第二章单片机的基本结构与工作原理

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1、 第二章 单片机的基本结构与工作 原理n1. 单片机的基本组成（知道）n2. 80C51的引脚功能（记忆）和结构框图n3. 80C51 CPU的结构和特点（重点）n4. 存储器结构和地址空间（重点、难点）n5. 布尔处理器（知道）n6. 80C51 单片机的工作方式（了解）2.1单片机的基本组成一、 80C51系列典型产产品配置由表可见： （1）增强型与基本型在以下几点不同 ： 片内ROM字节数：从4K增加到8K ； 片内RAM字节数：从128增加到256 ； 定时/计数器从2个增加到3个； 中断源由5个增加到6个。 （2）片内ROM的配置形式： 无ROM（即ROMLess）型，应用时要在片

2、外扩展程序存储器； 掩膜ROM（即MaskROM）型，用户程序由 芯片生产厂写入； EPROM型，用户程序通过写入装置写入， 通过紫外线照射擦除； FlashROM型，用户程序可以电写入或擦除 （当前常用方式）。 还有OTPROM型（一次性编程写入ROM） 产品 ，具有较高的环境适应性和可靠性。二、80C51的基本结结构振荡器和 时序电路80C51 CPU中断 控制程序存储器 （4K）数据存储器 （256B）两个16位 定时器/计数器可编程 串行口并行可编程 I/O(4个)总线扩展 控制器内部中断外时钟源外部事件计数P0 P1 P2 P3外部中断控制线RXD TXDn一个8位CPU；n128b

3、yte(256byte)数据存储器；n4Kbyte(8K)程序存储器n四个8-bit并行I/O端口；n一个可编程串行接口；n两(3)个16位定时/计数器；n一个时钟、时序电路；n64Kbyte扩展总线控制电路；n中断控制器21(26)个特殊功能寄存器； （SFR【Special Function Register】）两优先级，五 (6-7)个中断源n1. 中央处理器CPUn 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 器和控制器两部分电路组成。n单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是 增设了“面向控制”的处理功能，例如：位处理，查 表，增强了实时

4、性。n2. 存储器n 80C51系列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。n(1)128个字节的片内数据存储器RAM，其片外 数据存储器的寻址范围64K，用于存放可读写的数 据，如运算的中间结果或最终结果。n(2)4KB的片内程序只读存储器ROM或EPROM 。其片外可寻址范围为64KB，用于存放已编制的 程序，也可以存放一些原始数据和表格。n(3) 21【18】个SFR（128字节）n 它用于控制和管理片内算术逻辑部件 、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、 中断系统等功能模块的工作。n3. 并行I

5、/O口n 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。P0口为三态双向口，能带8 个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口， 负载能力为4个TTL门电路。 n4. 串行I/O口n 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【单工、半 双工、全双工】，可以同时发送和接收数据 。n5. 定时器/计数器n 80C51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。n6. 中断控制器n 80C51共有5个中断源，即外部中断2个 ，定时/

6、计数中断2个，串行中断1个。常用于 实时控制、故障自动处理、计算机与外设间 传送数据及人机对话等。n7. 总线n 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 80C51的引脚功能和结构框图 一、80C51封装形式总 线型非总 线型DIP（Dual In-line Package） QFP（Quad Flat Package） LCC（无引脚芯片载体 ）80C51的引脚封装二、单片机外部引脚说明 n1. 主电源引脚Vcc和Vss n VCC（40脚）

7、: 接+5 V电源正端; n VSS（20脚）: 接+5 V电源地端。 n2. 外接晶振引脚XTAL1和XTAL2nXTAL1（19脚）: 接外部石英晶体的一端。在单片 机内部, 它是一个反相放大器的输入端, 这个放大器构 成了片内振荡器。当采用外部时钟时, 对于HMOS单片 机, 该引脚接地; 对于CHMOS单片机，该引脚作为外 部振荡信号的输入端。nXTAL2（18脚）： 接外部晶体的另一端。在单片 机内部, 接至片内振荡器的反相放大器的输出端。 当 采用外部时钟时, 对于HMOS单片机, 该引脚作为外部 振荡信号的输入端; 对于CHMOS芯片, 该引脚悬空不 接。 3. 控制信号或与其它

8、电源复用引脚 控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、 ALE/PROG*、PSEN*、和 EA*/ VPP 等。 （1） RST/ VPD（9脚）: RST即为RESET, VPD为备用电源, 所以该引脚为单片机的上电复位 或掉电保护端。 当单片机振荡器工作时，该引脚 出现持续两个机器周期的高电平，就可以实现复 位功能。 （2） ALE/PROG* （30脚): 当访问外部存储 器时, ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两 次的信号输出, 用于锁存出现在P0口的低8位地址 。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编 程期间，该引脚作为编程脉冲PROG*的输入端。n（3）PSE

9、N*（29脚）: 片外程序存储器读选通 信号输出端, 低电平有效。当从外部程序存储器读取 指令或常数期间，每个机器周期PSEN*两次有效， 以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数 据存储器期间，PSEN*信号将不出现。n（4）EA*/ VPP（31脚）:为访问外部程序存储器 控制信号, 低电平有效。当EA*端保持高电平时，单 片机访问片内程序存储器4KB。若超出该范围时， 自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA*端保 持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问 外部程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机 ，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V或12V的 编程电压Vppn4.

10、输入/输出（I/O）引脚P0口、 P1口、 P2口及 P3口n P0口（P0.0P0.7）：该端口为漏极开路的 8位真正双向I/O口，负载能力为8个TTL负载，它做 为8位地址线和8位数据线的复用口时是准双向I/O口 。n 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TTL 负载。n 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 TTL负载。在访问外部程序(数据)存储器时，它作存 储器的高8位地址线。n 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

11、了作为一般的 I/O口使用之外，其还具有特殊功能。（p17）三、结构框图2.3 80C51 CPU的结构和特 点n中央处理器是单片机内部的核心部件, 它决 定了单片机的主要功能特性。 它由运算部件 和控制部件两大部分组成。 n一、运算部件n 运算部件是以算术逻辑单元ALU (Arithmetic Logical Unit)为核心, 加上累加器 A、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状 态寄存器PSW及专门用于位操作的布尔处理 机组成, 它能实现数据的算术逻辑运算, 位操 作和数据传送操作。 n1.算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器Bn累加器ACCn 累加器为8位寄存器，是程序中最常

12、用的专 用寄存器，在指令系统中累加器的助记符为A。大 部分单操作数指令的操作数取自累加器，很多双操 作数指令的其中一个操作数也取自累加器。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，在变址寻址方式中累加器被作 为变址寄存器使用。在80C51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。nB寄存器n 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

13、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。2、程序状态字PSW（重点）n程序状态字是一个8位寄存器，它包含程序 的状态信息。在状态字中，有些位状态是根 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 的各位定义如表2.1。 n(1)CY：进位标志位n 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，在位运算中，它作累加器使用，在 位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进 位标志位。表2.1 PSW的各状态态位定义义位 序PSW. 7PSW. 6PSW. 5

14、PSW. 4PSW. 3PSW. 2PSW. 1PSW. 0位标 志CYACF0RS1RS0OV/Pn(2) AC：辅助进位标志n 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。 n(3)用户标志位F0n 该位为用户自定义的状态标记，用户根据 需要可以用指令对其置位或清零，也可以用 指令测试F0来控制程序的跳转。n(4)RS1和RS0：工作寄存器组选择控制位n 该两位通过软件置“0”或“1”来选择当前工 作寄存器组。RS1 RS0 寄存器组 片内RAM地址0 0第0组00H07H0 1第1组0

15、8H0FH1 0第2组10H17H1 1第3组18H1FHn(5)OV：溢出标志位n 当执行算术指令时，由硬件置位或清零来指示溢出状态。 在带符号的加减运算中，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。n判断1：在加（减）法中若D6位向D7位有进位（借位）， 而D7位不向更高位（CY）有进位（借位）时OV位置1；n判断2：在加（减）法中若D7位向更高位（CY）有进位（ 借位），而D6位不向D7位有进位（借位）时OV位置1；n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，则OV置1 ，反之OV置0。由于乘积的高8位存放于B中，低8位存放于A中 ，OV置0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。n在除法运算中，DIV指令也会影响溢出标志，当除数为0时 ，OV1，否则OV0。n(6) P：奇偶标志位n 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。二、控制器n控制器是识别指令，并根据指令性质控制计算机 各组成部件进行工作的部件，与运算器一起构成中 央处理器。控制器包括程序计数器PC，指令寄存器 I