第二章单片机硬件结构1Word格式文档下载.docx
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片外数据存储器可扩展到64KB；
18个特殊功能寄存器占21个字节；
（21个占26个字节）
4个8位I/O（输入/输出）口线P0、P1、P2、P3；
2个16位定时器/计数器；
（3个、对8032/8052）
1个具有5个中断源，2个优先级的嵌套中断结构；
1个全双工串行I/O口（通用异步接收发送器）；
111条指令，较强的位寻址、位处理能力
片内采用单总线，片外可扩展为3总线结构；
单一＋5V电源。
二、内部结构及工作原理见图2－2
工作原理：
将程序存入ROM中；
由振荡器产生控制信号；
在控制信号的控制下，从程序存储器中取出指令，将指令译码后，发出微控制序列信号，完成数据的运算、存储、传送；
程序计数器（PC）自动加1，取下一条指令，遇到跳转指令则跳转到相应的程序地址；
三、外部引脚说明
1）主电源引脚：
Vss和Vcc
VSS（20）接地，VCC（40）一般接+5V（包括对EPROM编程和验证）。
2）外接晶体 XTALI入端，XTAL2出端。
XTAL2（18）反向放大器的输出端；
XTAL1（19）反向放大器的输入端，一般外接晶振和电容。
3）控制或其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/Vpp
RST／VPD（9）复位／内存备用电源，当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
Vcc掉电期间，VPD引脚可接上备用电源,以保持内部RAM的数据。
ALE／（30）地址锁存控制／编程及冲输入
ALE/（30）当访问外部存贮器时，ALE的输出用于地址锁存的低位字节，ALE的频率为振荡器频率的1/6。
当不访问外部存贮器时，ALE可用作对外输出的时钟，或作定时器使用。
（检查单片机是否正常工作，可以用示波器检查ALE信号）
ALE可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL。
（反映端口的负载能力，通常把100μA电流定义为1个LSTTL负载的输入电流）
对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。
PSEN（29）外部程序存贮器读选通信号。
在有外部程序存贮器取指令（或常数）期间,每个机器周期两次PSEN有效。
（由于现在程序一般都在片内存储，该引脚应用很少）
PSEN同样可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL输入。
当EA／Ｖpp=1时，CPU访问内部程序存贮器，在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存贮器。
当EA／Ｖpp=0时，CPU始终访问外部程序存贮器。
在89C51系列单片机中，有闪速存储器E2PROM，给片内固化程序很方便，所以一般程序都在单片机片内存储，此时一定要将EA接高电平）
对于EPROM型单片机，在EPROM编程处理期间，此引脚用于施加Vpp（21伏）的编程电源（不同型号则编程电压不同）。
〈4〉输入／输出引脚P0.0~P0.7，P1.0~P1.7，P2.0~P2.7和P3.0~P3.7
P0.0~P0.7（39~32），P0是一个双向I/O口。
在访问外部存贮器时，它是分时复用的低八位地址和数据总线。
P1.0~p1.7（1~8），P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P2.0~P2.7（21~28），P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在访问外部存贮器时，它送出高8位地址。
P3.0~P3.7（10~17），P3是内部带上拉电阻的8位双向I/O口。
有第二功能。
第二节微处理器
一、运算器
1、算术逻辑单元ALU
完成加、减、逻辑运算、数据传送、程序转移等操作。
特点：
1）在B寄存器配合下可以完成乘法与除法操作。
2）可进行多种内容交换操作；
3）能作比较判跳；
4）有很强的位操作功能
2、寄存器
1）累加器ACC（Accumulator）：
存放操作数和结果，可以位寻址。
在8051中使用最频繁。
（特别要注意）
2）寄存器B：
配合A完成乘、除法运算。
（1）放第二操作数
（2）乘积高位字节
（3）除法的余数
3）程序状态字PSW（ProgrameStateWord）：
（教材中放到寄存器中）
D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H（地址）
CY
AC
F0
RS1
RS0
OV
F1
P
CY（C）－进位/借位标志；
位累加器。
有进（借）位时自动置1。
AC－辅助进/借位标志；
用于十进制调整。
第4、5位之间有进（借）位时自动置1。
F0、F1－用户定义标志位；
软件置位/清零。
检测、控制程序运行。
RS1、RS0－工作寄存器组选择位，后面讲。
OV－溢出标志；
硬件置位/清零。
1）加法：
最高位、次高位之一有进位时置1；
2）减法：
最高位、次高位之一有借位时置1；
3）乘法：
积大于255时置1
P－奇偶标志；
累加器A中1的个数为奇数P=1；
否则P=0。
在串行通信，若采用偶校验，将待发送的值送入A中,P就会按A中的奇偶赋值,然后将P送到发送的校验位。
二、控制器
组成：
指令寄存器、指令译码器、定时及控制等
作用：
按指令产生相应的操作时序和控制信号
三、振荡器和CPU时序
1、振荡器：
1）内部振荡方式：
89C51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲（如图2-4所示）。
对AT89xx，频率位12M，24M等。
2）外部振荡方式：
外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内（如图2-5所示）。
在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就构成了稳定的自激振荡器。
电容器Cl和C2通常都取30pF左右，对振荡频率有微调作用。
振荡频率范围是1．2—33MHz。
常用12MHz、24MHz。
2、几个周期概念
1）振荡周期：
为单片机提供时钟信号的振荡源的周期，一般为晶振频率。
2）机器状态周期：
是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。
89C51的片内振荡器及时钟发生器
3）机器周期：
通常将完成一个基本操作（访问存储器1次）所需的时间称为机器周期。
在此为12个振荡周期。
（注意，现在发展的趋势是减少机器周期的振荡周期）
4）指令周期：
是指CPU执行一条指令所需要的时间。
按指令不同，一个指令周期通常含有1～4个机器周期。
学习指令是要注意指令周期。
若89C51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：
振荡周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs
时钟周期＝2/12MHz＝0.167μs
机器周期＝12/12MHz=1μs
指令周期＝1～4μs（不同指令周期不同，学习指令时注意）
3、指令的执行周期
●每一条指令的执行都可以包括取指和执行两个阶段。
●在取指阶段，CPU从内部或者外部ROM中取出指令操作码及操作数，然后再执行这条指令的逻辑功能。
●在8051指令系统中，其指令可由单字节、双字节和三字节组成。
●从机器执行指令的速度看，单字节和双字节指令都可能是单周期或双周期，
●而三字节指令都是双周期，
●只有乘、除指令占四个周期。
在S1P2、S4P2，两次读指令。
●如果是单字节指令，在S4仍作读操作，但无效，且程序计数器PC不加1。
●图2－7分别给出了单字节单周期和双字节单周期指令的时序，都在S6P2结束时完成执行指令的操作。
●在ALE的下降沿S2P1、S5P1锁存P0地址信息。
●P2口高8位地址信息在ALE低电平期间有效。
●在每个机器周期的S5P2中断采样，若有中断，在下一个周期的S1期间响应。
第三节存储器
一、89C51系列存储器的特点
1、程序存储器ROM和数据存储器RAM分开编址；
2、ROM、RAM有片内片外之分。
二、程序存储器
1、程序计数器PC（programCounter程序当前执行的地址）
PC是一个16位的计数器，由两个八位寄存器PCH和PCL组成，用于存放一条要执行的指令地址，寻址范围为64kB，PC有自动加1功能，即完成了一条指令的执行后，其内容自动加1。
PC本身并没有给出地址，因而不可由用户寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序的执行顺序。
2、程序存储器的特点
1）对于8051,片内程序存储器（ROM）共4KB，地址为0000H~0FFFH;
对于8052,片内程序存储器（ROM）共8KB，地址为0000H~1FFFH;
8031、8032无片内程序存储器。
AT89C5x采用闪速存储技术，擦、写程序很快。
2）可扩展外部程序存储器，扩展量为64KB－内部存储器量。
当程序计数器由内部（8051为0FFFH）执行到外部（1000H）时,会自动跳转。
编址规律为先片内，后片外，片内、外连续。
如果要先执行片内的程序，必须给
引脚接高电平；
若
引脚为低电平，只访问片外程序存储器。
（一般不提倡扩展片外程序存储器，如不够可选不同的型号）
3）单片机复位后，程序从0000H开始运行，一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。
4）有5个（对8052为6个）单元地址为中断服务程序入口地址，见下表：
存储单元保留目的
0000H一0002H复位后初始化引导程序（经常在0000H放跳转语句）
0003H一000AH外部中断0
000BH一0012H定时器0溢出中断
0013H一001AH外部中断1
001BH一002AH定时器1溢出中断
0023H一002AH串行端口中断
002BH定时器2中断（8052才有）
注意：
对编写中断程序很重要
3、片内程序存储器的写入与加密
1）EPROM的写入，用编程器，擦除用紫外线照射。
平时应盖住照射口。
EEPROM可以用电擦除。
2）AT89Cxx采用闪速（Flash）存储技术，写和擦除的速度都很快，4K写约3s，擦除10ms；
可反复编程1000次以上；
数据可保持10－40年。
AT89Sxx系列可以在线编程。
3）加密，程序写入后可以经过加密，有些可以多达3道加密，可以方便的保护研究成果。
加密后，无法读出程序源代码。
三、
数据存储器
1、数据存储器的结构
数据存储器分为三部分是：
1）片内数据存储器。
片内数据存储器只有较少的字节，对于AT89C51只有256B，而AT89C52也只有256B＋128B，但在单片机中起到相当重要的作用，必须掌握。
其中128B是用于特殊功能寄存器，不能存储用户数据。
2）特殊功能寄存器。
专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。
在编程时用的很多，要求必须掌握。
在AT89C52中，片内数据存储器的高128字节地址与特殊功能寄存器的地址重叠，因此在访问片内数据存储器的高128字节，必须用简接寻址的指令访问。
3）外部数据存储器。
当内部数据存储器不够用时，可以扩展外部数据存储器，最多可以扩展64KB。
地址是0000H~0FFFFH。
片外数据存储器与片内数据存储器空间低地址0000H—00FFH是重迭的，CPU通过MOVX指令访问外部数据存储器,用间接寻址方式,R0、R1和DPTR都可作间接寄存器。
注意,外部RAM和扩展的I/O接口是统一编址的,所有的外扩I/O口都要占用64KB中的地址单元。
2、片内数据存储器
1）片内RAM的配置：
AT89C51单片机片内RAM的配置如下图：
图2－11片内RAM的配置
片内RAM为128字节,地址范围为00H~FFH,（有些教材为256B，含专用寄存器的128B字节。
）
2）工作寄存器：
作用：
供用户临时存放数据或8位地址，编程时使用频繁。
结构：
00H~1FH共32单元是4个通用工作寄存器区。
每一个区有8个通用寄存器R0~R7。
寄存器和RAM地址对应关系如下表：
注意：
a、寄存器名称与数据重叠，一个名称下有4个地址，如R2对应02H、0AH、12H、1AH,编程时到底是那一个地址呢，规定是当前工作寄存器的地址。
b、工作区的选择
用PSW寄存器中的RS0、RS1进行选择，见上表。
在单片机复位后，
RS1、RS0均为“0”、自动选择工作寄存器组0。
3）位寻址区
位寻址区（20H——2FH）共128个单元。
如下表：
位寻址区可以按位寻址，每一位对应有位地址。
也有字节地址，可以按字节寻址。
位地址与字节地址在名称上有完全重复的，如字节寻址中的20H，在位寻址中也有20H。
用指令进行区别。
4）数据缓冲区（30H－7FH）共80个单元，对于52系列（30H－FFH）共208个单元。
该单元由用户使用。
对52系列，高128字节其地址与特殊功能寄存器地址重叠，访问时要用间接寻址：
（在指令中要强调）
MOVR0,#80H
MOV@R0,#34H
上面语句是给52系列的80H单元写立即数34H。
5）三个区域统一编址，可以统一调度使用，如只用一个工作寄存器区，其他的可以作为用户区使用。
6）堆栈区域与栈指针SP（81H）（81H指堆栈寄存器的地址）
8051同一般微处理器一样，设有堆栈。
数据的存取是以“后进先出”的结构方式处理的。
这种数据结构方式对于处理中断、调用子程序都非常方便。
8051的堆栈结构属于向上生长型的堆栈。
在使用堆栈之前，先给SP赋值，以规定堆栈的起始位置，称为栈底。
当数据压入堆栈后，SP自动加1，即RAM地址单元加1以指出当前栈顶位置。
系统复位后，SP初始化为07H，即指向07H的RAM单元，数据从08H开始存放。
08H是工作寄存器的第一组地址，若工作寄存器或位寻址区要使用，必须改变堆栈区域，改变的方法是改变指针。
实际堆栈区一般在30H～7FH之间。
3、特殊功能寄存器（SFR）（也称作专用寄存器）
1）8051片内高128字节RAM中，有18个专用寄存器（SFR），占用21个字节；
（不含程序计数器PC外）
8052有21个专用寄存器（SFR），占用26个字节；
它们离散地分布在80H—FFH的RAM空间中。
2）访问特殊功能仅允许使用直接寻址方式。
3）在21（89C52）个特殊功能寄存器SFR中，有12（89C52）个特殊功能寄存器，它们的字节地址正好能被8整除（89C51是11个）。
具有位寻址能力，该位地址和位寻址区的地址连续排列。
没有位地址的不能按位访问，如TMOD、PCON。
4）几个特殊功能寄存器介绍
（1）数据指针DPTR（83H，82H）
●DPTR是一个16位的特殊功能寄存器，其高位字节寄存器用DPH表示（地址83H），低位字节寄存器用DPL表示（地址82H）。
●DPTR既可以作为一个16位寄存器来处理，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL使用。
●DPTR主要用以存放16位地址，以便对64K片外RAM作间接寻址。
（2）I／O端口P0—P3（80H，90H，A0H，B0H）
●P0—P3为四个8位特殊功能寄存器，分别是四个并行I／O端口的锁存器。
它们都有字节地址，每一个口锁存器还有位地址，所以每一条I／O线独立地用作输入或输出时，数据可以锁存；
作输入时，数据可以缓冲。
其他的在以后陆续介绍。
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