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1、80C51单片机内部结构和工作原理,80C51系列单片机内部结构 外部引脚功能 存储空间配置和功能 片内RAM结构和功能 特殊功能寄存器的用途和功能 程序计数器PC的作用和基本工作方式 I/O端口结构、工作原理及功能 时钟和时序 复位电路、复位条件和复位后状态 低功耗工作方式的作用和进入退出的方法,本章要点,2-1 内部结构和引脚功能,2.1.1 内部结构,8 位的 CPU， 片内有振荡器和时钟电路,工作频率为 112MHz（Atmel 89Cxx为024MHz） 片内有 128/256字节 RAM 片内有 0K/4K/8K字节 程序存储器ROM 可寻址片外 64K字节 数据存储器RAM 可寻
2、址片外 64K字节 程序存储器ROM 片内 21/26个 特殊功能寄存器（SFR） 4个8位 的并行I/O口（PIO） 1个 全双工串行口（SIO/UART） 2/3个16位 定时器/计数器（TIMER/COUNTER） 可处理 5/6个中断源，两级中断优先级 内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy） MCS-51指令集含 111条指令,MCS-51单片机基本特性,MCS-51系列单片机配置一览表,注意：今后将会经常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！,单片机的引脚定义,从一片集成电路的角度去认识单片机,2.1.2 引脚功能 40个引脚双排直插DIP封装,大致可分为4类：
3、电源、时钟、控制和I/O引脚。,单片机的引脚（晶振端）, 电源: VCC - 芯片电源，接+5V/3.3V/2.7V； VSS - 接地端； 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。,1545pfx2,112MHz（MCS-51） 024MHz（Atmel-89C）,XTAL1,XTAL2,也可以由 XTAL1端接入外部时钟，此时应将 XTAL2接地：,XTAL2,XTAL1,外部时钟,通常外接一个晶振两个电容, 控制线:控制线共有4根， ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM
4、的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。,单片机,锁存器74LS373,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,单片机的引脚（PSEN端）,PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的 读控制端（OE）低有效。,EPROM, EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 80C5
5、1单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外(80C31芯片无内ROM，全部在片外)。 当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时，将自动转向执行外ROM中的程序。 当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，因此EA必须接地。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。, I/O线 80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。,P3.0 RX
6、D：串行口输入端； P3.1 TXD：串行口输出端； P3.2 INT0：外部中断0请求输入端； P3.3 INT1：外部中断1请求输入端； P3.4 T0：定时/计数器0外部信号输入端； P3.5 T1：定时/计数器1外部信号输入端； P3.6 WR：外RAM写选通信号输出端； P3.7 RD：外RAM读选通信号输出端。,2-2 存储空间配置和功能,80C51的存储器配置方式与其他常用的微机系统不同，属哈佛结构(注意:什么是哈佛结构?)，它把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器用于存放程序和表格常数；数据存储器用于存放程序运行数据和结果。,80C51的存
7、储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是：, 64KB程序存储器(ROM),包括片内ROM和片外ROM；, 256B内部数据存储器(内RAM) (包括特殊功能寄存器） 。, 64KB外部数据存储器（外RAM）；,80C51存储空间配置图,2.2.1 程序存储器（ROM） 地址范围：0000HFFFFH，共64KB。其中: 低段4KB：0000H0FFFH 80C51和87C51在片内，80C31在片外。 高段60KB：1000HFFFFH。在片外。 读写ROM用MOVC指令，控制信号是PSEN和EA。 读ROM是以程序计数器PC作为16位地址指针，依次读相应地址ROM中的指令和数据，每读
8、一个字节，PC+1PC，这是CPU自动形成的。 但是有些指令有修改PC的功能，例如转移类指令和MOVC指令，CPU将按修改后PC的16位地址读ROM。,读外ROM的过程：,CPU从PC(程序计数器)中取出当前ROM的16位地址，分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外ROM 16位地址输入端，当PSEN信号有效时，外ROM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。,需要指出的是: 64KB中有一小段范围是80C51系统专用单元，0003
9、H0023H是5个中断源中断服务程序入口地址(详见第5章)，用户不能安排其他内容。 80C51复位后，PC=0000H，CPU从地址为0000H的ROM单元中读取指令和数据。从0000H到0003H只有3B，根本不可能安排一个完整的系统程序，而80C51又是依次读ROM字节的。因此，这3B只能用来安排一条跳转指令，跳转到其他合适的地址范围去执行真正的主程序。,2.2.2 外部数据存储器（外RAM）,地址范围：0000HFFFFH 共64KB。,读写外RAM用MOVX指令， 控制信号是P3口中的RD和WR。,一般情况下，只有在内RAM不能满足应用要求时，才外接RAM。,外RAM 16位地址分别由
10、P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外RAM 16位地址输入端，当RD信号有效时，外RAM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。,读外RAM的过程：,写外RAM的过程：,写外RAM的过程与读外RAM的过程相同。只是控制 信号不同，信号换成WR信号。当WR信号有效时， 外RAM将数据总线（P0口分时传送）上的数据写入相 应地址存储单元中。,2.2.3 内部数据存储器（内RAM）,从广义上讲，80C51内RAM（128B）和特殊功能寄存器（
11、128B）均属于片内RAM空间，读写指令均用MOV指令。但为加以区别，内RAM通常指00H7FH的低128B空间。,80C51内RAM又可分成三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。,作用：, 工作寄存器区,工作寄存器区分为4个区：0区、1区、2区、3区。每区有8个寄存器：R0R7，寄存器名称相同。但是，当前工作的寄存器区只能有一个，由PSW中的D4、D3位决定。,有专用于工作寄存器操作的指令，读写速度比一般内RAM要快，指令字节比一般直接寻址指令要短，还具有间址功能，能给编程和应用带来方便。, 位寻址区 地址: 从20H2FH共16字节（Byte，缩写为英文大写字母B）。每B有8位
12、（bit，缩写为小写b），共128位，每一位均有一个位地址，可位寻址、位操作。即按位地址对该位进行置1、清0、求反或判转。 用途： 存放各种标志位信息和位数据。 注意事项: 位地址与字节地址编址相同，容易混淆。 区分方法:位操作指令中的地址是位地址; 字节操作指令中的地址是字节地址。,位寻址区的位地址映象表, 数据缓冲区,内RAM中30H7FH为数据缓冲区，用于存放各种数据和中间结果，起到数据缓冲的作用。,2.2.4 特殊功能寄存器（SFR）,特殊功能寄存器地址映象表（一）,特殊功能寄存器地址映象表（二）,特殊功能寄存器地址映象表（三）,注：带括号的字节地址表示每位有位地址可位操作。, 累加器
13、Acc, 寄存器B,MOV A,R0 MOV A,R1 MOV A,30H ADD A,32H ADD A,#32H,MOV A,B ADD A,B, 程序状态字寄存器PSW,PSW也称为标志寄存器，存放各有关标志。其结构和定义如下：, Cy 进位标志。 用于表示Acc.7有否向更高位进位。, AC 辅助进位标志。 用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。, RS1、RS0 工作寄存器区选择控制位。 RS1、RS0 = 00 0区（00H07H） RS1、RS0 = 01 1区（08H0FH） RS1、RS0 = 10 2区（10H17H） RS1、RS0 = 11 3区（18H1FH）, O
14、V 溢出标志。 表示Acc在有符号数算术运算中的溢出。, P 奇偶标志。 表示Acc中“1”的个数的奇偶性。, F0 、F1 用户标志。, 数据指针DPTR, 堆栈指针SP,专用于指出堆栈顶部数据的地址。堆栈中数据存取按先进后出、后进先出的原则。 堆栈操作分自动方式和指令方式。自动方式是在调用子程序或发生中断时CPU自动将断口地址存人或者取出；指令方式是使用进出栈指令进行操作。,16位，由两个8位寄存器DPH、DPL组成。主要用于存放一个16位地址，作为访问外部存储器（外RAM和ROM）的地址指针。, 执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前 PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地
15、址装入PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的PC值，继续执行原顺序程序指令。,2.2.5 程序计数器PC, PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构上是独立的。 PC是一个16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，因此也称为地址指针。 PC的基本工作方式有：, 自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行 PC+1PC；, 执行转移指令时，PC会根据该指令要求修改下一次 读ROM新的地址；,2-3 I/O端口结构及工作原理, 有4个8位并行I/O口,共32条端线： P0、P1、P2和P3口。 每一个I/O口都能用作输入或输出。, 用作输入时，均须先写入“1”； 用作输出时，P0口应外接上拉电阻。, P0口的负载能力为8个LSTTL门电路； P1P3口的负载能力为4个LSTTL门电路。, 在并行扩展外存储器或I/O口情况下， P0口用于低8位地址总线和数据总线(分时传送) P2口用于高8位地址总线， P3口常用于第二功能， 用户能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能 的部分P3口端线。,单片
