C8051单片机基础 第二章 C8051F单片机结构及原理

1、 本章将以本章将以C8051FC8051F系列单片机中功能较系列单片机中功能较全面、应用较广泛的全面、应用较广泛的C8051F02xC8051F02x子系列为子系列为典型例子，重点介绍以典型例子，重点介绍以CIP-51CIP-51为内核的为内核的C8051FC8051F系列单片机的结构、工作原理、存系列单片机的结构、工作原理、存储器组织、时钟系统及复位源等。储器组织、时钟系统及复位源等。 第二章第二章 C8051F单片机结构及原理单片机结构及原理 第二章第二章 C8051F单片机结构及原理单片机结构及原理 C8051FC8051F系列单片机的微控制器内核系列单片机的微控制器内核称为称为CIP-

2、51CIP-51，是在，是在IntelIntel公司标准公司标准8 8位位80518051单片机的组织结构和功能的基础上单片机的组织结构和功能的基础上加以改进和提高形成的。所有加以改进和提高形成的。所有C8051FC8051F系系列单片机的微控制器内核都完全相同。列单片机的微控制器内核都完全相同。 2.1 C8051F2.1 C8051F的的CIP-51CIP-51内核内核2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 CIP-51CIP-51内核是内核是C8051FC8051F的中央处理器的中央处理器(CPU)(CPU)部分，主要完成运算和控制功能，管部分，主要完成运算和控制功能，管理整个单片

3、机系统的各个外设的工作。理整个单片机系统的各个外设的工作。CIP-51CIP-51的原理框图如下图所示，其组成与的原理框图如下图所示，其组成与结构和结构和80518051的原理结构图比较相似，图的的原理结构图比较相似，图的上半部分几乎和上半部分几乎和80518051完全一样，下半部分完全一样，下半部分也有近一半组成和也有近一半组成和80518051样。样。 2.1.1 CIP-512.1.1 CIP-51内核的组成及结构内核的组成及结构 2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 不同的部分主要是增加了流水线结不同的部分主要是增加了流水线结构、存储器和特殊功能寄存器构、存储器和特殊功能寄存器

4、SFRSFR接口部接口部分、电源控制与管理寄存器等。分、电源控制与管理寄存器等。CIP-51CIP-51微微控制器中的控制器中的SFRSFR接口用于控制与管理模拟接口用于控制与管理模拟和数字外设功能部件，大大增强了处理能和数字外设功能部件，大大增强了处理能力。力。2.1.1 CIP-512.1.1 CIP-51内核的组成及结构内核的组成及结构 2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 (1)(1)主要功能部件及组成与主要功能部件及组成与80518051相同；相同； (2)(2)与与MCS-51MCS-51指令系统完全兼容；指令系统完全兼容； (3)(3)时钟频率为时钟频率为0 025MHz

5、25MHz，执行速度一，执行速度一般可达般可达2525兆指令兆指令/ /秒，有的型号最高执行秒，有的型号最高执行速度可达速度可达100100兆指令兆指令/ /秒；秒； 2.1.2 CIP-512.1.2 CIP-51内核的特点内核的特点 2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 (4)(4)增加了流水线结构，增加了流水线结构，7070指令的执行时间为指令的执行时间为1 1个或个或2 2个系统时钟周期；个系统时钟周期； (5)(5)与模数、数字外设有关的与模数、数字外设有关的SFRSFR移到核外，通移到核外，通过过SFRSFR接口与接口与CPUCPU交换信息；交换信息； (6)(6)中断系统

6、扩展为可处理中断系统扩展为可处理2222个中断源；个中断源； (7)(7)复位与时钟电路不包括在核内；复位与时钟电路不包括在核内； (8)(8)具有程序和数据存储器安全管理功能。具有程序和数据存储器安全管理功能。2.1.2 CIP-512.1.2 CIP-51内核的特点内核的特点 2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 2.1.2 CIP-512.1.2 CIP-51内核的特点内核的特点 2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 2.1.3 CIP-512.1.3 CIP-51内核的基本部件内核的基本部件 1. 1. 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 中央处理器是单片机最核心

7、的部分，中央处理器是单片机最核心的部分，主要完成运算和控制功能，与通用微处理主要完成运算和控制功能，与通用微处理器是基本相同的，只是它的控制功能更强。器是基本相同的，只是它的控制功能更强。C8051FC8051F系列的系列的CPUCPU是一个字长为是一个字长为8 8位的中央位的中央处理单元，即它对数据的处理是以字节为处理单元，即它对数据的处理是以字节为单位进行的。单位进行的。2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 2.1.3 CIP-512.1.3 CIP-51内核的基本部件内核的基本部件 2 2数据存储器数据存储器( (内部内部RAM)RAM) 数据存储器用于存放变化的数据。数据存储器

8、用于存放变化的数据。C8051FC8051F内核中数据存储器的地址空间为内核中数据存储器的地址空间为0000FFHFFH，作为，作为数据存储器供用户使用，共数据存储器供用户使用，共256256个个RAMRAM单元。单元。 C8051FC8051F中把控制与管理用的寄存器统称为中把控制与管理用的寄存器统称为特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFR，在逻辑地址上划分在内部，在逻辑地址上划分在内部RAMRAM中，其地址为中，其地址为80H80HFFHFFH，与部分，与部分RAMRAM的地址的地址是重叠的，需要通过不同的指令区分。是重叠的，需要通过不同的指令区分。2.1 C8051F的的CIP-51内

9、核内核 2.1.3 CIP-512.1.3 CIP-51内核的基本部件内核的基本部件 3 3SFRSFR总线接口总线接口 特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFR的总线接口用于的总线接口用于控制与管理核外的数字与模拟功能模块，控制与管理核外的数字与模拟功能模块，以及所有的以及所有的I/OI/O端口等。通过编程可用于端口等。通过编程可用于实现与外部设备中数据的并行或串行数字实现与外部设备中数据的并行或串行数字量的输入输出，有些量的输入输出，有些I/OI/O端口还可实现模端口还可实现模拟量的输人输出。拟量的输人输出。2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 2.1.3 CIP-512.1.3

10、CIP-51内核的基本部件内核的基本部件 4.4.存储器接口存储器接口 C8051FC8051F单片机中大部分系列都有位单片机中大部分系列都有位于片上的外部数据存储器空间于片上的外部数据存储器空间RAM(RAM(称为称为XRAM)XRAM)，除此，还可以向片外扩展，除此，还可以向片外扩展64KB 64KB RAMRAM。存储器接口就是用于控制与管理。存储器接口就是用于控制与管理C8051FC8051F单片机片上和片外的数据存储器，单片机片上和片外的数据存储器，它们都需用它们都需用MOVXMOVX指令访问。指令访问。 2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 2.1.3 CIP-512.1.

11、3 CIP-51内核的基本部件内核的基本部件 5 5流水线结构流水线结构 CIP-51CIP-51采用了流水线处理结构，用采用了流水线处理结构，用于控制和管理取指令和执行指令的过程。于控制和管理取指令和执行指令的过程。其已经没有机器周期时序，指令执行的最其已经没有机器周期时序，指令执行的最小时序单位为系统时钟，大部分指令只要小时序单位为系统时钟，大部分指令只要1 1个个2 2个系统时钟即可完成。在流水线结个系统时钟即可完成。在流水线结构中包括指令寄存器和指令译码器。构中包括指令寄存器和指令译码器。2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 2.1.3 CIP-512.1.3 CIP-51内核

12、的基本部件内核的基本部件 一般的一般的80518051系列单片机是取一条指系列单片机是取一条指令，然后译码执行，执行完之后再取下一令，然后译码执行，执行完之后再取下一条指令。但条指令。但C8051FC8051F的取指令和执行指令是的取指令和执行指令是同时进行的，即在译码执行当前指令的同同时进行的，即在译码执行当前指令的同时，取下一条待执行指令放在指令寄存器时，取下一条待执行指令放在指令寄存器中，这样在每个时钟周期都有一条指令在中，这样在每个时钟周期都有一条指令在执行，同时又在取下一条指令，这种流水执行，同时又在取下一条指令，这种流水线结构大大提高了单片机的执行速度。线结构大大提高了单片机的执行

13、速度。 2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 2.1.3 CIP-512.1.3 CIP-51内核的基本部件内核的基本部件 6 6中断系统中断系统 中断系统的主要作用是对外部或内中断系统的主要作用是对外部或内部的中断请求进行管理与处理。部的中断请求进行管理与处理。C8051FC8051F系系列单片机的中断系统可以满足一般控制应列单片机的中断系统可以满足一般控制应用的需要，用的需要，C8051FC8051F系列单片机的中断源最系列单片机的中断源最多可达多可达2222个。个。2.1 C8051F的的CIP-51内核内核 2.1.3 CIP-512.1.3 CIP-51内核的基本部件内核的基

14、本部件 数据总线缓冲器的作用是在数据总线缓冲器的作用是在CPUCPU内外内外数据传送时予以缓冲；地址寄存器用于存数据传送时予以缓冲；地址寄存器用于存放存储器或输入输出端口的地址值；内核放存储器或输入输出端口的地址值；内核的复位源与时钟信号由核外的片上系统提的复位源与时钟信号由核外的片上系统提供。供。 2.2 C805lF单片机的结构与原理 C8051FC8051F系列单片机的各子系列结构系列单片机的各子系列结构与原理基本相同，只是有一些小差别，如与原理基本相同，只是有一些小差别，如外部引脚数不同，封装形式不同，功能模外部引脚数不同，封装形式不同，功能模块数量不同等。块数量不同等。 本课程以应用

15、较多、较典型的本课程以应用较多、较典型的C8051F02x(xC8051F02x(x为为0 0、1 1、2 2、3)3)系列为主要实系列为主要实例，例，介绍介绍C8051FC8051F单片机的结构与原理。单片机的结构与原理。2.2.1 C8051F02x2.2.1 C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构 C8051F020C8051F020单片机以单片机以80518051内核为中心，内核为中心，通过通过SFRSFR总线、外部数据存储器总线、系总线、外部数据存储器总线、系统时钟线、复位线等与统时钟线、复位线等与64KB64KB闪存、闪存、4KB 4KB XRAMXRAM、数字功能

16、模块、数字功能模块(UART(UART、SPISPI、定时器、定时器等等) )、模拟功能模块、模拟功能模块( (比较器、比较器、A/DA/D、D/AD/A等等) )、片上时钟系统和、片上时钟系统和JTAGJTAG逻辑电路等相逻辑电路等相连。是一个完整的单片机片上系统，可以连。是一个完整的单片机片上系统，可以用作为一个闭环测量控制系统。用作为一个闭环测量控制系统。 2.2 C805lF单片机的结构与原理 2.2.1 C8051F02x2.2.1 C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构下面对片上除下面对片上除CIP-51CIP-51核外的功能模块予以简介核外的功能模块予以简介 1

17、1、存储器、存储器 (1) 4KB(1) 4KB片上片上RAMRAM，如果包括核内的，如果包括核内的256 B RAM256 B RAM则则C8051F02xC8051F02x总共有总共有4352 B RAM4352 B RAM； (2) 64KBFLASH(2) 64KBFLASH存储器，可以在线编程，每个存储器，可以在线编程，每个扇区为扇区为512B512B； (3) (3) 外部外部64KB64KB数据存储器接口数据存储器接口( (编程方式为复编程方式为复用方式或非复用方式用方式或非复用方式) )。 2.2 C805lF单片机的结构与原理 2.2.1 C8051F02x2.2.1 C80

18、51F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构2 2数字外设数字外设 C8051F02xC8051F02x单片机共有以下单片机共有以下3 3种数字功能模块，种数字功能模块，这些模块的主要性能特点如下：这些模块的主要性能特点如下： 1)1)并行数字并行数字I/OI/O端口端口C8051F02xC8051F02x单片机的数字单片机的数字I/OI/O端口均为端口均为8 8位，所有端位，所有端口线均耐口线均耐3V3V5V5V电压，通过软件编程大部分数电压，通过软件编程大部分数字字I/OI/O端口除可作为一般的通用端口除可作为一般的通用I/OI/O端口外，还端口外，还可以作为其他功能模块的输入或输出引

19、脚。可以作为其他功能模块的输入或输出引脚。2.2 C805lF单片机的结构与原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 2.2.1 C8051F02x2.2.1 C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构2)2)串行口串行口 C805lF02xC805lF02x单片机具有单片机具有3 3种串行口，种串行口，即即SMBusSMBus( (与与I I2 2C C兼容兼容) )串行总线接口、串行总线接口、SPISPI串行总线接口及串行总线接口及2 2个增强型个增强型UARTUART异步串行异步串行接口，这接口，这3 3个串行接口可同时与外界进行个

20、串行接口可同时与外界进行串行数据通信。串行数据通信。 2.2 C805lF单片机的结构与原理 2.2.1 C8051F02x2.2.1 C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构3)3)计数器定时器计数器定时器 C8051F02xC8051F02x的计数器的计数器/ /定时器有以下定时器有以下3 3类。类。 (1)(1)可编程的可编程的1616位计数器位计数器/ /定时器阵列定时器阵列PCAPCA，5 5个捕捉比较模块，个捕捉比较模块，6 6种工作方式；种工作方式； (2)5(2)5个通用个通用1616位计数器位计数器/ /定时器；定时器； (3)(3)专用的看门狗定时器。专用的看

21、门狗定时器。 2.2 C805lF单片机的结构与原理 2.2.1 C8051F02x2.2.1 C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构2.2 C805lF单片机的结构与原理 3 3模拟外设模拟外设 C8051F02xC8051F02x有有6 6种模拟功能模块，这些种模拟功能模块，这些模块的主要性能特点如下模块的主要性能特点如下: :1) 121) 12位逐次逼近型模数转换器位逐次逼近型模数转换器ADC0ADC0 (1) (1)转换位数为转换位数为1212位位(C8051F020/1)(C8051F020/1) 10 10位位(C8051F022/3)(C8051F022/3)；

22、2.2.1 C8051F02x2.2.1 C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构2.2 C805lF单片机的结构与原理 (2)(2)转换速率可编程，最大为转换速率可编程，最大为100 100 kspsksps； (3)(3)模拟输入为模拟输入为8 8路，可编程为单端输入或差路，可编程为单端输入或差分输入，通过模拟多路选择器选择通道；分输入，通过模拟多路选择器选择通道； (4)(4)放大器增益可编程为：放大器增益可编程为：16,8,4,2,1,0.516,8,4,2,1,0.5 (5) (5)数据越限检测器；数据越限检测器； (6)(6)内置温度传感器内置温度传感器( (3)3)

23、。 2.2.1 C8051F02x2.2.1 C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构2.2 C805lF单片机的结构与原理 2) 82) 8位逐次逼近型模数转换器位逐次逼近型模数转换器ADC1ADC1 (1) (1)转换位数为转换位数为8 8位；位； (2)(2)转换速率可编程，最大为转换速率可编程，最大为500ksps500ksps； (3)(3)模拟输入为模拟输入为8 8路，通过模拟多路选路，通过模拟多路选择器选择通道；择器选择通道； (4)(4)放大器增益可编程为：放大器增益可编程为：4,2,1,0.54,2,1,0.5。 2.2.1 C8051F02x2.2.1 C80

24、51F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构2.2 C805lF单片机的结构与原理 3)3)两路两路1212位数位数/ /模转换器模转换器 把把1212位数字量转换为电压量，可以产位数字量转换为电压量，可以产生连续变化的波形，生连续变化的波形，2 2路信号可同步输出。路信号可同步输出。4)4)两个模拟比较器两个模拟比较器(1)(1)具有正向与负向等具有正向与负向等8 8种可编程回差电压值；种可编程回差电压值；(2)(2)可用于产生中断或复位。可用于产生中断或复位。 2.2.1 C8051F02x2.2.1 C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构2.2 C805lF单片机的结

25、构与原理 5)5)电压基准电压基准 电压基准主要用于给模数和数电压基准主要用于给模数和数模转换电路提供电压。模转换电路提供电压。 (1)(1)内部基准内部基准(2.4V(2.4V，温度漂移为，温度漂移为15x1015x10-6-6) )； (2)(2)外部基准输入。外部基准输入。2.2.1 C8051F02x2.2.1 C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构2.2 C805lF单片机的结构与原理 6)6)精确的精确的VDDVDD监视器和降压检测器监视器和降压检测器 可通过可通过MONENMONEN引脚允许或禁止引脚允许或禁止VDDVDD监视监视器的工作。器的工作。 芯片内芯片内

26、JTAGJTAG调试和边界扫描调试和边界扫描 (1)(1)片内调试电路通过片内调试电路通过JTAGJTAG接口可提供接口可提供高速、方便的在系统调试；高速、方便的在系统调试；2.2.1 C8051F02x2.2.1 C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构2.2 C805lF单片机的结构与原理 (2)(2)支持断点、单步、观察点、堆栈支持断点、单步、观察点、堆栈监视器，支持观察监视器，支持观察/ /修改存储器和寄存器；修改存储器和寄存器； (3)(3)完全符合完全符合IEEE 1149.1IEEE 1149.1边界扫描边界扫描标准，这个标准可用于对器件引脚和标准，这个标准可用于对

27、器件引脚和SFRSFR总线进行控制、观察和测试。总线进行控制、观察和测试。2.2.1 C8051F02x2.2.1 C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构2.2 C805lF单片机的结构与原理 5 5系统时钟系统时钟 C8051FC8051F系列单片机的系统时钟用于系列单片机的系统时钟用于给单片机提供时序信号，可以选择内部给单片机提供时序信号，可以选择内部或外部时钟电路。或外部时钟电路。2.2.2 2.2.2 引脚定义及功能引脚定义及功能2.2 C805lF单片机的结构与原理 8051F8051F系列单片机不同子系列单片机系列单片机不同子系列单片机的引脚数量有较大差别。以的引脚

28、数量有较大差别。以C8051F02xC8051F02x为为例，以引脚数量分为例，以引脚数量分为2 2种，即种，即6464个和个和100100个，封装形式是个，封装形式是TQFP64TQFP64、TQFP100TQFP100，方形，方形芯片，它的体积很小、很薄，是一种表芯片，它的体积很小、很薄，是一种表面贴焊的封装形式面贴焊的封装形式 2.2.2 2.2.2 引脚定义及功能引脚定义及功能 2.2 C805lF单片机的结构与原理 2.2.2 2.2.2 引脚定义及功能引脚定义及功能 2.2 C805lF单片机的结构与原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 2.2 C805lF单片机的结构与原

29、理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 2.2.2 2.2.2 引脚定义及功能引脚定义及功能 2.2.2 2.2.2 引脚定义及功能引脚定义及功能 2.2 C805lF单片机的结构与原理 C8051F02xC8051F02x单片机的大部分单片机的大部分I/OI/O引脚引脚都有都有2 2种或种或3 3种功能，但在复位时，一部种功能，但在复位时，一部分专用引脚的功能不变，例如电源、晶分专用引脚的功能不变，例如电源、晶振、振、JTAGJTAG和部分模拟输入引脚的功能是和部分模拟输入引脚的功能是固定不变的，其他大部分引脚在复位时固定不变的，其他大部分引脚在复位时均为通用均为通用I/OI/O端口的输

30、入状态，当需要把端口的输入状态，当需要把它们作为其他功能模块的输入或输出引它们作为其他功能模块的输入或输出引脚时，需要对它们进行配置。脚时，需要对它们进行配置。 2.2.2 2.2.2 引脚定义及功能引脚定义及功能 2.2 C805lF单片机的结构与原理 下面对部分专用引脚的功能进一步说明。下面对部分专用引脚的功能进一步说明。 (1)VDD(1)VDD和和GNDGND各为各为3 3个引脚，使用时建议全部个引脚，使用时建议全部接上，这样可提高抗干扰能力。接上，这样可提高抗干扰能力。 (2)(2)如果在系统中没有使用模拟部分，芯片的如果在系统中没有使用模拟部分，芯片的模拟电源模拟电源V+V+和模拟

31、地和模拟地AGNDAGND也要连接。也要连接。 (3)VREF(3)VREF端也可以作为带隙电压基准输出驱动端也可以作为带隙电压基准输出驱动其他电路，但要加一个其他电路，但要加一个24k24k左右的电阻把电流左右的电阻把电流限制在限制在100uA100uA。 2.2.2 2.2.2 引脚定义及功能引脚定义及功能 2.2 C805lF单片机的结构与原理 (4) (4) 模拟功能模块的引脚大部分为固模拟功能模块的引脚大部分为固定的专用引脚，例如定的专用引脚，例如8 8路模拟输入路模拟输入AIN0AIN0AIN7AIN7、比较器输入和、比较器输入和DACDAC输出等，但有输出等，但有8 8路模拟输人

32、是采用复用方式，即路模拟输人是采用复用方式，即AIN1.0AIN1.0AIN1.7AIN1.7，对于，对于A AD D输入端最好输入端最好加限压或限流保护。加限压或限流保护。 2.2.2 2.2.2 引脚定义及功能引脚定义及功能 2.2 C805lF单片机的结构与原理 (5)TMS(5)TMS、TCKTCK、TDITDI和和TDOTDO引脚是专门引脚是专门用于用于JTAGJTAG接口的，所有的接口的，所有的C8051FC8051F单片机单片机都有这都有这4 4个引脚，在片内集成了一个以个引脚，在片内集成了一个以JTAGJTAG协议为基础的调试电路。协议为基础的调试电路。 C8051F2xxC8

33、051F2xx等有的型号的等有的型号的JTAGJTAG接口没接口没有边界扫描功能。有边界扫描功能。 2.2.2 2.2.2 引脚定义及功能引脚定义及功能 2.2 C805lF单片机的结构与原理 通过通过JTAGJTAG接口接口PCPC机实现对单片机闪存的读机实现对单片机闪存的读/ /写操作，并实现对单片机的在系统调试。且写操作，并实现对单片机的在系统调试。且不需要专用仿真芯片、目标仿真头及目标不需要专用仿真芯片、目标仿真头及目标RAMRAM等，程序代码直接下载到用户的单片机闪存中，等，程序代码直接下载到用户的单片机闪存中，应用既经济又方便。应用既经济又方便。 不使用不使用JTAGJTAG接口时

34、，接口时，TMSTMS、TCKTCK和和TDITDI要直要直接接地或通过下拉电阻接地。接接地或通过下拉电阻接地。 (6)MONEN(6)MONEN引脚不能悬空，接引脚不能悬空，接VDDVDD或地。或地。 2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 C8051FC8051F单片机是一个完整的数据采单片机是一个完整的数据采集与控制系统。集与控制系统。CIP-51CIP-51内核内核(8051(8051核核) )实实际是这个单片机系统的核心控制部分，际是这个单片机系统的核心控制部分，这部分起关键作用的是这部分起关键作用的是

35、CPUCPU。 2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 CPUCPU主要是由运算器和控制器两大部主要是由运算器和控制器两大部分组成，控制器根据指令码产生控制信分组成，控制器根据指令码产生控制信号，统一指挥和控制计算机工作，使运号，统一指挥和控制计算机工作，使运算器、存储器、输入输出端口之间能自算器、存储器、输入输出端口之间能自动协调地工作，它由指令部件和控制逻动协调地工作，它由指令部件和控制逻辑部件等部件组成。辑部件等部件组成。2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2.

36、2 C805lF单片机的结构与原理 CPUCPU的功能是接收来自存储器中的逐的功能是接收来自存储器中的逐条指令，进行指令译码。并通过定时和条指令，进行指令译码。并通过定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部控制信息及所需的全部内部控制信息及CPUCPU外部所需外部所需的控制信号，使各部分协调工作，完成的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的各种操作。指令所规定的各种操作。 2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 运算器是用于对数据进行算术运算和运算器是用于对数

37、据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，包括算术逻辑操作的执行部件，包括算术/ /逻辑部逻辑部件件(ALU)(ALU)、累加器、累加器(ACC)(ACC)、暂存寄存器、暂存寄存器、程序状态字寄存器程序状态字寄存器(PSW)(PSW)、通用寄存器等。、通用寄存器等。 为了提高数据处理和位操作功能，为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器区和一些专片内增加了一个通用寄存器区和一些专用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。功能。 2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 单片机

38、加电后，内部时钟电路立即单片机加电后，内部时钟电路立即开始工作开始工作( (如果需要采用外部时钟电路，如果需要采用外部时钟电路，启动后启动后 可通过软件切换到外部时钟可通过软件切换到外部时钟电路电路) )，在，在CPUCPU启动后，首先从程序存储启动后，首先从程序存储器的器的0000H0000H地址取指令，开始执行程序。地址取指令，开始执行程序。2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 单片机的工作实质就是执行程序的过单片机的工作实质就是执行程序的过程，即逐条执行指令的过程。每执行一程，即逐条执行指令的过程。每执行

39、一条指令都可分为条指令都可分为3 3个阶段进行，即取指令、个阶段进行，即取指令、分析指令和执行指令。分析指令和执行指令。 2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 取指令取指令 取指令的任务是根据程序计数取指令的任务是根据程序计数PCPC中中的值，从程序存储器读出现行指令，送的值，从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。到指令寄存器。 2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 分析指令分析指令 分析指令的任务是将指令寄存器中分析指令的

40、任务是将指令寄存器中的指令操作码取出后，存放到指令译码的指令操作码取出后，存放到指令译码器进行译码，分析其指令性质。如指令器进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。要求操作数，则寻找操作数地址。 2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 执行指令执行指令 执行指令的任务是取出操作数，然执行指令的任务是取出操作数，然后按照操作码的性质对操作数进行操作。后按照操作码的性质对操作数进行操作。即执行指令。即执行指令。 2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2

41、.2 C805lF单片机的结构与原理 在在C8051FC8051F，单片机中的流水线结构，单片机中的流水线结构使得取指令与执行指令是同步进行的，使得取指令与执行指令是同步进行的，即在执行当前指令的同时，取下一条指即在执行当前指令的同时，取下一条指令，这大大提高了指令运行速度。令，这大大提高了指令运行速度。 2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2.2 C805lF单片机的结构与原理 单片机刚加电时，外部或内部复位信号首单片机刚加电时，外部或内部复位信号首先使单片机复位，多数各功能模块的初始复位先使单片机复位，多数各功能模块的初始复位状态均为停机等待，

42、为最小功耗状态。状态均为停机等待，为最小功耗状态。 如果要使哪些功能模块工作，则在程序的如果要使哪些功能模块工作，则在程序的初始化部分首先通过软件对需要使用的各模块初始化部分首先通过软件对需要使用的各模块如定时器、模数转换器等进行配置，使它们如定时器、模数转换器等进行配置，使它们进入工作模式，对于所采用的行些模块的进入工作模式，对于所采用的行些模块的I/OI/O引引脚，需要通过功能选择开关寄存器进行配置后，脚，需要通过功能选择开关寄存器进行配置后，才能与外部联系。才能与外部联系。 2.2.3 C8051F2.2.3 C8051F单片机的工作原理单片机的工作原理 2.2 C805lF单片机的结构

43、与原理 一些功能模块的引脚是固定的，例如一些功能模块的引脚是固定的，例如DACDAC、CP0+CP0+、CPO-CPO-、AIN0AIN0AIN7AIN7等。等。 当片上的当片上的4KB RAM4KB RAM不能满足要求，还需不能满足要求，还需要增加数据存储器时，则在初始化部分还要增加数据存储器时，则在初始化部分还要配置存储器接口和相应的要配置存储器接口和相应的I/OI/O端门。端门。 显然，显然，C8051FC8051F单片机的初始化过单片机的初始化过程要比其他单片机复杂。程要比其他单片机复杂。2.3 存储器 存储器是计算机的主要组成部分，存储器是计算机的主要组成部分，其用途是存放程序和数据

44、，使计算机具其用途是存放程序和数据，使计算机具有记忆功能。有记忆功能。 程序和数据在存储器中是以二进制程序和数据在存储器中是以二进制代码表示的，根据计算机的命令，按照代码表示的，根据计算机的命令，按照指定地址，可以把代码取出来或存入新指定地址，可以把代码取出来或存入新代码。代码。 2.3 存储器 C8051FC8051F系列单片机的存储器结构与系列单片机的存储器结构与一般通用计算机不同。一般通用计算机不同。 一般通用计算机通常只有一个逻辑一般通用计算机通常只有一个逻辑空间，即它的程序存储器和数据存储器空间，即它的程序存储器和数据存储器是统一编址的。访问存储器时，同一地是统一编址的。访问存储器时

45、，同一地址对应惟一的存储空间，可以是址对应惟一的存储空间，可以是ROMROM也可也可以是以是RAMRAM，并用同类访问指令，这种存储，并用同类访问指令，这种存储器结构称为器结构称为冯冯诺伊曼结构诺伊曼结构。2.3.1 2.3.1 存储器结构和地址空间存储器结构和地址空间2.3 存储器 而而C8051FC8051F系列单片机的存储器结构系列单片机的存储器结构与与80C5180C51系列是类似的，其程序存储器和系列是类似的，其程序存储器和数据存储器在物理结构上是分开的，这数据存储器在物理结构上是分开的，这种结构称为种结构称为哈佛结构哈佛结构，下图为，下图为C8051F02xC8051F02x的存储

46、器结构与地址空间，图中虚线框的存储器结构与地址空间，图中虚线框内为片内存储器。可见，内为片内存储器。可见，C8051F02xC8051F02x系列系列单片机的存储器在物理结构上可以分为单片机的存储器在物理结构上可以分为以下以下4 4个存储空间：个存储空间： 2.3.1 2.3.1 存储器结构和地址空间存储器结构和地址空间2.3 存储器 2.3.1 2.3.1 存储器结构和地址空间存储器结构和地址空间2.3 存储器 2.3 存储器 在物理结构上分为以下在物理结构上分为以下4 4个存储空间：个存储空间： (1) (1) 片内统一编址的片内统一编址的64KB64KB的程序存储的程序存储器地址空间器地

47、址空间( (用用1616位地址位地址) )； (2) 256(2) 256字节的字节的CIP-51CIP-51核内数据存储器核内数据存储器地址空间，寻址范围为地址空间，寻址范围为00H-FFH00H-FFH； (3) 4KB(3) 4KB片内数据存储器地址空间；片内数据存储器地址空间； (4) 64KB(4) 64KB片外数据存储器地址空间。片外数据存储器地址空间。2.3.1 2.3.1 存储器结构和地址空间存储器结构和地址空间2.3 存储器 通过采用不同形式的指令和不同的通过采用不同形式的指令和不同的配置寄存器产生不同存储空间的选通信配置寄存器产生不同存储空间的选通信号，可以访问号，可以访问

48、4 4个不同的逻辑空间。个不同的逻辑空间。 2.3.1 2.3.1 存储器结构和地址空间存储器结构和地址空间2.3 存储器 程序存储器用于存放编好的程序和程序存储器用于存放编好的程序和非易失性数据表格等。在非易失性数据表格等。在C8051FC8051F系列单系列单片机中，所有的程序存储器都采用可在片机中，所有的程序存储器都采用可在系统编程的系统编程的FLASHFLASH存储器。一般擦写次数存储器。一般擦写次数为为1010万次，擦除时间为万次，擦除时间为10ms10ms，写入时间，写入时间为为50uS50uS。 2.3.22.3.2程序存储器程序存储器 2.3 存储器 1 1程序存储器的结构和地

49、址分配程序存储器的结构和地址分配 C8051FC8051F单片机的程序存储器容量不单片机的程序存储器容量不同，分别有同，分别有8KB8KB、16KB16KB、32KB32KB和和64KB64KB几种。几种。例如例如C8051F02xC8051F02x片内有片内有64KB64KB，则程序计数，则程序计数器器PCPC在在0000H0000H0FFFFH0FFFFH范围内执行程序。范围内执行程序。C8051F02xC8051F02x的所有取指令操作均在片内程的所有取指令操作均在片内程序存储器中进行。序存储器中进行。 2.3.2程序存储器程序存储器 2.3 存储器 程序存储器中有程序存储器中有512B

50、(FE00H512B(FE00HFFFFH)FFFFH)保留保留给工厂使用，不能用于存储用户程序。位于地给工厂使用，不能用于存储用户程序。位于地址址010000H010000H01007FH01007FH的的128B128B扇区可以作为非易扇区可以作为非易失性数据存储器使用，但不能用于存储用户程失性数据存储器使用，但不能用于存储用户程序。该序。该128B128B的扇区在程序存储器空间的逻辑地的扇区在程序存储器空间的逻辑地址为址为0000H0000H00FFH00FFH，将，将PSCTLPSCTL寄存器中的寄存器中的AD-AD-FLASHFLASH位置位置1 1时，可以访问该扇区。时，可以访问该

51、扇区。2.3.22.3.2程序存储器程序存储器 2.3 存储器 2 2程序存储器的人口地址程序存储器的人口地址 在程序存储器中，以下在程序存储器中，以下2222个单元具有个单元具有特殊用途。特殊用途。 0000H0000H：单片机上电复位后，程序将自：单片机上电复位后，程序将自动从动从0000H0000H开始执行指令。开始执行指令。 0003H0003H：外部中断：外部中断0 0入口。入口。 000BH000BH：定时器：定时器0 0溢出中断入口。溢出中断入口。2.3.22.3.2程序存储器程序存储器 2.3 存储器 0013H0013H：外部中断：外部中断1 1入口。入口。 001BH001

52、BH：定时器：定时器1 1溢出中断入口。溢出中断入口。 0023H0023H：UART0UART0串行口中断入口。串行口中断入口。 002BH002BH：定时器：定时器2 2溢出中断入口。溢出中断入口。 0033H0033H：SPISPI串行口中断入口。串行口中断入口。 003BH003BH：SMBusSMBus中断入口。中断入口。2.3.22.3.2程序存储器程序存储器 2.3 存储器 0043H0043H：ADC0ADC0中断入口。中断入口。 004BH004BH：可编程计数器阵列中断入口。：可编程计数器阵列中断入口。 0053H0053H：比较器：比较器0 0下降沿中断入口。下降沿中断入

53、口。 005BH005BH：比较器：比较器0 0上升沿中断入口。上升沿中断入口。 0063H0063H：比较器：比较器1 1下降沿中断入口。下降沿中断入口。 006BH006BH：比较器：比较器1 1上升沿中断入口。上升沿中断入口。2.3.22.3.2程序存储器程序存储器 2.3 存储器 0073H0073H：定时器：定时器3 3溢出中断入口。溢出中断入口。 007BH007BH：ADC0ADC0转换结束中断入口。转换结束中断入口。 0083H0083H：定时器：定时器4 4溢出中断入口。溢出中断入口。 008BH008BH：ADC0ADC0转换结束中断入口。转换结束中断入口。 0093H00

54、93H：外部中断：外部中断6 6中断入口。中断入口。 009BH009BH：外部中断：外部中断7 7中断入口。中断入口。 2.3.22.3.2程序存储器程序存储器 2.3 存储器 00A3H00A3H：UARTlUARTl中断入口。中断入口。 00ABH00ABH：外部晶振准备好中断入口。：外部晶振准备好中断入口。 上述地址中，上述地址中，0000H0000H是单片机复位后是单片机复位后的起始地址，通常设计程序时，应该在的起始地址，通常设计程序时，应该在0000H0000H0002H0002H存放一条无条件跳转指令，存放一条无条件跳转指令，跳转到用户设计的主程序人口地址。跳转到用户设计的主程序

55、人口地址。 2.3.22.3.2程序存储器程序存储器 2.3 存储器 0003H-000ABH0003H-000ABH之间的之间的2222个单元是外部中断个单元是外部中断0 0等的中断程序人口地址。通常在这些人口地址等的中断程序人口地址。通常在这些人口地址处存放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户处存放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址。安排的中断程序起始地址。 虽然这虽然这2222个地址是固定的，但有些型号没个地址是固定的，但有些型号没有有2222个中断源，因而有些地址对这些型号是空个中断源，因而有些地址对这些型号是空的。建议这些地址也最好保留备用，主程序人的。建议这些地

56、址也最好保留备用，主程序人口地址最好从口地址最好从B3HB3H开始。开始。 2.3.2 2.3.2 程序存储器程序存储器 2.3 存储器 3 3FLASHFLASH存储器编程寄存器存储器编程寄存器 通常程序存储器是只读的，而通常程序存储器是只读的，而FLASHFLASH存储器可以通过存储器可以通过JTAGJTAG接口或由软件使用接口或由软件使用 MOVXMOVX指令对指令对FLASHFLASH存储器进行在系统编程，存储器进行在系统编程，每次一个字节。大大方便地重新编写程每次一个字节。大大方便地重新编写程序，并可把程序存储器空间用于非易失序，并可把程序存储器空间用于非易失性数据存储。性数据存储。

57、 2.3.22.3.2程序存储器程序存储器 2.3 存储器 对对FLASHFLASH存储器编程的最简单的方法存储器编程的最简单的方法是使用由是使用由SilabsSilabs公司或第三方供应商提公司或第三方供应商提供的编程工具，通过供的编程工具，通过JTAGJTAG接口编程，这接口编程，这是对未初始化过的单片机的唯一编程方是对未初始化过的单片机的唯一编程方法。法。 2.3.2 2.3.2 程序存储器程序存储器 2.3 存储器 也可以使用也可以使用MOVXMOVX指令对指令对FLASHFLASH存储器存储器编程，像一般的操作数一样，为编程，像一般的操作数一样，为MOVXMOVX指指令提供待编程的地

58、址和数据。在使用令提供待编程的地址和数据。在使用MOVXMOVX指令对指令对FLASHFLASH存储器写入之前，必须存储器写入之前，必须对对PSCTLPSCTL寄存器和寄存器和FLSCLFLSCL寄存器进行适当寄存器进行适当设置。下面介绍这设置。下面介绍这2 2个寄存器。个寄存器。 2.3.2 2.3.2 程序存储器程序存储器 2.3 存储器 1) 1) 程序存储器读写控制寄存器程序存储器读写控制寄存器(PSCTL)(PSCTL) 这个寄存器主要用于控制对程序存储这个寄存器主要用于控制对程序存储器的读写操作。其复位值为器的读写操作。其复位值为00000000B00000000B，为可读写寄存器

59、。为可读写寄存器。 其各位名及格式如下：其各位名及格式如下： 2.3.2 2.3.2 程序存储器程序存储器 2.3 存储器 下面说明各标志位的作用。下面说明各标志位的作用。 位位7 73 3 未使用。未使用。 读为读为0 0，写忽略。，写忽略。 位位2 SFLE2 SFLE： 临时闪存访问控制位。临时闪存访问控制位。 当当SFLE=0SFLE=0时，用软件访问闪存时，时，用软件访问闪存时，将访问将访问64KB64KB的程序数据闪存扇区；的程序数据闪存扇区； 2.3.2 2.3.2 程序存储器程序存储器 2.3 存储器 当当SFLE=1SFLE=1时，用软件访问闪存时，将访问时，用软件访问闪存时

60、，将访问128 B128 B的临时闪存扇区，即的临时闪存扇区，即10000H10000H1007FH1007FH范范围的临时存储器。此时，所访问的围的临时存储器。此时，所访问的00H00H7FH7FH地地址，即址，即10000H 10000H 1007FH1007FH范围的临时存储器，范围的临时存储器，此时不应访问此时不应访问00H 00H 7FH7FH以外的地址范围，例以外的地址范围，例如，不能访问如，不能访问82H82H等地址。对该地址范围以外等地址。对该地址范围以外的地址进行读写操作可能产生不可预料的结的地址进行读写操作可能产生不可预料的结果。果。 2.3.2 2.3.2 程序存储器程序