片微机原理第二章80C51的结构与原理.ppt

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1、第二章第二章单片微机原理与结构单片微机原理与结构12.180C51系列概述系列概述2.1.1 MCS-512.1.1 MCS-51系列系列 （1 1）MCS-51MCS-51是是IntelIntel公司生公司生产产的一的一个个单单片机系列名称。属于片机系列名称。属于这这一系列的一系列的单单片机有多种，如：片机有多种，如：8051/8751/80318051/8751/8031；8052/8752/8032 8052/8752/8032；80C51/87C51/80C31 80C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C32 80C52/87C52/80C32等等。2（2）该系

2、列生产工艺有两种：）该系列生产工艺有两种：一一是是HMOS工工艺艺（高高密密度度短短沟沟道道MOS工工艺艺）。二二是是CHMOS工工艺艺（互互补补金金属属氧氧化物的化物的HMOS工艺）。工艺）。CHMOS是是CMOS和和HMOS的的结结合合，既既保保持持了了HMOS高高速速度度和和高高密密度度的的特特点点，还还具具有有CMOS的的低低功功耗耗的的特特点点。在在产产品品型型号号中中凡凡带带有有字字母母“C”的的即即为为CHMOS芯芯片片，CHMOS芯芯片片的的电电平平既既与与TTL电电平平兼兼容容，又与又与CMOS电平兼容。电平兼容。3（3）在功能上，该系列单片机有基）在功能上，该系列单片机有基

3、本型和增强型两大类本型和增强型两大类基本型基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C31增强型增强型：8052/8752/803280C52/87C52/80C324（4）在在片片内内程程序序存存储储器器的的配配置置上上，该该系系列列单单片片机机有有三三种种形形式式，即即掩掩膜膜ROM、EPROM和和ROMLess(无无片片内内程程序序存存储储器器)。如：。如：80C51有有4K字节的掩膜字节的掩膜ROM；87C51有有4K字节的字节的EPROM；80C31在芯片内无程序存储器。在芯片内无程序存储器。52.1.2 80C512.1.2 80C51系列系列80C51是是M

4、CS-51系列单片机中系列单片机中CHMOS工艺工艺的一个典型品种的一个典型品种；其它厂商；其它厂商以以8051为基核为基核开发开发出的出的CMOS工艺单片机产品工艺单片机产品统称为统称为80C51系列系列。当前常用的当前常用的80C51系列单片机主要产品有：系列单片机主要产品有：Intel的：的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；等；ATMEL的：的：89C51、89C52、89C2051等；等；Philips、华邦、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品等公司的许多产品。62.280C51的基本的基本结结构与构与应应用

5、模式用模式2.2.1 80C512.2.1 80C51的基本的基本结结构构782.2.2 80C512.2.2 80C51的的应应用模式用模式 一、一、总线型单片机应用模式总线型单片机应用模式总线型应用的总线型应用的“三总线三总线”模式模式非总线型应用的非总线型应用的“多多I/O”模式模式74LS373OEGALE80C31D7:D0Q7:Q0PSENEAP2P0ABDBCBWRRD89C51P2P0P3P18+5V888P3.0P3.5含第二功能9 二、非总线型单片机应用模式二、非总线型单片机应用模式 非总线型单片机已经将用于外部总线非总线型单片机已经将用于外部总线扩展用的扩展用的I/OI/

6、O口线和控制功能线去掉，从而口线和控制功能线去掉，从而使单片机的使单片机的引脚数减少、体积减小引脚数减少、体积减小。对于。对于不需进行并行外围扩展，装置的体积要求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。非总苛刻且程序量不大的系统极其适合。非总线型单片机典型产品如：线型单片机典型产品如：AT89C2051/AT89C4051AT89C2051/AT89C4051。102.2.380C51典型典型产产品品资资源配置与引脚源配置与引脚2.2.3.1 80C512.2.3.1 80C51典型典型产产品品资资源配置源配置11由表可见：由表可见：（1）增强型与基本型在以下几点不

7、同：）增强型与基本型在以下几点不同：片内片内ROM字节数：从字节数：从4K增加到增加到8K；片内片内RAM字节数：从字节数：从128增加到增加到256；定时定时/计数器从计数器从2个增加到个增加到3个个；中断源由中断源由5个增加到个增加到6个个。12（2）片内）片内ROM的配置形式：的配置形式：无无ROM（即（即ROMLess）型，应用时要在片外）型，应用时要在片外扩展程序存储器；扩展程序存储器；掩膜掩膜ROM（即（即MaskROM）型，用户程序由）型，用户程序由芯片生产厂写入；芯片生产厂写入；EPROM型，用户程序通过写入装置写入，通型，用户程序通过写入装置写入，通过紫外线照射擦除；过紫外线

8、照射擦除；FlashROM型，用户程序可以电写入或擦除型，用户程序可以电写入或擦除（当前常用方式）。（当前常用方式）。还有还有OTPROM型（一次性编程写入型（一次性编程写入ROM）产品，产品，具有较高的环境适应性和可靠性。具有较高的环境适应性和可靠性。132.2.3.2 80C512.2.3.2 80C51的引脚封装的引脚封装总线型总线型非总线型非总线型142.2.3.380C51的内部的内部结结构构152.2.3.4 80C512.2.3.4 80C51的内部的内部结结构构一、一、80C51的微处理器（的微处理器（CPU）（1）运算器）运算器累加器累加器ACC；寄存器寄存器B；程序状态字寄

9、存器程序状态字寄存器PSW。（2）控制器）控制器程序计数器程序计数器PC；指令寄存器指令寄存器IR；定时与控制逻辑。定时与控制逻辑。168051的内部结构的内部结构8051芯片芯片按功能结构按功能结构CPU控制器控制器程序计数器程序计数器PC指令译码器指令译码器指令寄存器指令寄存器数据指针寄存器数据指针寄存器DPTR运算器运算器累加器累加器A程序状态寄存器程序状态寄存器PSW 存储器存储器数据存储器数据存储器RAM程序存储器程序存储器ROM定时计数器：定时计数器：2个个16位定时器位定时器T0，T1I/O接口接口:P0、P1、P2、P3四个四个8位口位口一个全双工串行口一个全双工串行口5个中断

10、源个中断源17二、二、80C51的片内存储器的片内存储器在物理上设计成在物理上设计成程序存储器程序存储器和和数据存储器数据存储器两个两个独独立的空间立的空间（称为（称为哈佛结构哈佛结构）：）：n内部内部ROM容量容量4K字节字节范围是：范围是：0000H0FFFHn内部内部RAM容量容量128字节字节范围是：范围是：00H7FH18三、三、80C51的的I/O口及功能单元口及功能单元n四个四个8位的并行口，即位的并行口，即P0P3。它们均为。它们均为双向口，既可作为输入，又可作为输出。双向口，既可作为输入，又可作为输出。每个口各有每个口各有8条条I/O线。线。n有一个全双工的串行口有一个全双工

11、的串行口（利用（利用P3口的两口的两个引脚和）；个引脚和）；n有有2个个16位的定时位的定时/计数器计数器；n有有1套完善的中断系统。套完善的中断系统。19四、四、80C51的特殊功能寄存器（的特殊功能寄存器（SFR）n内部有内部有SP，DPTR（可分成（可分成DPH、DPL两个两个8位寄存器），位寄存器），PCON，IE，IP等等21个特个特殊功能寄存器单元，殊功能寄存器单元，它们同内部它们同内部RAM的的128个字节统一编址，地址范围是个字节统一编址，地址范围是80HFFH。这。这些些SFR只用到了只用到了80HFFH中的中的21个字节单元，个字节单元，且这些单元是离散分布的。且这些单元是

12、离散分布的。增强型单片机的增强型单片机的SFR有有26个字节单元，所个字节单元，所增加的增加的5个单元均与定时个单元均与定时/计数器计数器2相关。相关。202.2.3.5MCS-51系列引脚及功能系列引脚及功能1电源引脚电源引脚:VCC(40脚脚)：供电电源：供电电源+5VVSS(20脚脚)：接地线：接地线2时钟电路引脚时钟电路引脚：XTAL2(18XTAL2(18脚脚脚脚)XTAL1(19XTAL1(19脚脚脚脚)利利用用内内部部时时钟钟电电路路时时，于于XTALlXTALl与与XTAL2XTAL2之之间间接接一一晶晶体体振振荡荡器器，XTAL1XTAL1为为内内部部放放大大电电路路输输入入

13、端端，XTAL2XTAL2为为输出端。输出端。21振荡器及时钟电路振荡器及时钟电路振荡电路振荡电路外接时钟源接法外接时钟源接法 8051XTAL1XTAL2C1 晶振C2 8051XTAL2XTAL1VSSVCCTTL外部时钟信号22RSTRSTVPD(9VPD(9脚脚)：1.1.接复位电路可实现复位；接复位电路可实现复位；2.2.接接+5V+5V备用电源备用电源,当断电时当断电时RAMRAM中数据不丢失。中数据不丢失。ALE/PROG(30ALE/PROG(30脚脚)：1 1、访问片外存储器时，访问片外存储器时，ALEALE输出作低位地址锁存允输出作低位地址锁存允许控制；许控制；2 2、对、

14、对875l875l片内片内EPROMEPROM编程编程(固化时固化时)，此脚用于输入，此脚用于输入编程脉冲编程脉冲(PROG)(PROG)。PSENPSEN（2929脚脚)：访问片外程序存储器时，此脚输出负脉冲作为读选访问片外程序存储器时，此脚输出负脉冲作为读选通信号。通信号。3、控制信号引脚、控制信号引脚23EA/VEA/VPPPP(31(31脚脚)：1 1、当、当EA=1EA=1，PC=4KB,PC4KB,PC4KB,自动执行片外程序存储器程序。自动执行片外程序存储器程序。2 2、当、当EA=0EA=0时，时，CPUCPU直接访问片外存储器。直接访问片外存储器。3 3、在对、在对87518

15、751的的EPROMEPROM编程时，此引脚用于施加编程编程时，此引脚用于施加编程电压电压V VPP PP 244、输入、输入/输出口引脚输出口引脚805l共四个共四个8位位I/O口，占口，占32个个引脚。引脚。P0口口P0.7)占占3932脚脚Pl口口P1.7)占占18脚；脚；P2口口P2.7)占占2l28脚脚;P3口口P3.7)占占1017脚。脚。252.2.4 80C512.2.4 80C51的的时钟时钟与与时时序序一、一、80C51的时钟产生方式的时钟产生方式内部时钟内部时钟外部时钟外部时钟26二、二、80C51的时钟信号的时钟信号一个一个机器周期机器周期包含包含12个晶荡周期或个晶荡

16、周期或6个时钟周期个时钟周期指令的执行时间称作指令的执行时间称作指令周期指令周期（单、双、四周期）272.2.5 80C512.2.5 80C51单单片机的复位片机的复位一、复位电路一、复位电路复位复位目的是目的是使单片机使单片机或系统中的其它部件或系统中的其它部件处于某种处于某种确定的初始状态。确定的初始状态。上电复位电路上电复位电路按键与上电复位按键与上电复位28二、单片机复位后的状态二、单片机复位后的状态复位后复位后：PC=0000H，所以程序从，所以程序从0000H地址单元开始执行地址单元开始执行；启动后，片内启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不为随机值，运行中的复位操作不改

17、变片内改变片内RAM的内容的内容；特殊功能寄存器复位后的状态是确定的特殊功能寄存器复位后的状态是确定的：nP0P3=FFH，各口可用于输出，也可用于输入；，各口可用于输出，也可用于输入；nSP=07H，第一个入栈内容将写入，第一个入栈内容将写入08H单元；单元；nIP、IE和和PCON的有效位为的有效位为0，各中断源处于低优，各中断源处于低优先级且均被关断、串行通讯的波特率不加倍；先级且均被关断、串行通讯的波特率不加倍；nPSW=00H，当前工作寄存器为，当前工作寄存器为0组。组。292.380C51的存的存储储器器组织组织80C51存储器可以分成两大类：存储器可以分成两大类：nRAM，CPU

18、在运行时能随时进行数据的写入在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运丢失。它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。算的中间结果或用作堆栈。nROM是一种写入信息后不易改写的存储器。是一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，断电后，ROM中的信息保留不变。用来存放固中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。等。30存储器的结构存储器的结构普林斯顿结构普林斯顿结构-一般微机的存储器配置一般微机的存储器配置

19、方式方式.只有一个地址空间只有一个地址空间,ROM 和和RAM的的地址同在一个队列里分配不地址同在一个队列里分配不 同的地址空间，同的地址空间，CPU访问存储器时，用同类访问指令。访问存储器时，用同类访问指令。哈佛结构哈佛结构-程序存储器和数据存储器的程序存储器和数据存储器的地址空间分开的结构形式。地址空间分开的结构形式。318051单片微机存储器采用单片微机存储器采用哈佛结构哈佛结构哈佛结构哈佛结构，分四个物理空间，分四个物理空间 片内程序存储器片内程序存储器片内片内 数据存储器数据存储器 片外程序存储器片外程序存储器片外数据存储器。片外数据存储器。逻辑空间逻辑空间物理空间物理空间片内、外统

20、一编址的片内、外统一编址的64KB的程序存储器地址空的程序存储器地址空间间 （用（用16位地址）位地址）256B字节的片内数据存储器的地址空间字节的片内数据存储器的地址空间用用8位地址位地址64KB片外数据存储器的地址空间片外数据存储器的地址空间32 SFRRAMFFH80H7FH00H4KBROMEA=10FFFH0000HFFFFH 64K RAM (I/O)0000HFFFFH 64K ROM1000H0FFFH EA=00000H8051片内存储器 存储空间分布图存储空间分布图33805l单单片片机机内内有有4KBROM(803l无无内内部部ROM)，片片外外还还可可扩扩展展到到64K

21、B的的程程序序存存储储区区，片片内内外外统统一一编编址址。地地址址范范围围是是0000HFFFFH，用用EA引引脚脚(31脚脚)控制内外寻址控制内外寻址.当当EA1时，片内外统一编址。时，片内外统一编址。片内片内ROM地址范围地址范围0000H0FFFH共共4KB；片外片外ROM地址从地址从1000HFFFFH，内外，内外共共64KB。当当EA0时时，只只能能片片外外寻寻址址，即即只只能能执执行行片片外外ROM的程序。的程序。片外片外ROM地址从地址从0000HFFFFH共共64KB。342.3.2 80C512.3.2 80C51的程序存的程序存储储器配置器配置PC是是16位的计数器，所以能

22、寻址位的计数器，所以能寻址64KB的的ROM。80C51内部有内部有4KB的掩膜的掩膜ROM，87C51在内部有在内部有4KB的的EPROM，而，而80C31在内部没有程序存储器。在内部没有程序存储器。352.3.3 80C512.3.3 80C51的数据存的数据存储储器配置器配置367FH30H用户用户RAM区区（堆栈、数据缓冲区）（堆栈、数据缓冲区）2FH20H位寻址区位寻址区（位地址（位地址00H7FH）1FH18HR7第三组工作寄存器区第三组工作寄存器区R017H10HR7第二组工作寄存器区第二组工作寄存器区R00FH08HR7第一组工作寄存器区第一组工作寄存器区R007H00HR7第

23、第0组工作寄存器区组工作寄存器区R0FFHF0HE0HD0HB8HB0HA8HA0H99H98H90H8DH8CH8BH8AH89H88H87H83H82H81H80HBACCPSWIPP3专专IEP2用用SBUFSCON寄寄P1TH1存存TH0TL1器器TL0TMOD区区TCONPCON（SFR）DPHDPLSPP0工作寄存器区工作寄存器区用户堆栈区用户堆栈区位寻址区位寻址区专用寄存器区专用寄存器区37一、工作寄存器区一、工作寄存器区低端低端32个字节分成个字节分成4个工作寄存器组，每组个工作寄存器组，每组8个单个单元。元。当前工作寄存器组的机制当前工作寄存器组的机制便于快速现场保护。便于快

24、速现场保护。PSW的的RS1、RS0决定当前工作寄存器组号决定当前工作寄存器组号n寄存器0组：地址00H07H；n寄存器1组：地址08H0FH；n寄存器2组：地址10H17H；n寄存器3组：地址18H1FH。38二、位寻址区二、位寻址区39三、通用三、通用RAM区区位寻址区之后的位寻址区之后的30H至至7FH共共80个字节个字节为为通用通用RAM区。这些单元可以作为数据缓冲器使区。这些单元可以作为数据缓冲器使用。这一区域的操作指令非常丰富，数据处理用。这一区域的操作指令非常丰富，数据处理方便灵活。方便灵活。在实际应用中，常需在在实际应用中，常需在RAM区设置堆栈。区设置堆栈。80C51的的堆栈

25、一般设在堆栈一般设在30H7FH的范围内的范围内。栈。栈顶的位置由顶的位置由SP寄存器指示。寄存器指示。复位时复位时SP的初值的初值为为07H，在系统初始化时可以重新设置。，在系统初始化时可以重新设置。402.3.4 2.3.4 80C5180C51的的特殊功能特殊功能寄存器寄存器（SFRSFR）41一、与运算器相关的寄存器（一、与运算器相关的寄存器（3个）个）n累加器累加器ACC，8位。用于向位。用于向ALU提供操作数，许多运提供操作数，许多运算的结果也存放在累加器中；算的结果也存放在累加器中；n寄存器寄存器B，8位。主要用于乘、除法运算。也可以作位。主要用于乘、除法运算。也可以作为为RAM

26、的一个单元使用；的一个单元使用；n程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW，8位。其各位含义为：位。其各位含义为：CY：进位、借位标志。有进位、借位时：进位、借位标志。有进位、借位时CY=1，否则，否则CY=0；AC：辅助进位、借位标志；：辅助进位、借位标志；F0：用户标志位，由用户自己定义；：用户标志位，由用户自己定义；RS1、RS0：当前工作寄存器组选择位；：当前工作寄存器组选择位；OV：溢出标志位。有溢出时：溢出标志位。有溢出时OV=1，否则，否则OV=0；P：奇偶标志位。：奇偶标志位。ACC中结果有奇数个中结果有奇数个1时时P=1，否则，否则P=0。42二、指针类寄存器（二、指针类寄存器

27、（3个）个）n堆栈指针堆栈指针SP，8位。它总是指向栈顶。位。它总是指向栈顶。80C51单片机的堆栈常设在单片机的堆栈常设在30H7FH这一段这一段RAM中。堆栈中。堆栈操作遵循操作遵循“后进先出后进先出”的原则，入栈操作时，的原则，入栈操作时，SP先加先加1，数据，数据再压入再压入SP指向的单元。出栈操作时，指向的单元。出栈操作时，先将先将SP指向的单元的数指向的单元的数据弹出，然后，据弹出，然后，SP再减再减1，这时，这时SP指向的单元是新的栈顶。可指向的单元是新的栈顶。可见，见，80C51单片机的堆栈区是向地址增大的方向生成的（与常单片机的堆栈区是向地址增大的方向生成的（与常用的用的80

28、X86微机不同）；微机不同）；n数据指针数据指针DPTR，16位。用来存放位。用来存放16位的地址。位的地址。它由两个它由两个8位的寄存器位的寄存器DPH和和DPL组成。间接寻址或变址组成。间接寻址或变址寻址可访问片外的寻址可访问片外的64KB范围的范围的RAM或或ROM数据。数据。43三、与口相关的寄存器（三、与口相关的寄存器（7个）个）n并行并行I/O口口P0、P1、P2、P3，均为，均为8位。位。通过对这通过对这4个寄存器的读个寄存器的读/写，可以实现数据从相应口的输写，可以实现数据从相应口的输入入/输出；输出；n串行口数据缓冲器串行口数据缓冲器SBUF；n串行口控制寄存器串行口控制寄存

29、器SCON；n串行通讯波特率倍增寄存器串行通讯波特率倍增寄存器PCON（一（一些位还与电源控制相关，所以又称为电源些位还与电源控制相关，所以又称为电源控制寄存器）。控制寄存器）。44四、与中断相关的寄存器（四、与中断相关的寄存器（2个）个）n中断允许控制寄存器IE；n中断优先级控制寄存器IP。45五、与定时器五、与定时器/计数器相关的寄存器（计数器相关的寄存器（6个）个）n定时定时/计数器计数器T0的两个的两个8位计数初值寄存器位计数初值寄存器TH0、TL0，它们可以构成，它们可以构成16位的计数器，位的计数器，TH0存放高存放高8位，位，TL0存放低存放低8位；位；n定时定时/计数器计数器T

30、1的两个的两个8位计数初值寄存器位计数初值寄存器TH1、TL1，它们可以构成，它们可以构成16位的计数器，位的计数器，TH1存放高存放高8位，位，TL1存放低存放低8位；位；n定时定时/计数器的工作方式寄存器计数器的工作方式寄存器TMOD；n定时定时/计数器的控制寄存器计数器的控制寄存器TCON。46四个四个IO接口的主要用途及使用注意事项接口的主要用途及使用注意事项 P0P0口：口：1.1.数据口（输送数据口（输送8 8位数据）（位数据）（8 8位二进制）位二进制）2.2.传送低传送低8 8位地址（位地址（访问外部存储器或其它访问外部存储器或其它接口芯片时）接口芯片时）分时兼作数据线和低八位

31、地址线分时兼作数据线和低八位地址线，P1P1口口:可输入、输出，接打印机、控制信号等可输入、输出，接打印机、控制信号等P2P2口：口：作高八位地址线作高八位地址线。P3P3口：口：除作除作I IO O接口外还兼有专用功能接口外还兼有专用功能编程时编程时 P0、P1、P2都作输入口，P0输入指令，P1输入低8位地址、P2输入高8位地址。验证程序时验证程序时，Pl、P2仍作地址口而P0输出指令代码。注意：注意：P1P1、P2P2作输入口时，必先使每位置作输入口时，必先使每位置“1”“1”，才，才能读入外部数据。能读入外部数据。47P3用作第二功能使用用作第二功能使用nP3.0：RXD（串行口输入）

32、；nP3.1：TXD（串行口输出）；nP3.2：外部中断0输入；nP3.3：外部中断1输入；nP3.4：T0（定时器0的外部输入）；nP3.5：T1（定时器1的外部输出）；nP3.6：（片外数据存储器“写”选通控制输出）；nP3.7：（片外数据存储器“读”选通控制输出）。48思考题与习题思考题与习题1、80C51的存储器组织采用何种结构？存储器地址空间如何的存储器组织采用何种结构？存储器地址空间如何划分？各地址空间的地址范围和容量如何？在使用上有何特划分？各地址空间的地址范围和容量如何？在使用上有何特点？点？2、80C51晶振频率为晶振频率为12MHz，时钟周期、机器周期为多少？，时钟周期、机器周期为多少？3、80C51复位后的状态如何？复位方法有几种？复位后的状态如何？复位方法有几种？4、80C51的片内、片外存储器如何选择？的片内、片外存储器如何选择？5、80C51的的PSW寄存器各位标志的意义如何？寄存器各位标志的意义如何？6、80C51的当前工作寄存器组如何选择？的当前工作寄存器组如何选择？7、80C51的控制总线信号有哪些？各信号的作用如何？的控制总线信号有哪些？各信号的作用如何？8、80C51的程序存储器低端的几个特殊单元的用途如何？的程序存储器低端的几个特殊单元的用途如何？49