单片机原理及应用(2b)

单片机原理及应用穆道明电气与自动化工程学院自动化系1第2章80C51单片机的硬件结构2.1单片机的概念单片机：是集成在一个芯片上的计算机。在一个芯片上集成有运算器、控制器、存储器、输入输出接口以及不同的功能部件。8051单片机是一款八位单片机，在单片机领域有十分重要的代表性。80C51单片机是8051单片机CMOS工艺的改进型。8051单片机是一个系列产品。2第2章80C51单片机的硬件结构

功能芯片掩模ROMEPROMRAM定时/计数器I/O中断源并行串行518031∕∕128B2×16位4×8位1580514KB∕128B2×16位4×8位158751∕4KB128B2×16位4×8位15528032∕∕256B3×16位4×8位1680528KB∕256B3×16位4×8位168752∕8KB256B3×16位4×8位1680C51系列单片机的分类3第2章80C51单片机的硬件结构2.280C51单片机的逻辑结构与信号引脚2.2.180C51单片机的内部逻辑结构80C51是一个8位单片机，他是Intel公司产品。是一款最典型和应用范围最广的单片机，其逻辑结构如下图。4第2章80C51单片机的硬件结构内部结构5第2章80C51单片机的硬件结构80C51单片机仍然保持经典的计算机结构。由五大基本部分组成。1.8位中央处理器CPU；CPU由运算器和控制器组成（1.）运算器由累加器A、寄存器B、暂存器、算术逻辑运算单元（ALU）及程序状态字（PSW）构成。（A）算术逻辑运算单元（ALU）由加法器和其它逻辑电路等组成，用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件。

6（B）累加器A

最常用的一个8位专用寄存器。第2章80C51单片机的硬件结构（C）程序状态字（PSW）一个8位的寄存器，存放机器的现行运行状态包括：运算结果、各部件的状态等。7（2.）控制器由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、定时控制等部分构成。（A）程序计数器PC16位专用寄存器，用于存放下一条要执行的指令的地址。（B）指令寄存器

8位寄存器，用于暂时存放指令，等待译码。（C）指令译码器进行指令译码操作。（D）定时控制逻辑电路第2章80C51单片机的硬件结构8第2章80C51单片机的硬件结构2.片内128B/256BRAM数据存储器和特殊功能寄存器（SFR）；3.片内4KB/8KBROM程序存储器4.2/3个16位定时/计数器5.4个8位并行I/O口；6.一个全双工串行口；9第2章80C51单片机的硬件结构7.一个有2个优先级的5/6个中断源的中断系统8.片内振荡器及时钟电路9.位处理器（布尔处理机）10内部总线总线：具有同一性质和功能的一组连线的总称。总线的特点：在某一时间内，总线的信号流向只有一个方向。总线有三种：数据总线地址总线控制总线10第2章80C51单片机的硬件结构2.2.280C51单片机的封装与信号引脚11第2章80C51单片机的硬件结构12第2章80C51单片机的硬件结构2.芯片引脚介绍

(1.)时钟类引脚

XTAL1（19）

XTAL2（18）

(2.)控制类引脚

RST/VPD（9）

ALE/PROG（30）

PSEN（29）

EA/VPP（31）13第2章80C51单片机的硬件结构

(3).I/O类引脚

P0.0~P0.7（22~29）

P1.0~P1.7（1~8）

P2.0~P2.7（40~33）

P3.0~P3.7（10~17）

(4).电源类引脚

VCC（40）

VSS（20）14第2章80C51单片机的硬件结构3.芯片引脚的第二功能80C51的P0、P2、P3并行I/O接口除了作为I/O接口，还有第二种功能。P0、P1口作为外部存储器扩展的地址总线和数据总线P3口的第二功能每根线不同，其功能见下表。口线第二功能信号第二功能信号名称口线第二功能信号第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.4T0定时/计数器0计数输入P3.1TXD串行数据发送P3.5T1定时/计数器1计数输入P3.2INT0外部中断0申请P3.6WR外部RAM写选通P3.3INT1外部中断1申请P3.7RD外部RAM读选通15第2章80C51单片机的硬件结构小结：80C51是一八位单片机，内部有八位的运算器，控制器。有四个八位的并行输入输出接口。有128字节的片内RAM（数据存储器）有4K字节的程序存储器有两个16位的定式/计数器有一个TTL电平的异步串行通信接口。芯片内部有三种总线：数据总线、地址总线、控制总线。16第2章80C51单片机的硬件结构2.380C51单片机的内部存储器内部存储器内部数据存储器内部程序存储器2.3.1内部数据存储器低128字节的单元两种存储器为两个地址空间.17第2章80C51单片机的硬件结构

片内数据存储器区（00H~FFH）片内数据存储器：低128BRAM区（00H~7FH）高128BRAM区（80H~FFH）SFR区（80H~FFH）FFH80H7FH00HSFRFFH80H高128BRAM低128BRAM高128字节的RAM区与SFR区在地址的命名是重合的，但访问方式不同。只有80C52系列才有。18第2章80C51单片机的硬件结构内部数据存储器低128BRAM区（00H~7FH）片内低128BRAM区：通用寄存器区（00H~1FH）位寻址区（20H~2FH）数据缓冲区（30H~7FH）19第2章80C51单片机的硬件结构1.寄存器区寄存器：具有特定的目的而设立的存储单元。寄存器的访问方式与一般寄存器不同内部RAM的前32个单元可作为通用寄存器使用，共分为4个区。四个区只能使用一个且必定有一个，不能同时作为寄存器使用。使用哪一区（每区八个），由程序状态字（PSW）中的RS1、RS0为决定。作为寄存器使用时，指令访问的速度快。20第2章80C51单片机的硬件结构7FH2FH1FH00H通用寄存器区片内低128BRAM区20H30H位寻址区数据缓冲区0组00H1组2组3组07H08H0FH10H17H18H1FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H17H16H15H14H13H12H11H10H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H07H06H05H04H03H02H01H00H……20H21H22H2FH21第2章80C51单片机的硬件结构2.位寻址区内部RAM的20H~2FH单元为位寻址区。一般的指令访问存储器是以字为单位的（80C51的字长为八位）。存储器的访问基本也是以字为单位的。而内部RAM的20H~2FH共16字节，128位的每一位又被编了另一种地址——位地址，供专门的位地址指令使用。这样对布尔代数的运算非常方便。22第2章80C51单片机的硬件结构3.用户RAM区内部RAM的低128字节中除去通用寄存器和位寻址区占用的单元，其余的都供用户作为一般的存储器使用。另外系统的堆栈也开辟在128字节内。23第2章80C51单片机的硬件结构2.3.2内部数据存储器高128字节的单元80C51的内部数据存储器的高128单元区的地址（命名权）分配给了专用寄存器使用。地址范围为80H~0FFH。专用功能寄存器SFR(SpecialFunctionRegistor):用于存放相应的功能部件的控制命令、状态信息或数据的专门单元。SFR共有21个，都是一字节为单位的，即八位。24第2章80C51单片机的硬件结构1.专用寄存器简介（1）累加器A（ACC----Accumulator）累加器是八位的寄存器，使最常用的专用寄存器。累加器的主要功能：累加器用于存放操作数，使ALU数据的一个来源。累加器是ALU运算结果的暂存单元。累加器是数据传送的中转站。25第2章80C51单片机的硬件结构（2）B寄存器B寄存器是一个八位寄存器，主要用于乘除运算时使用。（3）程序状态字PSWPSW寄存器是一个八位寄存器，用于寄存指令执行后的状态信息。PSW在复位后其值为00H26第2章80C51单片机的硬件结构CACF0RS1RS0OVF1P进位标志辅助进位用户标志通用寄存器组选择溢出标志用户标志奇偶标志D7D6D5D4D3D2D1D027第2章80C51单片机的硬件结构（4）数据指针DPTR数据指针DPTR是一个十六位的寄存器，它是两个八位寄存器合并而成的。这两个寄存器位（DPH和DPL）。DPTR是80C51单片机中唯一一个可以访问的16位寄存器。功能为：作为访问外部数据存储器的地址指针。由于是十六位因此可指向64K的外部数据存储器空间。也就是说80C51克以扩展的最大数据存储器空间为64K（65536）。28第2章80C51单片机的硬件结构寄存器地址寄存器的名称AE0H累加器BF0HB寄存器PSWD0H程序状态字SP81H堆栈指针DPL82H数据指针低DPH83H数据指针高IEA8H中断允许IPB8H中断优先级控制P080HI/O口0P190HI/O口0P2A0HI/O口02.专用寄存器的单元寻址寄存器地址寄存器的名称P3B0HI/O口0PCON87H电源控制寄存器SCON98H串行口控制寄存器SBUF99H串行口数据缓冲器TCON88H定时器控制寄存器TMOD89H定时器方式选择寄存器TL08AH定时器0低八位TL18BH定时器1低八位TH08CH定时器0高八位TH18DH定时器1高八位29第2章80C51单片机的硬件结构3.专用寄存器的位地址与位名称寄存器位地址与名称BF7HF6HF5HF4HF3HF2HF1HF0HAE7HE6HE5HE4HE3HE2HE1HE0HPSWD7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVPIPBFHBEHBDHBCHBBHBAHB9HB8HPSPT1PX1PT0PX0P3B7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0HP3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0IEAFHAEHADHACHABHAAHA9HA8HEAESET1EX1ET0EX030第2章80C51单片机的硬件结构寄存器位地址与名称P2A7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0HP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0SCON9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRIP197H96H95H94H93H92H91H90HP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0TCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0P087H86H85H84H83H82H81H80HP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.031第2章80C51单片机的硬件结构4.程序计数器PC(programcounter)PC是一个十六位寄存器，在物理上是独立的，是指令不可访问的PC不在21个专用寄存器之列，没有分配地址。因此是不可访问的。因为是十六位计数器，所以程序存储器最大为64K。PC计数器在复位后为0000H32第2章80C51单片机的硬件结构2.3.3堆栈操作堆栈是一种数据结构。所谓堆栈是允许在其一端进行数据插入和数据删除的操作的线性表。堆栈的操作有两种：压栈（入栈）和弹栈（出栈）1.堆栈的功能保护断点和现场33第2章80C51单片机的硬件结构2.堆栈的开辟------即堆栈的在什么地方和位置。80C51的内部RAM的低128字节区域（00H~7FH）。建议：开辟在低128字节的后面的位置。3.堆栈指针SP（StackPointer)SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元的地址。SP是八位的存储器。

SP是专用寄存器，地址为81H34第2章80C51单片机的硬件结构4.堆栈类型堆栈有两种类型：向上生长型：向下生长型：栈底在低地址单元，随着数据压栈，SP的内容增加。栈底在高地址单元，随着数据压栈，SP的内容减小。80C51的堆栈是向上生长型：入栈操作：SP+1SP，后数据入栈。除栈操作：数据先出栈，然后SP-1SP35第2章80C51单片机的硬件结构堆栈的使用方法堆栈的使用有两种：自动方式:出现在调用子程序和中断时。指令使用：使用压栈和弹栈指令时。36第2章80C51单片机的硬件结构2.3.4内部程序存储器80C51系列单片机内部有的内部有程序存储区，有的没有（80C31）。80C51单片机的程序存储器和数据存储器是分别编址的。对于没有内部程序存储器的芯片。就必须外扩外部（片外）程序存储器。这时/EA信号脚必须接地。这是系统使用P0、P2、/EA、/PSEN引脚进行外部程序存储器的扩展。其中/EA、/PSEN的“/”是表示低电平有效37第2章80C51单片机的硬件结构对于程序存储器的扩展注意事项：对于没有内部程序存储器的芯片(80C31)/EA必须接地。表示全部使用片外存储器对于有内部程序存储器的芯片（80C51），/EA可接地或高电平。接地时：表示先使用内部存储器，如果访问内部存储器以外的地址空间，就使用外部存储器。接高电平时：表示全部使用外部程序存储器，而不访问内部存储器。。38第2章80C51单片机的硬件结构不管程序存储器是否有片内ROM，其中：系统在上电复位或其他复位后，第一条被执行的指令的首地址在：0000H单元即系统在上电复位或其他复位后PC=0000H39第2章80C51单片机的硬件结构2.480C51单片机的并行I/O口80C51共有

4

个

8

位的并行

双向

I/O口访问方式：按字节方式按位寻址电路上每个口的每一位都是独立。作为I/O口每个口也有不同的地方40第2章80C51单片机的硬件结构P0口的结构：包含1个输出锁存器、2个三态缓冲器、1个输出驱动电路和1个输出控制电路。P0.X锁存器DCLQQP0.X引脚地址/数据Vcc控制读锁存器读引脚内部总线写锁存器T0T141第2章80C51单片机的硬件结构P0口作为I口使用时应外接一个上拉电阻。P1、P2、P3口作为I口使用时不需外接一个上拉电阻。P0、P1、P2、P3四个口作为I使用时应先发送出一个“1”的高电平，在进行读操作。42第2章80C51单片机的硬件结构2.580C51单片机的时钟与定时单片机是一个复杂的同步时序电路。单片机的各个部分按一定的时间顺序协调工作的。指令执行过程中各信号的相互时间的顺序关系——

时序2.5.1时钟电路时钟电路振荡电路分频电路43第2章80C51单片机的硬件结构1.振荡电路振荡电路需外接一部份器件XTAL1XTAL2石英振荡器电容44第2章80C51单片机的硬件结构2.分频电路振荡脉冲时钟信号ALE信号机器周期信号二分频三分频六分频3.振荡频率十二分频六分频45第2章80C51单片机的硬件结构2.5.2定时单位80C51的定时单位有4个：1.拍节与状态振荡脉冲的周期为拍节P时钟信号的周期为状态S一个状态包含两个拍节前半周期为拍节1，后半周期为拍节23.机器周期一个机器周期就是振荡脉冲周期的12倍。一个机器周期有12个拍节，6个状态。46第2章80C51单片机的硬件结构3.指令周期指令周期是对大的时序单位，执行一条指令的时间称为指令周期。80C51的指令周期根据指令的不同可包含1、2、4个机器周期。P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1S1S2S3S4S5S6S1S2S3机器周期47第2章80C51单片机的硬件结构2.680C51单片机的系统复位系统复位时是单片机的硬件初始化操作。系统只有在复位后才能正常工作。2.6.1复位方式与初始化状态1.复位方式80C51有复位引脚RST，用于从外界引入复位信号。复位操作有两种加电复位手动复位每个系统必须具备的为了调试或死机等现象48第2章80C51单片机的硬件结构2.初始化状态复位的功能有：为专用寄存器设置初始状态为程序寄存器PC赋值为芯片的引脚设置电平状态49第2章80C51单片机的硬件结构SFR名称初始化状态SFR名称初始化状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000H