第3章 单片机结构及原理

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位寻址区 20H～2FH的16个单元的128位可位寻址，也可字节寻 址。
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用户RAM区（数据缓冲区） 30H～7FH的单元只能字节寻址，用作存数据以及作为堆
栈区。由于复位后堆栈指针SP自动指向07H（即工作寄存器
区），故在程序开始需要用指令将SP设置在30H以后。 ２.片外数据存储器 当片内128B的RAM不够用时，需外扩，最多可外扩64KB的 RAM。注意，片内RAM与片外RAM两个空间是相互独立的，片 内RAM与片外RAM的低128B的地址是相同的，但由于使用的 是不同的访问指令，所以不会发生冲突。
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3.1.1 AT89S51单片机的组成与结构
外部中断源
中断控制
程序存储器 数据存储器
总线控制
内部中断源
定时器2 定时器1 定时器0
计数器 输入
CPU
ISP 串行口 UART 串行端口 TXD RXD
振荡器
看门狗
I/O端口
P0P1P2P3
MISO MOSI CLK
图3.1 AT89S51/AT89S52单片机基本组成功能框图
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（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4组工作寄存器区选择 选择片内RAM区中的4组工作寄存器区中的某一组为当前工
Hale Waihona Puke 作寄存区见下表。（5）OV（PSW.2）溢出标志位 当执行算术指令时，用来指示运算结果是否产生溢出。如 果结果产生溢出，OV=1；否则，OV=0。
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（6）PSW.1位 保留位 （7）P（PSW.0）奇偶标志位
3.7.2 掉电运行模式
3.7.3 掉电和空闲模式下的WDT
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内容概要

AT89S51的片内硬件基本结构、引脚功能、存储器结构、特
殊功能寄存器功能、4个并行I/O口的结构和特点，

复位电路和时钟电路的设计,节电工作模式。
目的：通过本章学习，为AT89S51系统的应用设计打下基础。 在原理和结构上，单片机把微机的许多概念、技术与特 点都继承下来。用学习微机的思路来学习单片机。
片内的还是片外的程序存储器，
由 EA引脚电平确定。
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（2）程序存储器6个固定单元具有特殊用途 0000H:程序入口地址 5个特殊单元分别对应于5个中断源的中断入口地址，
见表3-3。
通常这5个中断入口地址处都放一条跳转指令跳向 对应的中断服务子程序，而不是直接存放中断服务子程 序。
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3.3.2 数据存储器空间 片内与片外两部分。 １.片内数据存储器 片内数据存储器（RAM）共为8位 地址，寻址范围为00H-FFH。 供用户使用的RAM为片内低128个 单元，字节地址为00H～7FH。图3-4 为片内数据存储器的结构。 低128字节的RAM区，可以分成3 个区： 00H-1FH 通用工作寄存器区 20H-2FH 位寻址区 图3-4 30H-7FH 用户RAM区
P3驱动器 P3.0 ~ P3.7
P3驱动器 P1.0 ~ P1.7
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XTAL1
主要功能部件和特性：

中央处理器CPU
主要完成运算和控制功能。
80C51的CPU是一个字长
为8位的中央处理器。

数据存储器RAM
用于存储变化的数据。
程序存储器ROM(Flash ROM)
用于存放程序和固定不变的常数。
译码，分析该指令要求实现的操作性质，如执行传送还是
加、减等操作。 执行指令阶段：取出操作数，然后按照操作码的性质对操
作数进行操作。
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例：
LJMP MOV
0200H A , #0E0H 机器码 74H , E0H
单片机指令执行过程示意图
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3.3
80C51的存储器
3.3.1存储器的结构和地址空间 通用计算机-冯· 诺伊曼结构：程序存储器和数据存储器 放在一个逻辑空间，统一编址。 80C51单片机-哈佛结构：程序存储器ROM和数据存储器 RAM在物理结构上是分开的，又有片内和片外之分。 80C51存储器空间在物理结构上可分为4类： 片内ROM、片外ROM 片内RAM、片外RAM
格式如下图所示。
4．暂存器
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2
控制器 任务：识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部
件，从而保证单片机各部分能自动协调地工作。
控制器包括：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定
时及控制逻辑电路等。功能是控制指令的读入、译码和执行 ，从而对各功能部件进行定时和逻辑控制。
1.程序计数器PC：是一个独立的16位计数器，用于存放和
单片机的工作原理
指令与程序概述
3.2.1
指令：是规定计算机执行特定操作的命令，CPU就是根据指令 来指挥和控制计算机各部件协调动作，完成规定操作。指令
通常分为操作码和操作数。例：
ADD
操作码
A ,
#23H
操作数
指令系统：计算机全部指令的集合
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3.2.2
CPU的工作原理
CPU由运算器和控制器构成。
（2）P1.0-P1.7：一般I/O口线
（3）P2.0-P2.7: 系统扩展:输出高8位地址信息 无 无外扩芯片:一般I/O口线 (4) P3.0-P3.7:除用作一般I/O口线
,还具有第二功能,如表3-1所示
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RD INT1 INT0 WR
表3-1 引脚P3.0-P3.7的第二功能
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3.2
30
3.3.3
特殊功能寄存器（SFR）
特殊功能寄存器又称SFR,主要用于管理片内和片外各
功能部件。特殊功能寄存器映射在片内RAM的 80H～FFH
区域中， AT89S51共21个（ AT89S52新增2个SFR )。 特殊功能寄存器可以按其名称符号访问也可以按地址 访问，一般按名称访问。如：MOV B,A。
外部数据存储器提供地址锁存信
号，将低8位地址锁存在片外的 地址锁存器中。
PROG ：引脚第二功能，对片内
PROG
Flash编程，为编程脉冲输入脚 （4） PSEN （29脚）：片外程序存 储器读选通信号，低电平有效。
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4
输入/输出引脚
（1）P0.0-P0.7： 系统扩展:分时传送低8位地址信息 和8位数据信息 无外扩芯片:一般I/O口线
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控制信号引脚
入，在引脚加上持续时间大于2个 机器周期的高电平，可使单片机 复位。
（1）RST (RESET，9脚):复位信号输
（2） EA /VPP (31脚):
EA ：引脚第一功能：外部程序
存储器访问允许控制端。 VPP：引脚第二功能，对片内 Flash编程，接编程电压.
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（3）ALE/ PROG （30脚）： ALE为CPU访问外部程序存储器或
指令执行完，累加器A中“1”的个数是奇数还是偶数。
PC的计数宽度决定了程序存储器的地址范围。PC为16 位，故可对64KB（=216B）寻址。 2.指令寄存器IR：暂时存放指令，等待译码。 3.指令译码器ID:对指令代码进行分析、译码，输出相应的
控制信号
4.定时与控制电路PLA:产生操作时序
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3.2.3 单片机执行程序的过程
单片机每执行一条指令都可分为3个阶段进行： 取指令阶段：根据PC 中的值，从程序存储器中读出现行 指令，送到指令寄存器中。 分析指令阶段：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行
有些SFR还可位寻址：字节地址末位只能是0H或8H。 一般按位名称访问。 如：SETB SETB EA；IE寄存器的最高位EA置1。 P1.0；P1口的最低位置1。
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1．程序状态字寄存器PSW PSW（Program Status Word）位于片内特殊功能寄存
器区，字节地址为D0H。
包含了程序运行状态的信息，其中4位保存当前指令执 行后的状态，供程序查询和判断。
指示下一条将要执行的指令的地址，不可访问。 PC工作过程是：CPU读指令时，PC的内容作为所取指令的地 址，程序存储器按此地址输出指令字节，同时PC自动加1。
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PC中内容变化轨迹决定程序流程。当顺序执行程序时 自动加1；执行转移程序或子程序、中断子程序调用时，
自动将其内容更改成所要转移的目的地址。
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运算器
对操作数进行算术、逻辑和位操作运算。主要包括算术 逻辑运算单元ALU、累加器A、位处理器、程序状态字寄存 器PSW及两个暂存器等。 1．算术逻辑运算单元ALU 可对8位变量逻辑运算（与、或、异或、循环、求补和清 零），还可算术运算（加、减、乘、除）
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ALU还有位操作功能，对位变量进行位处理，如置 “1”、清“0”、求补、测试转移及逻辑“与”、“或 ”等。 2．累加器A:使用最频繁的寄存器，可写为Acc。 3．程序状态字寄存器PSW:包含了程序运行状态的信息，其 中4位保存当前指令执行后的状态，供程序查询和判断。
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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。
AT89S51片内RAM结构
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通用工作寄存器区 00H～1FH 的32个单元是4组通用工作寄存器区， 每区包含8B，为R7～R0。可通过指令改变RS1、RS0两 位来选择。
PSW.4(RS1)
PSW.3(RS0)
当前使用的工作寄存器组R0~R7
0 0 1 1