第2章89c51单片机硬件结构和原理--教程课件.ppt
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1、1/8/2023目 录&第一章第一章 微机基础知识微机基础知识&第二章第二章 89C5189C51单片机的结构和原理单片机的结构和原理&第三章第三章 89C5189C51指令系统指令系统&第四章第四章 汇编语言程序设计知识汇编语言程序设计知识&第五章第五章 中断系统中断系统&第六章第六章 定时器及应用定时器及应用&第七章第七章 89C5189C51串行口及通信技术串行口及通信技术&第八章第八章 单片机小系统片外扩展单片机小系统片外扩展&第九章第九章 应用系统配置及接口技术应用系统配置及接口技术&附录附录A 89C51A 89C51指令系统表指令系统表&参考资料参考资料Exit1/8/20231
2、1/8/202342.1MCS-51单片机的结构单片机的结构42.2MCS-51单片机引脚及其功能单片机引脚及其功能42.389C51存储器配置存储器配置42.4CPU时序时序42.5复位及复位电路复位及复位电路42.689C51单片机的低功耗工作方式单片机的低功耗工作方式返回返回第二章第二章 MCS-51单片机的结构和原理单片机的结构和原理42.7输出输出/输入端口结构输入端口结构4 2.8 思考题与习题思考题与习题1/8/202321/8/20232.12.1MCS-51MCS-51单片机的结构单片机的结构:2.1.1 MCS-512.1.1 MCS-51单片机的基本组成单片机的基本组成:
3、2.1.2 MCS-512.1.2 MCS-51单片机内部结构单片机内部结构返回返回1/8/202331/8/20232.1.1 MCS-512.1.1 MCS-51单片机的基本组成单片机的基本组成一、组成一、组成二、二、MCS-51系列单片机的性能系列单片机的性能返回返回1/8/202341/8/2023一、组成一、组成89C51单片机结构框图单片机结构框图 如图如图2-1所示所示返回返回1/8/2023589C5189C51单片机结构框图单片机结构框图外中断外中断内中断内中断控制控制并行口并行口串行通信串行通信外部时钟源外部时钟源外部事件计数外部事件计数返回返回1/8/202361/8/2
4、023一、组成一、组成+一个一个8位位 的微处理器的微处理器CPU。返回返回1/8/202371/8/2023一、组成一、组成 用以存放可以读用以存放可以读/写的数据,如运算的中间结写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。果、最终结果以及欲显示的数据等。+片内数据存储器片内数据存储器(RAM128B/256B):返回返回1/8/202381/8/2023一、组成一、组成 用以存放程序、一些原始数据和表格。但有用以存放程序、一些原始数据和表格。但有一些单片机内部不带一些单片机内部不带ROM/EPROM,如,如8031、8032、80C31等。等。+片内程序存储器片内程序存储器Fl
5、ash ROM (4KB/8KB):返回返回1/8/202391/8/2023一、组成一、组成每个口可以用作输入,也可以用作输出。每个口可以用作输入,也可以用作输出。+四个四个8位并行位并行I/O(输入输入/输出)接口输出)接口P0P3:返回返回1/8/2023101/8/2023一、组成一、组成 每个定时每个定时/计数器都可以设置成计数方式,计数器都可以设置成计数方式,用以用以 对对 外部事件进行计数,也可以设置成定时外部事件进行计数,也可以设置成定时方式,并可以根据计数或定时的结果方式,并可以根据计数或定时的结果 实现计算机实现计算机控制。控制。+两个或三个定时两个或三个定时/计数器计数器
6、:返回返回1/8/2023111/8/2023一、组成一、组成 可实现单片机与单片机或其它微机之间串可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。行通信。+一个全双工一个全双工UART的串行的串行I/O口口:返回返回1/8/2023121/8/2023一、组成一、组成 但需外接晶振和电容。但需外接晶振和电容。+片内振荡器和时钟产生电路片内振荡器和时钟产生电路:返回返回1/8/2023131/8/2023一、组成一、组成+五个中断源的中断控制系统。五个中断源的中断控制系统。返回返回1/8/2023141/8/2023二、二、MCS-51系列单片机的性能系列单片机的性能如如表表2-1所示。表中型号带
7、所示。表中型号带“C”表示表示所用的是所用的是CMOS工艺,具有功耗低工艺,具有功耗低的优点。的优点。返回返回1/8/202315MCS-51系列单片机的性能表系列单片机的性能表返回返回1/8/2023161/8/20232.1.2 MCS-51单片机内部结构单片机内部结构一、结构图一、结构图二、结构组成二、结构组成返回返回1/8/2023171/8/2023一、结构图一、结构图由由 中央处理单元(中央处理单元(CPU)、)、存储器存储器(ROM及及RAM)和和I/O接口接口组成。组成。MCS-51单片机内部结构如单片机内部结构如 图图2-2所示所示。返回返回1/8/202318P0.0-P0
8、.7P2.0-P2.7P3.0-P3.7P1.0-P1.7XTAL1 XTAL2PSENALEEARET89C5189C5189C5189C51单片机单片机单片机单片机内部结构图内部结构图内部结构图内部结构图返回返回1/8/2023191/8/2023二、结构组成二、结构组成(一)、中央处理单元(一)、中央处理单元(CPU)(二)、存储器(二)、存储器(三)、(三)、I/O接口接口返回返回1/8/2023201/8/2023(一)、中央处理单元(一)、中央处理单元(CPU)1运算器运算器返回返回2控制器控制器1/8/2023211/8/20231运算器运算器(1)8位的位的ALU:返回返回(2
9、)8位累加器位累加器ACC(A):):(3)8位程序状态寄存器位程序状态寄存器PSW:(4)8位寄存器位寄存器B:(5)布尔处理器:布尔处理器:(6)2个个8位暂存器:位暂存器:1/8/2023221/8/20231运算器运算器可对可对4 4位、位、8 8位、位、1616位数据进行操作。位数据进行操作。返回返回(1 1)8 8位的位的ALUALU:1/8/2023231/8/20231运算器运算器(2)8位累加器位累加器ACC(A):):它经常作为一个运算数经暂存器它经常作为一个运算数经暂存器2 2进入进入ALUALU的输入端,与另一个来自暂存器的输入端,与另一个来自暂存器1 1的运算数进行运
10、算,运算结果又送回的运算数进行运算,运算结果又送回ACCACC。返回返回1/8/2023241/8/20231运算器运算器指示指令执行后的状态信息供程序查询指示指令执行后的状态信息供程序查询和判别用。和判别用。(3)8位程序状态寄存器位程序状态寄存器PSW:返回返回1/8/2023251/8/20231运算器运算器(4)8位寄存器位寄存器B:在乘除运算时,用来存放一个操作数也在乘除运算时,用来存放一个操作数也用来存放运算后的一部分结果;如不用来存放运算后的一部分结果;如不能做乘除运算时,作为通用寄存器。能做乘除运算时,作为通用寄存器。返回返回1/8/2023261/8/20231运算器运算器(
11、5)布尔处理器:)布尔处理器:专门用于处理位操作的,以专门用于处理位操作的,以PSWPSW中的中的C C为为其累加器。其累加器。返回返回1/8/2023271/8/20231运算器运算器(6)2个个8位暂存器:位暂存器:ALUALU的两个入口处。的两个入口处。返回返回1/8/2023281/8/20232控制器控制器(1)程序计数器)程序计数器PC(16位)位)(2)指令寄存器)指令寄存器IR及指令译码器及指令译码器ID(3)振荡器和定时电路)振荡器和定时电路返回返回1/8/2023291/8/2023(1)程序计数器)程序计数器PC(16位)位)由两个由两个8 8位计数器位计数器PCHPCH
12、、PCLPCL组成。组成。PCPC是程序的字节地址计数器,是程序的字节地址计数器,PCPC内内容为将要执行的指令地址。容为将要执行的指令地址。改变改变PCPC内容,改变执行的流向。内容,改变执行的流向。PCPC可对可对64KB64KB的的ROMROM直接寻址,也可对直接寻址,也可对89C5189C51片内片内RAMRAM寻址寻址。返回返回1/8/2023301/8/2023(2)指令寄存器)指令寄存器IR及指令译码器及指令译码器ID由由PCPC中的内容指定中的内容指定ROMROM地址,取出来地址,取出来的指令经的指令经IRIR送至送至IDID,由,由IDID对指令译对指令译码产生一定序列的控制
13、信号,以执码产生一定序列的控制信号,以执行指令所规定的操作。行指令所规定的操作。返回返回1/8/2023311/8/2023(3)振荡器和定时电路)振荡器和定时电路89C5189C51单片机片内有振荡电路,只需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(外接石英晶体和频率微调电容(2 2个个30pF30pF左右),其频率范围为左右),其频率范围为1.2MHz1.2MHz12MHz12MHz。该信号作为该信号作为89C5189C51工工作的基本节拍即时间的最小单位。作的基本节拍即时间的最小单位。返回返回1/8/2023321/8/2023(二)、存储器(二)、存储器1、程序存储器(、程
14、序存储器(ROM)2、数据存储器(、数据存储器(RAM)返回返回1/8/2023331/8/20231、程序存储器(、程序存储器(ROM)2地址从地址从0000H0000H开始。开始。2用于存放程序和表格常数。用于存放程序和表格常数。返回返回1/8/2023341/8/20232、数据存储器(、数据存储器(RAM)2地址为地址为00H00H7FH7FH。2用于存放运算的中间结果、数据暂存以用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。及数据缓冲等。2这这128B128B的的RAMRAM中有中有3232个字节单元可指定为个字节单元可指定为工作寄存器。工作寄存器。2片内还有片内还有2121个特殊
15、功能寄存器(个特殊功能寄存器(SFRSFR),),它们同它们同128128字节字节RAMRAM统一编址,地址为统一编址,地址为80H80HFFHFFH。后面详细介绍。后面详细介绍。返回返回1/8/2023351/8/2023(三)、(三)、I/O接口接口289C5189C51有四个有四个8 8位并行位并行I/OI/O接口接口P0P0P3P3。2它们都是双向端口,每个端口各有它们都是双向端口,每个端口各有8 8条条I/OI/O线。线。2P0-P3P0-P3口四个锁存器同口四个锁存器同RAMRAM统一编址,统一编址,可作为可作为SFRSFR来寻址。来寻址。返回返回1/8/2023361/8/202
16、32.2 MCS-51单片机引脚及其功能单片机引脚及其功能2.2.1MCS-51单片机引脚单片机引脚2.2.2 MCS-51单片机引脚功能单片机引脚功能返回返回1/8/2023371/8/20232.2.1 89C51单片机引脚单片机引脚89C5189C51单片机引脚如单片机引脚如图图2-32-3所示。所示。返回返回1/8/20233889C5189C51单片机引脚图单片机引脚图返回返回1/8/2023391/8/20232.2.2 89C51单片机引脚功能单片机引脚功能一、电源引脚:一、电源引脚:Vcc和和Vss二、时钟电路引脚:二、时钟电路引脚:XTAL1和和XTAL2三、控制信号引脚三、
17、控制信号引脚RST、ALE、PSEN和和EA四、四、I/O端口端口P0、P1、P2和和P3返回返回1/8/2023401/8/2023一、电源引脚:一、电源引脚:Vcc和和Vss1Vcc(40脚):电源端,为+5V。2Vss(20脚):接地端。返回返回图图2-32-31/8/2023411/8/2023二、时钟电路引脚:二、时钟电路引脚:XTAL1和和XTAL2XTAL2XTAL2(1818脚):接外部晶体和微调电容的一脚):接外部晶体和微调电容的一端;在端;在89C51 89C51 片内它是振荡电路反向放大器的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。输出端,振荡电
18、路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时,该引脚输入外部时若需采用外部时钟电路时,该引脚输入外部时钟脉冲。钟脉冲。89C51/803189C51/8031正常工作时,该引脚应有正常工作时,该引脚应有脉冲信号输出。脉冲信号输出。返回返回1/8/2023421/8/2023XTAL1XTAL1(1919脚):接外部晶体和微调脚):接外部晶体和微调电容的另一端;在片内它是振荡电电容的另一端;在片内它是振荡电路反向放大器的输入端,在采用外路反向放大器的输入端,在采用外部时钟时,该引脚接地。部时钟时,该引脚接地。二、时钟电路引脚:二、时钟电路引脚:XTAL1和和XTAL2返回返回1/8/2023
19、431/8/2023 三、控制信号引脚:三、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和和EARST/VRST/VPDPD(9 9脚):脚):RSTRST:复位信号输入端,高电平有效。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当此输入端保持两个机器周期的高电平时,就可以完成复位操作。平时,就可以完成复位操作。返回返回1/8/2023441/8/2023RST/VRST/VPDPD(9 9脚):脚):V VPDPD :RSTRST引脚的第二功能,备用电源引脚的第二功能,备用电源输入端。当主电源输入端。当主电源VccVcc 发生故障,降发生故障,降低到低电平规定值时,将低到低电平规定
20、值时,将+5V+5V电源自动电源自动接入该引脚,为接入该引脚,为RAMRAM提供备用电源,以提供备用电源,以保证保证RAMRAM中的信息不丢失,使得复位后中的信息不丢失,使得复位后能继续正常运行。能继续正常运行。三、控制信号引脚:三、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和和EA返回返回1/8/2023451/8/2023ALE/PROG(30脚):ALEALE:地址锁存允许信号端。正常工作地址锁存允许信号端。正常工作时,该引脚以振荡频率的时,该引脚以振荡频率的1/61/6固定输出固定输出正脉冲。正脉冲。CPUCPU访问片外存储器时,该引访问片外存储器时,该引脚输出信号作为锁存低脚输出信号作为
21、锁存低8 8位地址的控制位地址的控制信号。它的负载能力为信号。它的负载能力为8 8个个LSLS型型TTLTTL负负载。载。三、控制信号引脚:三、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和和EA返回返回1/8/2023461/8/2023ALE/PROG(30脚):PROGPROG:是对片内带有是对片内带有4KB EPROM4KB EPROM的的87518751编程写入时的编程脉冲输入端。编程写入时的编程脉冲输入端。三、控制信号引脚:三、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和和EA返回返回1/8/2023471/8/2023PSEN(29脚):程序存储器允许信号输出端。程序存储器允许信号输出端。
22、在访问片外在访问片外ROMROM时,定时输出负脉冲作时,定时输出负脉冲作为读片外为读片外ROMROM的选通信号,接片外的选通信号,接片外ROMROM 的的OEOE端。端。它的负载能力为它的负载能力为8 8个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。三、控制信号引脚:三、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和和EA返回返回1/8/2023481/8/2023EA/Vpp(31脚):EAEA:外部程序存储器地址允许输入端。外部程序存储器地址允许输入端。当该引脚接高电平时,当该引脚接高电平时,CPUCPU访问片内访问片内EPROM/ROMEPROM/ROM并执行片内程序存储器中的指并执行片内程序存储器
23、中的指令,但当令,但当PCPC值超过值超过0FFFH0FFFH(片内片内ROMROM为为4KB4KB)时,将自动转向执行片外时,将自动转向执行片外ROMROM中的程中的程序。序。当该引脚接低电平时,当该引脚接低电平时,CPUCPU只访问片外只访问片外EPROM/ROMEPROM/ROM并执行外部程序存储器中的程并执行外部程序存储器中的程序。序。三、控制信号引脚:三、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和和EA返回返回1/8/2023491/8/2023EA/Vpppp(31脚):脚):V Vpppp:对:对87518751片内片内EPROMEPROM固化编程时,固化编程时,编程电压输入端(编
24、程电压输入端(12-21V12-21V)。)。三、控制信号引脚:三、控制信号引脚:RST、ALE、PSEN和和EA返回返回1/8/2023501/8/2023四、四、I/OI/O端口端口P0P0、P1P1、P2P2和和P3P31 1、准双向、准双向2 2、P0P0口口3 3、P1P1口口4 4、P2P2口口5 5、P3P3口口返回返回1/8/2023511/8/20231、准双向、准双向当当I/OI/O口作为输入时,应先向此口锁口作为输入时,应先向此口锁存器写入全存器写入全1 1,此时该口引脚浮空,此时该口引脚浮空,可作高阻抗输入。可作高阻抗输入。返回返回1/8/2023521/8/20232
25、、P0口:口:漏极开路的漏极开路的8 8位准双向位准双向I/OI/O口,每位口,每位能驱动能驱动8 8个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。P0P0口可作为一个数据输入口可作为一个数据输入/输出口;输出口;在在CPUCPU访问片外存储器时,访问片外存储器时,P0P0口为分口为分时复用的低时复用的低8 8位地址总线和位地址总线和8 8位数据位数据总线。总线。返回返回1/8/2023531/8/20233、P1口:口:带带内内部部上上拉拉电电阻阻的的8位位准准双双向向I/O端端口,每位能驱动口,每位能驱动4个个LS型型TTL负载。负载。返回返回1/8/2023541/8/20234、P2口:口:
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