80C51单片机内部结构和工作原理课件

80C51單片機內部結構和工作原理

§2-1內部結構和引腳功能2.1.1內部結構

8位的CPU，片內有振盪器和時鐘電路,工作頻率為

1～12MHz（Atmel89Cxx為0～24MHz）片內有128/256位元組RAM片內有0K/4K/8K位元組程式記憶體ROM可尋址片外64K位元組數據記憶體RAM可尋址片外64K位元組程式記憶體ROM片內21/26個特殊功能寄存器（SFR）4個8位的並行I/O口（PIO）1個全雙工串行口（SIO/UART）2/3個16位定時器/計數器（TIMER/COUNTER）可處理5/6個中斷源，兩級中斷優先順序內置1個布爾處理器和1個布爾累加器（Cy）MCS-51指令集含111條指令MCS-51單片機基本特性MCS-51系列單片機配置一覽表系列片內記憶體（位元組）定時器計數器並行I/O串行I/O中斷源片內ROM片內RAM無有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K位元組)875187C51(4K位元組)128位元組2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K位元組)875287C52(8K位元組)256位元組3x164x8位16注意：今後將會經常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！ATEML89C系列(常用型)1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（20條引腳DIP封裝）1282151589C51(4K)/89C52(8K)（40條引腳DIP封裝）128/2562/33215/6單片機的引腳定義從一片積體電路的角度去認識單片機2.1.2

引腳功能

40個引腳雙排直插DIP封裝,大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。單片機的引腳（晶振端）⒈電源:⑴VCC-晶片電源，接+5V/3.3V/2.7V；

⑵VSS-接地端；⒉時鐘:XTAL1、XTAL2-晶體振盪電路反相輸入端和輸出端。

15～45pfx21～12MHz（MCS-51）

0～24MHz（Atmel-89C）XTAL1XTAL2也可以由XTAL1端接入外部時鐘，此時應將XTAL2接地：XTAL2XTAL1外部時鐘通常外接一個晶振兩個電容⒊控制線:控制線共有4根，

⑴ALE/PROG:地址鎖存允許/片內EPROM編程脈衝

①ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址

②PROG功能：片內有EPROM的晶片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈衝。

⑵PSEN:外ROM讀選通信號。

⑶RST/VPD:複位/備用電源。

①RST（Reset）功能：複位信號輸入端。

②VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。單片機鎖存器74LS373P0.0-P0.7ALEPSENP2.0-P2.48D8QOEA8-A12A0-A7D0-D7GEAOECEEPROM單片機的引腳（PSEN端）

PSEN：尋址外部程式記憶體時選通外部EPROM的

讀控制端（OE）低有效。EPROM⑷EA/Vpp:內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。

①EA功能：內外ROM選擇端。

80C51單片機ROM尋址範圍為64KB，其中4KB在片內，60KB在片外(80C31晶片無內ROM，全部在片外)。

當EA保持高電平時，先訪問內ROM，但當PC(程式計數器)值超過4KB(0FFFH)時，將自動轉向執行外ROM中的程式。

當EA保持低電平時，則只訪問外ROM，不管晶片內有否內ROM。對80C31晶片，片內無ROM，因此EA必須接地。

②Vpp功能：片內有EPROM的晶片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。⒋

I/O線

80C51共有4個8位並行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用於特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制匯流排）。P3.0——RXD：串行口輸入端；P3.1——TXD：串行口輸出端；P3.2——INT0：外部中斷0請求輸入端；P3.3——INT1：外部中斷1請求輸入端；P3.4——T0：定時/計數器0外部信號輸入端；P3.5——T1：定時/計數器1外部信號輸入端；P3.6——WR：外RAM寫選通信號輸出端；P3.7——RD：外RAM讀選通信號輸出端。§2-2存儲空間配置和功能80C51的記憶體配置方式與其他常用的微機系統不同，屬哈佛結構(注意:什麼是哈佛結構?)，它把程式記憶體和數據記憶體分開，各有自己的尋址系統、控制信號和功能。程式記憶體用於存放程式和表格常數；數據記憶體用於存放程式運行數據和結果。

80C51的記憶體組織結構可以分為三個不同的存儲空間，分別是：⑴64KB程式記憶體(ROM),包括片內ROM和片外ROM；⑶256B內部數據記憶體(內RAM)

(包括特殊功能寄存器）

。⑵64KB外部數據記憶體（外RAM）；80C51存儲空間配置圖

2.2.1程式記憶體（ROM）

地址範圍：0000H～FFFFH，共64KB。其中:

低段4KB：0000H～0FFFH

80C51和87C51在片內，80C31在片外。

高段60KB：1000H～FFFFH。在片外。

讀寫ROM用MOVC指令，控制信號是PSEN和EA。

讀ROM是以程式計數器PC作為16位地址指針，依次讀相應地址ROM中的指令和數據，每讀一個位元組，PC+1→PC，這是CPU自動形成的。

但是有些指令有修改PC的功能，例如轉移類指令和MOVC指令，CPU將按修改後PC的16位地址讀ROM。讀外ROM的過程：

CPU從PC(程式計數器)中取出當前ROM的16位地址，分別由P0口（低8位）和P2口（高8位）同時輸出，ALE信號有效時由地址鎖存器鎖存低8位地址信號，地址鎖存器輸出的低8位地址信號和P2口輸出的高8位地址信號同時加到外ROM16位地址輸入端，當PSEN信號有效時，外ROM將相應地址存儲單元中的數據送至數據匯流排（P0口），CPU讀入後存入指定單元。

需要指出的是:64KB中有一小段範圍是80C51系統專用單元，0003H~0023H是5個中斷源中斷服務程式入口地址(詳見第5章)，用戶不能安排其他內容。

80C51複位後，PC=0000H，CPU從地址為0000H的ROM單元中讀取指令和數據。從0000H到0003H只有3B，根本不可能安排一個完整的系統程式，而80C51又是依次讀ROM位元組的。因此，這3B只能用來安排一條跳轉指令，跳轉到其他合適的地址範圍去執行真正的主程序。

2.2.2外部數據記憶體（外RAM）

地址範圍：0000H～FFFFH 共64KB。

讀寫外RAM用MOVX指令，控制信號是P3口中的RD和WR。

一般情況下，只有在內RAM不能滿足應用要求時，才外接RAM。

外RAM16位地址分別由P0口（低8位）和P2口（高8位）同時輸出，ALE信號有效時由地址鎖存器鎖存低8位地址信號，地址鎖存器輸出的低8位地址信號和P2口輸出的高8位地址信號同時加到外RAM16位地址輸入端，當RD信號有效時，外RAM將相應地址存儲單元中的數據送至數據匯流排（P0口），CPU讀入後存入指定單元。讀外RAM的過程：

寫外RAM的過程：

寫外RAM的過程與讀外RAM的過程相同。只是控制信號不同，信號換成WR信號。當WR信號有效時，外RAM將數據匯流排（P0口分時傳送）上的數據寫入相應地址存儲單元中。2.2.3內部數據記憶體（內RAM）

從廣義上講，80C51內RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均屬於片內RAM空間，讀寫指令均用MOV指令。但為加以區別，內RAM通常指00H～7FH的低128B空間。

80C51內RAM又可分成三個物理空間：工作寄存器區、位尋址區和數據緩衝區。

地址區域功能名稱00H～1FH00H～07H工作寄存器0區08H～0FH工作寄存器1區10H～17H工作寄存器2區18H～1FH工作寄存器3區20H～2FH

位尋址區30H～7FH數據緩衝區作用：⒈工作寄存器區

工作寄存器區分為4個區：0區、1區、2區、3區。每區有8個寄存器：R0～R7，寄存器名稱相同。但是，當前工作的寄存器區只能有一個，由PSW中的D4、D3位決定。

有專用於工作寄存器操作的指令，讀寫速度比一般內RAM要快，指令位元組比一般直接尋址指令要短，還具有間址功能，能給編程和應用帶來方便。⒉

位尋址區

⑴地址:

從20H～2FH共16位元組（Byte，縮寫為英文大寫字母B）。每B有8位（bit，縮寫為小寫b），共128位，每一位均有一個位地址，可位尋址、位操作。即按位地址對該位進行置1、清0、求反或判轉。

⑵用途：

存放各種標誌位資訊和位數據。

⑶注意事項:

位地址與位元組地址編址相同，容易混淆。

區分方法:位操作指令中的地址是位地址;

位元組操作指令中的地址是位元組地址。

位尋址區的位地址映象表

位元組地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H⒊

數據緩衝區

內RAM中30H～7FH為數據緩衝區，用於存放各種數據和中間結果，起到數據緩衝的作用。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：帶括弧的位元組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程式狀態字寄存器PSW

PSW也稱為標誌寄存器，存放各有關標誌。其結構和定義如下：①Cy—進位標誌。 用於表示Acc.7有否向更高位進位。②AC—輔助進位標誌。用於表示Acc.3有否向Acc.4進位。③RS1、RS0—工作寄存器區選擇控制位。

RS1、RS0=00——0區（00H～07H）

RS1、RS0=01——1區（08H～0FH）

RS1、RS0=10——2區（10H～17H）

RS1、RS0=11——3區（18H～1FH）④OV—溢出標誌。表示Acc在有符號數算術運算中的溢出。⑤P—奇偶標誌。 表示Acc中“1”的個數的奇偶性。⑥F0、F1—用戶標誌。⑷數據指針DPTR⑸堆疊指針SP

專用於指出堆疊頂部數據的地址。堆疊中數據存取按先進後出、後進先出的原則。堆疊操作分自動方式和指令方式。自動方式是在調用副程式或發生中斷時CPU自動將斷口地址存人或者取出；指令方式是使用進出棧指令進行操作。

16位，由兩個8位寄存器DPH、DPL組成。主要用於存放一個16位地址，作為訪問外部記憶體（外RAM和ROM）的地址指針。

⑶執行調用副程式或發生中斷時，CPU會自動將當前

PC值壓入堆疊，將副程式入口地址或中斷入口地址裝入PC；副程式返回或中斷返回時，恢復原有被壓入堆疊的PC值，繼續執行原順序程式指令。2.2.5程式計數器PC※

PC不屬於特殊功能寄存器，不可訪問，在物理結構上是獨立的。※

PC是一個16位的地址寄存器，用於存放將要從ROM中讀出的下一位元組指令碼的地址，因此也稱為地址指針。※

PC的基本工作方式有：⑴自動加1。CPU從ROM中每讀一個位元組，自動執行

PC+1→PC；⑵執行轉移指令時，PC會根據該指令要求修改下一次讀ROM新的地址；§2-3I/O端口結構及工作原理

※

有4個8位並行I/O口,共32條端線：

P0、P1、P2和P3口。每一個I/O口都能用作輸入或輸出。

※

用作輸入時，均須先寫入“1”；用作輸出時，P0口應外接上拉電阻。

※

P0口的負載能力為8個LSTTL門電路；

P1～P3口的負載能力為4個LSTTL門電路。

※

在並行擴展外存儲器或I/O口情況下，

P0口用於低8位地址匯流排和數據匯流排(分時傳送)

P2口用於高8位地址匯流排，

P3口常用於第二功能，用戶能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能的部分P3口端線。單片機的I/O引腳結構眾多功能各異的I/O引腳源於它結構的不同單片機的引腳（P0口）P0.0—P0.7:雙向I/O（內置場效應管上拉）

尋址外部程式記憶體時分時作為雙向8位數據口和輸出低8位地址複用口；不接外部程式記憶體時可作為8位准雙向I/O口使用。21DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器內部匯流排地址/數據控制引腳P0.X34VccV1V221DQCK/Q讀引腳=1讀鎖存器寫鎖存器內部匯流排地址/數據控制引腳P0.X3400100截止截止=0Vcc單片機的引腳（P0口）P0用作通用I/O時，控制=0：（1）此腳作輸入口（事先必須對它寫“1”）V2V121DQCK/Q讀引腳讀鎖存器寫鎖存器內部匯流排地址/數據控制引腳P0.X3400100截止截止=0Vcc單片機的引腳（P0口）P0用作通用I/O時，控制=0：（2）此腳作輸出口時，當P0口用作輸出口時，因輸出級處於開漏狀態，必須外接上拉電阻。當“寫鎖存器”信號加在鎖存器的時鐘端CLK上，此時D觸發器將“內部匯流排”上的信號反相後輸出到Q端，若D端信號為0，Q=1，v2導通，P0．x引腳輸出“0”；若D端信號為1，Q=0，v2截止，雖然V1截止，因P0．x引腳已外接上拉電阻，P0．x引腳輸出“1”。V2V121DQCK/Q讀引腳=0讀鎖存器寫鎖存器內部匯流排地址/數據控制=1引腳P0.X341011=0導通截止=0Vcc單片機的引腳（P0口）P0口用作地址/數據複用口，控制=1（1）作地址/數據輸出：輸出地址/數據=0時V1V221DQCK/Q讀引腳=0讀鎖存器寫鎖存器內部匯流排地址/數據控制=1引腳P0.X341100=1截止導通=1Vcc單片機的引腳（P0口）P0口用作地址/數據複用口，控制=1（2）作地址/數據輸出：輸出地址/數據=1時V1V221DQCK/Q讀引腳=1讀鎖存器寫鎖存器內部匯流排地址/數據控制=0引腳P0.X34Vcc單片機的引腳（P0口）P0口用作地址/數據複用口（3）作/數據輸入：與P0用作通用I/O時輸入時情況相同，CPU使V1、V2均截止，從引腳上輸入的外部數據經緩衝器U2進入內部數據匯流排。

V1V2§2-4時鐘和時序CPU總是按照一定的時鐘節拍與時序工作§2-4時鐘和時序2.4.1時鐘電路

80C51單片機內有一高增益反相放大器，按圖2-8a連接即可構成自激振盪電路，振盪頻率取決於石英晶體的振盪頻率.

2.4.2時鐘週期和機器週期⑴時鐘週期。

80C51振盪器產生的時鐘脈衝頻率的倒數，是最基本最小的定時信號。⑵狀態週期。

它是將時鐘脈衝二分頻後的脈衝信號。狀態週期是時鐘週期的兩倍。狀態週期又稱S週期。在S週期內有兩個時鐘週期，即分為兩拍，分別稱為P1和P2

機器週期是6個狀態週期、12個時鐘週期。當時鐘頻率為12MHz時，機器週期為1

S；當時鐘頻率為6MHz時，機器週期為2

S。(3)機器週期

80C51單片機工作的基本定時單位，簡稱機周。 一個機器週期含有6個狀態週期，分別為S1、S2、…、S6，每個狀態週期有兩拍，分別為S1P1、S1P2、S2P1、S2P2…，S6P1、S6P2

（4）指令週期

指CPU執行一條指令佔用的時間(用機器週期表示)。80C51執行各種指令時間是不一樣的，可分為三類：單機周指令、雙機周指令和四機周指令。其中單機周指令有64條，雙機周指令有45條，四機周指令只有2條(乘法和除法指令)，無三機周指令。

圖2-980C51的取指／執行時序

a)單字節單週期指令，例：INCA

b)雙位元組單週期指令，例：ADDA，#datac)單字節雙週期指令，例INCDPTRd)雙位元組雙週期指令：例PHSHdirect

牢牢記住：

振盪週期(時鐘週期)=晶振頻率fosc的倒數；

1個機器週期=6個狀態週期

1個機器週期=12個時鐘週期；

1個指令週期=1、2、4個機器週期

80C51單片機的工作方式共有四種：

⑴複位方式；

⑵程式執行方式；

⑶低功耗方式；

⑷片內ROM編程（包括校驗）方式。§2-5複位和低功耗工作方式2.5.1複位方式⒈複位條件

RST引腳保持2個機器週期以上的高電平。

實現複位操作，必須使RST引腳(9)保持兩個機器週期以上的高電平。例如，若時鐘頻率為12MHz，每機周為1

S

，則只需持續2

S以上時間的高電平；若時鐘頻率為6MHz，每個機器週期為2

S

，則需要持續4

S以上時間的高電平。

⒉

複位電路

上電複位電路。RC構成微分電路，在上電瞬間，產生一個微分脈衝，其寬度若大於2個機器週期，80C51將複位。為保證微分脈衝寬度足夠大，RC時間常數應大於兩個機器週期。一般取22電容、1k電阻。

按鍵複位電路。該電路除具有上電複位功能外，若要複位，只需按下圖中RESET鍵，R1C2仍構成微分電路，使RST端產生一個微分脈衝複位，複位完畢C2經R2放電，等待下一次按下複位按鍵。

⒊複位後CPU狀態

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待機(休閒)方式（Idle）

⑵掉電保護方式（PowerDown）。在Vcc=5V，fosc=12MHz條件下，正常工作時電流約20mA；待機(休閒)方式時電流約5mA；掉電保護方式時電流僅75

A。

兩種低功耗工作方式由電源控制寄存器PCON確定。

其中：

SMOD：串列傳輸速率倍增位（在串行通信中使用）

GF1、GF0：通用標誌位

PD：掉電方式控制位，

PD=1，進入掉電工作方式；

IDL：待機(休閒)方式控制位,

IDL=1,進入待機工作方式。

注意:PCON位元組地址87H，不能位尋址。讀寫時，只能整體位元組操作，不能按位操作。SMOD———GF1GF0PDIDLPSONMSBLSB⒈待機（休閒）方式⑶待機（休閒）狀態退出

①產生中斷；

②複位。⑴待機（休閒）方式狀態●片內時鐘僅向中斷源提供，其餘被阻斷；●

PC、特殊功能寄存器和片內RAM狀態保持不變；●

I/O引腳端口值保持原邏輯值；●

ALE、保持邏輯高電平；●CPU不工作，但中斷功能繼續存在。⑵待機（休閒）狀態進入

只要使PCON中IDL位置1。⒉掉電保護方式⑶掉電保護狀態退出⑴掉電保護方式狀態●片內振盪器停振，所有功能部件停止工作；●片內RAM數據資訊保存不變；●

ALE、PSEN為低電平；●

Vcc可降至2V，但不能真正掉電。⑵掉電保護狀態進入只要使PCON中PD位置1。

唯一方法是硬體複位，複位後片內RAM數據不變，特殊功能寄存器內容按複位狀態初始化。51單片機的8個特殊引腳Vcc,GND:電源端XTAL1,XTAL2:片內振盪電路輸入、輸出端RESET:複位端正脈衝有效（寬度

8mS）EA/Vpp:尋址外部ROM控制端。低有效片內有ROM時應當接高電平。ALE/PROG:地址鎖存允許控制端。PSEN：選通外部ROM的讀(OE)控制端。低有效

小結51單片機的4個8位的I/O口P0.0—P0.7:8位數據口和輸出低8位地址複用口

(複用時是雙向口；不復用時也是准雙向口)P1.0—P1.7:通用I/O口（准雙向口）P2.0—P2.7:輸出高8位地址（用於尋址時是輸出口；不尋址時是准雙向口）P3.0—P3.7:具有特定的第二功能（准雙向口）注意：在不外擴ROM/RAM時，P0～P3均可作通用I/O口使用，而且都是准雙向