单片机原理及应用12 第二章 AT89系列单片机的硬件体系结构
AT89C51单片机的基本结构和工作原理
AT89C51单片机的基本结构和工作原理AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，由美国公司Intel （现已被英特尔收购）开发。
它采用CMOS技术制造，在各种工业、汽车和家用电器等领域广泛应用。
AT89C51的基本结构和工作原理如下：一、基本结构：1.中央处理单元（CPU）：中央处理单元是AT89C51单片机的控制中心，负责执行程序指令、算术运算和逻辑操作等。
它包括一个8位的累加寄存器ACC、一个8位的指令寄存器IR和一个8位的程序计数器PC。
2.存储器：AT89C51单片机包括4KB的内部闪存ROM用于存储程序代码，并具有可擦写和可编程的特性。
此外，还有128字节的RAM用于存储各种变量和中间结果。
3.输入输出端口（IO）：AT89C51单片机有四个8位的IO口（P0、P1、P2和P3），可分别用作输入和输出。
每个IO口都可以设置为输入或输出模式，并且可以具有内部上拉电阻。
4. 定时器/计数器：AT89C51单片机包含两个定时器/计数器（Timer 0和Timer 1），用于产生定时和延时功能。
这两个定时器/计数器都可以工作在8位或16位模式下，并可以设置为定时、计数和波形发生器等不同功能。
5.串行数据通信接口（控制模式）：AT89C51单片机具有一个可编程的串行数据通信接口，支持全双工和半双工模式。
它可以与其他外部设备如传感器、LCD显示器和电脑等进行通信。
二、工作原理：1.程序执行过程：首先，AT89C51单片机将程序代码从ROM存储器中读取到指令寄存器IR中。
然后，指令寄存器将指令传输给中央处理单元CPU。
CPU根据指令类型执行不同的操作，如算术运算、逻辑判断、数据读写等。
执行完一条指令后，程序计数器PC将自动递增，指向下一条指令的地址，继续执行。
2.IO交互：AT89C51单片机的IO口可以用作输入和输出。
在输入模式下，IO口可以接收来自外部设备的信号，并传输给中央处理单元CPU。
第2章 AT89S51单片机原理与基本应用系统
单片机实用教程第2章AT89S51单片机原理与基本应用系统本章主要内容1、单片机的内部结构与引脚功能2、单片机存储器空间配臵与功能3、汇编语言指令格式与内部RAM的操作指令4、单片机I/O输入输出端口结构及工作原理5、单片机基本应用系统一、AT89S51单片机内部结构（1）一个8位的CPU；（2）一个片内振荡器及时钟电路；（3）4KB的Flash ROM；（4）128B的内部RAM（5）可扩展64KB外部ROM和外部RAM的控制电路；（6）两个十六位的定时/计数器；（7）26个特殊功能寄存器（双数据指针）；（8）4个8位的并行口；（9）一个全双工的串行口；（10）5个中断源，两个外部中断，三个内部中断；（11）内部硬件看门狗电路；（12）一个SPI串行接口，用于芯片的在系统编程（ISP）。
1、电源VCC （P40）——芯片电源，接+5V 。
VSS （P20）——接电源地。
二、AT89S51单片机引脚功能2、时钟XTAL1（P19）——晶体振荡电路的反相器输入端XTAL2（P18）——晶体振荡电路的反相器输出端。
使用内部振荡电路时，该引脚外接石英晶体和补偿电容。
使用外部振荡输入时从XTAL2输入，此时XTAL1需接地。
3、控制控制引脚有4个，先学习其中的两个。
（1）RST/VPD——复位/备用电源RST复位功能是单片机正常工作必不可少的，因为复位可以使单片机从程序的开头运行，使单片机按照人们设计的程序运行，在单片机系统上电开始工作，或单片机系统由于外界干扰偏离正常运行，都需要复位。
AT89S51单片机是高电平复位，只要在该引脚上一段时间（两个机器周期以上）的高电平，单片机就复位。
在正常运行程序时该引脚为低电平。
VPD功能是在VCC掉电情况下，该引脚接备用电源，向片内的RAM供电，使RAM中的数据不丢失。
3、控制（2）EA/VPP——内外ROM选择/EPROM编程电源在通常的应用中EA功能是作为内部和外部ROM的选择端。
AT89C51单片机结构和原理
AT89C51单片机结构和原理一、结构1.CPUAT89C51采用了MCS-51指令集架构。
它拥有一个8位的累加器(A)和一个8位的状态字寄存器（PSW），以及一组8位的通用寄存器（R0～R7）。
它还包含若干片内部特殊功能寄存器（SFR），用于控制和通信。
2.存储器（1）程序存储器：程序存储器用于存储用户编写的程序代码，它的容量为64KB，可以存储16位的指令。
程序存储器采用闪存技术，可擦写和重新编程。
（2）数据存储器：数据存储器用于存储程序运行中的各种数据，包括RAM和ROM两种类型。
- RAM(Random Access Memory)：AT89C51具有128字节的RAM空间，用于存储临时变量和数据。
- ROM(Read Only Memory)：AT89C51拥有4KB的ROM空间，用于存储常量和只读数据。
3.计时/计数器4.I/O口二、原理1.时钟2.中断AT89C51单片机支持两种类型的中断：外部中断和定时器/计数器中断。
外部中断可以由外部设备触发，如按键等；定时器/计数器中断可以由定时器溢出或计数到达指定值时触发。
中断允许在程序执行的任何时候跳转到一个中断服务程序并执行完后返回。
3.I/O口4.程序执行（1）取指令：CPU从程序存储器中读取指令，并将其存储在指令寄存器IR中。
（2）译码：CPU根据IR中的指令，识别出需要执行的操作，并将该操作传递给相应的功能单元。
（3）执行：根据译码结果，通过ALU（算术逻辑单元）对数据进行运算和逻辑操作。
（4）更新：将执行结果存储在目标寄存器或内存中，并更新状态字寄存器PSW。
总结：AT89C51单片机是一种经典的8位单片机，它的结构主要包括CPU、存储器、计时/计数器和I/O口。
它采用闪存技术的程序存储器、RAM和ROM的数据存储器，具有时钟、中断、I/O口和程序执行的原理。
AT89C51单片机广泛应用于各种嵌入式系统中，具有强大的功能和灵活的扩展性。
单片机原理及应用第2章AT89s51单片机的 硬件结构
AD0 控制 地址/数据
BUF2
D
Q
锁存器
C
Q
1 0
多路开关
读引脚
P0R2
BUF1
图1、P0口内部结构
Vcc
P00
说明： 1、当控制信号为0时，P0口做双 输向出I/锁O口存，器为漏极开路（三态） 2、两控个制输信入号缓为冲1时器，(BUPF01口和为BU地F2)址/ 推数拉据式复I/用O驱总线动器
2.2.3 I/O口引脚 P0：双向8位三态口，A7~A0/D7~D0，开漏输出，
作为输出口时，须外加上拉电阻，可驱动8个 TTL负载。
P1，P2,P3：
8位准双向口，片内有上拉电阻，作输入口 时，须先写入“1”，可驱动4个TTL负载。
P1：通用I/O
P2：I/O口/A15~A8
P3：I/O口/第二功能
多路开关
1) 功能：用于控制选通I/O方式
3、还P是0R地1为址读/数锁据存输器出信方号式， 2) 方执式行控“制AN：L由P内0,部#0控FH制”信时号
产该生信号有效
4、P0R2为读引脚信号，执行 “MOV A,P0”时该信号有效
6、读引脚（端口）时，输出 锁存器应为“1”
P0口：
作输出口时，外须接上拉电阻，才能输出“1” P0~P3作为输入口使用时，必须先向其锁存器写入
2.4.3 特殊功能寄存器（SFR）
26个:80H~FFH, 有些SFR可以进行位寻址
这里简单介绍一些SFR 1．堆栈指针SP
①SP:8位, 指示栈顶
7FH 片内RAM
SP
XX
②向上生长型
PUSH后，(SP)+1SP POP后，(SP)-1SP
堆栈
AT89C51单片机的基本结构和工作原理
AT89C51单片机的基本结构和工作原理1.基本结构：-CPU：中央处理单元是AT89C51的核心部分，负责运算和控制。
它包括一个8位累加器和一组寄存器，用于存储指令和数据。
CPU能够执行各种指令，包括算术逻辑运算、条件分支、循环等。
-存储器：AT89C51具有两个存储器，即程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。
ROM存储程序代码，RAM存储数据和临时变量。
存储器的容量可以根据芯片型号而有所不同。
-输入输出（I/O）口：AT89C51具有一组可编程的I/O引脚，用于与外部设备进行数据交换。
这些引脚可以配置为输入或输出，以满足不同的应用需求。
-定时器/计数器：AT89C51具有可编程的定时器和计数器，用于产生精确的时间延迟和计数操作。
定时器可以用于生成周期性的中断信号，计数器可以用于计数外部事件的频率。
-串行通信接口（UART）：AT89C51具有一个UART模块，支持异步串行通信协议。
它可以用于与其他设备（如计算机或外部传感器）进行数据交换。
2.工作原理：-程序加载：首先，程序代码被加载到ROM中。
程序的执行从存储器的固定地址开始，CPU按照指令的顺序逐条执行。
-指令执行：CPU从ROM中读取指令，并将其存储在指令寄存器中。
然后，CPU根据指令类型执行相应的操作。
这可能涉及算术逻辑运算、数据传输、条件判断等。
-I/O操作：当需要与外部设备交换数据时，CPU通过I/O口与之连接。
通过设置引脚的状态（输入或输出），CPU可以读取传感器数据或向外部设备发送控制信号。
-定时器和计数器操作：定时器和计数器可用于生成精确的时间延迟或计数特定事件的频率。
CPU可以通过配置定时器参数来实现所需的延迟或频率。
-中断处理：AT89C51支持中断机制，允许外部设备向CPU发送中断请求。
当中断信号触发时，CPU会立即停止当前工作，转而执行中断服务程序。
一旦中断服务程序执行完毕，CPU会返回到原来的工作状态。
总之，AT89C51是一种功能强大的8位微控制器，它的基本结构包括CPU、存储器、I/O口、定时器/计数器和UART等。
89C51单片机硬件结构和原理
ALU PSEN ALE EA RET 定 时 控 制 指 令 译 码 器 OSC XTAL1 XTAL2 指 令 寄 存 器
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
第2 章
89C51单片机硬件结构和原理
VPP：用于在对89c51的片内Flash ROM编程时，施加 (12V～21V）高压的输入端。
4. I/O端口 P0～P3
（1） P0口（P0.0～P0.7，39～32pin，I/O） 是漏极开路的8位准双向 I/O 端口。
G
D S
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。
第2 章
89C51单片机硬件结构和原理
（3） P2口（P2.0～P2.7，21－28，I/O)
带内部上拉电阻的8位 准双向I/O端口。 ① 当有外部存贮器时，用作高8 位地址总线。 ② 当无外部存贮器时，可用作一般I/O线。输出输入时的情 况同P1口。
（4） P3口（P3.0～P3.7，10～17pin，I/O） 双功能口。 带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。 每位能驱动4个LS型TTL负载。 P3口除作为一般I/O口外，每个引脚都有第二功能。 第一功能：一般I/O口，准双向，输出输入时的情况同P1口。 第二功能：系统控制信号，定义如下：
第2 章
89C51单片机硬件结构和原理
第2 章
89C51单片机硬件结构和原理
与8051相比，89C51具有两种用软件选择的节电工作方式——
空闲方式：CPU停止工作，RAM、定时/计数器、中断系统等继续工作。
第2章 AT89S51单片机的片内硬件结构(共112张PPT)
低8位地址锁存在片外地址锁存器中。
PROG为该引脚的第二功能，在对片内Flash存储器编程时 ，此引脚作为编程脉冲输入端。
〔4〕PSEN〔Program Strobe ENable，29脚〕 片内或片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。
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〔2〕EA/ VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programing，31脚) 〔External Access Enable〕为该引脚的第一功能：外部程序存储器 访问允许控制端。
当EA=1时，在单片机片内的PC值不超出0FFFH〔即不超出片内 4KB Flash存储器的最大地址范围〕时，单片机读片内程序存储器〔 4KB〕中的程序代码，但PC值超出0FFFH〔即超出片内4KB Flash 存储器地址范围〕时，将自动转向读取片外60KB〔1000H～FFFFH 〕程序存储器中的程序代码。
双向口P0与P1口、P2口、P3口这3个准双向口相比，多了一个 高阻输入的“悬浮〞态。这是由于P0口作为数据总线使用时，多个 数据源都挂在数据总线上，当P0口不需与其他数据源打交道时，需 要与数据总线高阻“悬浮〞隔离。而准双向I/O口那么无高阻的“悬 浮〞状态。另外，准双向口作通用I/O的输入口使用时，一定要向该 口先写入“1〞。以上的准双向口与双向口的差异，在学习本章2.5节 的P0~P3口的内部结构后，将会有更深入的理解。
〔1〕电源及时钟引脚—VCC、VSS；XTAL1、XTAL2； 〔2〕控制引脚—PSEN、ALE/PROG、EA/ VPP、RST〔即RESET
〕；
〔3〕I/O口引脚—P0、P1、P2与P3，为4个8位并行I/O口的外部引脚。
at89c51 工作原理
at89c51 工作原理AT89C51是一种单片机型号，下面将详细介绍其工作原理。
AT89C51是一款基于MCS-51体系结构的8位单片机。
它由一个中央处理器单元（CPU）、存储器、输入/输出端口以及定时/计数器等组成。
其工作原理如下：1. 程序存储器：AT89C51内部集成了4KB的闪存程序存储器，用于存储控制程序。
闪存存储器的内容可以通过编程来更改，使单片机适应不同的应用需求。
2. 数据存储器：AT89C51内部包含RAM和SFR特殊功能寄存器。
RAM用于存储变量和临时数据，SFR寄存器用于存储控制和状态信息。
3. I/O端口：AT89C51具有4个I/O端口（P0、P1、P2、P3），可用于连接外部设备。
每个端口都有8个引脚，每个引脚都可以配置为输入或输出，并具有上下拉电阻等功能。
4. 定时/计数器：AT89C51内部包含两个16位定时/计数器（Timer 0和Timer 1）。
它们可以用于测量时间间隔、生成延时、产生脉冲信号等。
定时/计数器可以配置为定时模式或计数模式，并可以通过软件或硬件触发启动。
5. 中断系统：AT89C51支持外部和内部中断。
它具有6个可屏蔽的外部中断源，可以连接到外部设备的引脚上。
同时，它还具有两个内部定时器中断（Timer 0和Timer 1的溢出中断）。
6. 控制单元：AT89C51的控制单元负责将程序存储器中的指令读取到指令缓冲器中，并执行这些指令。
控制单元还包含指令译码器，用于识别和执行各种指令操作。
AT89C51的工作原理是通过控制单元按照存储在程序存储器中的指令序列来实现的。
它可以实现多种功能，如数据处理、输入/输出控制、定时/计数、中断处理等。
在特定的应用场景中，可以通过编程来配置和控制AT89C51的工作方式，从而实现所需的功能。
单片机第2章 AT89S51硬件结构
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控制信号引脚
PSEN （29引脚） ：外部程序存储器（ROM）读选通信号 访问外部ROM时，PSEN产生负脉冲作为外部ROM选通信号。 访问外部RAM或内部ROM时，不会产生有效的PSEN信号。 PSEN可驱动8个LSTTL门。 EA/VPP（31引脚）：EA为访问程序存储器（ROM）控制信号 当 EA为高电平时，若访问的地址空间在 0~4KB （ PC<0FFFH）范
D0-D7 P0.0-P0.7 ALE EA PSEN P2.0-P2.4 8031 8D G 8Q A0-A7
OE
OE A8-A12 CE
锁存器 74LS373
EPROM
Note:读取外部ROM时，每个机器周期产生两次PSEN有效信号； 执行片内ROM取指时，不产生PSEN信号。
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§ AT89S51的 CPU
复位使单片机进入某种确定的初始状态：
1） PC (Programe Counter)值归零(0000H) 2）各个SFR被赋予初始值 3）退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切程 序进程、退出程序的死循环，从头开始。
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控制信号引脚
ALE / PROG （30引脚） ：地址锁存允许/编程脉冲信号端
片内20KB），如片内容量不够，片外可外扩至64KB。
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（4）中断系统
具有5个中断源，2级中断优先权。 （5）定时器/计数器 2个16位定时器/计数器（52子系列有3个），4种工作方式 （6）1个看门狗定时器WDT
当CPU由于干扰使程序陷入死循环或跑飞时，WDT可使程序恢
复正常运行。 （7）串行口 1个全双工的异步串行口，4种工作方式。可进行串行通信， 扩展并行I/O口，还可与多个单片机构成多机系统。
第2章AT89C51单片机结构和原理
一个全双工串行口
2个16定时器/计数器 5个中断源，两个优先级
可进行64KB的寻址
第2章
AT89C51单片机结构和原理
二、单片机应用模式
1. 带总线扩展引脚的产品（总线型）
一般的微处理器都设有单独的地址、数据、控制总线。但单片机由于芯片引 脚数量限制，数据总线和地址总线才有复用方式。典型产品如AT89C51。
P 0 .4 (A D 4 ) P 0 .5 (A D 5 ) P 0 .6 (A D 6 ) P 0 .7 (A D 7 ) E A / VP P NC A L E /PRO G PSE N P 2 .7 (A 1 5 ) P 2 .6 (A 1 4 ) P 2 .5 (A 1 3 )
G N D
N C
第2章
AT89C51单片机结构和原理
3. 外接晶体引脚 AT89C51单片机的外接晶体引脚有以下两种： (1) XTAL1：片内振荡器反相放大器的输入端和内 部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部 石英晶体和微调电容的一个引脚。
(2)
XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端，接
外部石英晶体和微调电容的另一端。采用外部振荡器 时，该引脚悬空。
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）
第2章
AT89C51单片机结构和原理
1. P0~P3口 P0口：一般I/O口引脚或数据/低位地址总线复用引脚
第2章 89C51单片机单片机的硬件结构
第2章 89C51单片机单片机的硬件结构第 2 章 89C51 单片机的硬件结构单片机作为一种集成电路芯片，在现代电子技术领域中扮演着至关重要的角色。
89C51 单片机更是其中应用广泛的一款，了解其硬件结构对于掌握单片机的工作原理和应用开发具有重要意义。
89C51 单片机的硬件结构主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）端口、定时器/计数器和中断系统等部分。
中央处理器（CPU）是单片机的核心，它负责控制和协调各个部分的工作。
89C51 的 CPU 由运算器和控制器组成。
运算器用于进行算术和逻辑运算，而控制器则根据程序指令来指挥单片机的工作流程。
存储器是单片机用于存储数据和程序的重要部件。
89C51 单片机的存储器分为程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存放用户编写的程序代码，通常是只读的，以保证程序的稳定性和安全性。
数据存储器则用于存储运行过程中的临时数据和结果。
在 89C51 中，程序存储器的空间可达 64KB。
这为复杂程序的存储提供了足够的空间。
而数据存储器又分为内部数据存储器和外部数据存储器。
内部数据存储器的容量较小，但访问速度快，通常用于存放频繁使用的数据。
外部数据存储器的容量可以根据需要进行扩展，以满足大量数据存储的需求。
输入/输出（I/O）端口是单片机与外部设备进行信息交换的接口。
89C51 单片机拥有四个 8 位的并行 I/O 端口，分别是 P0、P1、P2 和 P3 端口。
这些端口既可以作为输入端口，也可以作为输出端口。
通过对端口寄存器的设置，可以灵活地控制每个端口的工作模式和状态。
定时器/计数器是 89C51 单片机中的重要功能模块。
定时器用于实现定时功能，比如产生周期性的中断信号；计数器则用于对外部脉冲进行计数。
通过对定时器/计数器的设置，可以满足各种定时和计数的需求，为系统的精确控制提供了有力支持。
中断系统是单片机处理突发事件的有效手段。
当外部事件发生时，如按键按下、通信数据到达等，通过中断机制，单片机可以暂停当前正在执行的程序，转而去处理紧急事件，处理完成后再返回原来的程序继续执行。
第2章 AT89系列单片机的硬件体系结构(结构、引脚、存储器配置、专用寄存器、时钟与时序、工作方式)
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2.1 AT89系列单片机概述
2.1.1 AT89系列单片机简介
AT89系列单片机是与MCS—51系列单片机兼容 的低功耗高性能８位Flash单片机。它是在MCS-51 的技术内核为主导的基础上倾注了ATMEL公司优良 技术进行新的设计和开发，使之功能更强、更具特色， 尤其是AT89S系列单片机具有在系统可程序设计功能， 使生产维护更加方便灵活。
当CPU访问64KB的外部数据存储器时，就用
DPTR作地址指针，存放外部内存的地址；
当CPU访问64KB的程序存储器时，DPTR用作基
址寄存器。
CPU也可单独对DPH、DFra bibliotekL操作，即将DPTR分成
两个寄存器使用。
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2.3 AT89系列单片机的存储器
结构AT89系列单片机采用哈佛结构，有单独的程序存储器和
(2) 堆栈指针SP 堆栈指针SP（stack pointer）是一个8位特殊功能寄存器。
它指示出堆栈顶部在内部RAM中的位置。系统复位后，SP初 始化为07H，使得堆栈事实上由08H单元开始。考虑到08H ～1FH单元分属于工作寄存器区1～3，若程序设计中要用到 这些区，则最好把SP值改置为1FH或更大的值如60H。
处理情况。
例如：有一个单片机型号为“AT89C51—12PI”，
则表示意义为该单片机是 ATMEL公司的Flash单片
机，内部是CMOS结构，速度为12 MHz，封装为塑
封DIP，是工业用产品，按标准处理工艺生产。
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2.2 AT89系列单片机的结构原
2.2理.1 AT89系列单片机的基本组成
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AT89单片机的硬件结构
功能 RXD（串行输入端口） TXD（串行输出端口） INT0 （外中断0） INT1 （外中断1） T0（定时器0外部输入） T1（定时器1外部输入）
P3口：P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的 7个双向I/O引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号， 并且作为通用I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20mA 的电流。当P3口引脚写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉 高并可用作输入端。用作输入端时，被外部拉低的P3口引脚 将因上拉电阻而输出电流。P3口还接收一些用于 Flash编程 和程序校验的控制信号。
此外AT89C2051是用可降到0频率的静态逻辑操作设计的， 并支持两种可选的软件节电工作方式：空闲方式和掉电方 式。它的结构框图如图2.16所示。
2. 芯片的引脚功能说明
AT89C2051的引脚如图2.17所示。
Vcc：电源端。
GND：接地端。
P1口：8位双向I/O口。引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精 密模拟比较器的同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。P1口 输出缓冲器可吸收20mA的电流，并能直接驱动LED显示。这是 一个了不起的进步，外围电路将因此而大大简化。当P1口引脚 写入“1”时，可用作输入端。当引脚P1.2～P1.7用作输入端 并被外部拉低时，将因内部的上拉电阻而输出电流。P1口还在 Flash编程和程序校验期间接收代码数据。
3. 静态时钟方式
AT89系列单片机是用静态逻辑来设计的，其工作频率可 下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式— —空闲方式和掉电方式。而80C51不是用静态逻辑来设 计的，也就是说，若时钟频率太低，CPU就可能忘记刚 刚进行的工作。
教学课件第2章89C51单片机硬件结构和原理
当ROM容量不够时，尽量选择高容量存储器空间的单片机，如 89C52、89C54、89C58等，应避免外扩程序存储器，因为会增加 硬件负担。
程序存储器
FFFFH
(64K)
0FFFH (4K)
0000H
内部
EA=1
外部
EA=0 0000H
0FFFH (4K)
1
28
2
27
EPROM
3
26
4
25
5
24
6
23
7
22
8
21
9
20
10 2764 19
11
18
12
17
13
16
14
15
1
28
2
27
EPROM
3
26
4
25
5
24
6
23
7
22
8
21
9
20
10 2764 19
11
18
12
17
13
16
14
15
64K
3. 程序存储器
通过16位PC寻址，最大可寻址64kB地址空间
程序存储器资源分布
4. 数据存储器
片内、片外分开编址
如何区分0000-00FFH的地址空间是片内RAM还 是片外RAM？
片内RAM：
• 低128B片内RAM ① 高128B片内RAM
0000-007FH 0080-00FFH
SFR：特殊功能寄存器区
PSW位地址
数据存储器
FFFFH
CY AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
AT89C51单片机的基本结构和工作原理
AT89C51单片机的主要工作特性：·内含4KB的FLASH存储器，擦写次数1000次；·内含28字节的RAM；·具有32根可编程I/O线；·具有2个16位可编程定时器；·具有6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构；·具有1个全双工的可编程串行通信接口；·具有一个数据指针DPTR;·两种低功耗工作模式，即空闲模式和掉电模式；·具有可编程的3级程序锁定定位；AT89C51的工作电源电压为5（1±0.2）V且典型值为5V,最高工作频率为24MHz.AT89C51各部分的组成及功能：1.单片机的中央处理器（CPU）是单片机的核心，完成运算和操作控制，主要包括运算器和控制器两部分。
（1）运算器运算器主要用来实现算术、逻辑运算和位操作。
其中包括算术和逻辑运算单元ALU、累加器ACC、B寄存器、程序状态字PSW和两个暂存器等。
ALU是运算电路的核心，实质上是一个全加器，完成基本的算术和逻辑运算。
算术运算包括加、减、乘、除、增量、减量、BCD码运算；逻辑运算包括“与”、“或”、“异或”、左移位、右移位和半字节交换，以及位操作中的位置位、位复位等。
暂存器1和暂存器2是ALU的两个输入，用于暂存参与运算的数据。
ALU的输出也是两个：一个是累加器，数据经运算后，其结果又通过内部总线返回到累加器；另一个是程序状态字PSW，用于存储运算和操作结果的状态。
累加器是CPU使用最频繁的一个寄存器。
ACC既是ALU处理数据的来源，又是ALU运算结果的存放单元。
单片机与片外RAM或I/O扩展口进行数据交换必须通过ACC来进行。
B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一，另一个输入来自ACC。
运算结果存于AB寄存器中。
（2）控制器控制器是识别指令并根据指令性质协调计算机内各组成单元进行工作的部件，主要包括程序计数器PC、PC增量器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等，其功能是控制指令的读入、译码和执行，并对指令执行过程进行定时和逻辑控制。
单片机第二章 AT89S系列单片机系统结构
图2-2 AT89S51单片机片内总体结构框
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1．内部程序存储器（ROM）和内部数据存储器 （RAM）的容量
AT89S51/89S52/89S53单片机的内部ROM和 内部RAM的容量如表2-2所示。
表2-2 AT89S系列单片机的存储器容量
单片机种类 AT89S51 AT89S52 AT89S8252 AT89S53
VCC XTAL1
XTAL2
RST
_____
EA /VPP ___________ PSEN
__________ ___
ALE/ PROG
P3
RxD
TxD
第 INT0 __________ 二 INT1 ________
口
功 能
T0 T1
______
WR
______
RD
P0
VSS 口
口
地 址 和 数 据 总 线
第2章 AT89S系列单片机系统结构
§ 2.1 AT89S系列单片机概述 § 2.2 AT89S系列单片机的硬件结构 § 2.3 AT89S51单片机的中央处理器 § 2.4 并行I/O口结构 § 2.5 AT89S51单片机的存储器结构 § 2.6 AT89S5X单片机的布尔处理器 § 2.7 AT89S5X单片机的工作方式 § 2.8 AT89S5X单片机的在线编程
128 2K
2 15 1 5 33 ISP WDT
AT89S4051
128 4K
AT89S51
128 4K
AT89S52
256 8K
AT89S53
256 12K
AT89S8252 2K 256 8K
2 15 1 5 33 ISP WDT
AT89C51单片机结构和原理
第2章 AT89C51单片机结构和原理
3．寄存器阵列 寄存器阵列是单片机内部的临时存储单元或固定用 途单元，包括通用寄存器组和专用寄存器组。 通用寄存器组用来存放过渡性的数据和地址，提高 CPU的运行速度。
专用寄存器组主要用来指示当前要执行指令的内 存地址，存放特定的操作数，指示指令运行的状态等。
第2章 AT89C51单片机结构和原理
第2章 AT89C51单片机结构和原理
2.1 AT89C51单片机的结构 2.2 AT89C51单片机引脚及其功能 2.3 AT89C51存储器 2.4 AT89C51单片机工作方式 2.5 AT89C51时钟电路与时序 习题与思考题
第2章 AT89C51单片机结构和原理
P1.5 7 P1.6 8 P1.7 9 RST 10 (RXD)P3.0 11 NC 12 (TXD)P3.1 13 (INT0)P3.2 14 (INT1)P3.3 15 (T0)P3.4 16 (T1)P3.5 17
(b)
图2-2 AT89C51封装和引脚分配图 (a) 双列直插式封装；(b) 方形封装
第2章 AT89C51单片机结构和原理
④ 寄存器选择位RS1、RS0：AT89C51共有四组， 每组八个工作寄存器R0～R7。编程时用于存放数据或 地址。但每组工作寄存器在内部RAM中的物理地址不 同。RS1和RS0的四种状态组合就是用来确定四组工作 寄存器的实际物理地址的。RS1、RS0状态与工作寄存 器R0～R7的物理地址关系如表2-2所示。
36 P0.7(AD7)
35 34
EA/VPP NC
33 ALE/PROG
32 PSEN
31 P2.7(A15)
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2.1.3 AT89系列单片机的主要品种
Atmel公司的AT89系列单片机有多种型号，但以AT89X51和AT89X52为代
表，其主要单片机品种及其特性见表2-1。
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2.1.3 AT89系列单片机的主要品种
从表2-1中可以看出，AT89系列单片机主要分为51和52两个
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后缀由“YYYY”四个参数组成，每个参数的表示
和意义不同。在型号与后缀部分有“-”号隔开。
后缀中的第一个参数 Y用于表示速度，后缀中的
第二个参数Y用于表示封装，后缀中第三个参数 Y用
于表示温度范围，后缀中第四个参数Y用于说明产品
的处理情况。
例如：有一个单片机型号为“AT89C51—12PI”，则
本章以AT89S51为主线叙述AT89XXX系列单片机的内部结 构、引脚功能、工作方式和时序等方面的知识，本章的知 识是学习后续章节的基础，也是单片机应用系统硬件设计 的基础。
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2.1 AT89系列单片机概述
2.1.1 AT89系列单片机简介
AT89系列单片机是与MCS—51系列单片机兼容的 低功耗高性能８位Flash单片机。它是在MCS-51的技 术内核为主导的基础上倾注了ATMEL公司优良技术进 行新的设计和开发，使之功能更强、更具特色，尤其 是AT89S系列单片机具有在系统可程序设计功能，使 生产维护更加方便灵活。
图2-1 AT89系列单片机的基本结构框图
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2.2.2 AT89系列单片机的内部框图
图2-2 是AT89S系列单片机的内部结构框图。
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图2-2 AT89S系列单片机11 的内部结构框图
2.2.3 AT89系列单片机的CPU
中央处理器CPU是单片机的大脑，它决定了单片机的指令 系统及主要功能。CPU由运算器和控制器两部分组成，主要完 成取指令、指令译玛、发出各种操作所需的控制信号，使单 片机各个部分协调工作。 1．运算器
子系列，每个子系列都有四种型号.
• 52子系列与51子系列相比不同之处：
flash程序内存增至8KB，数据存储器增至256B，有3个定时器
/计数器等；பைடு நூலகம்
• AT89S和AT89C相比新增加了以下功能：
支持在系统程序设计ISP 使生产及维护更方便;增加了片内
看门狗使用户的应用系统更坚固;双数据指针使数据操作更加快
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（2) B寄存器 B寄存器是运算器中的一个工作寄存器，它是为乘法和除
法指令而设置的。在除法指令中，被除数取自ACC，除数取自 B，商数存放在ACC中，而余数则存放在B中。乘法指令的两个 操作数分别取自ACC和B，乘积则存放在AB寄存器对中(此处的 A即ACC)。在其他的运算中，B寄存器可作为中间结果寄存器 使用。 （3）程序状态字寄存器PSW
捷方便;速度更高最高可使用33MHZ的晶振；
• AT89LS和AT89LV系列可以在更低的电压(2.7V)和更宽的范围下
（2.7V～6.0V）工作，使应用范围更加广泛。
AT89C51系列和AT89S51系列各机型功能概况如表2-2和表2-
3所示。
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2.1.4 AT89系列单片机的型号编码
AT89 系列单片机的型号编码由三个部分组成,它们是前缀、 型号和后缀,格式如下:
AT 89XXXXX－YYYY 其中AT 是前缀，89XXXXX 是型号，YYYY 是后缀。 有关参数的表示和意义如下： 前缀由字母“AT”组成，表示该器件是ATMEL公司的产品。 型号由“89CXXXX”或“89LVXXXX”或“89SXXXX”等表示。 “89CXXXX”中，9是表示内部含Flash内存，C表示为CMOS产品。 “89LVXXXX”中，LV表示低压产品。 “89SXXXX”中，S表示含有串行下载Flash内存。 “XXXX”，表示器件型号数如51、52、53、1051、8252等
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2.1.2 AT89系列单片机的主要性能
• 与MCS-51单片机产品兼容 • 4K/8K可程序设计Flash内存 • 1000次擦写周期 • 全静态操作：0Hz～33MHz(89S系列)或00Hz～24MHz(89C系列) • 三级加密程序内存 • 32个可程序设计I/O口线 • 两个/三个16位定时器/计数器 • 6/8个中断源 • 全双工UART串行通道 • 低功耗空闲和掉电模式 • 看门狗定时器及双数据指针(89S系列) • 灵活的在系统程序设计（ISP）(89S系列)
表示意义为该单片机是 ATMEL公司的Flash单片机，
内部是CMOS结构，速度为12 MHz，封装为塑封DIP，
是工业用产品，按标准处理工艺生产。
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2.2 AT89系列单片机的结构原理
2.2.1 AT89系列单片机的基本组成
图2-1是AT89系列单片机的基本结构框图。
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单片机原理与应用电子课件
第2章 AT89系列单片机
的硬件体系结构
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本章主要内容
2.1 AT89系列单片机概述 2.2 AT89系列单片机的结构原理 2.3 AT89系列单片机的存储器结构 2.4 AT89系列单片机的引脚功能 2.5 AT89系列单片机的I/O接口 2.6 AT89S系列单片机内部看门狗定时器(WDT) 2.7 AT89系列单片机的复位工作方式 2.8 AT89系列单片机的低功耗方式 2.9 AT89系列单片机的时序
运算器是以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器A、寄存 器B、程序状态字PSW及专门用于位操作的布尔处理机等组成 的，它可以实现数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和 数据传送等操作。 （1) 累加器ACC
累加器ACC是一个8位累加器，它是CPU中使用最频繁的寄 存器，ALU进行运算时，数据绝大多数时候都来自于累加器 ACC。它一般用于存放参加运算的操作数和运算结果，在指令 系统中用A表示。
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第 2 章 AT89系列单片机的硬件体系结构
ATMEL公司是美国20世纪80年代中期成立并发展起来的 半导体公司。该公司的技术优势在于推出Flash内存技术和 高质量、高可靠性的生产技术，它率先将独特的Flash存储 技术注入于单片机产品中。其推出的AT89系列单片机，在 世界电子技术行业中引起了极大的反响，在国内也受到广 大用户的欢迎。