微机控制技术第2章80C51单片机的硬件结构

1、第2章 80C51单片机的硬件结构2.1 单片机的概念及系列2.2 80C51单片机内部结构2.3 80C51系列单片机外引脚功能2.4 80C51单片机的内部存储器2.5 80C51单片机的并行I/O口2.6 80C51单片机的时钟与定时2.7 80C51单片机系统的复位2.1 单片机的概念及系列1单片机的概念2MCS-51系列与80C51系列MCS-51系列：MCS只是Intel公司专用的，是Inter公司系列的符号。MCS-51系列单片机典型机包括51和52两个子系列。80C51系列：MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。因而常用80C51系列来命名所

2、有具有MCS-51指令系统的单片机。对8051都做了一些补充。80C51系列的单片机包括Inter公司和其他公司的51和52子系列。内部资源超出52子系列的单片称为新一代80C51系列单片机MCS-51系列单片机分类表掩模ROM 紫外线可擦除ROM HMOS工艺 低功耗CHMOS 2.2 80C51单片机内部结构控制器运算器PC加1寄存器中央处理器CPU1运算器(1) 累加器 A（或ACC）：8位寄存器 功能：存放操作数，存放运算结果 工作最繁忙的寄存器 - 中心交通路口，在指令系 统中有一多半 指令和A有关。（2） 算术/逻辑部件ALU：对数据进行算术运算和逻辑操 作的执行部件。由加法器和其

3、他逻辑电路（移位电路和判断电路等）组成。完成算术加、减、乘、除和逻辑“与”、“或”、“异或”等运算以及循环移位操作、位操作等功能。 （3） 程序状态字寄存器PSW：是8位寄存器，用来存放运算结果的一些特征。（4） B寄存器：在进行乘法、除法运算时作为ALU的输入之一，与ACC配合完成运算和并存放运算结果。（5） 暂存器：用以暂存进入运算器之前的数据。2.2 80C51单片机内部结构控制器运算器PC加1寄存器2控制器包括指令部件，时序部件和微操作部件（1） 程序计数器PC：存放下一条要执行的指令的地址，16位程序地址寄存器（2） 堆栈指针SP：“先进后出”原则存取数据的，开机复位后，单片机栈底地

4、址为07H （3） 指令寄存器IR ：（4） 数据指针DPTR ：可用于寻址程序存储器或数据存储单元 。16位存储器，可寻地址64KB 。由DPH + DPL 组成，可分别使用 高位字节（DPH）和低位字节（DPL） （5）定时器/计数器：80C51有两个16位的定时器/计数器。表示为定时/计数器T0，T1。2.2 80C51单片机内部结构控制器运算器存储器1内部数据存储器：80C51芯片256个RAM单元，其中后128个单元专用寄存器用，用户使用的只有前128个单元，简称内部“RAM”2内部程序存储器：80C51有4KB掩模ROM，存放程序和原始数据。称为程序存储器，简称“内部ROM”2.2

5、 80C51单片机内部结构控制器运算器输入输出端口（I/O）1并行的I/O口：4个8位并行I/O口（P0，P1，P2，P3），实现数据的并行输入输出。2一个串行口：实现单片机和其他数据设备之间的串行数据传送。2.2 80C51单片机内部结构控制器运算器2.3 80C51系列单片机外引脚功能1封装：80C51系列单片机常用的两种封装为双列直插式DIP40，方形封装LCC44280C51系列单片机外部引脚380C51单片机逻辑符号480C51系列单片机外部引脚说明重要性：引脚表现出单片机的外部特性或硬件特性，通过引脚连接和组建系统。共有40个引脚，分为端口线（32条），电源线（2条）和控制线（6条

6、）端口：4个并行I/O端口，每个端口有8条端口线，用于传送数据或地址。每个端口结构各不相同，因此功能和用途上的差别也较大。80C51单片机逻辑符号（1）端口线P0.7P0.0：为P0口专用，P0.7为高位，P0.0为低位。有两种不同的功能:通用I/O接口和地址/数据分时复用总线 。 通用I/O接口：输出，输入和端口操作三种工作方式。第一种情况，80C51不带片外存储器时。P0口作为通用I/O口使用，用于传送CPU的输入/输出数据。这时输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器。输入数据可以得到缓冲，增加了数据的可靠性端口线第二种情况：80C51带片外存储器， P0.7P0.0在CPU访问片外存储

7、器时用于传送片外存储器的低8位地址。然后传送CPU对片外存储器的读写数据。 端口线P1.7P1.0：80C51单片机的P1口只有一种功能，通用输入/输出接口。对52子系列而言，P1.0和P1.1第二功能为定时器2输入。P2.7P2.0：通用的I/O接口或8位地址总线。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址。80C51单片机逻辑符号端口线P3.7P3.0：第一功能和其余三个端口的第一功能相同。第二功能为控制功能。参阅P23，表2.1P3口的第二功能:实际使用中总是优先选用第二功能，剩下的才作为口线使用380C51单片机逻辑符号（2）电源线VCC(40)为+5V电

8、源线,VSS(20)接地（3）控制线（6条）ALE(30)：地址锁存控制信号。配合P0口引脚的第二功能使用。EA(31):片外存储器访问选择线。可以控制使用片内ROM或使用片外ROM。 EA=1：允许使用片内ROM EA=0：只使用片外ROMPSEN(29)：片外ROM读选通信号，在访问片外ROM时，80C51自动在PSEN线上产生一个负脉冲，作为片外ROM芯片的读选通信号。RST（9）：复位线，使80C51处于复位工作状态。XTAL1（18）和XTAL2（19）：片内振荡电路输入线，用来外接石英晶体和微调电容。80C51引脚功能4）80C51三总线结构总线：连接计算机各部件的一组公共信号线地

9、址总线AB（Address Bus）：地址总线宽度为16位，其外部存储器直接寻址范围为64k（216）。数据总线DB（Data Bus）：用于单片机与存储器之间或单片机与I/O端口之间数据传送。数据总线为8位，由P0口提供控制总线CB（Controller Bus）：一组信号线，由单片机发出的，以及从其它部件传送给单片机的。由P3口部分引脚的第2功能和4根独立控制线RST，EA，ALE，PSEN组成1端口线（4832条）2电源线（2条）3控制线（6条）4地址、数据和控制之三总线结构 （3）控制线（6条）ALE(30)：地址锁存控制信号。配合P0口引脚的第二功能使用。复习EA(31):片外存储器

10、访问选择线。可以控制使用片内ROM或使用片外ROM。 EA=1：允许使用片内ROM EA=0：只使用片外ROM复习PSEN(29)：片外ROM读选通信号，在访问片外ROM时，80C51自动在PSEN线上产生一个负脉冲，作为片外ROM芯片的读选通信号。RST（9）：复位线，使80C51处于复位工作状态。XTAL1（18）和XTAL2（19）：片内振荡电路输入线，用来外接石英晶体和微调电容。复习80C51单片机三总线构成5）80C51三总线的特点P0口的地址/数据复用：作8位地址线时，要有锁存器将地址锁存(ALE)。两个并行的扩展空间。单片机中程序存储器和数据存储器是两个独立的空间。使用相同的16

11、位地址线和8位数据线。分别为两个64K寻址空间。PSEN取指控制信号，数据存储器用WR，RD。外围扩展的统一编址单片机芯片并没有提供专用的地址线和数据线，而是采用I/O口线的复用技术，把I/O口线改造为总线。图4.29 具有32K字节程序存储器的单片机最小系统2.4 80C51内部存储器的组织物理结构上：4个存储空间内部RAM+内部ROM+外部RAM+外部ROM逻辑上：即用户使用的角度上，80C51有3个存储空间 片内外统一编址的64KB程序存储器地址空间片内ROM和片外ROM之和不能超过64K， 地址范围0000H-FFFFH256B片内RAM地址空间，地址范围：00H-FFH64KB片外数

12、据存储器空间，地址范围是0000HFFFFH。2.4 80C51内部存储器的组织物理结构上：4个存储空间内部RAM+内部ROM+外部RAM+ 外部ROM逻辑上：即用户使用的角度上，80C51有3个存储空间 片内外统一编址的64KB程序存储器地址空间片内ROM和片外ROM之和不能超过64K， 地址范围0000H-FFFFH256B片内RAM地址空间，地址范围：00H-FFH64KB片外数据存储器空间，地址范围是0000HFFFFH。1程序存储器程序存储器中特殊功能单元0000H：80C51复位后，PC=0000H，即程序从0000H开始执行指令。0003H：外部中断入口000BH：定时器0溢出中

13、断入口0013H：外部中断1入口0023H：串行口中断入口002BH：定时器2入口（仅52子系列有）内部程序存储器（保留的） 80C51有 4KB ROM 内部程序存储器 0000H0FFFH 存放程序用 系统复位(RST高电平)(PC)=0000H程序从此开始2. 80C51内部数据存储器80C51系列单片机的片内数据存储器包括RAM块和特殊功能寄存器（SFR）块。51子系列 RAM块：128B,编址为:00H7FH SFR块：128B，编址为:80HFFH用户使用P24图2.32 . 80C51内部数据存储器(RAM) 内部数据存储低128单元:分为通用（工作）寄存器区、位寻址区、数据缓冲

14、区（用户区）00H1FH：工作寄存器区。分为4组。每组有8个寄存器。在组中按R7-R0编号。32个单元供用户编程时使用。在任一时刻CPU只能使用其中一组。由程序状态字PSW选择。 R0R1R2.R7（16单元）（80单元）工作寄存器区00HR0工作寄存器0组01HR107HR708HR0工作寄存器1组09HR10FHR710HR0工作寄存器2组11HR117HR718HR0工作寄存器3组19HR11FHR7位寻址区20H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1

15、DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H7

16、4H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H数据缓冲区30H7FH80H仅52子系列有FFH80C51单片机内RAM配置工作寄存区07HR7工作寄存器0组06HR605HR504HR403HR302HR201HR100HR0工作寄存器区00HR0工作寄存器0组01HR107HR708HR0工作寄存器1组09HR11FHR710HR0工作寄存器2组11HR117HR718HR0工作寄存器3组19HR11FHR7位寻址区20H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13

17、H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6A

18、H69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H数据缓冲区30H7FH80H仅52子系列有FFHP24图2.3位寻址区：20H2FH,16个单元，即可进行字节操作也可对单元中每一位进行位操作。128位。每一位都赋予一个位地址。通常把程序中用到的状态标志，位控制变量等放在位寻址区。例：SETB 07H：片内RAM20H单元的D7位将置1接上表工作寄存器区00HR0工作寄存器0组01HR107HR708HR0工作寄存器1组09HR10FHR710HR0工作寄存器2组11HR117HR718HR0工作寄存器3组19HR11FH

19、R7位寻址区20H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H

20、50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H数据缓冲区30H7FH80H仅52子系列有FFH教材P25表2.2P24图2.3数据缓冲区： 51子系列：30H7FH，用户RAM 区。共80个单元。 一般作为堆栈开辟区和数据缓冲。堆栈和堆栈指针:80C51单片机系统复位后SP的初值为07H，即08H单元开始堆放信息。可通过软件改变SP值，一般设为2FH或更大。P24图2

21、.3思考题80C51单片机内部包含哪些主要逻辑功能部件？各有什么主要功能？简述80C51系列单片机片内RAM的空间分配。综述P0，P1，P2和P3口各有哪几种功能？（2） 内部数据存储器高128单元 供专用寄存器使用，用于存放相应功能部件的控制命令，状态或数据。也称之为特殊功能寄存器（SFR）P24图2.3 专用寄存器简介（共22个，21个可寻址） SFR与片内RAM统一编址。80C51有18个专用寄存器，其中3个是双字节。功能：对单片机内部资源的操作和管理。用户在编程时可以置数设定。注意：SFR并未占满80HFFH整个空间，不连续分散在内部RAM高128单元中。对空闲地址的写操作无意义。位寻

22、址能力：部分（字节地址正好能被8整除）具有位寻址能力。356612466专用寄存器(SFR)简介程序状态字寄存器PSW ：用作程序运行状态的标志。字节地址D0H，位地址格式如p26 有些位根据指令的执行情况由硬件自动设置，有些通过软件设定，可通过指令测试和读出。 PSW寄存器各位名称及地址P24图2.3 程序状态字寄存器PSW各位的意义：CYACF0RS1RS0OV P 进位位 半进位位 溢出位 奇偶位 用户标志 工作寄存器选择位高位进位标志位CY，简称C： 反映算术运算时，最高位D7向更高位有无进位或借位， 若有CY = 1；若无CY = 0 。 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1

23、0 0 1 1 1 1 + 1 0 0 0 0 0 0 1 - 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 CY = 1 有进位 CY = 1 有借位 F1半进位标志AC： 反映算术运算时，低半字节向高半字节有无进位或借位，若有AC = 1；若无AC = 0 。 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 + 1 0 1 0 1 0 0 0 - 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 D3位相加向D4位有进位 D3位相减向D4位有借位 AC = 1 CY =

24、1 AC = 1 CY = 0 溢出标志位OV： 反映运算的结果是否发生溢出，有溢出OV = 1；无溢出OV = 0 溢出的概念：12466（2）累加器ACC： 8位寄存器。 在指令系统中，累加器的助记符为A。作为直接寻址时助记符为ACC。3566专用寄存器简介数据指针DPTR: 16位专用地址指针，指明访问的数据存储器的单元地址 。16位存储器，可寻地址64KB 。由DPH + DPL 组成，可分别使用高位字节（DPH）和低位字节（DPL） B寄存器 - 主要用于乘除运算暂存数据 MUL AB; (B70)(A70) (A)*(B) DIV AB; (A) (A)/(B) (B) 余数 也可

25、作为一般寄存器使用124663566 （5）堆栈指针SP(Stack Pointer):堆栈： 是一种数据结构特殊的存储器。主要功能：暂存数据和地址，通常用来保护断点和现场。特点：“先进后出”的原则存取数据。SP：8位双向寄存器，存放栈顶位置指明栈顶元素的地址,8位,系统复位07H(MCS-51)栈顶：最后进栈的数据所在的存储单元专用寄存器简介3566 堆 栈 1. 堆栈的概念 堆栈-保护断点，保护现场的存储区域 （存储断点处寄存器的内容等） 2. 堆栈的特点 “后进先出，先进后出” “进” 入栈 PUSH “出” 出栈 POP SP 堆栈指示器指向栈顶 3. 堆栈的开辟 外堆栈 : 容量大,

26、但速度慢 早期微机 内堆栈 : 容量有限,速度快 80C51 80C51堆栈区30H7FH RAM内 注意：堆栈超出内部RAM单元时，会引起程序运行出错。对51子系列不要超出7FH。 4. 堆栈指示器SP SP的内容栈顶存储器的地址 系统复位时SP内容为07H,建议初始化为 30HP24图2.3 5. 堆栈类型 6。堆栈的操作：两种方式，一种是指令方式，使用堆栈操作命令进行操作。另一种是自动方式，即在子程序和中断时，保护现场，通过硬件自动实现 “进” 入栈 PUSH “出” 出栈 POP （5）堆栈指针SP(Stack Pointer):堆栈： 是特殊的存储器。主要功能：暂存数据和地址，通常用

27、来保护断点和现场。特点：“先进后出”的原则存取数据。SP：8位双向寄存器，存放栈顶位置指明栈顶元素的地址,8位,系统复位07H(MCS-51)栈顶：最后进栈的数据所在的存储单元地址专用寄存器简介（6）端口P0P3：特殊功能寄存器P0P3分别是并行I/O端口P0-P3的锁存器。它们有字节地址，每一个口锁存器还有位地址，所以每一条I/O线均可独立用作输入输出。 (7)程序计数器PC：存储将要执行的指令地址，是一个16位的计数器。寻址范围可达64K，PC有自动加1功能。注：PC没有地址，通过指令可以改变它的值。是独立于SFR之外的一个不可寻址的专用寄存器。专用寄存器的字节地址 *除PC外，共有21个

28、 *对这些存储器，只能采用直接寻址方式专用存储器的位寻址 21个专用寄存器SFR,11个可寻地址，共 83 位（见表2.5，P29）2.5 80C51单片机的并行I/O口80C51的32条I/O线隶属于4个8位双向端口，每个端口均由锁存器（特殊功能寄存器P0-P3），输出驱动器和输入缓冲器。P1，P2和P3均有内部上拉电阻，当它们用作通用I/O时，在读引脚状态时，各口对应的锁存器必须置1，所以为准双向口。P0口内部无上拉电阻，作为I/O时，必须接上拉电阻。在读引脚状态时，各口对应的锁存器必须置1。P0口具有较大的负载能力（8个LSTTL负载）。P0和P2口即可作为通用I/O口，又可作为地址数据

29、总线，内部有模拟开关用于切换。例:用89C52单片机的P1口驱动一位LED显示器。在8段LED显示器轮流显示字符0-FP1#0B0H dp g f e d c b aP1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.01 0 1 1 0 0 0 0 (0B0H)（ LED显示3）1 1 1 1 1 1 0 0 (0FCH)(LED显示1)2.6 80C51单片机的时钟与定时 单片机工作是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行，这个脉冲是单片机控制器中的时序电路发出的，单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。 单片机的时钟电路：由振荡电路和分频电路组成1

30、振荡器和时钟电路1）80C51的时钟产生方法有两种：内部时钟方式：利用芯片内部的振荡器。在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器。发出的脉冲直接送入内部时钟电路。时钟信号的振荡频率就是晶振的固有频率。fosc表示。晶振频率范围一般在1.2-33MHZ。外部时钟方式：利用外部振荡脉冲接入XTAL1或XTAL2。80C51时钟电路接线方法时钟振荡电路的放大图2）振荡电路产生的振荡信号经过分频后使用。P36图2.113）定时的单位 节拍：振荡脉冲的周期，是计算机中最基本的，最小的时间单位。表示为P状态周期：震荡脉冲二分频后，就是单片机的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态。用S表示。用作单片机

31、内部各功能部件按序协调工作的控制信号。一个状态包括两个节拍。前半周期对应的节拍记为P1，后半周期对应的节拍为P2。机器周期：完成一个基本动作所需要的时间称为 机器周期。80C51有固定的机器周期。规定一个机器周期有6个状态: S1S6 ，12个节拍: S1P1、S1P2 S6P2指令周期 : 执行一条指令所需的时间 80C51 指令周期有 1. 2. 3. 4个机器时间 例题：已知振荡频率为8MHZ时 2）振荡电路产生的振荡信号经过分频后使用。P36图2.112CPU时序时序: 指令执行中各信号的序列关系2.7 80C51单片机系统的复位复位：硬件的初始化操作。复位方式：有复位信号引脚RST。

32、单片机的外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种。（1）上电复位：系统自动完成。接通电源，RST产生合适的高电平（2）上电+按键复位：通过专用的复位电路实现接钮按下，RST产生合适的高电平复位状态：初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0R7）的状态，复位后80C51片内各特殊功能寄存器的状态如表2.6所示，p38页，表中“X”为不定数。注：记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对熟悉单片机操作，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。复位后特殊功能寄存器的初始状态了解内容：P38：2.6.2复位电路，P40：2.7 单片机低功耗工作模式 有兴趣的同学自学思考题80C51单片机内部包含哪些主要逻辑功能部件？各有