80C51单片机内部结构和工作原理.doc

第2章 80C51单片机内部结构和工作原理本章要点v 80C51系列单片机内部结构v 外部引脚功能v 存储空间配置和功能 v 片内RAM结构和功能v 特殊功能寄存器的用途和功能v 程序计数器PC的作用和基本工作方式v I/O端口结构、工作原理及功能v 时钟和时序v 复位电路、复位条件和复位后状态v 低功耗工作方式的作用和进入退出的方法2-1 内部结构和引脚功能一、二、引脚功能 40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端； 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 控制线:控制线共有4根， ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 I/O线 80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。P3.0 RXD：串行口输入端；P3.1 TXD：串行口输出端； P3.2 INT0：外部中断0请求输入端； P3.3 INT1：外部中断1请求输入端； P3.4 T0：定时/计数器0外部信号输入端； P3.5 T1：定时/计数器1外部信号输入端； P3.6 WR：外RAM写选通信号输出端； P3.7 RD：外RAM读选通信号输出端。2-1 存储空间配置和功能80C51的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是： 64KB程序存储器(ROM),包括片内ROM和片外ROM； 64KB外部数据存储器（外RAM）； 256B内部数据存储器(内RAM) (包括特殊功能寄存器） 。80C51存储空间配置图 一、程序存储器（ROM）地址范围：0000HFFFFH，共64KB。其中: 低段4KB：0000H0FFFH 80C51和87C51在片内，80C31在片外。 高段60KB：1000HFFFFH。在片外。 读写ROM用MOVC指令，控制信号是PSEN和EA。 读ROM是以程序计数器PC作为16位地址指针，依次读相应地址ROM中的指令和数据，每读一个字节，PC+1PC，这是CPU自动形成的。 但是有些指令有修改PC的功能，例如转移类指令和MOVC指令，CPU将按修改后PC的16位地址读ROM。读外ROM的过程： CPU从PC中取出当前ROM的16位地址，分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外ROM 16位地址输入端，当PSEN信号有效时，外ROM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。l 地址范围：0000HFFFFH 共64KB。l 读写外RAM用MOVX指令， 控制信号是P3口中的RD和WR。l 读外RAM的过程： 外RAM 16位地址分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外RAM 16位地址输入端，当RD信号有效时，外RAM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。写外RAM的过程： 写外RAM的过程与读外RAM的过程相同。只是控制信号不同，信号换成WR信号。当WR信号有效时，外RAM将数据总线（P0口分时传送）上的数据写入相应地址存储单元中。 从广义上讲，80C51内RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均属于片内RAM空间，读写指令均用MOV指令。但为加以区别，内RAM通常指00H7FH的低128B空间。 80C51内RAM又可分成三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。 地址区域 功能名称 00H 1FH00H07H 工作寄存器0区 08H0FH 工作寄存器1区 10H17H 工作寄存器2区 18H1FH 工作寄存器3区 20H2FH 位寻址区 30H7FH数据缓冲区 工作寄存器区作用：有专用于工作寄存器操作的指令，读写速度比一般内RAM要快，指令字节比一般直接寻址指令要短，还具有间址功能，能给编程和应用带来方便。工作寄存器区分为4个区：0区、1区、2区、3区。每区有8个寄存器：R0R7，寄存器名称相同。但是，当前工作的寄存器区只能有一个，由PSW中的D4、D3位决定。 位寻址区 地址: 从20H2FH共16字节（Byte，缩写为英文大写字母B）。每B有8位（bit，缩写为小写b），共128位，每一位均有一个位地址，可位寻址、位操作。即按位地址对该位进行置1、清0、求反或判转。 用途： 存放各种标志位信息和位数据。 注意事项: 位地址与字节地址编址相同，容易混淆。 区分方法:位操作指令中的地址是位地址; 字节操作指令中的地址是字节地址。位寻址区的位地址映象表 字节地址位 地 址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H 数据缓冲区内RAM中30H7FH为数据缓冲区，用于存放各种数据和中间结果，起到数据缓冲的作用。 四、特殊功能寄存器（SFR） 特殊功能寄存器地址映象表（一） 特殊功能寄存器地址映象表（二） 注：带括号的字节地址表示每位有位地址可位操作。 累加器Acc 寄存器B 程序状态字寄存器PSWPSW也称为标志寄存器，存放各有关标志。其结构和定义如下： Cy 进位标志。 用于表示Acc.7有否向更高位进位。 AC 辅助进位标志。 用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。 RS1、RS0 工作寄存器区选择控制位。RS1、RS0 = 00 0区（00H07H）RS1、RS0 = 01 1区（08H0FH）RS1、RS0 = 10 2区（10H17H）RS1、RS0 = 11 3区（18H1FH） OV 溢出标志。 表示Acc在有符号数算术运算中的溢出。 P 奇偶标志。 表示Acc中“1”的个数的奇偶性。 F0 、F1 用户标志。 数据指针DPTR16位，由两个8位寄存器DPH、DPL组成。主要用于存放一个16位地址，作为访问外部存储器（外RAM和ROM）的地址指针。 堆栈指针SP专用于指出堆栈顶部数据的地址。五、程序计数器PC PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构上是独立的。 PC是一个16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，因此也称为地址指针。 PC的基本工作方式有： 自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行 PC+1PC； 执行转移指令时，PC会根据该指令要求修改下一次 读ROM新的地址； 执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前 PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址装入PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的PC值，继续执行原顺序程序指令。2-3 I/O端口结构及工作原理 有4个8位并行I/O口,共32条端线： P0、P1、P2和P3口。 每一个I/O口都能用作输入或输出。 用作输入时，均须先写入“1”； 用作输出时，P0口应外接上拉电阻。 P0口的负载能力为8个LSTTL门电路； P1P3口的负载能力为4个LSTTL门电路。 在并行扩展外存储器或I/O口情况下， P0口用于低8位地址总线和数据总线(分时传送) P2口用于高8位地址总线， P3口常用于第二功能， 用户能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能的部分P3口端线。2-4 时钟和时序一、时钟电路 二、时钟周期和机器周期 时钟周期。80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。 机器周期。80C51单片机工作的基本定时单位，简称机周。 机器周期是时钟周期的12倍。 当时钟频率为12MHz时，机器周期为1mS； 当时钟频率为6MHz时，机器周期为2mS。2-5 复位和低功耗工作方式80C51单片机的工作方式共有四种： 复位方式； 程序执行方式； 低功耗方式； 片内ROM编程（包括校验）方式。一、复位方式 复位条件 RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。 复位电路 复位后CPU状态PC： 0000H TMOD： 00HAcc： 00H TCON： 00HB： 00H TH0： 00HPSW： 00H TL0： 00HSP： 07H TH1： 00HDPTR：0000H TL1： 00HP0P3：FFH SCON： 00HIP：00000B SBUF： 不定IE：000000B PCON： 00000B二、低功耗工作方式 待机(休闲)方式（Idle） 掉电保护方式（Power Down）。在Vcc=5V，fosc=12MHz条件下，正常工作时电流约20mA；待机(休闲)方式时电流约5mA；掉电保护方式时电流仅75mA。 两种低功耗工作方式由电源控制寄存器PCON确定。MSB LSBSMODGF1GF0PDIDLPSON其中： SMOD：波特率倍增位（在串行通信中使用） GF1、GF0：通用标志位 PD：掉电方式控制位， PD=1，进入掉电工作方式； IDL：待机(休闲)方式控制位, IDL=1,进入待机工作方式。注意: PCON字节地址87H，不能位寻址。 读写时，只能整体字节操作，不能按位操作。 待机（休闲）方式 待机（休闲）方式状态片内时钟仅向中断源提供，其余被阻断； PC、特殊功能寄存器和片内RAM状态保持不变； I/O引脚端口值保持