脚简介
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
RST RXD/ P3.0 TXD/ P3.1 INT0/ P3.2 INT1/ P3.3 T0/ P3.4
片内RAM：
① 低128B片内RAM ② 高128B片内RAM
0000-007FH 0080-00FFH
SFR：特殊功能寄存器区
89C51单片机硬件结构和 基本的原理
PSW位地址
数据存储器
FFFFH
CY AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
1 1 第3区 1 0 第2区 0 1 第1区 0 0 第0区 RS1 RS0 寄存器区
STC89C51单片机硬件结构资料
0023H —— 串口中断入口
( 002BH —— T2溢出中断入口 )
三、内部数据存储器
物理上分为两大区域：00H ~ 7FH即128B内RAM区
7FH
80H ~ FFH即SFR区。
用户RAM区
数据缓冲区、堆栈区、工作 单元
2FH / 30H
位寻址区 （位地址00H ~ 7FH ）
1FH / 20H
PC增1 PC DPTR P1锁存器 P1驱动器 P1.0-P1.7 P3锁存器 P3驱动器 P3.0-P3.7
1、中央处理单元（89C51 CPU） 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。如图2-2。 运算器 ALU—8位算术和逻辑运算 对4位(半字节)、8位(字节)、16位(双字节)操作 算术运算 -- 加、减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制 调整、比较 逻辑运算 -- 与、或、非、异或、求补、移位 TMP1，TMP2 – 8位暂存器 ACC – 8位累加器 累加器ACC经常作为一个操作数经TMP2进入ALU，与 来自TMP1的另一个操作数进行运算，结果存入ACC中 作为89C51内部数据传送的中间寄存器 大部分指令中用注记符A表示，进出堆栈指令时用注记 符ACC表示
一、89C51单片机的基本组成 图2-1所示位89C51带闪存(Flash ROM)单片机的基本结构 框图。
外部时钟 外部事件计数
振荡器和 时序OSC
程序存储器 4KB FlashROM
数据存储器 256B RAM/SFR
2×16位 定 时器/计数器
80C51 CPU
64KB总线 扩展控制器 可编程I/O 可编程全 双工串行口
MCS-51单片机内共有22个特殊功能寄存器，包括PC及SFR。 PC为程序计数器。它是一个双字节寄存器,寻址范围为: 0000H ～ FFFFH，即0 ～ 64KB。
2.1 89C51单片机的内部结构
4. 数据存储器 (1) 功能： 用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、 标志位等。
(2) 编址：
FFH 52子系列才有 FFH
SFR分布在 80H-FFH
其中11个可 位寻址
的RAM区
80H 7FH 80H
普通RAM区
89C51 128字节
30H 2FH 20H 1FH 00H
位寻址区 工作寄存器区
片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H—1FH)
FFH 52子系列才有 的RAM区 1FH 18H 17H 10H 0FH 08H 07H 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H
工作寄存器区3
工作寄存器区2
工作寄存器区1
R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 R0
80H 7FH
2
15
1
5
2/3
32
1
5/6
3. 程序存储器 (1) 功能： 用于存放编好的程序和表格常数。 (2) 编址：
0FFFFH
外部 ROM
1000H 0FFFH 内部 ROM 0000H (EA=1) 外部 ROM (EA=0) 0000H 0FFFH
片内ROM和片外ROM取指的速度相同
0000H 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 002BH
51系列单片机的存储器分为数据存储器和程序存储 器，其地址空间，存取指令和控制信号各有一套。
1. 物理结构
片内程序存储器
程序存储器ROM
89C51存储器
片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器
数据存储器ROM
2. 逻辑结构
FFH 特 殊 功 能 寄 存 器 80H 7FH 通用 RAM区 位寻址区 30H 2FH 20H 1FH 0FFFH 工作寄 存器区 0000H 0000H 1000H F0H E0H D0H B8H B0H A8H A0H 98H 90H 88H 80H 特 殊 FFFFH 功 能 寄 存 器 中 位 寻 址 F移位功能；位操作。
第2章 89C51单片机的结构及原理PPT课件
11
2. 数据存储器
FF
80
SFR RAM
30
位寻址区
20
工作 寄存器 0-3组
FFFF RAM
外部 RAM
00
0000
12
表 2.2 寄存器与RAM 地址对照表
13
表 2.3 RAM中的位寻址区地址表
14
内部数据存储器高128单元
（特殊功能寄存器区）
程序计数器PC 累加器A 寄存器B 状态字寄存器PSW
4
2.3 89C51系列单片机的引脚功能
2.3.1 89C51系列单片机引脚功能 2.3.2 三总线结构
5
图2-3（a）89C51系列单片机的引脚 6
表2.1 P3口的第二功能表
7
2.3.2 三总线结构
图2-3（b）89C51系列单片机功能引脚分类
(总线结构图）
8
2.4 89C51系列单片机的主要组成部分
外部 ROM EA=0
0000
FF
SFR 80 RAM
30 位寻址区
20
工作 寄存器 0-3组
00
FFFF RAM
外部 RAM
0000
10
1. 程序存储器
在程序存储器中有6个单元具有特殊功能： 0000H～0002H：是所有执行程序的入口
地址，89C51复位后，CPU总是从0000H单 元开始执行程序。 0003H：外部中断0入口。 000BH：定时器0溢出中断入口。 0013H：外部中断1入口。 001BH：定时器1溢出中断入口。 0023H：串行口中断入口。
0
1
3组
18H~1FH
R0~R7
堆栈指针SP：按照先进后出、后进先出 的原则存取RAM区域。
2. 数据存储器
FF
80
SFR RAM
30
位寻址区
20
工作 寄存器 0-3组
FFFF RAM
外部 RAM
00
0000
12
表 2.2 寄存器与RAM 地址对照表
13
表 2.3 RAM中的位寻址区地址表
14
内部数据存储器高128单元
（特殊功能寄存器区）
程序计数器PC 累加器A 寄存器B 状态字寄存器PSW
4
2.3 89C51系列单片机的引脚功能
2.3.1 89C51系列单片机引脚功能 2.3.2 三总线结构
5
图2-3（a）89C51系列单片机的引脚 6
表2.1 P3口的第二功能表
7
2.3.2 三总线结构
图2-3（b）89C51系列单片机功能引脚分类
(总线结构图）
8
2.4 89C51系列单片机的主要组成部分
外部 ROM EA=0
0000
FF
SFR 80 RAM
30 位寻址区
20
工作 寄存器 0-3组
00
FFFF RAM
外部 RAM
0000
10
1. 程序存储器
在程序存储器中有6个单元具有特殊功能： 0000H～0002H：是所有执行程序的入口
地址，89C51复位后，CPU总是从0000H单 元开始执行程序。 0003H：外部中断0入口。 000BH：定时器0溢出中断入口。 0013H：外部中断1入口。 001BH：定时器1溢出中断入口。 0023H：串行口中断入口。
0
1
3组
18H~1FH
R0~R7
堆栈指针SP：按照先进后出、后进先出 的原则存取RAM区域。
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PC增1 中断、串行口和定时器
PSW PC DPTR P1锁存器 P1驱动器 P1.0-P1.7 P3锁存器 P3驱动器
P3.0-P3.7
2.2.1 89C51单片机引脚
89C51单片机引脚图
三、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 输入端保持两个机器周期的高电平时，
图2－8 低128字节RAM区
图2－9 高128字节RAM区(SFR区，特 殊功能寄存器区)
(3) 程序状态寄存器PSW(D0H)
• PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各 位包含了程序执行后的状态信息，供程 序查询或判别之用。各位的含义及其格 式如表2-6所列。 • PSW除有确定的字节地址(D0H)外，每一 位均有位地址，见表2-6。
四、I/O端口P0、P1、P2和P3
准双向 P0口 P1口 P2口 P3口
1、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。
2、P0口：
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；
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。
外部时钟源 外部事件计数
振荡器和时序 OSC
程序存储器 4KBROM
数据存储器 256B RAM/SFR
2×16位 定时器/计数器
89C51 CPU
64KB 总线 扩展控制器
内中断
可编程I/O
可编程全双工 串行口
串行通信
外中断
控制
并行口
2.1.2 MCS-51单片机内部结构
一、结构图 二、结构组成
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、片内RAM：
• 片内数据存储器最大可寻址256个单元， 它们又分为两部分： 低128字节(00H～ 7FH)是真正的RAM区；高128字节 (80H～FFH)为特殊功能寄存器(SFR)区。 如图2-7所示。 • 高128字节和低128字节RAM中的配置及 含义如图2-8和图2-9所示。
一、物理结构（哈佛结构）
片内程序存储器 程序存储器ROM 89C51存储器 数据存储器ROM 片内数据存储器 片外数据存储器
片外程序存储器
二、用户角度
图2-4 89C51存储器配置
三、寻址方式：
（1）0000H～0002H三个单元： 用作上电复位后引导程序的存放单元。因
为复位后PC的内容为0000H，CPU总是从
就可以完成复位操作。
三、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。 ＊当该引脚接高电平时，CPU访问片内 EPROM/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。 ＊当该引脚接低电平时，CPU只访问片外 EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的程 序。
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89C51单片机内部 结构图
RAM地 址寄存器 128B RAM
P0.0-P0.7 P0驱动器
P2.0-P2.7
P2驱动器
P0锁存器
P2锁存器
4KB Flash ROM
程序地址 寄存器 B寄存器
暂存器1
暂存器2
ACC
SP
缓冲器
ALU PSEN ALE EA RST 定 时 控 制 指 令 译 码 器 OSC XTAL1 XTAL2 指 令 寄 存 器
第二章 MCS-51单片机的结构和原理
2.1 2.2 MCS-51单片机的结构 MCS-51单片机引脚及其功能
2.4
2.5 2.6 2.7 2.8
89C51存储器配置 CPU时时序
复位及复位电路 89C51单片机的低功耗工作方式 输出/输入端口结构 思考题与习题
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89C51单片机结构框图 如图2-1所示