80C51的結構和原理市公開課一等獎省賽課獲獎課件

第2章MCS-51系列單片機結構目錄

單片機結構和引腳1

單片機資源2

單片機并行I\O口3時鐘電路和復位電路480C51的結構和原理第1頁一、MCS-51系列單片機介紹

MCS-51系列單片機已經(jīng)有十各種產(chǎn)品，可分為兩大系列：51子系列和52子系列。

51子系列主要有8031、8051、8751三種機型。它們指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容。從表1.1中能夠看出，它們差異僅在于片內(nèi)有沒有ROM或EPROM。

52子系列主要有8032、8052、8752三種機型。從表1.1中能夠看出，52子系列與51子系列不一樣之處于于：片內(nèi)數(shù)據(jù)存放器增至256字節(jié)；片內(nèi)程序存放器增至8KB(8032無)；有3個16位定時/計數(shù)器，6個中止源。其它性能均與51子系列相同。51系列單片機80C51的結構和原理第2頁二、引腳定義及功效引腳定義P3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7ALEP1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EAPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0RXD/

TXD/

INT0/INT1/

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313029282726252424222180318051875189C5180C51的結構和原理第3頁

1．主電源引腳

VCC(40腳)：接+5V電源正端。VSS(20腳)：接地線。2．時鐘電路引腳

XTAL1(19腳)：XTAL2（18腳）分別用做晶體振蕩電路反相器輸入和輸出端。使用內(nèi)部振蕩電路時，這兩個端子用來外接石英晶體，振蕩頻率為晶體振蕩頻率。引腳定義80C51的結構和原理第4頁4．控制線

(1)ALE/PROG(30腳)：地址鎖存有效信號輸出端。ALE在每個機器周期內(nèi)輸出兩個脈沖。在訪問片外程序存放器期間，下降沿用于控制鎖存P0輸出低8位地址；在不訪問片外程序存放器期間，可作為對外輸出時鐘脈沖或用于定時目標。對于片內(nèi)含有EPROM機型，在編程期間，該引腳用作編程脈沖PROG輸入端。

(2)PSEN(29腳)：片外程序存放器讀選通信號輸出端，低電平有效。當從外部程序存放器讀取指令或常數(shù)期間，每個機器周期該信號兩次有效，以經(jīng)過數(shù)據(jù)總線P0口讀回指令或常數(shù)。在訪問片外數(shù)據(jù)存放器期間，PSEN信號將不出現(xiàn)。引腳功效定義80C51的結構和原理第5頁

(3)RST/VPD(9腳)：RST即為RESET，VPD為備用電源。該引腳為單片機上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)連續(xù)兩個機器周期高電平，就可實現(xiàn)復位操作，使單片機回復到初始狀態(tài)。上電時，考慮到振蕩器有一定起振時間，該引腳上高電平必須連續(xù)10ms以上才能確保有效復位。當VCC發(fā)生故障，降低到低電平要求值或掉電時，該引腳可接上備用電源VPD(+5V)為內(nèi)部RAM供電，以確保RAM中數(shù)據(jù)不丟失。引腳功效定義80C51的結構和原理第6頁

(4)EA/VPP(31腳)：EA為片外程序存放器選取端。該引腳有效(低電平)時，只選取片外程序存放器，不然單片機上電或復位后選取片內(nèi)程序存放器。對于片內(nèi)含有EPROM機型，在編程期間，此引腳用作21V編程電源VPP輸入端。

3．輸入/輸出引腳

(1)P0口(39~32腳)：P0.0~P0.7統(tǒng)稱為P0口。在不接片外存放器與不擴展I/O口時，可作為準雙向輸入/輸出口。在接有片外存放器或擴展I/O口時，P0口分時復用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。引腳功效定義80C51的結構和原理第7頁

(2)P1口(1~8腳)：P1.0~P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準雙向I/O口使用。對于52子系列，P1.0與P1.1還有第二功效：P1.0可用作定時器/計數(shù)器2計數(shù)脈沖輸入端T2，P1.1可用作定時器/計數(shù)器2外部控制端T2EX。

(3)P2口(21~28腳)：P2.0~P2.7統(tǒng)稱為P2口，普通可作為準雙向I/O口使用；在接有片外存放器或擴展I/O口且尋址范圍超出256字節(jié)時，P2口用作高8位地址總線。

(4)P3口(10~17腳)：P3.0~P3.7統(tǒng)稱為P3口。除作為準雙向I/O口使用外，還能夠將每一位用于第二功效，而且P3口每一條引腳均可獨立定義為第一功效輸入輸出或第二功效。P3口第二功效如表2.1所表示。引腳功效定義80C51的結構和原理第8頁表2.1P3口第二功效表引腳功效定義80C51的結構和原理第9頁二、MCS-51系列單片機基本組成時鐘電路CPUROMRAMT0T1中止系統(tǒng)串行接口并行接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定時計數(shù)器結構框圖中央處理器CPU：8位，運算和控制功效內(nèi)部RAM：共256個RAM單元，用戶使用前128個單元，用于存放可讀寫數(shù)據(jù)，后128個單元被專用存放器占用。內(nèi)部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)和表格。定時/計數(shù)器：兩個16位定時/計數(shù)器，實現(xiàn)定時或計數(shù)功效。并行I/O口：4個8位I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一個全雙工串行口。中止控制系統(tǒng)：5個中止源（外部中止2個，定時/計數(shù)中止2個，串行中止1個）時鐘電路：可產(chǎn)生時鐘脈沖序列，允許晶振頻率6MHZ和12MHZ基本組成80C51的結構和原理第10頁

MCS-51系列單片機內(nèi)部結構框圖如圖所表示。

基本組成（1）8位CPU（2）片內(nèi)程序存放器（3）片內(nèi)數(shù)據(jù)存放器（4）4個8位并行I/O口（5）兩個定時/計數(shù)器（6）5個中止源（7）一個全雙工UART（8）片內(nèi)時鐘振蕩器80C51的結構和原理第11頁圖2.1MCS-51單片機內(nèi)部結構框圖基本組成80C51的結構和原理第12頁運算器

包含算術邏輯運算部件ALU單元、暫存器1、暫存器2、累加器ACC、存放器B和BCD碼調整電路。主要功效：算術運算、加1和減1運算、十進制調整、邏輯操作、數(shù)據(jù)傳送。布爾處理器它以PSW中進位標志位C為其累加器，專門用于處理位操作，有對應位尋址RAM和I/O空間。控制器包含程序計數(shù)器PC、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP、程序狀態(tài)字、指令存放器IR、指令譯碼器ID、振蕩器、定時電路和復位電路等。主要功效：控制各部分協(xié)調工作；協(xié)調單片機和外圍芯片工作?；窘M成80C51的結構和原理第13頁2.2MCS-51系列單片機存放器結構一、單片機存放器結構特點

AT89C51單片機存放器配置在物理上是把程序存放器和數(shù)據(jù)存放器分開，而且存放器有內(nèi)外之分，共有4個物理存放空間；片內(nèi)程序存放器，片外程序存放器，片內(nèi)數(shù)據(jù)存放器與片外數(shù)據(jù)存放器。存放器結構80C51的結構和原理第14頁二、8051單片機存放器組織結構存放器結構80C51的結構和原理第15頁三、程序存放器0000H0001H0002H中止5中止4中止3中止2中止10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中止0定時器0中止外部中止1定時器1中止串行口中止8位．．．0FFFH0FFEH程序存放器資源分布中止入口地址0000H0FFFH(4K)程序存放器內(nèi)部外部0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)EA=1EA=0存放器結構80C51的結構和原理第16頁1、程序存放器作用:

(1)存放程序(2)表格數(shù)據(jù)

2、程序存放器地址分配

EA=1內(nèi)部程序存放器（0000H~0FFFH),外部存放器(1000H~FFFFH)EA=0內(nèi)部不用,外部(0000H~FFFFH)3、中止入口地址存放器結構80C51的結構和原理第17頁

0003H～000AH

外部中止0中止地址區(qū)

000BH～0012H

定時/計數(shù)器0中止地址區(qū)

0013H～001AH

外部中止1中止地址區(qū)

001BH～0022H

定時/計數(shù)器1中止地址區(qū)

0023H～002AH

串行中止地址區(qū)四、數(shù)據(jù)存放器

1、外部數(shù)據(jù)存放器

外部數(shù)據(jù)存放器以16位DPTR和@Ri內(nèi)容作為地址指針,可尋址64KB空間.用MOVX指令.存放器結構80C51的結構和原理第18頁五、數(shù)據(jù)存放器存放器結構80C51的結構和原理第19頁0000HFFFFH(64K)內(nèi)部外部數(shù)據(jù)存放器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM專用

存放器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0區(qū)R0R7R0R7R0R7R0R71區(qū)2區(qū)3區(qū)工作存放器區(qū)可位尋址區(qū)20H2FH7F78070030H7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū)內(nèi)部RAM存放器

11第3區(qū)18H~1FH

01第1區(qū)08H~0FHRS1RS0存放器區(qū)片內(nèi)RAM地址

00第0區(qū)00H~07H10第2區(qū)10H~17H工作存放器區(qū)選擇位RS0、RS1PSW位地址CYACF0RS1RS0OVF1P存放器結構80C51的結構和原理第20頁1、通用工作存放器區(qū)2、位尋址區(qū)

位尋址區(qū)共16個字節(jié)，每個字節(jié)8位均對應一個位地址，編址為00H~7FH。存放器結構80C51的結構和原理第21頁存放器結構80C51的結構和原理第22頁

這個區(qū)域用于數(shù)據(jù)存放,還能夠用作堆棧,以處理調用子程序和響應中止時現(xiàn)場保護，普通設置在30H~7FH。堆棧結構3、用戶RAM區(qū)存放器結構80C51的結構和原理第23頁XYZ65H64H63H62H61H棧底60H59H內(nèi)部RAMPUSHPUSHPUSHXYZ入棧過程65H64H63H62H61H棧底60H59H內(nèi)部RAMPOPZPOPYPOPXXYZ出棧過程先入后出后入先出存放器結構80C51的結構和原理第24頁（4）特殊功效存放器區(qū)（SFR）MCS-51系列單片機內(nèi)部I\O接口存放器,串口行緩沖器,定時\計數(shù)器,各種控制存放器和狀態(tài)存放器,統(tǒng)稱為特殊功效存放器(SFR),21個8位SFR,離散分布在80H到FFH地址空間內(nèi)。每個SFR都有字節(jié)地址，并定義了符號名，其中有11個SFR含有位地址，對應為也定義了位名。凡是字節(jié)地址能被8整除都含有位地址。存放器結構80C51的結構和原理第25頁高128個單元☆離散分布有21個特殊功效存放器SFR。(SpecificFunctionregister）☆

11個能夠進行位尋址?！钣绕涮嵝眩簩FR只能使用直接尋址方式，書寫時可使用存放器符號，也可用存放器單元地址。80C51的結構和原理第26頁存放器結構80C51的結構和原理第27頁存放器結構80C51的結構和原理第28頁(1)程序計數(shù)器（PC—ProgramCounter）。PC是一個16位計數(shù)器，它作用是控制程序執(zhí)行次序。其內(nèi)容為將要執(zhí)行指令地址，尋址范圍達64KB。PC有自動加1功效，從而實現(xiàn)程序次序執(zhí)行。PC沒有地址，是不可尋址，所以用戶無法對它進行讀寫，但能夠經(jīng)過轉移、調用、返回等指令改變其內(nèi)容，以實現(xiàn)程序轉移。因地址不在SFR（專用存放器）之內(nèi)，普通不計作專用存放器。

(2)累加器（ACC—Accumulator）。累加器為8位存放器，是最慣用專用存放器專門存放操作數(shù)或運算結果。

比如：MOVA，30H（把30H單元數(shù)據(jù)傳送給A）

ADDA，30H（30H數(shù)據(jù)和A內(nèi)容相加，并保留在A中

存放器結構80C51的結構和原理第29頁存放器結構(3)B存放器。B存放器是一個8位存放器，主要用于乘除運算。比如：MULAB；A和B相乘，結果高低字節(jié)分別放入A和B中DIVAB；（A）/（B），商存A，余數(shù)存B(4)程序狀態(tài)字（PSW—ProgramStatusWord）。程序狀態(tài)字是一個8位存放器，用于存放程序運行中各種狀態(tài)信息。

PSW.7PSW.080C51的結構和原理第30頁存放器結構CY（C）：進位和借位標志，當指令執(zhí)行中有進位和借位產(chǎn)生時，CY為1，反之為0。AC：輔助進位、借位標志（低半字節(jié)對高半字節(jié)進位和借位），有進位和借位產(chǎn)生時，AC為1，反之為0。F0:用戶標志位，由用戶自定義。RS1和RS0：工作存放器選擇標志位。OV：溢出標志位。P：奇偶校驗位，當A中1個數(shù)為偶數(shù)時P=0，反之為1。80C51的結構和原理第31頁(5)數(shù)據(jù)指針（DPTR）。數(shù)據(jù)指針為16位存放器。編程時，DPTR既能夠按16位存放器使用，也能夠按兩個8位存放器分開使用，即:DPHDPTR高位字節(jié)DPLDPTR低位字節(jié)(6)堆棧指針（SP—StackPointer）。堆棧是一個特殊存放區(qū)，用來暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按“先進后出”標準存存放器結構80C51的結構和原理第32頁1

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80318751805189C51片內(nèi)RAM片內(nèi)ROM256B（字節(jié)）4K64K存放器結構80C51的結構和原理第33頁2.3并行輸入/輸出接口

P0口是一個三態(tài)雙向口，可作為地址/數(shù)據(jù)分時復用口，也可作為通用I/O接口。其1位結構原理如圖2.9所表示。P0口由8個這么電路組成。鎖存器起輸出鎖存作用，8個鎖存器組成了特殊功效存放器P0；場效應管(FET)V1、V2組成輸出驅動器，以增大帶負載能力；三態(tài)門1是引腳輸入緩沖器；三態(tài)門2用于讀鎖存器端口；與門3、反相器4及模擬轉換開關組成了輸出控制電路。2.3.1P0口1、P0口結構并行口P080C51的結構和原理第34頁圖2.9P0口1位結構圖并行口P080C51的結構和原理第35頁雙向三態(tài)輸入輸出端口。

P0口身兼兩職，既可作為地址總線（AB0-AB7），也可作為數(shù)據(jù)總線（DB0-DB7）。作為通用I/O時，是一個漏極開路電路。需外接上拉電阻。作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時，不需處接上拉電阻。P0可驅動8個LSTTL，其它I/O口能夠驅動4個LSTLL。P0口特點并行口P080C51的結構和原理第36頁2．地址/數(shù)據(jù)分時復用功效

當P0口作為地址/數(shù)據(jù)分時復用總線時，可分為兩種情況：一個是從P0口輸出地址或數(shù)據(jù)，另一個是從P0口輸入數(shù)據(jù)。在訪問片外存放器而需從P0口輸出地址或數(shù)據(jù)信號時，控制信號應為高電平"1"，使轉換開關MUX把反相器4輸出端與V1接通，同時把與門3打開。當?shù)刂坊驍?shù)據(jù)為"1"時，經(jīng)反相器4使V1截止，而經(jīng)與門3使V2導通，P0.x引腳上出現(xiàn)對應高電平"1"；當?shù)刂坊驍?shù)據(jù)為"0"時，經(jīng)反相器4使V1導通而V2截止，引腳上出現(xiàn)對應低電平"0"。這么就將地址/數(shù)據(jù)信號輸出。并行口P080C51的結構和原理第37頁3．通用I/O接口功效

當P0口作為通用I/O口使用，在CPU向端口輸出數(shù)據(jù)時，對應控制信號為0，轉換開關把輸出級與鎖存器Q端接通，同時因與門3輸出為0使V2截止，此時，輸出級是漏極開路電路。當寫脈沖加在鎖存器時鐘端CLK上時，與內(nèi)部總線相連D端數(shù)據(jù)取反后出現(xiàn)在Q端，又經(jīng)輸出V1反相，在P0引腳上出現(xiàn)數(shù)據(jù)恰好是內(nèi)部總線數(shù)據(jù)。當要從P0口輸入數(shù)據(jù)時，引腳信息仍經(jīng)輸入緩沖器進入內(nèi)部總線。(1)在輸出數(shù)據(jù)時，因為V2截止，輸出級是漏極開路電路，要使“1”信號正常輸出，必須外接上拉電阻。并行口P080C51的結構和原理第38頁

(2)P0口作為通用I/O口使用時，是準雙向口。其特點是在輸入數(shù)據(jù)時，應先把口置1(寫1)，此時鎖存器Q端為0，使輸出級兩個場效應管V1、V2均截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，才可作高阻輸入。因為，從P0口引腳輸入數(shù)據(jù)時，V2一直處于截止狀態(tài)，引腳上外部信號既加在三態(tài)緩沖器1輸入端，又加在V1漏極。假定在此之前曾輸出鎖存過數(shù)據(jù)0，則V1是導通，這么引腳上電位就一直被箝位在低電平，使輸入高電平無法讀入。所以，在輸入數(shù)據(jù)時，應人為地先向口寫1，使V1、V2均截止，方可高阻輸入。所以說P0口作為通用I/O口使用時，是準雙向口。但在P0用作地址/數(shù)據(jù)分時復用功效連接外部存放器時，因為訪問外部存放器期間，CPU會自動向P0口鎖存器寫入0FFH，對用戶而言，P0口此時則是真正三態(tài)雙向口。并行口P080C51的結構和原理第39頁4．端口操作MCS-51單片機有不少指令可直接進行端口操作，比如：ANLP0，A ；(P0)←(P0)∧(A)ORLP0，#data；(P0)←(P0)∨dataDELP0；(P0)←(P0)-1并行口P080C51的結構和原理第40頁

這些指令執(zhí)行過程分成"讀-修改-寫"三步，先將P0口數(shù)據(jù)讀入CPU，在ALU中進行運算，運算結果再送回P0。執(zhí)行"讀-修改-寫"類指令時，CPU是經(jīng)過三態(tài)門2讀回鎖存器Q端數(shù)據(jù)來代表引腳狀態(tài)。假如直接經(jīng)過三態(tài)門1從引腳讀回數(shù)據(jù)，有時會發(fā)生錯誤。比如，用一根口線去驅動一個晶體管基極，當向此口線輸出1時，鎖存器Q=1，V2導通驅動晶體管。當晶體管導通后，引腳上電平被拉到低電平(0.7V)，因而，若從引腳直接讀回數(shù)據(jù)，原為1狀態(tài)則會錯讀為0，所以要從鎖存器Q端讀取數(shù)據(jù)。并行口P080C51的結構和原理第41頁2.3.2P1口P1口為準雙向口，其1位內(nèi)部結構如圖2.10所表示。它在結構上與P0口區(qū)分在于輸出驅動部分。其輸出驅動部分由場效應管V1與內(nèi)部上拉電阻組成。當其某位輸出高電平時，能夠提供拉電流負載，無須像P0口那樣需要外接上拉電阻。P1口只有通用I/O接口一個功效(對51子系列)，其輸入輸出原理特征與P0口作為通用I/O接口使用時一樣，請讀者自己分析。P1口含有驅動4個LSTTL負載能力。另外，對于52子系列單片機P1口P1.0與P1.1除作為通用I/O接口線外，還含有第二功效，即P1.0可作為定時器/計數(shù)器2外部計數(shù)脈沖輸入端T2，P1.1可作為定時器/計數(shù)器2外部控制輸入端T2EX。并行口P180C51的結構和原理第42頁圖2.10P1口1位結構圖并行口P180C51的結構和原理第43頁2.3.3P2口圖2.11P2口1位結構圖并行口P280C51的結構和原理第44頁

看成為準雙向通用I/O口使用時，控制信號使轉換開關接向左側，鎖存器Q端經(jīng)反相器3接V1，其工作原理與P1相同，也含有輸入、輸出、端口操作三種工作方式，負載能力也與P1相同?？闯蔀橥獠繑U展存放器高8位地址總線使用時，控制信號使轉換開關接向右側，由程序計數(shù)器PC來高8位地址PCH，或數(shù)據(jù)指針DPTR來高8位地址DPH經(jīng)反相器3和V1原樣展現(xiàn)在P2口引腳上，輸出高8位地址A8~A15。在上述情況下，口鎖存器內(nèi)容不受影響，所以，取指或訪問外部存放器結束后，因為轉換開關又接至左側，使輸出驅動器與鎖存器Q端相連，引腳上將恢復原來數(shù)據(jù)。并行口P280C51的結構和原理第45頁

P2口作為通用I/O時，準雙向輸入輸出端口。P2口作為高8位地址總線，AB8-AB15。P2口與P0一起組成單片機與外電路相連接擴展端口。通常能夠用來擴展存放器、及與其它總線型連接方式外設。P2能夠驅動4個標準TTL負載電路。并行口P280C51的結構和原理第46頁8031EAP2P0ALEPSENRD74LS373ROMA15~A0PD/PGMA15~A0A7~A0A7~A0RAMRDWRWR利用P0、P2端口擴展SRAM、EPROM存放器并行口P280C51的結構和原理第47頁2.3.4P3口圖2.12P3口1位結構圖并行口P380C51的結構和原理第48頁2.4時鐘電路

時鐘是單片機心臟,各部分都以時鐘頻率為基準,有條不亂一拍一拍工作,所以,時鐘頻率直接影響單片機速度,時鐘電路質量也直接影響單片機系統(tǒng)穩(wěn)定性.經(jīng)典時鐘電路時鐘電路80C51的結構和原理第49頁時鐘周期、狀態(tài)周期和機器周期時鐘周期

單片機在工作時，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外部直接輸入送到內(nèi)部控制邏輯單元時間信號周期。其大小是時鐘信號頻率（fosc）倒數(shù)。比如：時鐘信號頻率fosc為6MHz，則時鐘周期為1/6us。狀態(tài)周期

由2個時鐘周期組成（1個狀態(tài)周期=2個時鐘周期）機器周期由12個時鐘周期或6個狀態(tài)周期組成（1個機器周期=12個時鐘周期）。

比如：有一個單片機系統(tǒng)，它fosc=12MHz，則時鐘周期為1/12us，狀態(tài)周期為1/6us，機器周期為1us。

單片機時序80C51的結構和原理第50頁P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6機器周期狀態(tài)周期時鐘周期1個機器周期=6個狀態(tài)周期=12個時鐘周期單片機各種周期關系圖單片機時序80C51的結構和原理第51頁圖2.4單周期指令時序(a)單字節(jié)周期指令(如INCA)；(b)雙字節(jié)單周期指令(如ADDA，