8051-芯片手册

1、厦门大学EDA实验室8051技术手册8051芯片手册目录 1 NL06F86 芯片概述 .11.1 结构框图 . 1 1.2 NL06F86 性能 . 1 1.3 外设连接示意图 . 4 1.4 管脚定义 . 5 1.5 NL06F86 最小系统 . 18 1.6 部分管脚的配置电路. 18 2 内存映射.20 3 CPU内核 .23 3.1 概述 . 23 3.2 CPU编程模型 . 24 3.3 处理器寻址方式 . 28 3.4 CPU指令集. 32 3.5 MMU和Cache . 48 4 外设功能.61 4.1 功能综述 . 61 4.2 所有寄存器列表 . 62 4.3 外设使用说明

2、. 71 4.4 编程实例 . 71 5 程序起动描述 .73 6 存储器控制器 .74 6.1 功能综述 . 74 6.2 寄存器表 . 74 6.3 寄存器功能描述 . 74 6.4 模块管脚描述. 76 6.5 典型电路 . 80 6.6 编程实例 . 81 7 中断控制器 .83 7.1 功能综述 . 83 7.2 寄存器表 . 84 7.3 寄存器功能描述 . 84 7.4 编程实例 . 86 8 定时器 .88 8.1 功能综述 . 88 8.2 寄存器表 . 88 8.3 寄存器功能描述 . 89 8.4 编程实例 . 90 9 通用I/O .91 9.1 功能综述 . 91 9

3、.2 寄存器表 . 91 9.3 寄存器功能描述 . 93 9.4 编程实例 . 96 10 HW控制器 .98 10.1 功能综述 . 98 10.2 寄存器表 . 98 10.3 寄存器功能描述 . 98 10.4 编程实例 . 99 11 以太网MAC控制器 .100 11.1 功能综述 . 100 11.2 寄存器表 . 100 11.3 寄存器功能描述 . 101 11.4 模块管脚描述. 106 11.5 典型电路 . 107 11.6 编程实例 . 107 12 通用异步收发器UARTs.112 12.1 功能综述 . 112 12.2 UART寄存器表 . 112 12.3 寄

4、存器功能描述 . 113 12.4 模块管脚描述. 117 12.5 编程实例 . 118 13 I2C总线接口.122 13.1 功能综述 . 122 13.2 寄存器表 . 122 13.3 寄存器功能描述 . 122 13.4 时序波形图 . 123 13.5 模块管脚描述. 125 13.6 典型电路 . 125 13.7 编程实例 . 126 14 低速外设接口 .128 14.1 功能综述 . 128 14.2 寄存器表 . 128 14.3 寄存器功能描述 . 128 14.4 模块管脚描述. 130 14.5 典型电路 . 131 14.6 编程实例 . 132 15 显示接口

5、.134 15.1 功能总述 . 134 15.2 寄存器表 . 134 15.3 寄存器功能描述 . 136 15.4 模块管脚描述. 143 15.5 典型电路 . 144 15.6 编程实例 . 145 16 磁卡接口.149 16.1 功能综述 . 149 16.2 寄存器表 . 149 16.3 寄存器功能描述 . 149 16.4 模块管脚描述. 151 16.5 编程实例 . 151 17 IC卡接口 .153 17.1 功能综述 . 153 17.2 寄存器表 . 153 17.3 寄存器功能描述 . 154 17.4 模块管脚描述. 156 17.5 典型电路 . 156 1

6、7.6 编程实例 . 157 18 打印机接口 .159 18.1 功能综述 . 159 18.2 寄存器表 . 159 18.3 寄存器功能描述 . 159 18.4 模块管脚描述. 161 18.5 典型电路 . 162 18.6 编程实例 . 162 19 PC键盘接口.164 19.1 功能综述 . 164 19.2 寄存器表 . 164 19.3 寄存器功能描述 . 164 19.4 模块管脚描述. 165 19.5 数据格式和时序图 . 166 19.6 典型电路 . 166 19.7 编程实例 . 167 20 PWM接口 .169 20.1 功能综述 . 169 20.2 寄存

7、器表 . 169 20.3 寄存器功能描述 . 170 20.4 模块管脚描述. 171 20.5 典型电路 . 171 20.6 编程实例 . 172 21 蜂鸣器 .173 21.1 功能综述 . 173 21.2 寄存器表 . 173 21.3 寄存器功能描述 . 173 21.4 模块管脚描述. 174 21.5 典型电路 . 174 21.6 编程实例 . 175 22 DES控制器 .176 22.1 功能综述 . 176 22.2 寄存器表 . 176 22.3 寄存器功能描述 . 176 22.4 编程实例 . 177 23 封装尺寸.179 1. 8051 芯片概述 8051

8、微控制器属于MCS-51系列，自其1980年由Inter公司设计以来，由于其完善的指令集，在嵌入式系统应用中占有很大的市场。本芯片符合工业标准指令集的8位8051微控制器IP核设计，其资源包括8K的程序存储器，1k的数据存储器，两个16-bit的计数控制器和4组8位的通用I/0口。1.1 结构框图 1.2 8051 性能 芯片内部模块主要包含了ALU模块、中央控制器模块、定时计数器模块、串行通信模块等。它具有以下一些基本特点：(1)、采用了全局同步设计：(2)、具有清晰的逻辑层次结构；(3)、可以方便地对其进行功能扩展；(4)、与工业标准昀8051指令兼容；(5)、采用了复用的I/O通用接口；

9、(6)、包含1K字节RAM、8K的片内SRAM来用当程序ROM。(7)、外接spi-flash，用来存储程序，也可由8051直接对其进行读写，擦除等指令与标准8051单片机相比，本芯片最大的改进就是流水的不同，通用8051分为6级流水周期，每级流水周期占用两个时钟周期，本芯片，只含有两级流水周期，在第一个周期中，进行读取指令和功能译码，第二个周期进行指令操作和相关存储器的数据写入。我们通过设计一个寄存器来完成这个操作，这个寄存器用来把信号延时一个时钟周期。因为我们在第一个时钟周期译码完成指令操作译码，这样，就把不用的信号进行延时一个周期，以此来减少流水周期。这是本芯片与标准8051作品最大的不

10、同，但由于设计中32位的取指长度和flash的读取速度的限制，对外部时钟进行过分频，总体效果比标准8051执行速度快2-3倍。对于8051-般操作和功能，在第三部分以详细介绍，在这里不再累述。性能参数 .18um CMOS 工艺 Pin LQFP 封装 主频：50MHz 工作电压：2.6-3.5V 工作环境：0-70 摄氏度 1.3 内部单元介绍1. 算术逻辑单元(ALU)：8051的ALU是一个性能极强的运算器，它既可以进行加、减、乘、除四则运算，也可以进行与、或、非、异或等逻辑运算，还具有数据传送、移位、判断和程序转移、位变量处理等功能。2. 控制单元(CU)： 控制器是用来统一指挥控制计

11、算机进行工作的部件。它的功能是从程序存储器中提取指令，送到指令寄存器，再进入指令译码器进行译码，并通过定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需要的全部内部控制信息及CPU外部所需要控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的各种操作。3. 存储器8051系列单片机存储器结构的主要特点是采用了为哈佛型结构，将程序存储器和数据存储器分开并有各自的寻址机构和寻址方式。标准8051单片机在物理上有4个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。程序存储器用于存放编好的程序、表格和常数。8051单片机的片内程序存储器和片外程序存储器物理上独立，逻辑上却是统一编址的。数据

12、存储器用于存放运算的中间结果，进行数据暂存以及数据缓冲等。8051单片机的片内数据存储器和片外数据存储器无论在物理上还是在逻辑上，其地址空间都是彼此独立的，各自有不同的指令寻址。本芯片内部集成了8K的sram来当rom，程序指令先烧录到外部flash上，然后，启动8051会首先将程序搬入到内部sram里，然后正常工作。程序存储器8051单片机内部有8KB字节程序存储器，地址为OOOOH1FFFF，本芯片由于外接的flash，去掉了扩展片外程序存储器的功能。程序存储器中有六个单元具有特殊功能，这些单元不得随意被其它程序指令占用。OOOOH-0002H：是所有执行程序的入口地址。8051复位后，C

13、PU总是从OOOOH单始执行程序； 0003H：外部中断0入口； OOOBH：定时器0溢出中断入口； 0013H：外部中断1入口； OOIBH：定时器1溢出中断入口： 0023H：串行口中断入口。片内数据存储器本8051芯片内部有1K的sram的数据存储器。8051的内部数据存储器可划分为两个块：O0OH07FH低128字节和100H-3FF为用户RAM区，080H-0FFH高125字节为特殊功能寄存器区，除其中的特殊寄存器外，其余空间禁止用户使用，详细介绍参阅特殊寄存器指令说明。通用寄存器区在低128字节中，32个工作寄存器占用OOH-IFH单元，分为四组，构成通用寄存器区。每组由8个通用工

14、作寄存器(ROR7)组成。通过对PSW中的RSI和RSO的设置可决定选用那一组工作寄存器。不用的工作寄存器区单元可以做一般的RAM使用。在某一时刻，CPU只能使用其中的一组，CPU复位后总是选中第0组工作寄存器。其作用就相当于一般微处理器中的通用寄存器。位寻址区内部RAM的20H-2FH空间为位寻址区。这16个字节单元具有双重功能。他们既可以象普通RAM单元一样按字节存取，也可以对每个RAM单元中的任何一位单独存取。用户RAM区用户RAM区设在O0OH07FH低128字节和100H-3FF为用户RAM区，堆栈区也可以设在这里。O0OH07FH低128字节用法和标准8051用法一样，100H-3

15、FF为真正的用户RAM区。特殊功能寄存器(SFR)区 片内高128字节(080H0FFH) RAM为特殊功能寄存器区。特殊功能寄存器也称专用寄存器，专用于控制、管理片内逻辑部件、并行IO口、串行IO口、定时器计数器、中断系统等功能单元的工作。用户在编程时可以置数设定，而不能自由地移作他用。除程序计数器PC外，有21个特殊功能寄存器分散在80H-FFH的RAM空间中。其中只有字节地址能被8整除的特殊功能寄存器具有位寻址能力，共n个字节，83位。除其中的特殊寄存器外按规定使用外，其余空间禁止用户使用，FLASH功能寄存器区也在这里。详细介绍参阅特殊寄存器的指令说明。f8hFlash控制8Flash

16、控制9Flash控制10Flash控制11ffhf0hbFlash控制1Flash控制2Flash控制3Flash控制4Flash控制5Flash控制6Flash控制7f7he8hefhe0hacce7hd8hdfhd0hpswd7hc8hcfhc0hc7hb8hipbfhb0hp3b7ha8hieafha0hp2a7h98hsconsbuf9fh90hp197h88htcontmodtl0tl1th0th18fh80hp0spdpldphpcon87h定时计数器 8051内部设有两个可编程的16位定时计数器，简称定时器0(T0)和定时器1(T1)。它们各自由两个专用8位特殊功能寄存器组成，用

17、于存放定时或计数初值。T0和T1均可用作定时控制、延时以及对外部事件计数。此外，还有两个特殊功能寄存器TCON和TMOD（控制寄存器和方式寄存器）。16位定时计数器实质上是一个加1计数器。当定时计数器工作在定时方式时，数器的加1信号由振荡器的12分频信号产生，即每过一个机器周期，计数器增1，直至计满溢出。当定时计数器工作在计数方式时，外部事件信号是通过引脚(P3.4成P3.5)输入的，计数器在每个机器周期采样外部输入信号，该信号的下降沿将触发计数。当定时计数器被设定为某种工作方式后，它就会按设定的工作方式独立运行，不再占用CPU的操作时间，直到加1计数器计满溢出。溢出时，计数器回零，并置位TC

18、ON中的TFO或TFI，以表示定时时间已到或计数值已满，向CPU发出中断申请。中断8051有5个中断请求源，4个用于中断控制的特殊功能寄存器IE、IP、TCON、SCON，可提供两个中断优先级，实现两级中断嵌套。5个中断源对应5个固定的中断入口地址（矢量地址）。FLASH功能寄存器区（spi）FLASH功能寄存器是本芯片的创新之处，由于本芯片是外接flash，程序数据是先烧录在外部flash里的，8051工作开始阶段会先从flash的前8K搬入数据到内部8K的sram里，之后把这8Ksram充当rom来正常工作，之后8051可对flash直接进行读写，擦除等操作，因此比标准8051多出spi的

19、四个引脚（CS,SCK,MOSI,MISO），这四个引脚是用来直接挂载外部flash的，对flash的操作也是由这四个管脚直接进行的。FLASH功能寄存器区也是分布在特殊功能寄存器区（sfr）里的，它所在的位置为0F1，0F2，0F3，0F4，0F5，0F6，0F7，0F8，0F9，0FA，0FB十一个地址空间，共占11个字节。详细介绍请见FLASH功能寄存器指令说明。1.4 8051模块架构图1.5 管脚定义芯片管脚分布图管脚说明编号模块名信号名 功能描述 类型 有效电平备注48全局信号rst系统复位信号输入高8XTAL1外部时钟晶振管脚1输入最高到50MHz9XTAL2外部时钟晶振管脚2输

20、入21P1端口P1.7外部I/O口1双向端口P1口是一个8位的准双向I/O端口，是四个I/O端口中唯一一个没有第二功能的I/O端口。22P1.6双向端口23P1.5双向端口24P1.4双向端口25P1.3双向端口26P1.2双向端口27P1.1双向端口28P1.0双向端口40P0端口P0.7外部I/O口0双向端口P0口是一个8位的准双向复用I/O端口，它是接外部ram时的低8位地址(7:0)的接口，也是外部ram输入/输出数据的接口。41P0.6双向端口42P0.5双向端口43P0.4双向端口44P0.3双向端口45P0.2双向端口46P0.1双向端口47P0.0双向端口13P2端口P2.7外

21、部I/O口2双向端口P2口是一个8位的准双向复用I/O端口，它是接外部ram时的高8位地址(15:8)的接口。14P2.6双向端口15P2.5双向端口16P2.4双向端口17P2.3双向端口18P2.2双向端口19P2.1双向端口20P2.0双向端口1P3端口P3.7外部I/O口3双向端口P3口是一个8位多功能双向I/O端口，它每位管脚都具有第二功能，P3口的第二功能见P3第二功能表。2P3.6双向端口3P3.5双向端口4P3.4双向端口5P3.3双向端口10P3.2双向端口11P3.1双向端口12P3.0双向端口6电源VDD13.3V电源2组电源供电，一组给8051内部电路供电，一组给pin

22、口驱动供电7VSS1地32VDD23.3V电源31VSS2地33ALE输出低8位地址锁存使能输出端。当CPU访问外部存储器时，ALE可向低8位地址锁存器输出锁存控制信号。29时钟输出clk_out8051的工作时钟输出输出把8051工作时的时钟直接输出，用于扩展功能。注意的是这里输出的不是外部的输入晶振的频率，而是8051内部工作的频率，8051工作的频率是外部时钟频率的3/1。37SPI接口CS外接flash端口输出接外部flash的CS端，用来控制flash的片选信号36SCK输出接外部flash的SCK端，用来给外部flash提供时钟35mosi输出接外部flash的D端，提供外部fla

23、sh的数据输入34miso输入接外部flash的Q端，用来接收外部flash的数据传入30ferror输出正常情况下，此管脚输出低电平，当对外部flash进行了非法操作时，此管脚输出高电平38测试管脚test1设计时用作测试用途程序设计时用来测试，用户无用途39test23. 8051 CPU内核 3.1 概述 8051 建立在oc8051的 CPU 内核上，经过大篇整幅与修改后，添加自主创新功能后实现的8 位处理器的，与标准8051 指令集兼容，并有扩充。外部主频可达50MHz，内部工作时钟频率是外部主频的1/3。该处理器采用哈佛结构，严格的把程序存储器和数据存储器区分开，二级（或三级）流水

24、线的指令执行机制，独特的指令取指、译码和执行设计有助于提高指令执行效率，并降低 CPU 整机功耗。 片上包含 8KB 的指令sram。 用指令sram来充当rom，它的使用大大降低了平均指令读取速度。这里不允许使用I/O口外扩程序存储器。片上包含1KB的数据ram，这里仍然使用sram，读取数据速度快，功耗低，并且可以用I/O口进行扩展ram空间。 本芯片采用的是二至三级流水，而标准的8051微控制器采用6级机器周期，这样执行一条指令至少需要12个时钟周期，采用两级流水，大部分指令可以在一个时钟之内完成。添加了一个延时寄存器，取指令进行译码时，把不需要的数据，如地址等延时一个时钟，这样保证了指

25、令的两级至三级流水。概况：基于复杂指令集架构 8 位处理器 采用哈佛结构的 8 位指令总线和数据总线 支持外扩ram空间 采用外接flash，来充当rom，并能对flash进行读写，擦除等操作3.2 处理器寻址方式 寻址方式是根据指令中给出的地址码字段来实现寻找真实操作数地址的方式，所谓寻址，其实质就是如何确定操作数所在单元地址的问题。8051处理器有7 种基本寻址方式。 1.直接寻址方式：所谓直接寻址，就是在指令中直接给出参与运算或传送的操作数据所在的ram单元的地址，即操作数直接以单元地址的形式出现在指令中。例如：MOV 40H，A；该指令的功能是将累加器A中的内容传送到内部ram 40H

26、单元。若累加器A的内容为2CH，则执行该指令后内ram 40H单元的内容变为2CH。注意：MCS-51的指令系统规定，按字节访问特殊功能寄存器只能用直接寻址方式。在指令中，特殊功能寄存器既可以单元地址的形式出现，也可以特殊功能寄存器名的形式出现。例如：MOV A，P0等同于MOV A，80H因为80H就是P0口的地址。2.立即寻址方式：所谓立即寻址方式，就是在指令中直接给出参与操作的数据本身，即操作数直接出现在指令中。这种形式的操作数被称作立即数，以在数据前加“#”号表示。例如：MOV A，#40H该指令的功能是将立即数“40H”传送到累加器A。所以，指令执行后累加器A的内容为40H。在指令系

27、统中凡是用“#data”或“#data16”表示操作数都属于立即寻址。含有立即寻址的指令，立即数同操作码一起存放在程序存储器中，可以立即参与指令所规定的操作。显然，这种寻址方式只适用于程序存储器。注意的是立即数不能作为目的操作数。3.寄存器寻址方式：所谓寄存器寻址，就是在指令中直接以寄存器的形式给出参与操作的数据，即操作数放在指定的寄存器中。寄存器寻址中的寄存器包含R0R7、A、B、AB、DPTR等寄存器。例如：MOV A，R3该指令的功能是将当前工作寄存器R3的内容传送到累加器A。若R3的内容4FH，则执行该指令后累加器A的内容也变成4FH。 4.寄存器间接寻址方式：所谓寄存器间接寻址，就是

28、在指令中所给定的寄存器存放的不是操作数本身，而是操作数所在内ram或外ram单元的地址，即操作数通过寄存器间接获得。为了与寄存器寻址相区别，在寄存器名称前加上符号“”表示间接寻址。可用于间接寻址的寄存器有R0、 Rl、SP及DPTR，其中的SP在间接寻址方式中以隐含方式出现。 寄存器间接寻址方式适合于内部RAM低128个B(指示地址的寄存器为RO、R1或SP)和外部RAM（指示地址的寄存器为R0、R1或DPTR）。 假设R0的内容为65H，则指令 MOV AR0的功能是以寄存器R0的内容“65H”为地址，将与该地址对应的内RAM单元中的数据送到累加器A。若内ram 65H单元的内容为60H，则

29、执行该指令后，累加器A的内容即为60H。5变址寄存器间接寻址方式：变址寄存器间接寻址方式又称基址+变址寻址方式，在指令中以“A+DPTR或“A+PC”的形式出现。表示以数据指针DPTR或程序计数器PC的内容为基地址（16位），以累加器A中的内容为地址偏移量（8位），二者之和即为操作数所在程序存储器单元的物理地址。假设累加器A的内容为05H,DPTR的内容为0400H，程序存储器0405H单元的内容为2DH，则指令 MOVC A，A+DPTR 执行后累加器A的内容为2DH。这种寻址方式只适用于程序存储器。 6相对寻址方式：所谓相引寻址，就是以PC的当前值为基准，加上指令中给出的相对偏移量“rel

30、”，而形成有效的物理地址。需要注意的是，这里PC的当前值是指执行完本条指令后的PC值。 例如： 1000H： SJMP rel 该转移指令的操作码存放在1000H（该指令的源地址）单元，偏移量存放在1001H单元（设偏移量rel为50H），则取出指令操作码和偏移量后，PC将指向1002H单元，1002H即为PC的当前值。1002H与偏移量50H相加后，得到物理地址(即目标地址)1052H。 PC的当前值 = 源地址 + 转移指令字节数 目标地址 = PC的当前值 + rel = 源地址 + 转移指令字节数 + rel， rel= 目标地址 - （源地址 + 转移指令字节数）相对偏移量“rel是

31、一个8位带符号数，常以补码形式出现。如果计算所得rel是正数，则程序向下（地址增加方向，最大转移空间为127B）转移；若rel为负数，则程序是向上（地址减少方向，最大转移空间为128B）转移。 7位寻址方式该寻址方式可对内部RAM和特殊功能寄存器中的可位寻址位进行寻址，在指令中直接给出位地址。位寻址的寻址空间为内RAM中位寻址区20H2FH单元的128位(位地址为00H7FH)及l1个特殊功能寄存器的83个可寻址位。 例如： MOV C，90H 该指令的功能是将P1.0（地址为90H）口的状态送位累加器C。区分位地址与字节地址主要看指令是位操作指令还是字节操作指令。如果是位操作指令，则操作数中

32、的地址一定是位地址，反之为字节地址。 3.3 指令系统分类MCS-51指令系统共有111条指令。其中，单字节指令49条，双字节指令45条，只有17条是三字节指令。MCS-51指令系统按功能可分为五大类： 数据传送类指令（29条）； 算术运算类指令（24条）；逻辑运算类指令（24条）；控制转移类指令（17条）；位操作类指令（17条）；3.4指令系统标识符 MCS-51单片机的指令系统采用了多种记忆符号（助记符），要真正理解每一条指令，必须先了解各种助记符的意义。Rn:n=07，表示当前工作寄存器区的8个寄存器R0R7。Ri：i=0、1，表示当前工作寄存器中可用于间接寻址的2个寄存器R0和R1。d

33、irect：表示内部ram单元的地址，取值为00H7FH时对应内部RAM低128B单元；取值为80H0FFH时，表示特殊功功能寄存器。DPTR：表示以间接寻址方式出现的数据指针DPTR。#data：出现在指令中的8位常数，也称8位立即数。#data16：出现在指令中的16位常数，也称l6位立即数。addr11：11位目标地址。用在ACALL和AJMP指令中，可使程序转向与下条指令首字节位于同一2KB区域的任何单元。addr16:16位目标地址。用在LCALL和LJMP指令中，可使程序转向64KB程序存储器的任何单元。rel：带符号的8位相对偏移量。用在SJMP和所有的条件转移指令中，可以使程序

34、转向以下条指令的首字节为基址，以rel为偏移量的程序存储器单元，rel的取值范围在-128 +127之间。bit：可直接寻址位的位地址。/bit：在位操作指令中，表示对该位(bit)先取反，然后再参与运算，但不改变指定位(bit)的原值。(x)：表示x寄存器的内容或地址x的存储单元中的内容。(x)：表示由间接寄存器x所间接寻址的存储单元的内容。$：代表当前指令的首地址，通常用在相对转移指令中。可以组成表达式，如：$-3则指向以当前指令首地址为基础向前查第3个单元。 另外在注释中，常用箭头“”表示数据传送方向；箭头右边为源操作数，一般表示到数字；箭头左边为目的操作数，表示到存储器单元或寄存器，不能表示到数字。3.5 MCS-51单片机指令集3.5.1.数据传送类指令数据传送指令的基本助记符为“MOV”，通用格式如下： MOV ， 数据传送指令的功能就是把由“源操作数”所指定的数据传送（实际上是复制）到“目的操作数”所指定的存储单元或寄存器中，而“源操作数”所指定的数据不变。此类指令不影晌Cy. AC及OV标志，只影响奇偶标志P3.5