《单片机原理及应用》辅导资料三.doc

单片机原理及应用辅导资料三主 题：课件第二章 80C51的结构和原理第4-6节80C51的内部结构、80C51的存储器组织、80C51的并行口结构与操作学习时间：2013年10月14日10月20日内 容：我们这周主要学习课件第二章80C51的结构和原理第4-6节的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对80C51相关知识的理解。一、学习要求1掌握80C51单片机存储器及SFR配置。2掌握80C51单片机的内部资源，特别是存储器配置。3理解单片机的工作原理和基本时序。二、主要内容180C51的内部结构（1）80C51单片机的内部结构80C51单片机由微处理器、存储器、I/O口以及特殊功能寄存器SFR等构成，内部结构如图1所示：图1 80C51内部逻辑结构80C51的微处理器微处理器：8位的高性能中央处理器（CPU）。主要由以下两部分构成：l 运算器运算器由算术/逻辑运算单元ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW组成。它完成的任务是实现算术和逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。ALU功能极强，可实现8位数据的加、减、乘、除算术运算；与、或、异或、循环、求补等逻辑运算以及位处理。累加器ACC用于向ALU提供操作数和存放运算结果。寄存器B在乘、除运算时用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果。暂存寄存器用来暂时存放数据总线或其他寄存器送来的操作数。程序状态字寄存器PSW是状态标志寄存器，用来保存ALU运算结果的特征（如结果是否为0，是否有溢出等）和处理器状态。l 控制器80C51的控制器由指令寄存器IR、指令译码器ID、定时及控制逻辑电路和程序计数器PC等组成。程序计数器PC是一个16位的计数器（注：PC不属于特殊功能寄存器SFR的范畴）。它总是存放下一个要读取指令的16位存储单元地址。指令寄存器IR保存当前正在执行的一条指令。80C51的片内存储器 80C51单片机的存储器在物理上设计成程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）两个独立的空间（称为哈佛结构）。l 基本型单片机片内ROM容量为4KB，地址范围是000H0FFFH。l 基本型单片机片内RAM容量为128字节，地址范围是00H7FH。80C51的I/O口及功能单元 l 80C51单片机有4个8位的并行口，即P0P3。它们均为双向口，既可作为输入，又可作为输出。每个口各有8条I/O线。 l 有一个全双工的串行口（利用P3口的两个引脚P3.0和P3.1）。 l 有2个16位的定时/计数器。l 有一套完善的中断系统。80C51的特殊功能寄存器（SFR） 内部有SP，DPTR（可分成DPH、DPL两个8位寄存器），PCON，IE，IP等21个特殊功能寄存器单元，它们同内部RAM的128个字节统一编址，地址范围是80HFFH。这些SFR只用到了80HFFH中的21个字节单元，且这些单元是离散分布的。 （2）80C51的时钟与时序各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序我们称作时序。80C51的时钟产生方式80C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式；二是外部时钟方式。如图2所示。 （a）内部时钟方式 （b）外部时钟方式图2 80C51单片机时钟信号80C51的时钟信号l 晶振周期（外部时钟信号周期）是最小的时序单位，如下图所示：图3 80C51单片机的时钟信号l 晶振信号12分频后形成机器周期。即一个机器周期包含12个晶振周期或6个时钟周期。l 如晶振频率为12MHz，则机器周期为：。l 指令的执行时间称为指令周期。80C51单片机的指令按执行时间可以分为3类：单周期指令，双周期指令，四周期指令。l 机器周期常用于计算其他时间（如指令周期）的基本单位。80C51的典型时序l 单周期指令时序（a）单字节指令 （b）双字节指令图4 单周期指令时序l 双周期指令图5 单字节双周期指令时序2个机器周期中ALE信号有效4次，后3次读操作无效。图6 访问外部RAM的双周期指令时序在第2机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据存储器的寻址和数据选通。ALE信号会出现非周期现象。（3）80C51单片机的复位复位电路 复位是使单片机或系统中的其它部件处于某种确定的初始状态。 （a）上电复位电路 （b）按键与上电复位图7 单片机复位电路单片机复位后的状态l PC=0000H，所以程序从0000H地址单元开始执行。l 单片机启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容。l 特殊功能寄存器（SFR）复位后的状态是确定的： P0P3=FFH，各口可用于输出，也可用于输入； SP=07H，第一个入栈内容将写入08H单元； IP、IE和PCON的有效位为0，各中断源处于低优先级且均被关断、串行通讯的波特率不加倍；PSW=00H，当前工作寄存器为0组。280C51的存储器组织80C51存储器可以分成两大类： l 数据存储器RAM，CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。l 程序存储器ROM，是一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，ROM中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。（1）80C51的程序存储器配置 （a）ROM配置 （b）ROM低端的特殊单元图8 80C51程序存储器配置PC是16位的计数器，所以能寻址64KB（）的ROM。 80C51内部有4KB的掩膜ROM，87C51在内部有4KB的EPROM，而80C31在内部没有程序存储器。 80C51的引脚为访问内部或外部程序存储器的选择端。程序存储器低端的一些地址被固定地用作特定的入口地址：l 000H：单片机复位后的入口地址；l 003H：外部中断0的中断服务程序入口地址；l 00BH：定时/计数器0溢出中断服务程序入口地址；l 013H：外部中断1的中断服务程序入口地址；l 01BH：定时/计数器1溢出中断服务程序入口地址；l 023H：串行口的中断服务程序入口地址；（2）80C51的数据存储器配置 （a）内部RAM及SFR （b）外部RAM图9 80C51单片机RAM配置工作寄存器区 低端32个字节分成4个工作寄存器组，每组8个单元。当前工作寄存器组的机制便于快速现场保护。表1 80C51单片机工作寄存器地址表PSW的RS1、RS0 决定当前工作寄存器组号 l 寄存器0组 ：地址00H07H；l 寄存器1组 ：地址08H0FH；l 寄存器2组 ：地址10H17H；l 寄存器3组 ：地址18H1FH。位寻址区内部RAM的20H-2FH共16个字节是位寻址区。其128位的地址范围是00H7FH。表2 80C51单片机位地址表通用RAM区 位寻址区之后的30H至7FH共80个字节为通用RAM区。这些单元可以作为数据缓冲器使用。这一区域的操作指令非常丰富，数据处理方便灵活。 在实际应用中，常需在RAM区设置堆栈。80C51的堆栈一般设在30H7FH的范围内。栈顶的位置由SP寄存器指示。复位时SP的初值为07H，在系统初始化时可以重新设置。（3）80C91单片机的特殊功能寄存器在80C91中设置了与片内RAM统一编址的21个特殊功能寄存器（SFR），它们离散地分布在80HFFH的地址空间中。字节地址能被8整除的单元是具有位地址的寄存器。访问SFR只允许使用直接寻址方式。表3 80C51特殊功能寄存器位地址及字节地址表与运算器相关的寄存器（3个） l 累加器ACC l 寄存器Bl 程序状态字寄存器PSW 指针类寄存器（3个） l 堆栈指针SP：8位。它总是指向栈顶。 l 堆栈操作遵循“后进先出”的原则，入栈操作时，SP先加1，数据再压入SP指向的单元。出栈操作时， 先将SP指向的单元的数据弹出，然后，SP再减1，这时SP指向的单元是新的栈顶。可见，80C51单片机的堆栈区是向地址增大的方向生成的。l 数据指针DPTR：16位。用来存放16位的地址。 l 它由两个8位的寄存器DPH和DPL组成。间接寻址或变址寻址可访问片外的64KB范围的RAM或ROM数据。 与口相关的寄存器（7个） l 并行I/O口P0、P1、P2、P3，均为8位；l 串行口数据缓冲器SBUF； l 串行口控制寄存器SCON； l 串行通讯波特率倍增寄存器PCON（一些位还与电源控制相关，所以又称为电源控制寄存器） 与中断相关的寄存器（2个） l 中断允许控制寄存器IE； l 中断优先级控制寄存器IP。 与定时器/计数器相关的寄存器（6个） l 定时/计数器T0的两个8位计数初值寄存器TH0、TL0，它们可以构成16位的计数器，TH0存放高8位，TL0存放低8位； l 定时/计数器T1的两个8位计数初值寄存器TH1、TL1，它们可以构成16位的计数器，TH1存放高8位，TL1存放低8位； l 定时/计数器的工作方式寄存器TMOD； l 定时/计数器的控制寄存器TCON。380C51的并行口结构与操作80C51单片机有4个8位的并行I/O口P0、P1、P2和P3。各口均由口锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。（1）P0口的结构P0用做通用I/O口当系统不进行片外的ROM扩展，也不进行片外RAM扩展时，P0用作通用I/O口，属于准双向口。P0用作地址/数据总线 P0口作为地址/数据总线使用时是一个真正的双向口。（2）P2口的结构P2用做通用I/O口当不在单片机芯片外部扩展程序存储器，只扩展256B的片外RAM时，仅用到了地址线的低8位，P2口仍可以作为通用I/O口使用，属于准双向口。P2用作地址总线（3）P1口的结构P1口是通用的准双向I/O口。（4）P3口的结构P3用做第一功能的通用I/O口P3口在作为通用I/O口时，也属于准双向口。P3用做第二功能使用l P3.0：RXD（串行口输入）； l P3.1：TXD（串行口输出）； l P3.2：（外部中断0输入）； l P3.3：（外部中断1输入）； l P3.4：T0（定时器0的外部输入）； l P3.5：T1（定时器1的外部输出）； l P3.6：（片外数据存储器“写”选通控制输出）； l P3.7：（片外数据存储器“读”选通控制输出）。（5）并行口的负载能力 l P0、P1、P2、P3口的电平与CMOS和TTL电平兼容。 l P0口的每一位口线可以驱动8个LSTTL负载。l P1、P2、P3口的每一位能驱动4个LSTTL负载。三、习题（一）单选题1以下各项不属于特殊功能寄存器SFR的是（ ）。第16页 共16页A程序计数器PCC堆栈指针SPB累加器ACCD程序状态字寄存器PSW答案：A280C51中最小的时序单位是（ ）。A机器周期B晶振周期C时钟周期D指令周期答案：B380C51单片机的机器周期包括（ ）个时钟周期。A2B6C12D10答案：B480C51单片机复位后的入口地址是（ ）。A0000HB0003HC000BHD0013H答案：A580C51单片机的片内程序存储器容量为（ ）。A128BB2KBC4KBD8KB答案：C680C51单片机P3.1口的作用是（ ）。A串行输入C外部中断输入B串行输出D外部定时器输入答案：B（二）简答题180C51单片机片内