单片机 第二章 80C51系列单片机结构与工作原理.ppt

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1、2.1 80C512.1 80C51系列单片机简介系列单片机简介 2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 2.4 80C512.4 80C51存储器结构存储器结构 2.5 2.5 输入输入/输出（输出（I/OI/O）端口）端口 2.6 2.6 单片机的工作过程单片机的工作过程 2.7 80C512.7 80C51的低功耗方式的低功耗方式 2.8 2.8 本章小结本章小结2.9 2.9 练习思考题练习思考题 第二章第二章80C5180C51系列单片机内部结构与工作原理系列单片

2、机内部结构与工作原理 主要内容：主要内容：介绍介绍5151系列单片机主要功能特点；然后系列单片机主要功能特点；然后从硬件设计和程序设计的角度来分析单片机的基本组从硬件设计和程序设计的角度来分析单片机的基本组成、工作原理；引脚功能和结构框图，并详细介绍成、工作原理；引脚功能和结构框图，并详细介绍80C5180C51的的CPUCPU及及CPUCPU外围电路结构和应用原理；存储器结外围电路结构和应用原理；存储器结构和地址空间；位处理器；单片机的工作方式等。构和地址空间；位处理器；单片机的工作方式等。要求：要求：1 1、掌握、掌握5151系列单片机的主要功能特点；系列单片机的主要功能特点；2 2、熟悉

3、、熟悉5151系列单片机的内部结构；系列单片机的内部结构；3 3、掌握各引脚功能；、掌握各引脚功能；第二章第二章80C5180C51系列单片机内部结构与工作原理系列单片机内部结构与工作原理 4 4、熟悉如何对系统芯片进行故障诊断；、熟悉如何对系统芯片进行故障诊断；5 5、熟悉、熟悉80C5180C51单片机的存储器结构和地址空间。单片机的存储器结构和地址空间。6 6、熟悉、熟悉80C5180C51单片机的几种工作方式。单片机的几种工作方式。2.1 80C512.1 80C51系列单片机简介系列单片机简介 2.1 80C512.1 80C51系列单片机简介系列单片机简介 80C5180C51单片

4、机系列源于单片机系列源于MCS-51MCS-51系列。把所有厂家以系列。把所有厂家以80518051为基核推出的各种型号为基核推出的各种型号80C5180C51兼容型单片机统称为兼容型单片机统称为80C5180C51系列。系列。80518051是是MCS-51MCS-51系列中最基础的单片机型号，系列中最基础的单片机型号，其供应状态有其供应状态有8051(MaskROM)8051(MaskROM)、8751(EPROM)8751(EPROM)、8031(ROMless)8031(ROMless)。说明：说明：1 1、IntelIntel公司将公司将MCS-51MCS-51系列单片机实行技术开放

5、系列单片机实行技术开放政策后，许多公司，如政策后，许多公司，如PhilipsPhilips、DallasDallas、SiemensSiemens、ATMELATMEL、华邦、华邦、LGLG等都以等都以MCS-51MCS-51中的基础结构中的基础结构80518051为为2.1 80C512.1 80C51系列单片机简介系列单片机简介 基核推出了许多各具特色、各具优越性能的单片机。基核推出了许多各具特色、各具优越性能的单片机。2 2、该课件后面提到的、该课件后面提到的80C5180C51不是专指不是专指MaskROMMaskROM供货供货状态的型号，而是泛指状态的型号，而是泛指80C5180C5

6、1系列中的基础结构。系列中的基础结构。80C5180C51系列则是在系列则是在80518051基础结构通过不同资源配置而推基础结构通过不同资源配置而推出的一系列出的一系列CHMOSCHMOS单片机。单片机。3 3、80C5180C51系列中系列中80C51BH80C51BH、80C31BH80C31BH、87C51BH87C51BH是是MCS-51MCS-51系列典型产品系列典型产品80518051、80318031、87518751采用采用CHMOSCHMOS工艺工艺的产品。的产品。80C51BH80C51BH是是MaskROMMaskROM型，片内有型，片内有4KROM4KROM；80C3

7、1BH80C31BH是是ROMlessROMless型，片内无型，片内无ROMROM；87C51BH87C51BH是是EPROMEPROM型，型，片内有片内有4K EPROM4K EPROM。除此之外，三者的内部结构及引脚。除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。完全相同。2.1 80C512.1 80C51系列单片机简介系列单片机简介 5151系列单片机的主要功能特点：系列单片机的主要功能特点：1 1、一个、一个8 8位微处理器位微处理器CPUCPU；2 2、片内振荡器，振荡频率范围为、片内振荡器，振荡频率范围为1.21.212MHZ12MHZ；3 3、4KB/8KB4KB/8KB的片内的片

8、内ROMROM（80318031、80328032、80C3180C31无）；无）；4 4、128/256128/256字节的片内字节的片内RAMRAM；5 5、片外、片外ROMROM的寻址范围为的寻址范围为64KB;64KB;6 6、片外、片外RAMRAM的寻址范围为的寻址范围为64KB;64KB;7 7、2121个特殊功能寄存器个特殊功能寄存器(SFR)(SFR)；8 8、四个、四个8 8位并行位并行I/OI/O接口接口(P0(P0P3)P3)，3232根根I/OI/O口线；口线；2.1 80C512.1 80C51系列单片机简介系列单片机简介 9 9、1 1个全双工个全双工UARTUAR

9、T串行口，可多级通信；串行口，可多级通信；1010、2/32/3个个1616位定时位定时/计数器；计数器；1111、具有、具有5/65/6个中断源，可编程为两个优先级；个中断源，可编程为两个优先级；1212、有位寻址功能，适于布尔处理的位处理机；、有位寻址功能，适于布尔处理的位处理机；1313、111111条指令；条指令；1414、片内采用单总线结构；、片内采用单总线结构；1515、用单一、用单一+5V+5V电源。电源。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构

10、及引脚功能一、一、80C5180C51单片机内部基本结构单片机内部基本结构说明：说明：80C5180C51是经典的单片机系列，具有典型的是经典的单片机系列，具有典型的单片机结构体系，其基本结构如图单片机结构体系，其基本结构如图2-12-1所示。所示。组成：组成：由由CPUCPU系统、系统、CPUCPU外围单元、基本功能单元外围单元、基本功能单元等组成，各组成部分通过内部单一总线相连。等组成，各组成部分通过内部单一总线相连。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能图图2-1 80C512-1 80C51单片机内部结构单片机内部结构 2.2 80

11、C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 1 1、CPUCPU系统系统(核心核心)组成：组成：包括包括CPUCPU、时钟系统、总线控制逻辑。、时钟系统、总线控制逻辑。(1)CPU(1)CPU：是专门为面向测控对象、嵌入式应用特是专门为面向测控对象、嵌入式应用特点而设计的，有突出控制功能的指令系统。点而设计的，有突出控制功能的指令系统。(2)(2)时钟系统：时钟系统：主要满足主要满足CPUCPU及片内各单元电路对及片内各单元电路对时钟的要求，对时钟的要求，对80C5180C51单片机还要满足功耗管理对时钟单片机还要满足功耗管理对时钟系统电路的可控要求。系统

12、电路的可控要求。(3)(3)总线控制逻辑：总线控制逻辑：主要用于管理外部并行总线的主要用于管理外部并行总线的时序以及系统复位控制。时序以及系统复位控制。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 2 2、CPUCPU外围单元外围单元 功能：功能：与与CPUCPU运行直接相关的单元电路，与运行直接相关的单元电路，与CPUCPU构构成单片机的最小系统。成单片机的最小系统。组成：组成：包括程序存储器包括程序存储器ROMROM、数据存储器、数据存储器RAMRAM、输、输入入/输出输出(I/O)(I/O)口、操作管理寄存器口、操作管理寄存器SFR(SFR

13、(特殊功能寄存特殊功能寄存器器)。说明：说明：(1)ROM(1)ROM：其供应状态有：其供应状态有MaskROMMaskROM、EPROMEPROM、ROMLessROMLess。早期的早期的MCS-51MCS-51系列中的系列中的80318031为为ROMLessROMLess型，型，87518751为为EPROMEPROM型，型，80518051为为MaskROMMaskROM型。型。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 (2)RAM(2)RAM：寻址范围为：寻址范围为00H00H7FH7FH，它包括通用寄存，它包括通用寄存器区、位寻

14、址区、用户器区、位寻址区、用户RAMRAM区。区。80H80HFFHFFH为特殊功能寄为特殊功能寄存器区。存器区。(3)4(3)4个个8 8位位I/OI/O端口：分别为端口：分别为P0P0、P1P1、P2P2、P3P3口。口。功能见本章功能见本章2.52.5节。节。(4)SFR(4)SFR：位于：位于80H80HFFHFFH中，重要控制、指挥单元。中，重要控制、指挥单元。CPUCPU对所有片内功能单元的操作、控制都是通过对对所有片内功能单元的操作、控制都是通过对SFRSFR访问实现的。访问实现的。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 3

15、3、基本功能单元、基本功能单元 功能：功能：满足单片机测控功能要求的基本计算机外满足单片机测控功能要求的基本计算机外围电路，用来完善和扩大计算机的功能围电路，用来完善和扩大计算机的功能 组成：组成：包括定时包括定时/计数器、中断系统、串行通信计数器、中断系统、串行通信接口等。接口等。说明：说明：(1)80C51(1)80C51有两个有两个1616位定时位定时/计数器计数器 (T0(T0和和T1)T1)。作用：作用：可以作为内部定时器或外部脉冲计数器使可以作为内部定时器或外部脉冲计数器使用。作内部定时器时，是靠对时钟振荡器的用。作内部定时器时，是靠对时钟振荡器的1212分频脉分频脉冲计数方式实现

16、定时的；做为计数器时，外部脉冲通冲计数方式实现定时的；做为计数器时，外部脉冲通2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 过引脚过引脚T0(P3.4)T0(P3.4)、T1(P3.5)T1(P3.5)输入。输入。(2)(2)中断系统：中断系统：有有5 5个中断源，即两个外部中断源、个中断源，即两个外部中断源、两个定时两个定时/计数器计数器T0T0、T1T1溢出中断源和一个串行通信发溢出中断源和一个串行通信发送送/接收完毕的中断源。五个中断源有高级、低级两种接收完毕的中断源。五个中断源有高级、低级两种优先状态。两个外部中断源由引脚优先状态。两个外

17、部中断源由引脚(P3.2)(P3.2)、(P3.3)(P3.3)输输入。入。(3)(3)一个带有移位寄存器工作方式的通用异步收发一个带有移位寄存器工作方式的通用异步收发器器UARTUART ：既可用作串行通信，还可以用于移位寄存器既可用作串行通信，还可以用于移位寄存器方式的串行外围扩展。其接口分别为方式的串行外围扩展。其接口分别为RXD(P3.0)RXD(P3.0)、TXD(P3.1)TXD(P3.1)。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 二、引脚功能二、引脚功能 80C5180C51单片机采用单片机采用4040引脚双列直插封装引脚双列

18、直插封装(DIP)(DIP)形式形式(采用采用CHMOCHMO工艺制造工艺制造)，也有用，也有用4444引脚的方型封装结构引脚的方型封装结构(QFP)(QFP)，其中，其中4 4条条(标有标有NC)NC)的引脚是不连线的。的引脚是不连线的。DIPDIP封装封装 QFPQFP封装封装 2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能图图2-2 80C512-2 80C51单片机引脚图单片机引脚图2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 各引脚名称及功能：各引脚名称及功能：1 1、电源引脚：、电源引脚：

19、VCCVCC和和VSS VSS VCC(40VCC(40脚脚)：接：接+5V+5V电源。电源。VSS(20VSS(20脚脚)：接地。：接地。2 2、时钟电路引脚：、时钟电路引脚：XTAL1XTAL1和和XTAL2 XTAL2 XTAL1(19XTAL1(19脚脚)：片内反相放大器的输入端。接外部：片内反相放大器的输入端。接外部石英晶体和微调电容的一端。若使用外部时钟时，对石英晶体和微调电容的一端。若使用外部时钟时，对于于HMOSHMOS单片机，该引脚必须接地；对于单片机，该引脚必须接地；对于CHMOSCHMOS单片机，单片机，该引脚作为驱动端。该引脚作为驱动端。2.2 80C512.2 80C

20、51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 XTAL2(18XTAL2(18脚脚)：片内反相放大器的输出端。接外部：片内反相放大器的输出端。接外部石英晶体和微调电容的另一端。振荡电路的频率是晶石英晶体和微调电容的另一端。振荡电路的频率是晶体振荡频率。若使用外部时钟时，对于体振荡频率。若使用外部时钟时，对于HMOSHMOS单片机，单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOSCHMOS单片机，此引脚单片机，此引脚应悬浮。应悬浮。注：要检查单片机芯片振荡电路是否正常工作，注：要检查单片机芯片振荡电路是否正常工作，可用示波器查看可用示波器查看XTAL2X

21、TAL2端是否有脉冲信号输出。端是否有脉冲信号输出。3 3、控制信号引脚：、控制信号引脚：和和RST/RST/VpdVpd 2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 、ALEALE：(30(30脚脚)：地址锁存允许信号端：地址锁存允许信号端/EPROM/EPROM编编程输入端。程输入端。当当CPUCPU访问片外存储器时，用于锁存访问片外存储器时，用于锁存P0P0口低口低8 8位位地址地址(因为因为P0P0口作为地址口作为地址/数据复用口，数据复用口，P0P0口上的信息口上的信息究竟是地址还是数据完全由究竟是地址还是数据完全由ALEALE定义定

22、义)。当单片机上电正常工作后，此端周期性地以时当单片机上电正常工作后，此端周期性地以时钟振荡频率的钟振荡频率的1/61/6的固定频率向外输出正脉冲信号。所的固定频率向外输出正脉冲信号。所以，以，ALEALE信号可用作对外输出时钟或定时信号。信号可用作对外输出时钟或定时信号。注意：注意：5151单片机系统有外部存储器在访问外部存单片机系统有外部存储器在访问外部存储器时，有储器时，有ALEALE脉冲丢失，用户不宜用脉冲丢失，用户不宜用ALEALE做精确的时做精确的时钟或定时信号。钟或定时信号。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 检查单片机芯

23、片的好坏，可用示波器查看检查单片机芯片的好坏，可用示波器查看ALEALE端端是否有脉冲信号输出。是否有脉冲信号输出。ALEALE端的负载能力为端的负载能力为8 8个个LSLS型型TTLTTL。：对：对EPROMEPROM型单片机，如对型单片机，如对87C51BH87C51BH编程时的编程时的编程脉冲输入端。编程脉冲输入端。、(29(29脚脚)：程序存储允许输出端。片外程：程序存储允许输出端。片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。序存储器的读选通信号，低电平有效。CPUCPU从外部从外部ROMROM取指令时，在每个机器周期中两取指令时，在每个机器周期中两次有效。但在访问片外次有效。但在访问片外

24、RAMRAM时，要少产生两次负脉冲信时，要少产生两次负脉冲信2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 号。有效时，将外部号。有效时，将外部ROMROM中的指令读到数据总线上。中的指令读到数据总线上。检查单片机系统上电后，检查单片机系统上电后，CPUCPU能否正常到能否正常到EPROM/ROMEPROM/ROM中读取指令码，可用示波器查看该端有无负中读取指令码，可用示波器查看该端有无负脉冲信号输出。脉冲信号输出。可驱动可驱动8 8个个LSLS型型TTLTTL门电路。门电路。、(31(31脚脚)：内部：内部/外部外部ROMROM地址选择信号地址选

25、择信号/固化编程电压输入端。固化编程电压输入端。：为高电平，为高电平，CPUCPU访问访问ROMROM有两种情况：有两种情况：当当PCPC中的值小于中的值小于0FFFH0FFFH时，执行片内时，执行片内ROMROM指令指令;当当PCPC中的值超过中的值超过0FFFH0FFFH时，将自动转向执行片外时，将自动转向执行片外ROMROM指令。指令。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 当为低电平时，当为低电平时，CPUCPU只执行片外只执行片外ROMROM指令。对指令。对80C31BH80C31BH单片机，必须接低电平。单片机，必须接低电平。V

26、 VPPPP：用于：用于87C51BH87C51BH编程时输入编程电压。编程时输入编程电压。、RST/VPD(9RST/VPD(9脚脚)：复位信号输入端：复位信号输入端/备用电源正备用电源正端输入。端输入。RSTRST：高电平有效，其复位信号都是靠外部电路：高电平有效，其复位信号都是靠外部电路实现。在此输入端保持两个机器周期的高电平后，就实现。在此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。可以完成复位操作。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能内部寄存器内部寄存器初始状态初始状态内部寄存器内部寄存器初始状态初始状态ACC00HT

27、CON00HB00HTMOD00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSCON00HIPXXX00000BSBUF不定不定IE0XX00000BPCON0XXXXXXXB表表2-1 80C512-1 80C51单片机复位后各内部寄存器的状态单片机复位后各内部寄存器的状态 2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能图图2-3 上电与按钮复位电路上电与按钮复位电路2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 工作原理：工作原理：在

28、通电瞬间，由于在通电瞬间，由于RCRC的充电过程在的充电过程在RSTRST端出现一定宽度的正脉冲，只要该脉冲能保持端出现一定宽度的正脉冲，只要该脉冲能保持10ms10ms以以上，就能使单片机可靠复位。但初始化不影响片内上，就能使单片机可靠复位。但初始化不影响片内RAMRAM状态，只要状态，只要RSTRST引脚保持高电平，单片机将循环复位，引脚保持高电平，单片机将循环复位，复位有效期间，复位有效期间，ALEALE、输出高电平，当输出高电平，当RSTRST从高电从高电平变为低电平时，单片机将从平变为低电平时，单片机将从0000H0000H单元开始执行程序。单元开始执行程序。通常采用以下三种复位方式

29、：上电自动复位、通常采用以下三种复位方式：上电自动复位、开关复位和外部脉冲复位。开关复位和外部脉冲复位。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能图图2-4 多功能复位电路多功能复位电路2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 VpdVpd(备用电源正端输入备用电源正端输入)：当主电源：当主电源VccVcc电位突电位突然降低或断电然降低或断电(故障故障)，将，将+5V+5V电源自动接入电源自动接入RSTRST，从而，从而保护保护RAMRAM中信息不丢失，使复电后能正常工作。中信息不丢失，使复电

30、后能正常工作。4 4、I/O(I/O(输入输入/输出输出)引脚：引脚：P0P0、P1P1、P2P2、P3 P3 说明：说明：P0P0P3P3是是4 4个寄存器，也称为个寄存器，也称为4 4个端口，是个端口，是80C5180C51单片机与外界联系的单片机与外界联系的4 4个个8 8位双向并行位双向并行I/OI/O口。口。由于在数据的传输过程中，由于在数据的传输过程中，CPUCPU需要对接口电路中需要对接口电路中输入输出数据的寄存器进行读写操作，所以在单片机输入输出数据的寄存器进行读写操作，所以在单片机中对这些寄存器像对存储单元一样进行编址。通常把中对这些寄存器像对存储单元一样进行编址。通常把接口

31、电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为端口为端口(PORT)(PORT)或简称口。或简称口。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 P0P0口（口（P0.0P0.0P0.7P0.7）(32(323939脚脚)：一个一个8 8位的准双向位的准双向I/OI/O口。在访问片外存储器时，口。在访问片外存储器时，它分时作为它分时作为8 8位地址线和位地址线和8 8位双向数据线；不作总线使位双向数据线；不作总线使用时，可作普通用时，可作普通I/OI/O口；其每位的负载能力为口；其每位的负载能力为8 8

32、个个LSTTLLSTTL。P1P1口口(P1.0(P1.0P1.7)(1P1.7)(18 8脚脚)：一个带内部上拉电阻的一个带内部上拉电阻的8 8位准双向位准双向I/OI/O口。其每位口。其每位的负载能力为个的负载能力为个LSTTLLSTTL。P2P2口口(P2.0(P2.0P2.7)(21P2.7)(212828脚脚)：一个带内部上拉一个带内部上拉电阻的电阻的8 8位准双向位准双向I/OI/O口。在访问片外存储器时，它作口。在访问片外存储器时，它作为高为高8 8位地址线；不作总线使用时，也可做普通位地址线；不作总线使用时，也可做普通I/OI/O口口2.2 80C512.2 80C51单片机内

33、部基本结构及引脚功能单片机内部基本结构及引脚功能 其每位的负载能力为其每位的负载能力为4 4个个LSTTLLSTTL。P3P3口口(P3.0(P3.0P3.7)(10P3.7)(101717脚脚)：一个带内部上拉电阻的一个带内部上拉电阻的8 8位准双向位准双向I/OI/O口；口；P3P3口除口除了作为一般准双向口使用外，每脚还具有第二功能了作为一般准双向口使用外，每脚还具有第二功能(见见表表2-2)2-2)；其每位的负载能力为其每位的负载能力为4 4个个LSTTLLSTTL。2.2 80C512.2 80C51单片机内部基本结构及引单片机内部基本结构及引脚功能脚功能口线口线第二功能第二功能P3

34、.0P3.0RXD(RXD(串行口输入串行口输入)P3.1P3.1TXD(TXD(串行口输出串行口输出)P3.2P3.2(外部中断外部中断0 0输入输入)P3.3P3.3(外部中断外部中断1 1输入输入)P3.4P3.4T0(T0(定时器定时器0 0的外部输入的外部输入)P3.5P3.5T1(T1(定时器定时器1 1的外部输入的外部输入)P3.6P3.6片外数据存储器写选通控制输出片外数据存储器写选通控制输出P3.7P3.7片外数据存储器读选通控制输出片外数据存储器读选通控制输出表表2-2 P32-2 P3口线第二功能表口线第二功能表2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU

35、结构结构2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 CPUCPU是单片机的核心部件，其功能是产生控制信号，是单片机的核心部件，其功能是产生控制信号，把数据从存储器或输入口传送到把数据从存储器或输入口传送到CPUCPU或反向传送，还可或反向传送，还可以对输入数据进行算术逻辑运算以及位操作处理。它以对输入数据进行算术逻辑运算以及位操作处理。它由运算器、控制器等部件组成。由运算器、控制器等部件组成。一、运算器一、运算器 它以算术它以算术/逻辑部件逻辑部件ALUALU为核心，加上累加器为核心，加上累加器ACCACC、暂存寄存器、程序状态字寄存器暂存寄存器、程序状态字寄存器PS

36、WPSW以及布尔处理器、以及布尔处理器、BCDBCD码运算调整电路等构成了整个运算器逻辑电路。码运算调整电路等构成了整个运算器逻辑电路。2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 1 1、累加器、累加器ACCACC 8 8位寄存器，它通过暂存器和位寄存器，它通过暂存器和ALUALU相连，是相连，是CPUCPU中最中最繁忙的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，运算器的繁忙的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，运算器的一个输入多为一个输入多为ACCACC的输出，而运算结果又大多数送到的输出，而运算结果又大多数送到

37、ACCACC中。在指令系统中中。在指令系统中ACCACC的助记符为的助记符为A A。2 2、算术逻辑部件、算术逻辑部件ALUALU ALUALU用来完成二进制的四则运算和布尔代数的逻辑用来完成二进制的四则运算和布尔代数的逻辑运算。此外通过对运算结果判断，影响程序状态字的运算。此外通过对运算结果判断，影响程序状态字的有关位。有关位。2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 3 3、程序状态字寄存器、程序状态字寄存器PSWPSW 8 8位寄存器，用来存放运算结果的一些特征。字节位寄存器，用来存放运算结果的一些特征。字节地址地址(D0H)(D0H)。格式：格式：(见下页图

38、见下页图)C C：进位标志。在进行加法：进位标志。在进行加法(或减法或减法)运算时，若运运算时，若运算结果最高位有进位算结果最高位有进位(或借位或借位)，则，则C=1C=1，否则，否则C=0C=0，在，在进行位操作时，进行位操作时，C C作为位操作累加器。作为位操作累加器。ACAC：半进位标志：半进位标志(或辅助进位或辅助进位)。在进行加法。在进行加法(或减或减法法)运算时，若低半字节向高半字节有进位运算时，若低半字节向高半字节有进位(或借位或借位)，则则AC=1AC=1，否则，否则AC=0AC=0，ACAC还作为还作为BCDBCD码运算调整时的判码运算调整时的判 2.3 80C512.3 8

39、0C51单片机单片机CPUCPU结构结构D7HD7HD6HD6HD5HD5HD4HD4HD3HD3HD2HD2HD1HD1HD0HD0HC CACACF0F0RS1RS1RS0RS00V0VF1F1P PRS0RS0RS1RS1寄存器组寄存器组片内片内RAMRAM地址地址0 00 0第第0 0组组00H00H07H07H0 01 1第第1 1组组08H08H0FH0FH1 10 0第第2 2组组10H10H17H17H1 11 1第第3 3组组18H18H1FH1FH2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 别位。别位。F0F0：用户标志位。由用户置位、复位，作为软

40、件：用户标志位。由用户置位、复位，作为软件标志。标志。RS1RS1、RS0RS0：工作寄存器指针。用来选择当前的工：工作寄存器指针。用来选择当前的工作寄存器组。由用户通过指令改变作寄存器组。由用户通过指令改变RS1RS1、RS0RS0的组合，的组合，以选择当前的工作寄存器组。以选择当前的工作寄存器组。OVOV：溢出标志。反映运算结果是否溢出，溢出时，：溢出标志。反映运算结果是否溢出，溢出时，OV=1OV=1，否则，否则OV=0OV=0。溢出是指有符号数进行运算时，结。溢出是指有符号数进行运算时，结果超出了果超出了+127+127-128-128；而进位是指两个无符号数最前；而进位是指两个无符号

41、数最前一位一位(第第7 7位位)相加相加(或相减或相减)时有进位时有进位(或有借位或有借位)。2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 F1F1：用户标志位，同：用户标志位，同F0F0。P P：奇偶标志。反映：奇偶标志。反映A A中的内容的奇偶性，若中的内容的奇偶性，若A A中有中有奇数个奇数个1 1则则P=1P=1，否则，否则P=0P=0。单片机复位时，单片机复位时，RS1=RS0=0RS1=RS0=0，CPUCPU默认第默认第0 0组工作寄组工作寄存器。存器。二、控制器二、控制器 说明：说明：控制器是控制器是CPUCPU的大脑中枢，它包括定时控制的大脑中枢，它包

42、括定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、数据指针逻辑、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTRDPTR、程、程序计数器序计数器PCPC、堆栈指针、堆栈指针SPSP以及地址寄存器、地址缓冲以及地址寄存器、地址缓冲器等。器等。2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 功能：功能：对程序指令逐条译码，并通过定时和控制对程序指令逐条译码，并通过定时和控制电路在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部控电路在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部控制信号，协调各部分的工作，完成指令所规定的操作。制信号，协调各部分的工作，完成指令所规定的操作。1 1、程序计数器、程序计数器PC(

43、ProgramPC(Program Counter)Counter)功能：功能：和一般微机相同，它用来存放下一条要执和一般微机相同，它用来存放下一条要执行指令的地址，当一条指令按照行指令的地址，当一条指令按照PCPC所指的地址从存储所指的地址从存储器中取出后，器中取出后，PCPC会自动加会自动加1 1，即指向下一条指令。，即指向下一条指令。2 2、堆栈指针、堆栈指针SP(StackSP(Stack Pointer)Pointer)SPSP在片内在片内RAM 128RAM 128个字节中开辟栈区，并随时跟踪个字节中开辟栈区，并随时跟踪栈顶地址。它是按栈顶地址。它是按“先进后出先进后出”的原则进行

44、存取数据的原则进行存取数据的，开机复位后，单片机栈底地址为的，开机复位后，单片机栈底地址为07H07H。2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 3 3、指令译码器、指令译码器 当指令送入指令译码器后，由译码器对该指令进当指令送入指令译码器后，由译码器对该指令进行译码，即把指令转变成所需的电平信号，以便计算行译码，即把指令转变成所需的电平信号，以便计算机能正确执行程序所要求的各种操作。机能正确执行程序所要求的各种操作。4 4、数据指针、数据指针DPTRDPTR 由于由于80C5180C51系列单片机可以外接系列单片机可以外接64K64K的的RAMRAM和和I/OI/

45、O接接口电路，故单片机内设置了口电路，故单片机内设置了1616位的数据指针位的数据指针DPTRDPTR。它。它可以对可以对64K64K外部外部RAMRAM和和I/OI/O口进行寻址。它的高口进行寻址。它的高8 8位为位为DPHDPH，地址为，地址为83H83H，低，低8 8位为位为DPLDPL，地址为，地址为82H82H。2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 三、三、80C5180C51时钟系统时钟系统 时钟电路设计有两种方式：内部时钟方式和外部时钟电路设计有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。时钟方式。1 1、内部时钟方式、内部时钟方式 80C5180C51

46、单片机的时钟系统是一个内含振荡电路、外单片机的时钟系统是一个内含振荡电路、外接谐振器、可关断控制的时钟系统，如图接谐振器、可关断控制的时钟系统，如图2-52-5所示。所示。2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构图图2-5 80C512-5 80C51单片机时钟系统单片机时钟系统 2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 (1)(1)、时钟振荡器。、时钟振荡器。它是一个并联谐振电路它是一个并联谐振电路(皮尔斯振荡器皮尔斯振荡器)，谐振器，谐振器为石英振子或陶瓷振子。为石英振子或陶瓷振子。(2)(2)、它通过引脚、它通过引脚XTAL2XTA

47、L2、XTAL1XTAL1与外接谐振器、振与外接谐振器、振荡电容荡电容C1C1、C2C2相连。相连。C1C1和和C2C2一般取一般取30pF30pF左右，振荡频率范围是左右，振荡频率范围是1.2MHz1.2MHz12MHz12MHz。(3)(3)、80C5180C51的时钟系统具有可关断功能。的时钟系统具有可关断功能。通过通过 端可关闭端可关闭CPUCPU的时钟；通过的时钟；通过 端可关闭时端可关闭时钟振荡器。时钟系统的关断功能主要用于单片机的功钟振荡器。时钟系统的关断功能主要用于单片机的功2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 耗管理。耗管理。谐振器的振荡信号从

48、谐振器的振荡信号从XTAL2XTAL2端送到内部时钟电路上，端送到内部时钟电路上，它对振荡信号二分频，并向它对振荡信号二分频，并向CPUCPU提供两相时钟信号提供两相时钟信号P1P1和和P2P2。时钟信号的周期称为。时钟信号的周期称为状态时间状态时间S S，它是振荡周期的，它是振荡周期的2 2倍，在每个状态的前半周期，倍，在每个状态的前半周期，P1P1信号有效，在每个状信号有效，在每个状态的后半周期，态的后半周期，P2P2信号有效。信号有效。CPUCPU就以两相时钟就以两相时钟P1P1和和P2P2为基本节拍指挥单片机各部分协调工作。为基本节拍指挥单片机各部分协调工作。2.3 80C512.3

49、80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 2 2、外部时钟方式、外部时钟方式 2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 四、四、CPUCPU时序时序 1 1、振荡周期、振荡周期 为单片机提供定时信号的振荡源的周期为单片机提供定时信号的振荡源的周期(其振荡频其振荡频率为率为f fOSCOSC)。2 2、时钟周期、时钟周期(状态周期、状态时间状态周期、状态时间S)S)它是振荡周期的它是振荡周期的2 2倍，分为倍，分为P1P1节拍和节拍和P2P2节拍，节拍，P1P1节节拍通常完成拍通常完成算术逻辑操作算术逻辑操作，而，而内部寄存器间传送内部寄存器间传送通常通常在在P2P

50、2节拍完成。节拍完成。2.3 80C512.3 80C51单片机单片机CPUCPU结构结构 3 3、机器周期、机器周期 一个机器周期由一个机器周期由6 6个状态个状态(12(12个振荡脉冲个振荡脉冲)组成，若组成，若把一条指令的执行过程分成几个基本操作，则把一条指令的执行过程分成几个基本操作，则完成一完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。个基本操作所需的时间称为机器周期。4 4、指令周期、指令周期 指执行一条指令所占用的全部时间，通常由指执行一条指令所占用的全部时间，通常由1 14 4个机器周期组成。图个机器周期组成。图2-62-6给出了给出了80C5180C51单片机取指和执单片机取指和执