第2章51系列单片机的的结构与原理

1、第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理基本内容2.1单片机的基本组成2.2 80C51单片机的引脚功能和结构框图2.3 80C51 CPU的结构和特点2.4存储器结构和地址空间2.5布尔(位)处理器2.6 80C51单片机的工作方式 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理2.1单片机的基本组成单片机是把计算机的运算器、控制器、少量存储器、最基本的输入输出电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一块芯片上的微型计算机。 凡属于与80C51系列相同处的均用“80C51”代表，不专指某具体型号。单片机包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时计数器、串行口

2、等。各部分通过内部总线相连，如下图所示。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理8051内部结构框图第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 1、中央处理器CPU CPU是单片机的核心部件，由运算器、控制器组成，此外在CPU的运算器中还有一个专门进行位数据操作的位处理器。单片机中的中央处理器和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能。例如：位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强了实时性。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 2、存储

3、器 有两种基本结构：一种是程序和数据合用一个存储器空间，称为普林斯顿(Princeton)结构；另一种是将程序存储器和数据存储器分开，分别寻址的结构，称为哈佛(Harvard)结构。 目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 (1) 程序存储器 （ROM) 由于单片机的应用系统，一般开发调试成功后的应用程序不再需要改变，常永久性地存储在程序存储器中，故单片机的程序存储器都采用只读存储器。 目前单片机的程序存储器有二种结构形式：片内和片外只读存储器 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 片内

4、只读存储器 片内掩膜ROM：程序在做单片机时写入，一次性固化，用户不能修改。 这种结构形式只适用于程序已成熟、定型，且批量很大的场合。这种单片机的价格便宜。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理片内可编程的ROM：由用户进行编程，因而用户在实际应用中甚感方便。但这类单片机价格较贵，应有选择地采用。 目前已采用的有：EPROM，需用紫外线擦除，必须脱机固化，不能在线改写。 电可擦除型ROME2PROM，使用方便，适合应用系统的现场调试。价格已经迅速下降，被广泛采用。 EPROM和E2PROM都是可以多次擦除和编程的，或称MTP的ROM。第第2章章 51系列单片机的结构与原理

5、系列单片机的结构与原理 片外只读存储器 由于受集成度的限制，片内只读存储器容量较小(2 KB至8 KB)。使用片外只读存储器的单片机则克服了上述之不足。 (2) 数据存储器(RAM) 用随机存取存储器(RAM）来存储程序在运行期间的工作变量和数据，所以称为数据存储器。 一般在片内部设置一定容量(64 B至256 B)的RAM。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 小容量的数据存储器以高速RAM的形式集成在单片机内，以加快单片机运行的速度。 这种结构的RAM还可以使存储器的功耗下降很多在单片机中，常把寄存器(如工作寄存器、特殊功能寄存器、堆栈等)在逻辑上划分在片内RAM空

6、间中，所以可将单片机内部RAM看成是寄存器堆，此结构也有利于运行速度的提高。 对某些应用系统，还可外部扩展数据存储器。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 3、并行I/O口 单片机提供了数量多、功能强、使用灵活的并行I/O口。51系列单片机共有4个8位的并行IO口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入与输出。有些单片机的并行I/O口，不仅可灵活地选作输入或输出，而且还具有多种功能。 例如，它既是I/O口，又是系统总线或是控制信号线等，从而为扩展外部存储器和I/O接口提供了方便，大大拓宽了单片机的应用范围。 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构

7、与原理 4、串行I/O口 高档8位单片机均增设了全双工串行I/O口，从而提供了与某些终端设备进行串行通信，或者和一些特殊功能的器件相连的能力，甚至用多个单片机相连构成多机系统，使单片机的功能更强且应用更广。 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 5、定时器/计数器 在单片机的实际应用中，为了减少软件开销和提高单片机的实时控制能力，因而均在单片机内部设置定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理。 51系列单片机共有2个16位长度的定时器/计数器，用于实现内部精确定时或外部事件计数功能。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 6、定时电路

8、及元件 计算机的整个工作是在时钟信号的驱动下，按照严格的时序有规律地一个节拍一个节拍地执行各种操作。 各种计算机均有自己的固定时序和定时电路。 单片机内部也设有定时电路，作为单片机工作的时间基准，只需外接振荡元件即可工作。典型的晶体振荡频率为12MHz有的单片机将振荡元件也集成在芯片内部，这样不仅大大缩小了单片机的体积，同时也方便了使用。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理7、中断控制系统8051型单片机共设有五个中断源，其中外部中断2个、定时/计数中断2个、串行中断1个，可实现二级中断嵌套。 以上各个主要功能部件基本上构成了8051型单片机，作为计算机应该具有的基本部

9、件它都包括，实质上单片机系统就是一个简单的微机系统。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理2.2 80C51单片机的引脚功能和结构框图 一、80C51的引脚功能 80C51有40引脚双列直插（DIP）和44引脚(QFP)封装形式。 管脚分为以下四类：n电源类管脚电源类管脚2个（个（20,40）n时钟类管脚时钟类管脚2个（个（18,19）n并行并行I/O类管脚类管脚32个个n控制类管脚控制类管脚4个个 （9,29,30,31）第二章单片机的基本结构与工作原理第二章单片机的基本结构与工作原理图2280C51/80C52的封装及逻辑图第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单

10、片机的结构与原理 1、电源和时钟振荡类引脚VCC (40脚)：芯片工作电源的输入端，+5V。VSS(20脚)：电源的接地端。XTALl（19脚)和XTAL2(18脚)的内部是一个振荡电路。内部设置了一个反相放大器，XTALl为放大器的反相输入端，XTAL2为放大器的同相输入端。当使用芯片内部时钟时，在这两个引脚上外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 2 2、I/OI/O口口：4个口，32根。有有32条I/O线，构，构成成4个8位双向端口P0口口(3239脚脚)：是一个是一个8位漏极开路型的双向I/O口；在

11、访问外部存储器时，分时；在访问外部存储器时，分时提供低提供低8位地址，并用作位地址，并用作8位双向数据总位双向数据总线。线。P0口能以吸收电流的方式驱动口能以吸收电流的方式驱动8个个LSTTL负载。负载。P1口口(18脚脚)：是一个是一个带内部提升电阻的8位准双向I/O口。它能驱动口。它能驱动4个个LSTTL负载。负载。第第2章章 51系列单片机的结构与原系列单片机的结构与原理理 P2P2口口(21(212828脚脚) )：是一个是一个带内部提升电阻的8位准双向I/O口；在访问外部存口；在访问外部存储器时，输出高储器时，输出高8位地址。在对位地址。在对8751型型单片机内单片机内EPROM进行

12、编程和检验时，进行编程和检验时，P2口用于接收高口用于接收高8位地址和控制信号。位地址和控制信号。P2口可以驱动口可以驱动4个个LSTTL负载。负载。 P3口口(1017脚脚)：是一个是一个带内部提升电阻的8位准双向I/O口。口。P3口可以驱动口可以驱动4个个LSTTL负载。在系统中，这负载。在系统中，这8个引脚都个引脚都有各自的第二功能，详见下表。有各自的第二功能，详见下表。 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理P3口引脚第 二 功 能P3口引脚第 二 功 能P3.0RXD(串行口输入端) P3.4T0(定时器0外部输入)P3.1TXD(串行口输出端) P3.5T1(

13、定时器0外部输出)P3.2INT0(外部中断0输入)P3.6WR(外部数据存储器写脉冲输出)P3.3INT1(外部中断1输入)P3.7RD(外部数据存储器读脉冲输出)第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理3 3、控制线控制线：共：共4 4根。根。 输入：RST（9脚）复位输入信号，高电平有效。 在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。EA/VPP（31脚）片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21 V或12 V的编程电压。第第2章章 51系列单片机的结构与原系列单片机的结构与原理理 输入、输出：ALE/PROG（30脚）地址

14、锁存允许信号，输出。 用做片外存储器访问时，低字节地址锁存。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用做对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入。输入编程脉冲（PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。第第2章章 51系列单片机的结构与原系列单片机的结构与原理理 输出控制线：PSEN（29脚）片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取指期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 二、二、8080C51C51的内部结构框图和组成

15、的内部结构框图和组成 主要包括算术逻辑部件ALU、累加器ACC(有时也简称为A) 、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、指令寄存器IR、程序地址寄存器、程序计数器PC、数据指针DPTR、定时器计数器、并行IO口 P0P3、串行口、程序状态标志寄存器PSW以及定时控制逻辑电路等。这些部件通过内部总线连接起来，构成一个完整的微型计算机。 第二章单片机的基本结构与工作原理第二章单片机的基本结构与工作原理 图2-3 80C51的内部结构框图第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理2.3 2.3 8080C51 CPUC51 CPU的结构和特点的结构和特点 中央处理器CPU主要包

16、括控制器、运算器和工作寄存器及时序电路。在单片机中，工作寄存器(即通用寄存器)属于数据存储器RAM的一部分，因此，工作寄存器放在后面与片内数据存储器一起介绍，这里仅介绍控制器、运算器及时序电路的基本组成、功能与特点。 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 一、中央控制器 控制器的功能是控制器的功能是控制单片机各部件协调动作。它由程序计数器。它由程序计数器PC、PC加加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路组寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路组成。成。其工作过程就是执行程序的过程，而程序的执行是在控制器的其工作过程就是执行程序的过程，而程序的执行是在

17、控制器的控制下进行的。步骤如下：控制下进行的。步骤如下：从片内外程序存储器ROM中取出指令，送指令寄存器。通过指令寄存器再送指令译码器，将指令代码译成一种或几种电平信号。与系统时钟一起，送时序逻辑电路进行综合后产生各种按一定时间节拍变化的电平或脉冲控制信号，用以控制系统各部件进行相应的操作，完成指令的执行。执行程序就是重复这一过程。第第2章章 51系列单片机的结构与原系列单片机的结构与原理理 1、地址寄存器PC和DPTR（1）程序计数器PC（Program Counter）是最基本的寄存器，是一个独立的计数器，存放着下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址。基本的工作过程：读指令时，程序计数器

18、将其中的数作为所取指令的地址输出给程序存储器，然后程序存储器按此地址输出指令字节，同时程序计数器本身自动加1，指向下一条指令地址。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 程序计数器PC变化的轨迹决定程序的流程。程序计数器的宽度决定了程序存储器可以直接寻址的范围。在80C51中，程序计数器PC是一个16位的计数器，故而可对64 KB（216）程序存储器进行寻址。程序计数器PC的基本工作方式有如下三种： 程序计数器PC自动加1，这是最基本的工作方式，也是这个专用寄存器被称为计数器的原因。 执行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，程序的流向发生变化。第第2章章

19、 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 变化的方式有下列几种： 带符号的相对跳转SJMP， 短跳转AJMP， 长跳转LJMP及 JMP A+DPTR等 下章学习指令时可进一步了解。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 在执行在执行调用指令或响应中断调用指令或响应中断时：时： PCPC的现行值，即下一条将要执行的指令的地址，的现行值，即下一条将要执行的指令的地址，送入堆栈，加以保护。送入堆栈，加以保护。 将子程序的入口地址或者中断矢量地址送入将子程序的入口地址或者中断矢量地址送入PCPC，程序流向发生变化，执行子程序或中断服务程程序流向发生变化，执行子程序或中

20、断服务程序。子程序或中断服务程序执行完毕，遇到返序。子程序或中断服务程序执行完毕，遇到返回指令回指令RETRET或或RETIRETI时，将栈顶的内容送到时，将栈顶的内容送到PCPC寄寄存器中，程序流程又返回到原来的地方，继续存器中，程序流程又返回到原来的地方，继续执行。执行。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理复位控制与中断控制有相应的硬件结构，其程序入口地址是固定的如下表，用户不能更改。操作操作入口地址入口地址复位复位0000H外部中断外部中断INT00003H定时中断定时中断T0000BH外部中断外部中断INT10013H定时中断定时中断T1001BH串行口中断串行

21、口中断0023H第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 程序计数器PC的输出，即程序存储器的地址，与P0、P2口之间的关系如图：第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理(2) 数据指针DPTRDPTR：16位的特殊功能寄存器，主要功能是作为片外数据存储器寻址用的地址寄存器（间接寻址），故称为数据指针。访问片外数据存储器的指令为：MOVX A，DPTR 读 MOVX DPTR，A 写 此时，DPTR的输出，即片外数据存储器的地址，与P0、P2口之间的关系如图：第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理DPTR的输出与P0、P2口之间的关

22、系 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理DPTR寄存器也可以作为访问程序存储器时的基址寄存器。 MOVC A，A+DPTR JMP A+DPTRDPTR寄存器既可以作为一个16位寄存器处理如， MOV DPTR，#16位地址 INC DPTR也可以作为两个8位寄存器处理，其高8位用DPH表示，低8位用DPL表示。如：CJNE A，DPL，$ CJNE A，DPH，$第第2章章 51系列单片机的结构与原系列单片机的结构与原理理在80C51中，程序计数器PC与数据指针DPTR两个地址寄存器的异同处： 两者都是与地址有关的、16位的寄存器。 PC与程序存储器的地址有关，而DP

23、TR与数据存储器的地址有关。作为地址寄存器使用时，PC与DPTR都是通过P0和P2口输出的。但PC的输出与ALE及PSEN有关； DPTR的输出，则与ALE、WR、RD相联系。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 PC只能作为16位寄存器对待；有自动加1的功能，故又称为计数器；PC是不可以访问的；有自己独特的变化方式；它的变化轨迹决定了程序执行的流程。 DPTR可以作为16位寄存器对待，也可以作为两个8位寄存器对待；DPTR是可以访问的。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理2、指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑 指令寄存器指令寄存器IR是是用来

24、在存放指令操作码的专用寄存器。执行程序时：执行程序时：n进行程序存储器的读指令操作，也就是根据PC给出的地址从程序存储器中取出指令，并送指令寄存器IR，IR的输出送指令译码器；n由指令译码器对该指令进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，定时控制逻辑电路根据指令的性质发出一系列的定时控制信号，也叫时序信号，控制单片机的各组成部件进行相应的工作，执行指令。条件转移逻辑电路主要用于条件转移逻辑电路主要用于控制程序的分支转移。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理指令寄存器和指令译码器 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 整个程序的执行过程就是在控制器的

25、控制下，将指令从程序存储器中逐条取出，进行译码，然后由定时控制逻辑电路发相应的定时控制信号，控制指令的执行。 对于运算指令，还要将运算的结果特征送入程序状态标志寄存器PSW。 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理二、运算器 运算器的功能主要进行运算器的功能主要进行算术和逻辑运算，它由，它由算术逻辑单元 ALU、累加器ACC、B寄存器、PSW状态字寄存器和和两个暂存器组成。组成。l算术逻辑单元ALU。运算器的核心部件。n加、减、乘、除、增量、十进制调整和比较等算术运算；n与、或、异或等逻辑运算；n左移位、右移位和半字节交换等操作；操作数暂存于暂存于累加器和和相应寄存器，操

26、作结果存于存于累加器，操作结果的状态保存于保存于状态寄存器(PSW)中。中。第第2章章 51系列单片机的结构与原系列单片机的结构与原理理1、算术逻辑运算单元ALU 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 结构上，该单元实质是一个全加器。全加器的输入有两个：(1)通过暂存器1的输入：输入数据来自寄存器、输入数据来自寄存器、立即数、直接寻址单元（含立即数、直接寻址单元（含I/O口）、内部口）、内部RAM及寄存器及寄存器B。(2) 通过暂存器2或累加器ACC的输入：通过暂存器2的运算如有: ANL direct,#data、 ORL direct,#data、 XRL dire

27、ct,#data 。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 其它的运算，其输入之一大多数也要通过累加器ACC。 全加器有两个输出：一个是累加器，数据经过运算后，其结果又通过内部总线送回到累加器中； 另一个是程序状态字PSW，即为程序状态标志寄存器。第第2章章 51系列单片机的结构与原系列单片机的结构与原理理算术/逻辑运算可完成的操作： 带进位和不带进位的加法、减法及8位数的乘、除法运算； 逻辑运算 AND、 OR和XOR； 增量或减量； 位操作有位置位、位复位和位取反等； 左移位、右移位； 半字节交换； BCD码运算修正。第第2章章 51系列单片机的结构与原系列单片机的结

28、构与原理理2、累加器累加器A 累加器是CPU中使用最频繁的一个寄存器，简称ACC或A寄存器。作用： 累加器A是ALU单元的输入之一，是处理数据源之一，它又是ALU运算结果的存放单元。 CPU中的数据传送大多都通过累加器，相当于一个数据的中转站。在CPU中与它打交道的部分有：ROM中的常数 “MOVC A，A+DPTR”、 “MOVC A, A+PC”；第第2章章 51系列单片机的结构与原系列单片机的结构与原理理 寄存器R0,，R7 ； 数据存储器（片内RAM，片外RAM）；直接寻址单元。 在80C51中，还有一部分可以不经过累加器不经过累加器的传送指令，如： 寄存器与直接寻址单元之间； 直接寻

29、址单元与间接寻址单元之间； 寄存器、间接寻址单元、直接寻址单元与立即数之间的传送指令。这样，既加快了传送速度，又减少了累加器的堵塞现象。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理3、B寄存器 B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一。乘法中，ALU的两个输入分别为A、B，运算结果存放在AB寄存器对中。A中放积的低8位，B中放积的高8位。除法中，被除数取自A，除数取自B，商数存放于A，余数存放于B。在其它情况下，B寄存器可以作为内部RAM中的一个单元来使用。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理4、程序状态字PSW PSW（Program Statu

30、s Word）用于用于存放指令执行时的状态信息的8位寄存器。其中有些位的状态是根据指令执行结果，由硬其中有些位的状态是根据指令执行结果，由硬件自动设置的。件自动设置的。PSW的状态可用专门的指令进的状态可用专门的指令进行测试，也可以用指令读出。行测试，也可以用指令读出。一些条件转移指令将根据一些条件转移指令将根据PSW中有关位的状态来中有关位的状态来进行条件转移，其各位定义如下进行条件转移，其各位定义如下： 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 位位 序序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标位标志志CYACF0RS1RS0

31、OV/PGCY（PSW.7）：进位标志。是是PSW中最常用的标志位，中最常用的标志位，其功能是存放算术运算的进位标志和在位操作中作位累其功能是存放算术运算的进位标志和在位操作中作位累加器使用，在位与、位或等操作中都要使用加器使用，在位与、位或等操作中都要使用CY。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 位位 序序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标位标志志CYACF0RS1RS0OV/PGAC（PSW.6）：辅助进位标志。当进行加法或减法运算当进行加法或减法运算中，当低中，当低4位向高位向高4位进位或借位时，位进位或借位时，

32、AC被硬件置被硬件置“l”，否则被清零。在进行否则被清零。在进行BCD码十进制运算时，需要进行十码十进制运算时，需要进行十进制调整，要用进制调整，要用AC进行判断。进行判断。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 位位 序序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标位标志志CYACF0RS1RS0OV/PGF0（PSW.5）：用户标志。是用户定义的一个状态标志，是用户定义的一个状态标志，可以用软件对可以用软件对F0进行置位或复位。也可以通过测试进行置位或复位。也可以通过测试F0来来控制程序的转向。控制程序的转向。第第2章章 51系

33、列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 位位 序序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标位标志志CYACF0RS1RS0OV/PGRS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器选择控制位。可寄存器选择控制位。可用软件设置这两位的状态，来选择对应寄存组，其对应用软件设置这两位的状态，来选择对应寄存组，其对应关系如表。关系如表。被选中的寄存器称为被选中的寄存器称为当前寄存器当前寄存器。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 位位 序序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标位标志志

34、CYACF0RS1RS0OV/PGOV（PSW.2）：溢出标志。执行算术指令时，由硬件置位或清零，以指示执行算术指令时，由硬件置位或清零，以指示溢出状态。溢出状态。在带符号的加减运算中，在带符号的加减运算中，OV=1表示加减运算的结果超出了累加器表示加减运算的结果超出了累加器A所能表所能表示的范围示的范围(-128+127)，即产生溢出，因此运算结果错误；反之，即产生溢出，因此运算结果错误；反之OV=0，表，表示无溢出，运算结果正确。示无溢出，运算结果正确。在乘法运算中在乘法运算中OV=l表示乘积超过表示乘积超过255，溢出，否则，溢出，否则OV0。在除法运算中，在除法运算中，OV1表示被除数

35、为表示被除数为0，除法不能进行；反之，除法不能进行；反之OV=0，除法，除法可以正常进行。可以正常进行。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 位位 序序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标位标志志CYACF0RS1RS0OV/PG其中其中PSW.1位未使用。位未使用。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 位位 序序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标位标志志CYACF0RS1RS0OV/PGP(PSW.0)：奇偶标志位。用来表示累加器中用来表示累加器中

36、l的个数的奇的个数的奇偶性，在每个指令周期内由硬件根据偶性，在每个指令周期内由硬件根据A的内容，对的内容，对P进行进行置位或复位。置位或复位。若若P=0，表示，表示l的个数为偶数；的个数为偶数；若若P=1，表示，表示1的个数为奇数。的个数为奇数。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理三、三、时钟电路及时钟电路及CPU的工作时序的工作时序 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应为了保证同步工作方式的实现，电路应在

37、惟一的时钟信号控制下严格地按时序在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。进行工作。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 1、时钟电路 80C51单片机内带有时钟电路，只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。在80C51芯片内部有一个高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。80C51单片机的时钟电路如图：第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 80C51单片机的时钟电路第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 振

38、荡器的结构和振荡电路原理第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 用晶振和电容构成谐振电路。C1和C2虽然没有严格要求，但电容的大小影响振荡器振荡的稳定性和起振的快速性，通常选择在1030 pF左右。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理2、时序定时单位时序定时单位80C51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是: 节拍、状态、机器周期和指令周期节拍、状态、机器周期和指令周期。(1)节拍与状态节拍与状态：一个状态包含两个节拍一个状态包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫P1, 后半周期对应的节拍叫P2第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构

39、与原理(2) 机器周期机器周期：规定一个机器周期的宽度为一个机器周期的宽度为6个状个状态态，并依次表示为S1S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此一个机器周期总共有一个机器周期总共有12个节拍个节拍，分别记作S1P1，S1P2，S6P2。由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的12分频。当振荡脉冲频率为l2 MHz时，一个机器周期为1 s；当振荡脉冲频率为6 MHz时，一个机器周期为2 s。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 (3) 指令周期指令周期：执行一条指令所需要的时间称为执行一条指令所需要的时间称为指令周期指令周期。它是最大的时序定时

40、单位。80C51的指令周期根据指令的不同，可包含有一、二、四个机器周期。 3、80C51指令时序指令时序 80C51共有111条指令，全部指令按其长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。执行这些指令所需要的机器周期数目是不同的，主要有以下几种：第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 单字节单字节 单机器周期指令 双机器周期指令 双字节双字节 单机器周期指令 双机器周期指令 三字节三字节指令都是双机器周期的 单字节乘除指令则均为四机器周期的单字节乘除指令则均为四机器周期的 下图表示的是几种典型单机器周期和双机器周期指令的时序： 80C51的取指/执行时序第第2章章 5

41、1系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 几个典型指令的时序说明几个典型指令的时序说明: （1）单字节单周期指令单字节单周期指令(例如例如INC A)由于是单字节指令，因此只需进行一次读指令操作。当第二个ALE有效时，由于PC没有加1,所以读出的还是原指令，属于一次无效的操作。（2）双字节单周期指令双字节单周期指令(例如例如ADD A，#data)这种情况下对应于ALE的两次读操作都是有效的，第一次是读指令操作码，第二次是读指令第二字节(本例中是立即数)。（3）单字节双周期指令单字节双周期指令(例如例如INC DPTR)两个机器周期共进行四次读指令的操作，但其中后三次的读操作全是无效的。

42、第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理(4) 单字节双周期指令单字节双周期指令(MOVX类指令类指令)如前述每个机器周期内有两次读指令操作，但MOVX类指令情况有所不同。因为执行这类指令时，先在ROM读取指令，然后对外部RAM进行读/写操作。第一机器周期时，第一机器周期时，与其它指令一样，第一次读指令(操作码)有效，第二次读指令操作无效。第二机器周期时，第二机器周期时，进行外部RAM访问，此时与ALE信号无关，因此不产生读指令操作。 注意，时序图中只表现了取指令操作的有关时注意，时序图中只表现了取指令操作的有关时序，而没有表现指令执行的内容。序，而没有表现指令执行的内容。

43、第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理2.4存储器结构和地址空间存储器结构和地址空间 在80C51单片机中，不仅在片内驻留了一定容量的程序存储器程序存储器和数据存储器数据存储器及众多的特殊功能特殊功能寄存器寄存器，而且还具有极强的外部存储器扩展能力，寻址范围分别可达64 KB，寻址和操作简单方便。80C5l内部共有内部共有256个数据存储器字节单元，地址个数据存储器字节单元，地址为为00HFFH，按其功能划分为两部分，低，按其功能划分为两部分，低128单元单元(地址地址00H7FH)和高和高128单元单元(地址地址80HFFH) 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列

44、单片机的结构与原理 80C51单片机存储器映象图第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理片内数据存储器低128单元按照功能不同，可分为工作寄存器区、位寻址区、用户RAM区三个区域第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理一、一、程序存储器程序存储器（program memory）用于存放经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数。由于采用16位的程序计数器PC和16位的地址总线，因而其可扩展的地址空间为64 KB，且这64 KB地址是空间连续、统一的。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理整个程序存储器可以分为片内和片外两部分，CPU访

45、问片内和片外存储器，可由EA引脚所接的电平来确定： EA引脚接高电平时引脚接高电平时，程序从片内程序存储器开始执行，即访问片内存储器；当PC值超出片内ROM容量时，会自动转向片外程序存储器空间执行。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 EA引脚接低电平时引脚接低电平时，迫使系统全部执行片外程序存储器程序。 对于有片内ROM的80C51/87C51单片机，正常运行时，应将引脚接高电平。若把EA引脚接低电平，可用于调试状态，即将欲调试的程序设置在与片内ROM空间重叠的片外存储器内，CPU执行片外存储器程序进行调试。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理

46、 对于片内无ROM的80C31/80C32单片机，应将EA引脚固定接低电平，以迫使系统全部执行片外程序存储器程序。 不管从片内或片外程序存储器读取不管从片内或片外程序存储器读取指令，其操作速度是相同的。指令，其操作速度是相同的。 程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序入口地址程序入口地址。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 系统复位后的系统复位后的PC地址为地址为0000H,，故系统从，故系统从0000H单元开始取指，执行程序。单元开始取指，执行程序。它是系统的启动地址，一般在该单元设置一条无条件转移指令，使之转向用户主程序处执行

47、。因此，0000H0002H单元被保留用于初始化单元被保留用于初始化。 从0003H002BH单元被保留用于6个中断源的中断服务程序的入口地址，故有以下7个特定地址被保留：第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理计时器计时器T2/T2EX下降沿下降沿 002BH 在程序设计时，通常在这些中断入口处设置无条件转移指在程序设计时，通常在这些中断入口处设置无条件转移指令，使之转向对应的中断服务程序段处执行。令，使之转向对应的中断服务程序段处执行。操作操作入口地址入口地址复位复位0000H外部中断外部中断INT00003H定时中断定时中断T0000BH外部中断外部中断INT1001

48、3H定时中断定时中断T1001BH串行口中断串行口中断0023H第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理二、二、数据存储器数据存储器（data memory）由随机存取存储器由随机存取存储器RAM构成，用来存放随机数据。构成，用来存放随机数据。 在80C51单片机中，数据存储器又分片内数据存分片内数据存储器储器（internal data memory）和片外数据存储片外数据存储器器（enternal data memory）两部分。 片内数据存储器片内数据存储器(IRAM)最高地址只有最高地址只有8位，因而位，因而最大寻址范围为最大寻址范围为256个字节个字节。第第2章章

49、 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 在80C51单片机中，设置有一个专门的数据存储器的地址指示器数据指针数据指针DPTR，用，用于访问片外数据存储器（于访问片外数据存储器（ERAM）。数据指针DPTR也是16位的寄存器，这样，就使80C51单片机具有64 KB的数据存储器扩展能力。1 1、片内数据存储器、片内数据存储器 是最灵活的地址空间。它在物理上又分成两个独立的功能不同的区。第第2章章 51系列单片机的结构与原系列单片机的结构与原理理 片内数据片内数据RAM区区：对80C51型单片机，为地址空间的低128 B； 对80C52型单片机，为地址空间的0255 B。 特殊功能寄存

50、器特殊功能寄存器SFR区区：地址空间的高128 B。 对于80C52型单片机，高128 B的RAM区和SFR区的地址空间是重叠的。究竟是访问哪一个区是通过不同的寻址方式来加以区别，即访访问高问高128 B RAM区时，选用间接寻址方式；访区时，选用间接寻址方式；访问问SFR区，则应选用直接寻址方式。区，则应选用直接寻址方式。 下图为片内数据存储器各部分地址空间分布图 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 工作寄存器组 RS1 RS0 组号单元地址 0 0 0组(0体)00H-07H 0 11组(1体)08H-0

51、FH 1 02组(2体)10H-17H 1 13组(3体)18H-1FH第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理l用户缓冲区（30H7FH）内部RAM中地址为30H7FH的80个单元是用户RAM区，也是数据缓冲区，以存储单元的形式来使用，没有任何规定或限制，通常用作堆栈区及存放用户数据。l堆栈堆栈是一种数据结构，堆栈操作遵循先进后出的原则工作的连续存储区域，即：先压入堆栈的数据，最后才能弹出。堆栈区域的一端固定，称为栈底.另一端激活，称为栈顶，并用堆栈指针寄存器SP存放栈顶地址SP亦称为堆栈指针，也叫堆栈指示器，总是指向栈顶。堆栈位于内部RAM中地址为30H7FH的区域内。

52、第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理堆栈的操作堆栈的操作:数据写入堆栈称入栈入栈或压栈压栈，对应指令助记符为PUSH；数据从堆栈中读出称为出栈出栈或弹出弹出，对应指令的助记符为POP。堆栈的操作只能从栈顶进行，在堆栈为空时，SP指向栈底，当有数据存入堆栈时，SP内容加1，从堆栈取出数据时SP内容减1，叫作下推堆栈。进栈操作进栈操作：先SP加l，后写入数据。出栈操作出栈操作：先读出数据，后SP减1。系统复位后，SP的初始值为07H，使用堆栈实际上从08H地址开始，而堆栈一般是在内部RAM的30H7FH单元中开辟，所以程序设计时应注意把SP的初始值置为30H以后。第第2章章

53、 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理堆栈的类型：堆栈的类型：可分为向上生长型向上生长型和向下生长型向下生长型两种。向上生长型向上生长型是指随着数据的不断入栈，栈顶地址不断增大，反之，随着数据的不断出栈，栈顶地址不断减小；向下生长型向下生长型是指随着数据的不断入栈，栈顶地址不断减小。反之，随着数据的不断出栈，栈顶地址不断增大。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFR区区 SFR（Specail Function Register）是80C51单片机中各功能部件所对应的寄存器，用以存放相应功能部件的控制命令、状态或数据的区域。这

54、是80C51系列单片机中最有特色的部分。现在所有80C51系列功能的增加和扩展几乎都是通过增加特殊功能寄存器来达到的。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 80C51系列单片机设有128 B片内数据RAM结构的特殊功能寄存器空间区。除程序计数器PC和4个通用工作寄存器组外，其余所有的寄存器都在这个地址空间之内。 80C51共定义了21个特殊功能寄存器，其名称和字节地址列于表中。在80C52中，除上述80C51的21个之外，还增加了5个特殊功能寄存器，共计26个。除此而外，其它地址访问无效。 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 特特殊殊功功能能寄

55、寄存存器器名名称称和和地地址址表表标标 识识 符符寄存器名称寄存器名称地地 址址是否可是否可位位寻址寻址A累加器累加器0E0HBB寄存器寄存器0F0HPSW程序状态寄存器程序状态寄存器0D0HSP堆栈指针堆栈指针81HDPH数据地址指针（高位字节）数据地址指针（高位字节）83HDPL数据地址指针（低位字节）数据地址指针（低位字节）82HP0P0口口80HP1P1口口90HP2P2口口0A0HP3P3口口0B0H第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 特特殊殊功功能能寄寄存存器器名名称称和和地地址址表表标标 识识 符符寄存器名称寄存器名称地地 址址 是否可位是否可位寻址寻址

56、IP中断优先级控制中断优先级控制0B8HIE允许中断控制允许中断控制0A8HTMOD定时定时/计数器方式控制计数器方式控制89HTCON定时定时/计数器控制计数器控制88HTH0定时定时/计数器计数器0（高位字节）（高位字节）8CHTL0定时定时/计数器计数器0（低位字节）（低位字节）8AHTH1定时定时/计数器计数器1（高位字节）（高位字节）8DHTL1定时定时/计数器计数器1（低位字节）（低位字节）8BHSCON串行口控制串行口控制98HSBUF串行数据缓冲器串行数据缓冲器99HPCON电源控制电源控制97H第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 T2CON定时器/计

57、数器2控制0C8H 0C8H0CFH TH2 定时器/计数器2（高位字节） 0CDH TL2 定时器/计数器2（低位字节） 0CCH RCAP2H定时器/计数器2自动再装载（高位字节） 0CBH RCAP2H定时器/计数器2自动再装载（低位字节） 0CAH从表中可以看出，在从表中可以看出，在128 B空间中存在着大片的空白，空间中存在着大片的空白，这为这为80C51系列功能的增加提供了极大的可能性。系列功能的增加提供了极大的可能性。 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 2、片外数据存储器片外数据存储器 片外数据存储器是在外部存放数据的区域，用寄存器间接寻址的方法访问，

58、所用的寄存器为DPTR、R1或R0。当用R1、R0寻址时，由于R0、R1为8位寄存器，因此最大寻址范围为256 B；当用DPTR寻址时，由于DPTR为16位寄存器，因此最大寻址范围为64 KB。 第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理2.5 布尔布尔(位位)处理器处理器 在80C51单片机系统中，特别设置了一个结构完整、功能极强的布尔(位）处理器。在位处理器系统中，除了程序存储器和ALU与字节处理器合用之外，还有自己的如下设置：1、在位处理中的累加器在位处理中的累加器CY：借用进位标志位。在布尔运算中，CY是数据源之一，又是运算结果的存放处，位数据传送的中心。根据CY的状

59、态，程序转移：JC rel、JNC rel、JBC bit rel(检测bit为1，清0该bit为然后转移到rel。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理2、位寻址的、位寻址的RAM ：RAM区中的0127位(包含在20H2FH单元内)。 3、位寻址的寄存器、位寻址的寄存器：特殊功能寄存器(SFR)中的可以位寻址的位。4、位寻址的并行、位寻址的并行I/O口口：并行I/O口中的可以位寻址的位。5、位操作指令系统、位操作指令系统：位操作指令可实现对位的置位、清0、取反、位状态判跳转、传送、位逻辑运算、位输入/输出等操作。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与

60、原理2.6 80C51单片机的工作方式单片机的工作方式 共有四种工作方式：复位、程序执行、低功耗、复位、程序执行、低功耗、编程和校验编程和校验。一、复位方式一、复位方式 1、复位操作、复位操作 复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理 2、复位信号及其产生、复位信号及其产生(1)复位信号第第2章章 51系列单片机的结构与原理系列单片机的结构与原理(2) 复位方