单片机原理与接口技术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 2.2 80C51单片机的逻辑结构及信号引脚 2.3 80C51单片机的内部存储器 2.4 80C51 单片机的并行I/O口 2.5 80C51 单片机的时钟与定时 2.6 80C51 单片机的系统复位 2.7 单片机低功耗工作模式,2.1 单片机的概念,单片微型计算机SCMC(Single Chip Micro-Computer)， 是计算机、自动控制和大规模集成电路相结合的产物。 还有其他的称呼，如：微控制器（MCU），嵌入式微控制 器（EMCU），嵌入式微处理器（EMP）等。 目前使用最多的仍是8位单片机。在8位单片机中80c5

2、1的 使用更为广泛。本教材也是以80c51为基础。,2 单片机的特点： （1）小巧灵活、成本低、易于产品化。能组装成各种智能式测控设备及智能仪器仪表。 （2）可靠性好，应用范围广。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，抗干扰性强，能适应各种恶劣的环境，这是其他机种无法比拟的。 （3）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能指令，可以对逻辑功能比较复杂的系统进行控制。 （4）具有通讯功能，可以很方便地实现多机和分布式控制，形成控制网络和远程控制。,3单片机的应用 （1）工业方面：各种测控系统。数据采集系统，工业机器人，智能化仪器，机、

3、电一体化产品。 （2）智能仪器仪表方面。 （3）通讯方面：调制解调器、程控交换技术等。 （4）消费产品方面：电动玩具、录像机、激光唱机。 （5）导弹与控制方面：导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装备、飞机导航系统。 （6）计算机外部设备及电器方面：打印机、硬盘驱动器、彩色与黑白复印机、磁带机等。 （7）多机分布式系统：可用单片机构成分布式测控系统，它使单片机应用进入了一个全新的阶段。 （测控系统，智能仪表，智能玩具，计算机外设）,4.典型单片机产品简介 (1) MCS-51单片机系列 MCS-51可分为两个子系列和4种类型，按资源的配置数量，MCS-51系列分为51和52两个子系列，其中51子系

4、列是基本型，而52子系列属于增强型。,80C51与8051的比较 （1）MCS-51系列芯片采用HMOS工艺，而80C51芯片则采用CHMOS工艺。CHMOS工艺是CMOS和HMOS的结合， （2）80C51芯片具有CMOS低功耗的特点。例如8051芯片的功耗为630mW,而80C51的功耗只有120mW。 （3）80C51在功能增加了待机和掉电保护两种工作方式，以保证单片机在掉电情况下能以最低的消耗电流维持。 （4）此外，在80C51系列芯片中，内部程序存储器除了ROM型和EPROM型外，还有E2PROM型，例如89C51就有4KB E2PROM。并且随着集成技术的提高，80C51系列片内程

5、序存储器的容量也越来越大，目前已有64KB的芯片了。另外，许多80C51芯片还具有程序存储器保密机制，以防止应用程序泄密或被复制。,(2) MCS-96系列单片机 MCS-96系列单片机是Intel公司在1983年推出的16位单片机，它与8位机相比，具有集成度高、运算速度快等特点。它的内部除了有常规的I/O接口、定时器计数器、全双工串行口外，还有高速I/O部件、多路AD转换和脉宽调制输出（PWM）等电路，其指令系统比MCS-51更加丰富。,(3) ATMEL公司单片机 ATMEL公司于1992年推出了全球第一个3V超低压F1ash存储器，并于1994年以E2PROM技术与Intel公司的80C

6、31内核进行技术交换，从此拥有了80C31内核的使用权，并将ATMEL特有的Flash技术与80C31内核结合在一起，生产出AT89C51系列单片机。,2.2 80C51单片机的逻辑结构及信号引脚,2.2.1 80C51单片机的内部逻辑结构 1. 中央处理器CPU （1）运算电路 （2）控制电路 2. 内部数据存储器 3. 内部程序存储器 4. 定时器/计数器 5. 并行I/O口 6. 串行口 7. 中断控制电路 8. 时钟电路 9. 位处理器 10. 内部总线,80C51芯片逻辑结构图,1. CPU CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制

7、器两部分电路组成。 （1）运算器电路 运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。,（2）控制器电路 控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令 寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、 缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制 工作，协调单片机各部分正常工作。 2. 存储器 80C51单片机的存储器包括数据存储器和程序存储 器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间 是相互独立的，物理结构也不相同。 内部数据存储器包括RAM和RAM地址寄存器，内部 数据存储器一

8、般指前128个单元，高128个用于专用寄存器。 内部程序存储器包括ROM和ROM地址寄存器，80C51 有4kROM存放程序。,3. 定时器/计数器 MCS51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。 4. 并行I/O口 80C51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。 5. 串行I/O口 80C51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。,6. 中断控制系统 80C51共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串

9、行中断1个。 7. 时钟电路 80C51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz33MHz，典型取值为6MHz。 8. 总线 以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。,2.2.2 80C51单片机的封装与信号引脚,1. 芯片封装形式 图2.2为MCS51系列单片机引脚图及逻辑符号，它们 为标准的40脚DIP封装。,1.输入输出口线 P0口（P0.0P0.7）：该端口为漏极开路的8位准双向

10、口，它为8位地址线和8位数据线的复用端口。 P1口（P1.0P1.7）：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。 P2口（P2.0P2.7）：它为一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。在访问外部程序存储器时，它作存储器的高8位地址线。 P3口（P3.0P3.7）：P3口同样是内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口使用之外，其还具有特殊功能。,2. 芯片引脚介绍,地址锁存允许信号ALE 系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输 出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。 此外

11、,ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正 脉冲，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。,外部程序存储器读选通信号 /PSEN是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。 访问程序存储器控制信号 当为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。 复位信号RST 该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。,时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内 它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部时钟时， 该引脚外部时钟的输入端。

12、 XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内 它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部时钟时， 该引脚必须悬空。 电源引脚Vcc和Vss Vcc：电源端，接5V。 Vss：接地端。,“复用”即给一些信号引脚赋予双重功能。第二功能信号定义主要集中在P3口线中，另外再加上几个其它信号线。 EPROM存储器程序固化所需要的信号 编程脉冲： 30脚（ALE/PROG） 编程电压（25V）：31脚（EA/Vpp) 备用电源引入 备用电源是通过9脚（RST/VPD）引入的。当电源发生故障，电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。,3. 芯片引脚的第二功能

13、,P3口还具有第二功能，其引脚描述如表2.1。 表2.1 P3口线的第二功能,（2）引脚复用不会引起混乱 第一功能与第二功能是不同工作方式下的信号，不会 发生使用上的矛盾。 说明：P3口线先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用 的才作为I/O口线使用。,2.3 80C51单片机的内部存储器,ROM：存放程序或者始终要保留的数据（表格数据）。 RAM：用来存放程序运行中所需要的常数和变量， 全局数据也存放在RAM里。,一般来说，单片机芯片的内部包括数据存储器和程序存储器，先介绍数据存储区。 单片机的数据存储器共个单元，划分为两部分：低单元区和高单元区，如图.所示,图2.3 80C51 内部数据存

14、储器配置图,2.3.1 内部数据存储器低128单元区,的内部数据存储器低128单元区，称为内部 ，地址为按用途划分为三个区。 1、寄存器区 内部RAM的前32个单元作为通用（工作）寄存器使用， 地址为00H1FH。分为4组，组号依次为0、1、2、3，每 组有8个寄存器：R7R0。 任一时刻，cpu只能使用其中的一组寄存器，称为当 前工作寄存器组，由程序状态字寄存器PSW中的RS1， RS0位的组合来决定。没有选中的单元也可作为一般的 数据缓存使用。系统上电复位时，默认选中第0组寄存器。,寄存器： 1、可用8位地址寻址； 2、在指令中既可用名称表示，也可以使用单元地址表示。,2、位寻址区 在工作

15、寄存器后的16个数据单元（20H2FH），它们既可以作为一般的数据单元使用，又可以按位对每个单元进行操作，因此这16个数据单元又称作位寻址区。位寻址区共计128位，其位地址为00H7FH。,位地址的表示方式：1 位地址的形式； 2 存储单元地址加位的形式。,3. 用户RAM区 在内部RAM的低128个单元中，剩余的80个数 据单元即30H7FH为真正的用户RAM区，对于这 些区域，用户只能以存储单元的形式来使用，通常 在应用中也把堆栈开辟在这段区域。,2.3.2 内部数据存储器高128单元区,内部数据存储器的高128个单元是为专用寄存器提供的，因此该区也称作特殊功能寄存器区（SFR），它们主要

16、用于存放控制命令、状态或数据。除去程序计数器PC外，还有21个特殊功能寄存器，其地址空间为80HFFH。这21个寄存器中有11个特殊功能寄存器具有位寻址能力，它们的字节地址刚好能被8整除。下面将对部分专用寄存器作简要介绍。,（1）累加器A（或ACC-ACCumulator） 累加器为8位寄存器，是程序中最常用的专用寄存器，在指令系统中累加器的助记符为A。 存放操作数。大部分单操作数指令的操作取自累加器，很 多双操作数指令的一个操作数也取自累加器。 运算结果的暂存单元。加、减乘和除等算术运算指令的运 算结果都存放在累加器A或AB寄存器中。 数据传送的中转站。 在变址寻址方式中累加器被作为变址寄存

17、器使用 在MCS51中由于只有一个累加器，而单片机中的大部分数据操作都是通过累加器进行的，故累加器的使用是十分频繁的。,1. 专用寄存器简介,(2）B寄存器（B register） B寄存器为8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B，其中B为乘数，乘法结果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除数取自A，除数取自B，除法的结果商数存放于A，余数存放于B中。在其它指令中，B寄存器也可作为一般的数据单元来使用。 （3）程序状态字（PSW-Program Status Word） 程序状态字是一个8位寄存器，用于寄存指令执行的状态信息。在状态字中，有些位状态是

18、根据指令执行结果，由硬件自动完成设置的，而有些状态位则必须通过软件方法设定。PSW中的每个状态位都可由软件读出，PSW的各位定义如下。,CY（PSW.7)-进位标志位 在执行某些算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位 或清零。在算术运算中它可作为进位标志（加法进位，减 法借位，在位操作（在位传送、位与、位或等）中作累加 器使用，移位操作中用于构成循环移位通路）,AC(PSW.6)-辅助进位标志位（半进位标志位） 进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位 或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置“0”。在进行 十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。,F0 (PSW.6)-用户标志位 该

19、位为用户定义的状态标记，用户根据需要用软件对 其置位或清零，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。,RS1和RS0(PSW.4和PSW.3)-寄存器组选择位 该两位通过软件置“0”或“1”来选择当前工作寄存器组。,表2.3 寄存器组选择,OV（PSW.2)-溢出标志位 当执行算术指令时，由硬件置位或清零来指示溢出状态。 加减运算(有无符号数均可)中，OV1表示加减运算结果超出了 累加器A所能表示的符号数有效范围（128127），即运 算结果是错误的，反之，OV0表示运算正确，即无溢出产生。 无符号数乘法指令MUL的执行结果也会影响溢出标志，若 置于累加器A和寄存器B的两个数的乘积超过了255，

20、则OV1， 反之OV0。由于乘积的高8位存放于B中，低8位存放于A中， OV0则意味着只要从A中取得乘积即可，否则要从BA寄存器对中取得乘积结果。 在除法运算中，OV=1表示除数为0，除法不能进行；反之，OV=0，除数不为0，除法可正常进行。,P(PSW.0)-奇偶标志位 每个指令周期由硬件来置位或清零用以表示累加器A 中1的个数的奇偶性，若累加器中1的个数为奇数则P1， 否则P0。,（4） 数据指针DPTR 数据指针DPTR为一个16位的专用寄存器，其高位用DPH表示，其低位用DPL表示，它既可以作为一个16位的寄存器来使用，也可作为两个8位的寄存器DPH和DPL使用。DPTR在访问外部数据

21、存储器时既可用来存放16位地址，也可作地址指针使用。如MOVX DPTR，A。 （5） I/O端口P0P3 P0P3为四个8位的特殊功能寄存器，分别是四个并行I/O端口的锁存器，当I/O端口的某一位用作输入时，对应的锁存器必须先置“1”。,（6） 定时器/计数器 在MCS51中，除8032/8052外都只有两个16位定时器/计数器T0和T1，它们由两个相互独立的8位寄存器组成TH和TL，共有四个独立的寄存器TH0、TL0、TH1和TL1，只可对这四个寄存器独立寻址，而不能作为一个16位寄存器来寻址。 （7） 串行数据缓冲寄存器 串行数据缓冲器SBUF用于存放将要发送或已接收的数据，它由发送缓冲

22、器和接收缓冲器组成，将要发送的数据被送入SBUF时进入发送缓冲器，反之进入接收缓冲器。,2. 专用寄存器的单元寻址及位寻址,说明： 对专用寄存器只能使用直接寻址方式，在指令中既可使用寄存器符号表示，也可使用寄存器地址表示。 在21个可寻址的专用寄存器中，有11个寄存器是可以位寻址的。 专用寄存器的83个可寻址位加上位寻址区的128个通用位，构成位处理器的整个数据位存储空间。,3. 程序计数器PC（Program Counter） PC是一个16位的计数器。其内容为将要执行的指令地址，寻址范围达64KB。PC有自动加1功能，以实现程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行读

23、写。但在执行转移、调用、返回等指令时能自动改变其内容，以改变程序的执行顺序。,2.3.3 堆栈操作 堆栈是一种数据结构。所谓堆栈，就是只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。 数据写入堆栈称为入栈（PUSH）。 数据从堆栈中读出称之出栈(POP)。 数据操作规则：“后进先出”LIFO。即先入栈的数据由于存放在栈的底部，因此后出栈；而后入栈的数据存放在栈的顶部，因此先出栈。 1、堆栈的功用 堆栈主要是为子程序调用和中断操作而设立的。其具体功能有两个：保护断点和保护现场。,2、堆栈的开辟 堆栈只能开辟在芯片的内部数据存储器中，即所谓的内 堆栈形式。 3、堆栈指针 堆栈指针SP（Stack

24、 Pointer）的内容是堆栈栈顶的存 储单元地址。SP是一个8位寄存器。 说明：系统复位后，SP的内容为07H，但由于堆栈最好在 内部RAM的30H7FH单元中开辟，所以在程序设计时应 注意把SP值初始化为30H以后。,图2.4 两种不同类型的堆栈结构,4 、堆栈类型,80c51使用向上生长型堆栈，操作规则如下： 进栈操作：先SP加1，后写入数据。 出栈操作：先读出数据，后SP减1。,5. 堆栈使用方式 堆栈的使用有两种方式。 自动方式：即在调用子程序或中断时，返回地址（断点）自动进栈。程序返回时，断点再自动弹回PC。 指令方式：即使用专用的堆栈操作指令，进行进出栈操作。其进栈指令为PUSH

25、，出栈指令为POP。例如保护现场就是指令方式进行操作。,2.3.4内部程序存储器 在MCS51系列中，程序存储器被用来存放程序、常数或 表格等。在80C51中，其片内有4K字节的ROM存储单元，地 址为0000H0FFFH。87C51有4K字节的EPROM，而80C52 和87C52则有8K字节的片内存储器。80C31和80C32无片内程 序存储器，所以片内程序存储器的有无是区分芯片的主要标志。 MCS51系列设置信号引脚 ,以其电平状态来区分程序 存储器的有无。无片内程序存储器， 接地，有片内程序存储 器 ， 接高电平。,如何工作：程序计数器（PC），也叫PC指针，是取指地址。上电复位后内容

26、为0000H，即从0000H地址的指令顺序执行，最大为FFFFH，所以程序空间为64K。 64K空间分为片内ROM和片外ROM，但统一编址。,在64K的程序存储器中，有一组保留单元0000H002AH，其中 0000H0002H为系统的启动单元。剩下0003H002AH均匀分为 5个特殊的单元，存放5种中断源的中断地址区： 外部中断0入口地址 0003H 定时器0中断入口地址000BH 外部中断1入口地址 0013H 定时器1中断入口地址001BH 串行口中断入口地址 0023H,80C51单片机具有4个8位双向并行端口（P0P3）， 共32根1/O口线。每一根1/O口线都能独立地用作输入或输

27、 出。这4个端口是单片机与外部设备进行信息（数据、地 址、控制信号）交换的输人或输出通道。可以按字节寻 址外，还可以按位寻址。,2.4 80C51 单片机的并行I/O口,2.4.1 P0口逻辑结构 P0口地址为80H，位地址为80H-87H。,P0口各位口线的逻辑结构，由一个锁存器、两个三态输入缓冲器、一个多路复用开关以及控制电路和驱动电路等组成。 P0口可以作为输入输出口，在实际应用中它通常作为地址/数据复用总线。在访问外部存储器时，P0口为真正的双向口.,2.4.2 P1口逻辑结构 P1口地址为90H，位地址为90H-97H。只能作为通用数据I/O口使用，电路逻辑如下图：,P1口是一个准双

28、向口，通常作为I/O口使用，由于在其输出端接有上拉电阻，故可以直接输出而无需外接上拉电阻。,2.4.3 P2口逻辑结构 P2口地址为A0H，位地址为A0H-A7H。 既可做通用I/O口，又可作系统高位地址线，某一位的内部结构与P0类似。,2.4.4 P3口逻辑结构 P3口地址为B0H，位地址为B0H-B7H。 虽然可做通用I/O口，但在实际应用中，它的第二功能信号更为重要，某一位的内部结构如下图：,2.5 80C51 单片机的时钟与定时,单片机本身是一个复杂的同步时序系统，为保证同步工作方式的实现，单片机必须有时钟信号，以使其系统在时钟信号的控制下按时序协调工作。时序是指令执行过程中各信号之间

29、的相互时间关系。 2.5.1 时钟电路 单片机的时钟电路由振荡电路和分频电路组成。 1. 振荡电路 在80C51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。如图2.9所示。,图2.9 80C51单片机的振荡电路,电路中的电容一般取30pF左右，而晶体的振荡频率范围通常是1.2MHz33MHz。,2. 分频电路 振荡电路产生的振荡信号并不直接为单片机所用， 要进行分频，以得到单片机各种相关的时钟信号。,3. 晶振频率 1.233MHz。 晶振频率高，系统时钟频

30、率就高，单片机运行速度就快。 4. 从外部引入脉冲信号驱动时钟电路 除了由振荡电路产生高频振荡信号外，还可从外部脉冲源直接引入。在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，引入唯一的外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。,2.5.2 定时单位,时序的定时单位共有4个，从小到大依次是：拍节、状 态、机器周期和指令周期。 1.振荡周期 振荡周期指为单片机提供定时信号的振荡源的周期或 外部输入时钟的周期，振荡周期即为拍节（P）。 2.时钟周期 时钟周期又称作状态周期或状态时间S，它是振荡周 期的两倍，它分为P1节拍和P2节拍，通常在P1节拍完成 算术逻辑操作，在P2节拍完成内部寄存器之

31、间的传送操 作。,3.机器周期 一个机器周期由6个状态组成，如果把一条指令的执行过程分作几个基本操作，则将完成一个基本操作所需的时间称作机器周期。单片机的单周期指令执行时间就为一个机器周期。 4.指令周期 指令周期是最大的时序单位，即执行一条指令所占用的全部时间，通常为1个、2个、 4个机器周期。,练习 1、一个机器周期= 个振荡周期= 个时钟周期。 2、在MCS51单片机中，如果采用6MHz晶振，1个机器 周期为 。,2.6 80C51 单片机的系统复位,复位是单片机的硬件初始化操作。复位后，单片机才能 开始正常工作。 RST引脚是复位信号的输入端，复位信号 是高电平有效，其有效时间应持续2

32、个机器周期以上。 2.6.1 复位方式与初始化状 1. 复位方式 （1）加电复位：通过专用的复位电路产生复位信号。 开机加电时，系统自动完成 （2）手动复位：一次重新启动操作。 （死机、死循环或程序“跑飞”） 在实际应用中，总是把加电复位和手动复位结合在一 起，形成一个综合的复位电路。,2. 初始化状态复位后的片内状态为,ALE信号变为无效状态， 变为无效状态， ALE=0， =1.,2.6.2 复位电路,1. 复位电路概述 使用过的复位电路：积分电路型、微分电路型、比较 型和看门狗型。常用前两种。 （1）积分电路型 用于产生低电平复位信号，见下图。,（2）微分电路型 用于产生高电平复位信号，见下图。,2. 80C51 基本复位电路,按健手动复位有电平方式和脉冲方式两种。,上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。,按健电平复位是通过使复位端经电阻与Vc