C51单片机内部结构和工作原理.ppt

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：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。 80C51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 RXD：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，0003H0023H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（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（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）, OV 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。,单片机的I/O引脚结构,众多功能各异的I/O引脚源于它结构的不同,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7: 双向I/O （内置场效应管上拉） 寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,V1,V2,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =1,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0用作通用I/O时，控制=0 ： （1）此脚作输入口（事先必须对它写“1”）,V2,V1,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0用作通用I/O时，控制=0 ： （2）此脚作输出口时，当P0口用作输出口时，因输出级处于开漏状态，必须外接上拉电阻。当“写锁存器”信号加在锁存器的时钟端CLK上，此时D触发器将“内部总线”上的信号反相后输出到Q端，若D端信号为0，Q=1，v2导通，P0x引脚输出“0”；若D端信号为1，Q=0，v2截止，虽然V1截止，因P0x引脚已外接上拉电阻，P0x引脚输出“1”。,V2,V1,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =0,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=1,引脚P0.X,3,4,1,0,1,1,=0,导通,截止,=0,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0口用作地址/数据复用口，控制=1 （1）作地址/数据输出：输出地址/数据 =0 时,V1,V2,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =0,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=1,引脚P0.X,3,4,1,1,0,0,=1,截止,导通,=1,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0口用作地址/数据复用口，控制=1 （2）作地址/数据输出：输出地址/数据 =1 时,V1,V2,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =1,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=0,引脚P0.X,3,4,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0口用作地址/数据复用口 （3）作/数据输入： 与P0用作通用I/O时输入时情况相同，CPU使V1、V2均截止，从引脚上输入的外部数据经缓冲器U2进入内部数据总线。,V1,V2,2-4 时钟和时序,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作,2-4 时钟和时序,2.4.1 时钟电路,80C51单片机内有一高增益反相放大器，按图2-8a连接即可构成自激振荡电路，振荡频率取决于石英晶体的振荡频率.,2.4.2 时钟周期和机器周期, 时钟周期。,80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。, 状态周期。,它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。状态周期是时钟周期的两倍。状态周期又称S周期。在S周期内有两个时钟周期，即分为两拍，分别称为P1和P2,机器周期是6个状态周期、 12个时钟周期。 当时钟频率为12MHz时，机器周期为1S； 当时钟频率为6MHz时，机器周期为2S。,(3) 机器周期,80C51单片机工作的基本定时单位，简称机周。 一个机器周期含有6个状态周期，分别为S1、S2、S6，每个状态周期有两拍，分别为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2，S6P1、S6P2,（4） 指令周期,指CPU执行一条指令占用的时间(用机器周期表示)。80C51执行各种指令时间是不一样的，可分为三类：单机周指令、双机周指令和四机周指令。其中单机周指令有64条，双机周指令有45条，四机周指令只有2条(乘法和除法指令)，无三机周指令。,图2-9 80C51的取指执行时序 a) 单字节单周期指令，例：INC A b) 双字节单周期指令，例：ADD A，#data c)单字节双周期指令，例 INC DPTR d)双字节双周期指令：例 PHSH direct,牢牢记住： 振荡周期(时钟周期)= 晶振频率fosc的倒数； 1个机器周期 = 6个状态周期 1个机器周期 = 12个时钟周期； 1个指令周期 = 1、2、4个机器周期,80C51单片机的工作方式共有四种： 复位方式； 程序执行方式； 低功耗方式； 片内ROM编程（包括校验）方式。,2-5 复位和低功耗工作方式,2.5.1 复位方式, 复位条件 RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。 实现复位操作，必须使RST引脚(9)保持两个机器周期以上的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，每机周为1 S ，则只需持续2 S以上时间的高电平；若时钟频率为6MHz，每个机器周期为2S ，则需要持续4S以上时间的高电平。, 复位电路,上电复位电路。RC构成微分电路，在上电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机器周期，80C51将复位。为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于两个机器周期。一般取22电容、1k电阻。,按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按下图中RESET键，R1C2仍构成微分电路，使RST端产生一个微分脉冲复位，复位完毕C2经R2放电，等待下一次按下复位按键。, 复位后CPU状态,PC： 0000H TMOD： 00H Acc： 00H TCON： 00H B： 00H TH0： 00H PSW： 00H TL0： 00H SP： 07H TH1： 00H DPTR：0000H TL1： 00H P0P3：FFH SCON： 00H IP：00000B SBUF： 不定 IE：000000B PCON： 00000B,2.5.2 低功耗工作方式, 待机(休闲)方式（Idle） 掉电保护方式（Power Down）。,在Vcc=5V，fosc=12MHz条件下， 正常工作时电流约20mA； 待机(休闲)方式时电流约5mA； 掉电保护方式时电流仅75A。,两种低功耗工作方式由电源控制寄存器PCON确定。,其中： SMOD：波特率倍增位（在串行通信中使用） GF1、GF0：通用标志位 PD：掉电方式控制位， PD=1，进入掉电工作方式； IDL：待机(休闲)方式控制位, IDL=1,进入待机工作方式。,注意: PCON字节地址87H，不能位寻址。 读写时，只能整体字节操作，不能按位操作。,PSON,MSB,LSB, 待机（休闲）方式, 待机（休闲）状态退出 产生中断； 复位。, 待机（休闲）方式状态 片内时钟仅向中断源提供，其余被阻断； PC、特殊功能寄存器和片内RAM状态保持不变； I/O引脚端口值保持原逻辑值； ALE、保持逻辑高电平； CPU不工作，但中断功能继续存在。, 待机（休闲）状态进入 只要使PCON中IDL位置1。, 掉电保护方式, 掉电保护状态退出, 掉电保护方式状态,片内振荡器停振，所有功能部件停止工作； 片内RAM数据信息保存不变； ALE、PSEN为低电平； Vcc可降至2V，但不能真正掉电。, 掉电保护状态进入,只要使PCON中PD位置1。,唯一方法是硬件复位，复位后片内RAM数据不变，特殊功能寄存器内容按复位状态初始化。,51单片机的8个特殊引脚,Vcc, GND: 电源端 XTAL1, XTAL2: 片内振荡电路输入、输出端 RESET: 复位端 正脉冲有效（宽度8 mS） EA/Vpp: 寻址外部ROM控制端。低有效 片内有ROM时应当接高电平。 ALE/PROG: 地址锁存允许控制端。 PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端。 低有效,小结,51单片机的4个8位的I/O口,P0.0P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口