80C51单片机内部结构和工作原理课件

80C51单片机内部结构和工作原理

§2-1内部结构和引脚功能2.1.1内部结构

8位的CPU，片内有振荡器和时钟电路,工作频率为

1～12MHz（Atmel89Cxx为0～24MHz）片内有128/256字节RAM片内有0K/4K/8K字节程序存储器ROM可寻址片外64K字节数据存储器RAM可寻址片外64K字节程序存储器ROM片内21/26个特殊功能寄存器（SFR）4个8位的并行I/O口（PIO）1个全双工串行口（SIO/UART）2/3个16位定时器/计数器（TIMER/COUNTER）可处理5/6个中断源，两级中断优先级内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy）MCS-51指令集含111条指令MCS-51单片机基本特性MCS-51系列单片机配置一览表系列片内存储器（字节）定时器计数器并行I/O串行I/O中断源片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位16注意：今后将会经常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！ATEML89C系列(常用型)1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（20条引脚DIP封装）1282151589C51(4K)/89C52(8K)（40条引脚DIP封装）128/2562/33215/6单片机的引脚定义从一片集成电路的角度去认识单片机2.1.2

引脚功能

40个引脚双排直插DIP封装,大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。单片机的引脚（晶振端）⒈电源:⑴VCC-芯片电源，接+5V/3.3V/2.7V；

⑵VSS-接地端；⒉时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

15～45pfx21～12MHz（MCS-51）

0～24MHz（Atmel-89C）XTAL1XTAL2也可以由XTAL1端接入外部时钟，此时应将XTAL2接地：XTAL2XTAL1外部时钟通常外接一个晶振两个电容⒊控制线:控制线共有4根，

⑴ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

①ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址

②PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵PSEN:外ROM读选通信号。

⑶RST/VPD:复位/备用电源。

①RST（Reset）功能：复位信号输入端。

②VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。单片机锁存器74LS373P0.0-P0.7ALEPSENP2.0-P2.48D8QOEA8-A12A0-A7D0-D7GEAOECEEPROM单片机的引脚（PSEN端）

PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的

读控制端（OE）低有效。EPROM⑷EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

①EA功能：内外ROM选择端。

80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外(80C31芯片无内ROM，全部在片外)。

当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时，将自动转向执行外ROM中的程序。

当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，因此EA必须接地。

②Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。⒋

I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。P3.0——RXD：串行口输入端；P3.1——TXD：串行口输出端；P3.2——INT0：外部中断0请求输入端；P3.3——INT1：外部中断1请求输入端；P3.4——T0：定时/计数器0外部信号输入端；P3.5——T1：定时/计数器1外部信号输入端；P3.6——WR：外RAM写选通信号输出端；P3.7——RD：外RAM读选通信号输出端。§2-2存储空间配置和功能80C51的存储器配置方式与其他常用的微机系统不同，属哈佛结构(注意:什么是哈佛结构?)，它把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器用于存放程序和表格常数；数据存储器用于存放程序运行数据和结果。

80C51的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是：⑴64KB程序存储器(ROM),包括片内ROM和片外ROM；⑶256B内部数据存储器(内RAM)

(包括特殊功能寄存器）

。⑵64KB外部数据存储器（外RAM）；80C51存储空间配置图

2.2.1程序存储器（ROM）

地址范围：0000H～FFFFH，共64KB。其中:

低段4KB：0000H～0FFFH

80C51和87C51在片内，80C31在片外。

高段60KB：1000H～FFFFH。在片外。

读写ROM用MOVC指令，控制信号是PSEN和EA。

读ROM是以程序计数器PC作为16位地址指针，依次读相应地址ROM中的指令和数据，每读一个字节，PC+1→PC，这是CPU自动形成的。

但是有些指令有修改PC的功能，例如转移类指令和MOVC指令，CPU将按修改后PC的16位地址读ROM。读外ROM的过程：

CPU从PC(程序计数器)中取出当前ROM的16位地址，分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外ROM16位地址输入端，当PSEN信号有效时，外ROM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。

需要指出的是:64KB中有一小段范围是80C51系统专用单元，0003H~0023H是5个中断源中断服务程序入口地址(详见第5章)，用户不能安排其他内容。

80C51复位后，PC=0000H，CPU从地址为0000H的ROM单元中读取指令和数据。从0000H到0003H只有3B，根本不可能安排一个完整的系统程序，而80C51又是依次读ROM字节的。因此，这3B只能用来安排一条跳转指令，跳转到其他合适的地址范围去执行真正的主程序。

2.2.2外部数据存储器（外RAM）

地址范围：0000H～FFFFH 共64KB。

读写外RAM用MOVX指令，控制信号是P3口中的RD和WR。

一般情况下，只有在内RAM不能满足应用要求时，才外接RAM。

外RAM16位地址分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外RAM16位地址输入端，当RD信号有效时，外RAM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。读外RAM的过程：

写外RAM的过程：

写外RAM的过程与读外RAM的过程相同。只是控制信号不同，信号换成WR信号。当WR信号有效时，外RAM将数据总线（P0口分时传送）上的数据写入相应地址存储单元中。2.2.3内部数据存储器（内RAM）

从广义上讲，80C51内RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均属于片内RAM空间，读写指令均用MOV指令。但为加以区别，内RAM通常指00H～7FH的低128B空间。

80C51内RAM又可分成三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。

地址区域功能名称00H～1FH00H～07H工作寄存器0区08H～0FH工作寄存器1区10H～17H工作寄存器2区18H～1FH工作寄存器3区20H～2FH

位寻址区30H～7FH数据缓冲区作用：⒈工作寄存器区

工作寄存器区分为4个区：0区、1区、2区、3区。每区有8个寄存器：R0～R7，寄存器名称相同。但是，当前工作的寄存器区只能有一个，由PSW中的D4、D3位决定。

有专用于工作寄存器操作的指令，读写速度比一般内RAM要快，指令字节比一般直接寻址指令要短，还具有间址功能，能给编程和应用带来方便。⒉

位寻址区

⑴地址:

从20H～2FH共16字节（Byte，缩写为英文大写字母B）。每B有8位（bit，缩写为小写b），共128位，每一位均有一个位地址，可位寻址、位操作。即按位地址对该位进行置1、清0、求反或判转。

⑵用途：

存放各种标志位信息和位数据。

⑶注意事项:

位地址与字节地址编址相同，容易混淆。

区分方法:位操作指令中的地址是位地址;

字节操作指令中的地址是字节地址。

位寻址区的位地址映象表

字节地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H⒊

数据缓冲区

内RAM中30H～7FH为数据缓冲区，用于存放各种数据和中间结果，起到数据缓冲的作用。2.2.4特殊功能寄存器（SFR）

特殊功能寄存器地址映象表（一）

特殊功能寄存器地址映象表（二）

特殊功能寄存器地址映象表（三）

注：带括号的字节地址表示每位有位地址可位操作。⑴累加器Acc⑵寄存器BMOVA,R0MOVA,@R1MOVA,30HADDA,32HADDA,#32HMOVA,BADDA,B⑶程序状态字寄存器PSW

PSW也称为标志寄存器，存放各有关标志。其结构和定义如下：①Cy—进位标志。 用于表示Acc.7有否向更高位进位。②AC—辅助进位标志。用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。③RS1、RS0—工作寄存器区选择控制位。

RS1、RS0=00——0区（00H～07H）

RS1、RS0=01——1区（08H～0FH）

RS1、RS0=10——2区（10H～17H）

RS1、RS0=11——3区（18H～1FH）④OV—溢出标志。表示Acc在有符号数算术运算中的溢出。⑤P—奇偶标志。 表示Acc中“1”的个数的奇偶性。⑥F0、F1—用户标志。⑷数据指针DPTR⑸堆栈指针SP

专用于指出堆栈顶部数据的地址。堆栈中数据存取按先进后出、后进先出的原则。堆栈操作分自动方式和指令方式。自动方式是在调用子程序或发生中断时CPU自动将断口地址存人或者取出；指令方式是使用进出栈指令进行操作。

16位，由两个8位寄存器DPH、DPL组成。主要用于存放一个16位地址，作为访问外部存储器（外RAM和ROM）的地址指针。

⑶执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前

PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址装入PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的PC值，继续执行原顺序程序指令。2.2.5程序计数器PC※

PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构上是独立的。※

PC是一个16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，因此也称为地址指针。※

PC的基本工作方式有：⑴自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行

PC+1→PC；⑵执行转移指令时，PC会根据该指令要求修改下一次读ROM新的地址；§2-3I/O端口结构及工作原理

※

有4个8位并行I/O口,共32条端线：

P0、P1、P2和P3口。每一个I/O口都能用作输入或输出。

※

用作输入时，均须先写入“1”；用作输出时，P0口应外接上拉电阻。

※

P0口的负载能力为8个LSTTL门电路；

P1～P3口的负载能力为4个LSTTL门电路。

※

在并行扩展外存储器或I/O口情况下，

P0口用于低8位地址总线和数据总线(分时传送)

P2口用于高8位地址总线，

P3口常用于第二功能，用户能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能的部分P3口端线。单片机的I/O引脚结构众多功能各异的I/O引脚源于它结构的不同单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）

寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。21DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X34VccV1V221DQCK/Q读引脚=1读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X3400100截止截止=0Vcc单片机的引脚（P0口）P0用作通用I/O时，控制=0：（1）此脚作输入口（事先必须对它写“1”）V2V121DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X3400100截止截止=0Vcc单片机的引脚（P0口）P0用作通用I/O时，控制=0：（2）此脚作输出口时，当P0口用作输出口时，因输出级处于开漏状态，必须外接上拉电阻。当“写锁存器”信号加在锁存器的时钟端CLK上，此时D触发器将“内部总线”上的信号反相后输出到Q端，若D端信号为0，Q=1，v2导通，P0．x引脚输出“0”；若D端信号为1，Q=0，v2截止，虽然V1截止，因P0．x引脚已外接上拉电阻，P0．x引脚输出“1”。V2V121DQCK/Q读引脚=0读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制=1引脚P0.X341011=0导通截止=0Vcc单片机的引脚（P0口）P0口用作地址/数据复用口，控制=1（1）作地址/数据输出：输出地址/数据=0时V1V221DQCK/Q读引脚=0读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制=1引脚P0.X341100=1截止导通=1Vcc单片机的引脚（P0口）P0口用作地址/数据复用口，控制=1（2）作地址/数据输出：输出地址/数据=1时V1V221DQCK/Q读引脚=1读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制=0引脚P0.X34Vcc单片机的引脚（P0口）P0口用作地址/数据复用口（3）作/数据输入：与P0用作通用I/O时输入时情况相同，CPU使V1、V2均截止，从引脚上输入的外部数据经缓冲器U2进入内部数据总线。

V1V2§2-4时钟和时序CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作§2-4时钟和时序2.4.1时钟电路

80C51单片机内有一高增益反相放大器，按图2-8a连接即可构成自激振荡电路，振荡频率取决于石英晶体的振荡频率.

2.4.2时钟周期和机器周期⑴时钟周期。

80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。⑵状态周期。

它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。状态周期是时钟周期的两倍。状态周期又称S周期。在S周期内有两个时钟周期，即分为两拍，分别称为P1和P2

机器周期是6个状态周期、12个时钟周期。当时钟频率为12MHz时，机器周期为1

S；当时钟频率为6MHz时，机器周期为2

S。(3)机器周期

80C51单片机工作的基本定时单位，简称机周。 一个机器周期含有6个状态周期，分别为S1、S2、…、S6，每个状态周期有两拍，分别为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2…，S6P1、S6P2

（4）指令周期

指CPU执行一条指令占用的时间(用机器周期表示)。80C51执行各种指令时间是不一样的，可分为三类：单机周指令、双机周指令和四机周指令。其中单机周指令有64条，双机周指令有45条，四机周指令只有2条(乘法和除法指令)，无三机周指令。

图2-980C51的取指／执行时序

a)单字节单周期指令，例：INCA

b)双字节单周期指令，例：ADDA，#datac)单字节双周期指令，例INCDPTRd)双字节双周期指令：例PHSHdirect

牢牢记住：

振荡周期(时钟周期)=晶振频率fosc的倒数；

1个机器周期=6个状态周期

1个机器周期=12个时钟周期；

1个指令周期=1、2、4个机器周期

80C51单片机的工作方式共有四种：

⑴复位方式；

⑵程序执行方式；

⑶低功耗方式；

⑷片内ROM编程（包括校验）方式。§2-5复位和低功耗工作方式2.5.1复位方式⒈复位条件

RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。

实现复位操作，必须使RST引脚(9)保持两个机器周期以上的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，每机周为1

S

，则只需持续2

S以上时间的高电平；若时钟频率为6MHz，每个机器周期为2

S

，则需要持续4

S以上时间的高电平。

⒉

复位电路

上电复位电路。RC构成微分电路，在上电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机器周期，80C51将复位。为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于两个机器周期。一般取22电容、1k电阻。

按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按下图中RESET键，R1C2仍构成微分电路，使RST端产生一个微分脉冲复位，复位完毕C2经R2放电，等待下一次按下复位按键。

⒊复位后CPU状态

PC：0000H TMOD：00H Acc：00H TCON：00H B： 00H TH0：00H PSW：00H TL0：00H

SP：07H TH1：00H DPTR：0000H

TL1：00H

P0～P3：FFH

SCON：00H IP：×××00000B

SBUF：不定

IE：0××00000B

PCON：0×××0000B2.5.2低功耗工作方式

⑴待机(休闲)方式（Idle）

⑵掉电保护方式（PowerDown）。在Vcc=5V，fosc=12MHz条件下，正常工作时电流约20mA；待机(休闲)方式时电流约5mA；掉电保护方式时电流仅75

A。

两种低功耗工作方式由电源控制寄存器PCON确定。

其中：

SMOD：波特率倍增位（在串行通信中使用）

GF1、GF0：通用标志位

PD：掉电方式控制位，

PD=1，进入掉电工作方式；

IDL：待机(休闲)方式控制位,

IDL=1,进入待机工作方式。

注意:PCON字节地址87H，不能位寻址。读写时，只能整体字节操作，不能按位操作。SMOD———GF1GF0PDIDLPSONMSBLSB⒈待机（休闲）方式⑶待机（休闲）状态退出

①产生中断；

②复位。⑴待机（休闲）方式状态●片内时钟仅向中断源提供，其余被阻断；●

PC、特殊功能寄存器和片内RAM状态保持不变；●

I/O引脚端口值保持原逻辑值；●

ALE、保持逻辑高电平；●CPU不工作，但中断功能继续存在。⑵待机（休闲）状态进入

只要使PCON中IDL位置1。⒉掉电保护方式⑶掉电保护状态退出⑴掉电保护方式状态●片内振荡器停振，所有功能部件停止工作；●片内RAM数据信息保存不变；●

ALE、PSEN为低电平；●

Vcc可降至2V，但不能真正掉电。⑵掉电保护状态进入只要使PCON中PD位置1。

唯一方法是硬件复位，复位后片内RAM数据不变，特殊功能寄存器内容按复位状态初始化。51单片机的8个特殊引脚Vcc,GND:电源端XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端正脉冲有效（宽度

8mS）EA/Vpp:寻址外部ROM控制端。低有效片内有ROM时应当接高电平。ALE/PROG:地址锁存允许控制端。PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端。低有效

小结51单片机的4个8位的I/O口P0.0—P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口

(复用时是双向口；不复用时也是准双向口)P1.0—P1.7:通用I/O口（准双向口）P2.0—P2.7:输出高8位地址（用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口）P3.0—P3.7:具有特定的第二功能（准双向口）注意：在不外扩ROM/RAM时，P0～P3均可作通用I/O口使