第2章80C51的结构和原理

第2章AT89S51单片机硬件结构AT89S51单片机的硬件组成2.180C51的基本结构与应用模式2.280C51典型资源配置与引脚封装2.380C51单片机的CPU2.480C51的存储器组织2.580C51的并行口结构与操作2.62023/2/61各厂商以8051为基核开发出的CMOS单片机统称为80C51系列。常用产品有：Intel：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；ATMEL：89C51、89C52、89C2051等；Philips、华邦、Dallas、Siemens等公司的许多产品。本课程主要是讲解关于AT89C51/S5180C51=(8位)CPU+4KBROM+128BRAM+(2×16)T/C+(4×8)I/O+1个UART+5个INT2.1AT89S51单片机的硬件组成2023/2/622.1.180C51的基本结构2023/2/634图2-1AT89S51单片机片内结构2023/2/642.1.280C51的应用模式

带总线扩展引脚的产品扩展总线的应用模式不扩展总线的应用模式

2023/2/65没有总线扩展引脚的产品引脚数减少、体积减小。对于不需进行并行外围扩展，装置的体积要求苛刻且程序量不大的系统极其适合。典型产品,如：AT89S2051/AT89S4051。2023/2/662.2AT89S51的引脚功能2023/2/67引脚简介

P3口线的第二功能VCCVSSXTAL2

XTAL1RSTP0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.72、振荡电路：XTAL1、XTAL23、复位引脚：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址锁存控制信号1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地)EAPSEN5、EA：访问程序存储控制信号6、PSEN：外部ROM读选通信号RXD/

TXD/

INT0/INT1/

T0/

T1/

WR/

RD/1

2

3

4

5

6

7

8

9

10111213141516171819

2040

39

38

37

36

35

34

33

32

313029282726252424222180318051875189C512023/2/6840只引脚按功能分为3类：（1）电源及时钟引脚:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。（2）控制引脚：

PSEN*、EA*

、ALE、RESET（即RST）。（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。1电源及时钟引脚

1．电源引脚

（1）Vcc（40脚）：+5V电源；（2）Vss（20脚）：接地。2023/2/692．时钟引脚

（1）XTAL1（19脚）：如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（2）XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。2控制引脚

提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。

(1)RST/VPD(9脚)：复位与备用电源。

(2)ALE/PROG*（30脚）：第一功能ALE为地址锁存允许，可驱动8个LS型TTL负载。

PROG*为本引脚的第二功能。为编程脉冲输入端。

此外，单片机正常运行时，ALE端一直有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率fosc的1/6。可作外部定时或触发信号用。2023/2/610

(3)PSEN*

（29脚）：外部程序存储器的读选通信号。可以驱动8个LS型TTL负载。

(4)EA*/VPP(EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，31脚)

EA*为内外程序存储器选择控制端。

EA*=1，访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对于8051、8751）时，即超出片内程序存储器的4K字节地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

EA*=0，单片机则只访问外部程序存储器。2023/2/611

VPP为本引脚的第二功能。用于施加编程电压（例如+21V或+12V）。对89C51，加在VPP脚的编程电压为+12V或+5V。3I/O口引脚

(1)P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。

(2)P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。

(3)P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。2023/2/612

(4)P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。注意:准双向口与双向三态口的差别。当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”。准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。以上的准双向口与双向口的差别，读者在学习第4章后，将会有深刻的理解。2023/2/6132.380C51的CPU2023/2/6148051的内部结构展开图128×8RAMRAM地址寄存器P3口P1口P2口P0口锁存器锁存器锁存器锁存器中断控制定时/计数器串行I/O口SP寄存器B累加器A暂存器1暂存器2程序状态字PSW指令寄存器IR指令译码器ID数据指针DPTR缓冲器程序计数器PC增1程序地址寄存器AR定时与控制4K×8ROMALUCPU2023/2/615（1）程序计数器（ProgramCounter——PC）——指向ROM存储单元的地址指针（引导程序运行）

0000HPC指针……XxxxxxxxXxxxxxxxXxxxxxxxXxxxxxxxXxxxxxxxROM0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH永远存放着下一条指令的首地址具有16位字长→可寻址范围216（=65536字节=64KB）具有自动加“1”

功能→顺序运行程序功能具有可被指令修改功能→跳转运行程序功能复位时，PC初值=0→复位后程序从0开始运行PC的计数宽度决定了程序存储器的地址范围。PC为16位，故可对64KB（=216B）寻址。2023/2/616（2）数据指针寄存器（DataPointer——DPTR）具有16位字长，可寻址范围216（64KB）具有可被指令修改功能→可变更数据地址可拆为2个8位的独立寄存器DPL和DPH……0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH35H77HF4H94H9EHDPTR指针……xxHxxHxxHxxHxxHROMRAMDPLDPH0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH——指向ROM或RAM存储单元的地址指针（引导数据传送）

2023/2/617（3）累加器（ACCUMULATER——A）

具有8位字长是利用率最高的寄存器具有可被指令修改功能——存放操作数或中间运算结果的寄存器2023/2/618（4）程序状态字寄存器（ProgramStateWord——PSW）

具有8位字长各位都具有特殊含义状态信息通常自动形成，但也可用指令修改——存放程序运行过程中的各种状态信息的寄存器AC2023/2/619CY（PSW.7）——进位标志在进行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”。10010011+11110000

————————CY=110000011进位标志位CYCYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：1、根据CY判断有无进位或借位；2、在位操作中CY可作为位累加器用。举例2023/2/620

AC（PSW.6）——辅助进位标志在进行加或减运算时，如果操作结果的低四位数向高四位产生进位或借位时，将由硬件置“1”，否则清“0”。01001111+10100001

————————AC=111110000半进位CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0举例用途：1、根据AC判断加减运算时有无半进位或半借位；2、在BCD码调整运算中要用到AC标志2023/2/621F0（PSW.5）和F1（PSW.1）——用户标志位可作为用户自行定义的一个状态标记

举例定义F0为安全门的状态，F0=0→开；F0=1→闭定义F1为指示灯的状态，F1=0→开；F1=1→闭CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：在程序运行中判断门或灯的工作状态2023/2/622RS1和

RS0（PSW.4和

PSW.3）——工作寄存器组指针用途：用于指定CPU的当前工作寄存器组CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位02023/2/623OV（PSW.2）——溢出标志在有符号数加减运算或无符号数乘除运算中若有异常结果，OV硬件置1，否则硬件清0。CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：判断运算的结果是否正确，正确=0；出错=12023/2/624OV=C6YC7Y=1

0=101010100（+84）

+01101001（+105）

——————————————CY=010111101→（-67）D6有进位D7无进位10111101→11000010→11000011正数的补码是它本身，负数的补码是除符号位外每位求反，然后末尾加111111011（-5）

+11110000（-16）

——————————————CY=111101011→（-21）D7有进位

D6有进位OV=C6YC7Y=1

1=011101011→10010100→10010101→运算出错→运算正确举例举例2023/2/625P（PSW.0）——奇偶标志位该位始终跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”举例若A=10011111，则P=0

若A=11000001，则P=1CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：用于串行通讯中的数据校验，判断是否存在传输错误。2023/2/626指令寄存器译码地址译码程序计数器地址寄存器累加器A运算器①②存储器内部数据总线外部地址总线AB数据缓冲器外部数据总线DB寄存器区外部控制总线CB内部控制信号时钟及清零单片机的工作过程取指过程例:MOVA,#09H74H

09H;把09H送到累加器A中执行过程PC=0000H0001H0000H0002H0111010000001001(PC)(PC)0001H0002H0000H外部控制总线CB取指过程(PC)执行过程你知道PC的作用吗？2023/2/627

RS1RS0所选的4组寄存器

000区（内部RAM地址00H～07H）

011区（内部RAM地址08H～0FH）

102区（内部RAM地址10H～17H）

113区（内部RAM地址18H～1FH）2023/2/628寄存器及其存储器映射如下图：20~2FH2023/2/6291.

存储器划分方法计算机存储器地址空间的两种结构形式：普林斯顿结构和哈佛结构。RAM和ROM统一编址

RAM和ROM分别编址

2.480C51的存储器组织2023/2/63051系列单片机采用哈佛结构，共有4个物理存储空间程序存储器ROM数据存储器RAM片内RAM、片内ROM、片外RAM、片外ROM2023/2/6312.480C51的存储器组织80C51存储器可以分成两大类：

RAM，CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。

ROM，写入信息后不易改写的存储器。断电后，其中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。

2023/2/6322.4.180C51单片机的程序存储器配置片内与片外程序存储器的选择

EA引脚接高电平---片内2023/2/633

EA引脚接地---片外2023/2/634a）同时使用片内和片外ROMb）ROM地址分布

当EA引脚接高电平（开关接A点）时，4KB以内的地址在片内ROM，大于4KB的地址在片外ROM中（图中折线），两者共同构成64KB空间；当EA引脚接低电平（开关接B点）时，片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（图中直线）。由于片内外ROM是统一编址的，只能算1个逻辑存储空间。2023/2/635片内RAM和片外RAM是独立的，而片内ROM可与片外ROM统一编址51单片机的4个物理存储空间相当于3个逻辑存储空间片内RAM片外RAM2023/2/636ROM的6个特殊存储器单元——引导程序跳转

0000H：复位后程序自动运行的首地址

0003H：外部中断0入口地址

000BH：定时器0溢出中断入口地址

0013H：外部中断1入口地址

001BH：定时器0溢出中断入口地址

0023H：串行口中断入口地址程序一般应安排在0030H地址以后……

跳转指令

跳转指令

跳转指令

跳转指令

跳转指令0000H0001H0002H0003H0004H0030H主程序首指令2023/2/637程序存储器程序存储器内部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序执行的起始单元,

在这三个单元存放一条

无条件转移指令中断5中断4中断3中断2中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中断0定时器0中断外部中断1定时器1中断串行口中断8位．．．0FFFH0FFEHEA=1EA=0程序存储器资源分布中断入口地址2023/2/638程序存储器低端的几个特殊单元2023/2/6392.4.280C51单片机数据存储器配置片内、片外数据存储器概况片内RAM及SFR片外RAM片内128B的RAM不够用时，需外扩，最多可外扩64KB的RAM。注意，片内RAM与片外RAM两个空间是相互独立的，片内RAM与片外RAM的低128B的地址是相同的，但由于使用的是不同的访问指令，所以不会发生冲突。2023/2/6400000HFFFFH(64K)内部外部数据存储器数据存储器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM专用

寄存器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0区R0R7R0R7R0R7R0R71区2区3区工作寄存器区可位寻址区20H2FH7F78070030H7FH数据缓冲区/堆栈区内部RAM存储器

11第3区18H~1FH

01第1区08H~0FHRS1RS0寄存器区片内RAM地址

00第0区00H~07H

10第2区10H~17H工作寄存器区选择位RS0、RS12023/2/641工作寄存器区（含寄存器组0~3）

寄存器组0：地址00H~07H

寄存器组1：地址08H~0FH寄存器组2：地址10H~17H寄存器组3：地址18H~1FH当前工作寄存器组选择

PSW寄存器中：

2023/2/642片内RAM详图2023/2/643片内数据存储器(RAM)作用：存放程序运行结果字长：8位数量：128B+128B（80C51）30H低128B（00H～7FH）为普通RAM区高128B（80H～FFH）为特殊功能寄存器区2023/2/644(1)低128字节的区域

①工作寄存器区（00H～1FH）

②可位寻址区（20H～2FH）

③用户RAM区（30H～7FH）①②③30H2023/2/645①区共有32个存储单元；每个单元都有1个8位地址（字节地址）每个单元都有1个寄存器名称（R0～R7）32个单元分为4组（第0～

第3组）CPU只能选一组为当前工作寄存器组当前工作寄存器组取决于PSW的设置①30HCPU复位后RS1和RS0默认值为0，即默认第0组为当前工作寄存器组。2023/2/646②30H②区共有16个存储单元；每个单元都有一个字节地址每个单元都有8个不同的位地址

②区共有128个位地址②区可以字节地址和位地址两种方式存取数据。2023/2/647位寻址区字节地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D020H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2023/2/648③区共有80个存储单元；每个单元都有一个字节地址，但没有位地址，也没有寄存器名。③30H此区可作为堆栈区和中间数据存储区使用——用户RAM区【注意】：①区和③区只能按字节进行数据存取操作，②区则可按字节和位两种方式存取操作。2023/2/649通用RAM区

30H~7FH，共80字节

数据缓冲

堆栈

SP指示栈顶复位时SP=07H

系统初始化通常重新设置2023/2/650（2）高128字节RAM区

30HSFR承担着51单片机内部资源的管理工作每个存储单元都有一个字节地址，但只有其中21个单元可以使用，并有相应寄存器名称。51单片机共有21个特殊功能寄存器（SpetialFunctionRegister）2023/2/651字节地址末位是0或8的SFR，都具有位地址。88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH2023/2/6522.4.380C51单片机的特殊功能寄存器（SFR）基本型单片机有21个SFR离散地分布在80H~FFH空间。与运算器相关3个

ACC

B

PSW与定时/计数器相关6个

TH0,TL0

TH1,TL1

TMODTCON指针类3个

SP

DPH,DPL与口相关7个

P0,P1,P2,P3

SBUFSCON

PCON与中断相关2个

IE

IP2023/2/6532.580C51的并行口结构与操作P0口结构

P0作通用I/O口（当EA=1或“MOV”传送时C=0）输出时2.5.1P0、P2口的结构2023/2/654输入时

读锁存器（“读-修改-写”类指令，如ANLP0,A）

读引脚（“MOV”类指令，如MOVA,P0）,要先写“1”

10P0作通用I/O时为：准双向口！2023/2/655**原因：如果此时该端口的负载恰是一个晶体管基极，且原端口输出值为1，那么导通了的PN结会把端口引脚高电平拉低；若此时直接读端口引脚信号，将会把原输出的“1”电平误读为“0”电平。现采用读输出锁存器代替读引脚，图中，上面的三态缓冲器就为读锁存器Q端信号而设，读输出锁存器可避免上述可能发生的错误。**DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚2023/2/656DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚准双向口：

从图中可以看出，在读入端口数据时，由于输出驱动FET并接在引脚上，如果T2导通，就会将输入的高电平拉成低电平，产生误读。所以在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写“1”，使T2截止，引脚处于悬浮状态，变为高阻抗输入。这就是所谓的准双向口。2023/2/657

P0作地址数据总线（当EA=1或“MOVX”类传送时C=1）

输出时，地址/数据信息分时出现在输出引脚。

输入时，先输出地址，然后自动向锁存器写1，再读引脚。此时为真正双向口。2023/2/658P2口结构

P2作通用I/O口（未扩片外存储器，或虽扩RAM但采用“MOVX@Ri”传送时C=0）P2作通用I/O时为：准双向口！

P2作地址总线高8位（C=1）2023/2/659P1口结构

P1仅能为通用的准双向口！2.5.2P1、P3口的结构2023/2/660P3口结构

第一功能：通用I/O口（对口寻址时）2023/2/661

第二功能（不对口寻址时）

P3.0：RXD（串行口输入）

P3.1：TXD（串行口输出）

P3.2：INT0（外部中断0输入）

P3.3：INT1（外部中断1输入）

P3.4：T0（定时器0的外部输入）

P3.5：T1（定时器1的外部输入）

P3.6：WR（片外数据存储器“写”选通控制输出）

P3.7：RD（片外数据存储器“读”选通控制输出）2023/2/662P0～P3并行口的基本用途

1、可作为并行IO输入通道（例如，按键/开关连接通道）2023/2/6632、可作为并行IO输出通道（例如，数码管显示器连接通道）2023/2/6643、可作为串行通信通道（例如，双机通讯的连接通道）2023/2/6654、可作为外部设备的连接通道（例如，存储器扩展通道）2023/2/666P0～P3小结1.结构2.功能B0HA0H90H80HSFR地址★

第二功能

★

★总线端口★★★★准双向IO口P3P2P1P0★★★内部上拉电阻★★★输出控制★★MUX开关★★★★D锁存器P3P2P1P02023/2/6672.680C51的时钟与时序时钟产生方式内部时钟方式外部时钟方式

外部时钟源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空，2023/2/6683．时钟信号的输出当使用片内振荡器，XTAL1、XTAL2引脚还能为应用系统中的其他芯片提供时钟，但需增加驱动能力。其引出的方式有两种，如图2-10。69图2-10

时钟信号的两种引出方式2023/2/669CPU的微操作必须在统一的时钟控制下才能正确进行,时钟电路

微调电容:C1、C