《微機(jī)原理及單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課件第6章 80C51的結(jié)構(gòu)和原理

1.MCS-51系列

MCS-51是Itenl公司生產(chǎn)的一個(gè)單片機(jī)系列名稱，型號(hào)有：

8051/8751/8031，8052/8752/8032，80C51/87C51/80C31，80C50/87C52/80C32等。生產(chǎn)工藝：一是：HMOS（高密度短溝道MOS工藝）；二是：CHMOS工藝（互補(bǔ)金屬氧化物的HMOS工藝）

CHMOS是CMOS和HMOS的結(jié)合，既保持HMOS高速度和高密度的特點(diǎn)，還具備CMOS的低功耗的特點(diǎn)。故在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)盡量采用CHMOS工藝芯片。根據(jù)功能分：基本型；增強(qiáng)型根據(jù)配置分：掩模ROM，EPROM和ROMLess（無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器）。6.180C51系列概述2.80C51系列

80C51系列：以8051為基核開(kāi)發(fā)的CHMOS工藝單片機(jī)產(chǎn)品的通稱。常用的80C51系列產(chǎn)品有：

ATMEL公司，a.89系列：89C51、89C51、89C52、89C4051等。

b.AVR系列：AT90S1200/S2313/S8515……Itenl公司：80C31、80C51、87C51、80C32、80C52、87C52等。

Philips公司，P87LPC系列：762//767/768/769等。

P89C系列：51RA/RB/RC/RD……Siemens

公司，80C系列：31/51/21/512/515/517/537；

SAB系列：C501/502/503；還有Dallas，LG等公司產(chǎn)品。6.2.180C51的基本結(jié)構(gòu)時(shí)鐘電路4KBROM程序存儲(chǔ)器128BRAM,SFR(21)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器CPU中斷系統(tǒng)5中斷源、2優(yōu)先級(jí)可編程全雙工串行口并行I/O口RST外部時(shí)鐘源外部事件計(jì)數(shù)串行輸入串行輸出并行口I/O:P0~P3T0T1串行通信TXDRXD總線控制ALE注：與并行口P3復(fù)用的引腳：串行口輸入和輸出引腳RXD和TXD;外部中斷輸入引腳和；外部計(jì)數(shù)輸入T0和T1；外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫和讀控制信號(hào)6.280C51的基本結(jié)構(gòu)與應(yīng)用模式80C51的基本結(jié)構(gòu)與MCS-51的基本結(jié)構(gòu)比較：時(shí)鐘電路4KBROM程序存儲(chǔ)器128BRAM,SFR(21)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器CPU中斷系統(tǒng)5中斷源、2優(yōu)先級(jí)可編程全雙工串行口并行I/O口RST外部時(shí)鐘源外部事件計(jì)數(shù)串行輸入串行輸出并行口I/O:P0~P3T0T1串行通信TXDRXD總線控制ALE振蕩器及定時(shí)電路4KBROM程序存儲(chǔ)器256BRAM/SFR數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8051CPU64KB總線擴(kuò)展結(jié)構(gòu)可編程全雙工串行口并行I/O口外部中斷內(nèi)部中斷外部時(shí)鐘源外部事件計(jì)數(shù)串行輸入串行輸出并行口I/O:P0~P3控制T0T1串行通信TXDRXD80C51MCS-51CPU系統(tǒng)一個(gè)8位CPU含布爾處理器一個(gè)時(shí)鐘電路總線控制邏輯存儲(chǔ)器系統(tǒng)

4KB程序存儲(chǔ)器（ROM/EPROM/Flash，可外擴(kuò)至64KB）128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），可外擴(kuò)64KB特殊功能寄存器SFRI/O口和其他功能單元4個(gè)8-bit并行I/O端口2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器1個(gè)全雙工異步串行口64Kbyte擴(kuò)展總線控制電路中斷系統(tǒng)（5個(gè)中斷源、2個(gè)優(yōu)先級(jí)）6.2.280C51的應(yīng)用模式一總線型單片機(jī)應(yīng)用模式⑴總線型應(yīng)用的“三總線”模式常用的總線型單片機(jī)有40個(gè)引腳，除電源，晶振輸入引腳和僅能作通用的并行I/O口P1外，其余的引腳基本上是為外擴(kuò)系統(tǒng)總線設(shè)置。這樣，便于配置“三總線”結(jié)構(gòu)。如下圖：P2ALEP080C31GD7D0…Q7…Q0ABDBCB74L373總線型應(yīng)用的“三總線”模式系統(tǒng)可在以下情況進(jìn)行擴(kuò)展：芯片內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器（如80C31）或芯片內(nèi)程序存儲(chǔ)器容量不夠時(shí)（如80C51）；系統(tǒng)需要外擴(kuò)并行總線外圍器件（如數(shù)模D/A或模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器等）；但是系統(tǒng)在外擴(kuò)芯片太多時(shí)，會(huì)造成接線復(fù)雜，耗費(fèi)資源，同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減少外擴(kuò)器件的數(shù)量。2.非總線型應(yīng)用的“多I/O”模式總線型單片機(jī)也可采用非總線型的“多I/O”應(yīng)用式：這時(shí)，不用擴(kuò)展功能，可利用通用I/O口。適用于具有大量的I/O口線需求的應(yīng)用系統(tǒng)。P0P1P2P389C51+5V非總線應(yīng)用的“多I/O”模式二、非總線型單片機(jī)應(yīng)用模式非總線型單片機(jī)是將總線型單片機(jī)的外擴(kuò)用I/O口線和控制功能去掉，這樣，可使單片機(jī)的引腳減少，體積減小，電路簡(jiǎn)單。產(chǎn)品：AT89C2051/AT89C4051等6.380C51典型產(chǎn)品資源配置與引腳封裝分類芯片存儲(chǔ)器類型及字節(jié)數(shù)片內(nèi)其他功能單元數(shù)量型號(hào)ROMRAM并口串口定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷源總線型基本型80C31—128B4個(gè)1個(gè)2個(gè)5個(gè)80C514KB掩模128B4個(gè)1個(gè)2個(gè)5個(gè)87C514KBEPROM128B4個(gè)1個(gè)2個(gè)5個(gè)89C514KBFlsh128B4個(gè)1個(gè)2個(gè)5個(gè)增強(qiáng)型80C32—256B4個(gè)1個(gè)3個(gè)6個(gè)80C524KB掩模256B4個(gè)1個(gè)3個(gè)6個(gè)87C524KBEPROM256B4個(gè)1個(gè)3個(gè)6個(gè)89C524KBFlsh256B4個(gè)1個(gè)3個(gè)6個(gè)非總線型89C20512KBFlsh128B2個(gè)1個(gè)2個(gè)5個(gè)89C40514KBFlsh128B2個(gè)1個(gè)2個(gè)5個(gè)6.3.180C51資源配置增強(qiáng)型與基本型區(qū)別：1）片內(nèi)ROM從4KB增加到8KB;片內(nèi)RAM從128KB增加到256KB;定時(shí)器/計(jì)數(shù)器從2個(gè)增加到3個(gè)；中斷源由5增加到6；片內(nèi)ROM的配置形式：1）無(wú)ROM型，應(yīng)用時(shí)要在片外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器；掩模ROM，用戶程序由廠家寫入；EPROM型，用戶程序通過(guò)寫入裝置寫入，通過(guò)紫外線照射擦除；FlashROM型，用戶程序可電寫入或擦除；一次性編程寫入ROM（OTPROM）DIP、QFP44（QuadFlatPack）和LCC（LeadChipCarrier）封裝

6.3.280C51單片機(jī)的封裝和引腳DIP40QFP44引腳定義（1）電源及時(shí)鐘引腳（4個(gè)）

Vcc：電源接入引腳；

Vss：接地引腳；

XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器反相放大器的輸入，若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。

XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器反相放大器的輸出，若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，該引腳為外部時(shí)鐘的輸入端。⑶

控制信號(hào)引腳RST/VPD、ALE/RST/VPD：RST是復(fù)位信號(hào)輸入端。第二功能VPD：作為備用電源輸入端

ALE/：ALE為地址鎖存允許輸出信號(hào)。第二功能是對(duì)內(nèi)部有EPROM的單片機(jī)（8751）的EPROM編程時(shí)編程脈沖輸入端，和31號(hào)引腳的第二功能VPP（編程電源輸入端）一起使用。：外部ROM的讀選通信號(hào)輸出端。在訪問(wèn)外部ROM時(shí)，產(chǎn)生負(fù)脈沖作為讀外部ROM的選通信號(hào)。而在訪問(wèn)外部RAM或片內(nèi)ROM時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生有效信號(hào)。：內(nèi)外存儲(chǔ)器選擇引腳/片內(nèi)EPROM(或FlashROM)編程電壓輸入端（3）并行I/O口（32個(gè)，分成4個(gè)8位口）P0.0~P0.7：一般I/O口引腳或數(shù)據(jù)/低位地址總線復(fù)用引腳；P1.0~P1.7：一般I/O口引腳；P2.0~P2.7：一般I/O口引腳或高位地址總線引腳；P3.0~P3.7：一般I/O口引腳或第二功能引腳。6.480C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)2025/1/15166.4.1CPU的功能單元

運(yùn)算器

ALU*

累加器ACC

寄存器B暫存寄存器

PSW（CY、AC、RS0、

RS1、OV、P）

控制器

指令寄存器IR

指令譯碼及控制邏輯電路*

其他寄存器程序計(jì)數(shù)器PC

數(shù)據(jù)指針DPTR

堆棧指針SP

工作寄存器R0~R72025/1/1517寄存器及其存儲(chǔ)器映射如下圖：程序計(jì)數(shù)器PC——是一個(gè)16位的地址寄存器，用來(lái)存放下一個(gè)要執(zhí)行的指令系統(tǒng)，可對(duì)64KB的程序存儲(chǔ)器直接尋址。具有自動(dòng)加1功能。指令寄存器——是一個(gè)8位寄存器，用于暫存待執(zhí)行的指令代碼，等待譯碼。定時(shí)與控制電路——是將指令寄存器中的指令操作譯碼成的一種或集中電平信息與外部時(shí)鐘（系統(tǒng)時(shí)鐘）進(jìn)行組合、形成各種按一定時(shí)間節(jié)拍變化的電平或脈沖即控制信息的部件。功能：在CPU內(nèi)部協(xié)調(diào)各寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送，完成ALU的各種算數(shù)或邏輯運(yùn)算操作，對(duì)外部發(fā)出地址鎖存信號(hào)ALU、外部ROM選通信號(hào)以及讀、寫等控制信號(hào)。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器——內(nèi)部RAM

8051單片機(jī)中共有256個(gè)RAM單元，包括低128個(gè)單元（地址00H～7FH）的內(nèi)部RAM區(qū)和高128B（地址位80H～FFH）的特殊功能寄存器區(qū)。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器——內(nèi)部ROM8051單片機(jī)共有4KB的內(nèi)部ROM，用于存放程序或表格。I/O口——80C51單片機(jī)共有4個(gè)雙向的8位并行I/O口（P0、P1、P2和P3），每一條I/O線都能獨(dú)立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個(gè)TTL門電路，P1、P2和P3口為準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力為4個(gè)TTL門電路。其中：P0和P2口構(gòu)成80C51系列單片機(jī)的16位地址總線，P0口還是8位的數(shù)據(jù)總線；P3口多用于第二功能輸入或輸出；一般只有P1口用于一般輸入或輸出。串行口——80C51片內(nèi)有一個(gè)全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。串行口控制電路主要包括串行控制寄存器SCON、串行緩沖寄存器SBUF等，用于對(duì)串行口工作方式、數(shù)據(jù)的接收等進(jìn)行控制。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器——80C51單片機(jī)片內(nèi)有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，即定時(shí)器0和定時(shí)器1。它們可以用于定時(shí)控制、延時(shí)以及對(duì)外部事件的計(jì)數(shù)和檢測(cè)等。7.中斷控制系統(tǒng)——80C51單片機(jī)有5個(gè)中斷源，即外部中斷2個(gè)，定時(shí)器中斷2個(gè)，串行中斷1個(gè)，有2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。2025/1/15216.4.280C51的時(shí)鐘與時(shí)序時(shí)鐘產(chǎn)生方式內(nèi)部時(shí)鐘方式(常用)外部時(shí)鐘方式

⑴振蕩周期：為單片機(jī)提供定時(shí)信號(hào)的振蕩源的周期(其振蕩頻率為Fsoc)。⑵時(shí)鐘周期：又稱為狀態(tài)周期或狀態(tài)時(shí)間S，是振蕩周期的2倍，它分為P1節(jié)拍和P2節(jié)拍。P1節(jié)拍通常完成算術(shù)邏輯操作。而內(nèi)部寄存器間傳送通常在P2節(jié)拍完成。⑶機(jī)器周期：一個(gè)機(jī)器周期由6個(gè)狀態(tài)(12個(gè)振蕩脈沖)組成，苦把一條指令的執(zhí)行過(guò)程分成幾個(gè)基本操作，則完成—個(gè)基本操作所需的時(shí)間稱為機(jī)器周期。⑷指令周期：指令周期指執(zhí)行一條指令所占用的全部時(shí)間。通常由1～4個(gè)機(jī)器周期組成。晶振周期（外部時(shí)鐘信號(hào)周期）為最小的時(shí)序單位。2025/1/1523

80C51的時(shí)鐘信號(hào)1個(gè)機(jī)器周期：12個(gè)晶蕩周期（或6個(gè)時(shí)鐘周期）指令的執(zhí)行時(shí)間稱作指令周期（單、雙、四周期）2025/1/152480C51的典型時(shí)序單字節(jié)指令雙字節(jié)指令

單周期指令2025/1/1525雙周期指令單字節(jié)雙周期：2個(gè)機(jī)器周期中ALE有效4次，后3次讀操作無(wú)效。

2025/1/1526訪問(wèn)外部RAM的雙周期指令時(shí)序單字節(jié)雙周期：第二機(jī)器周期無(wú)讀操作碼的操作，而是進(jìn)行外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址和數(shù)據(jù)選通。ALE信號(hào)會(huì)出現(xiàn)非周期現(xiàn)象。

2025/1/15276.4.380C51單片機(jī)的復(fù)位復(fù)位可使單片機(jī)或系統(tǒng)中其它部件處于確定的初始狀態(tài)。單片機(jī)的工作就是從復(fù)位開(kāi)始的。

復(fù)位電路上電復(fù)位電路按鍵與上電復(fù)位2025/1/1528單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)

PC=0000H

RAM：隨機(jī)值（運(yùn)行中復(fù)位不改變RAM內(nèi)容）

SFR：

P0~P3=FFHSP=07HIP、IE和PCON：有效位為0PSW=00H2025/1/15306.580C51的存儲(chǔ)器組織80C51存儲(chǔ)器可以分成兩大類：

RAM，CPU在運(yùn)行時(shí)能隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀出，但在關(guān)閉電源時(shí)，其所存儲(chǔ)的信息將丟失。用來(lái)存放暫時(shí)性的輸入輸出數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間結(jié)果或用作堆棧。

ROM，寫入信息后不易改寫的存儲(chǔ)器。斷電后，其中的信息保留不變。用來(lái)存放固定的程序或數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)監(jiān)控程序、常數(shù)表格等。

2025/1/15326.5.180C51單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器配置片內(nèi)與片外程序存儲(chǔ)器的選擇

EA引腳接高電平---片內(nèi)

一般對(duì)于片內(nèi)有ROM的單片機(jī)采用此種接法。

2025/1/1533

EA引腳接地---片外

一般對(duì)于片內(nèi)無(wú)ROM的單片機(jī)，可直接對(duì)EA接地，使得單片機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)到片外程序存儲(chǔ)器中取指令。

ROM擴(kuò)展2025/1/1535程序存儲(chǔ)器低端的幾個(gè)特殊單元

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0003HLJMPINT0。。。MAIN：。。。。。。INT0：。。。

RETI2025/1/15366.5.280C51單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器配置片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器概況片內(nèi)RAM及SFR片外RAM2025/1/1537工作寄存器區(qū)（含寄存器組0~3）寄存器組0：地址00H~07H

寄存器組1：地址08H~0FH寄存器組2：地址10H~17H寄存器組3：地址18H~1FH當(dāng)前工作寄存器組選擇

PSW寄存器中：

2025/1/1538片內(nèi)RAM詳圖2025/1/1539位尋址區(qū)字節(jié)地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D020H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2025/1/1540通用RAM區(qū)

30H~7FH，共80字節(jié)

數(shù)據(jù)緩沖器

堆棧

SP指示棧頂復(fù)位時(shí)SP=07H

系統(tǒng)初始化通常重新設(shè)置RAM擴(kuò)展2025/1/15426.5.380C51單片機(jī)的特殊功能寄存器（SFR）基本型單片機(jī)有21個(gè)SFR離散地分布在80H~FFH空間。與運(yùn)算器相關(guān)3個(gè)

ACC

B

PSW與定時(shí)/計(jì)數(shù)器相關(guān)6個(gè)

TH0,TL0

TH1,TL1

TMODTCON指針類3個(gè)

SP

DPH,DPL（DPTR）與口相關(guān)7個(gè)

P0,P1,P2,P3

SBUFSCON

PCON與中斷相關(guān)2個(gè)

IE

IP2025/1/15436.680C51的并行口結(jié)構(gòu)與操作P0口結(jié)構(gòu)

P0作通用I/O口（不進(jìn)行片外ROM或RAM擴(kuò)展時(shí)C=0）輸出時(shí)6.6.1P0、P2口的結(jié)構(gòu)2025/1/1544輸入時(shí)

讀鎖存器（“讀-修改-寫”類指令，如ANLP0,A）

讀引腳（“MOV”類指令，如MOVA,P0）,要先寫“1”

10P0作通用I/O時(shí)為：準(zhǔn)雙向口！2025/1/1545

P0作地址數(shù)據(jù)總線（進(jìn)行片外ROM或RAM擴(kuò)展時(shí)C=1）輸出時(shí)，地址/數(shù)據(jù)信息分時(shí)出現(xiàn)在輸出引腳。輸入時(shí)，先輸出地址，然后自動(dòng)使MUX撥向鎖存器并向鎖存器寫1，同時(shí)，再讀引腳。此時(shí)為真正雙向口。2025/1/1546P2口結(jié)構(gòu)

P2作通用I/O口（C=0）P2作通用I/O時(shí)為：準(zhǔn)雙向口！

P2作地址總線高8位（C=1）2025/1/1547P1口結(jié)構(gòu)

P1為單功能口，僅能為通用的準(zhǔn)雙向口！6.6.2P1、P3口的結(jié)構(gòu)2025/1/1548P3口結(jié)構(gòu)

第一功能：通用I/O口（對(duì)口尋址時(shí)，W=1）P3作通用I/O時(shí)也為準(zhǔn)雙向口！

第二功能（不對(duì)口尋址時(shí)，自動(dòng)使Q端置“1”）2025/1/1549

第二功能引腳名稱

P3.0：RXD（串行口輸入）

P3.1：TXD（串行口輸出）

P3.2：INT0（外部中斷0輸入）

P3.3：INT1（外部中斷1輸入）

P3.4：T0（定時(shí)器0的外部輸入）

P3.5：T1（定時(shí)器1的外部輸入）

P3.6：WR（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器“寫”選