第2章80C51单片机内部结构和工作原理.ppt

第2章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1 12MHz Atmel89Cxx为0 24MHz 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 15 45pfx2 1 12MHz MCS 51 0 24MHz 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 0000H FFFFH 共64KB 其中 低段4KB 0000H 0FFFH80C51和87C51在片内 80C31在片外 高段60KB 1000H FFFFH 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 1 PC 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ROM16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 0003H 0023H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 0000H FFFFH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RAM16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RAM16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00H 7FH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 R0 R7 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20H 2FH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30H 7FH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 MOVA R0MOVA R1MOVA 30HADDA 32HADDA 32H MOVA BADDA 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 00H 07H RS1 RS0 01 1区 08H 0FH RS1 RS0 10 2区 10H 17H RS1 RS0 11 3区 18H 1FH 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 1 PC 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 3I 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 P1 P3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 0 P0 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 P0 x引脚输出 0 若D端信号为1 Q 0 v2截止 虽然V1截止 因P0 x引脚已外接上拉电阻 P0 x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1 S 当时钟频率为6MHz时 机器周期为2 S 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 980C51的取指 执行时序a 单字节单周期指令 例 INCAb 双字节单周期指令 例 ADDA datac 单字节双周期指令 例INCDPTRd 双字节双周期指令 例PHSHdirect 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2 S 则需要持续4 S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 0000HTMOD 00HAcc 00HTCON 00HB 00HTH0 00HPSW 00HTL0 00HSP 07HTH1 00HDPTR 0000HTL1 00HP0 P3 FFHSCON 00HIP 00000BSBUF 不定IE 0 00000BPCON 0 0000B 2 5 2低功耗工作方式 待机 休闲 方式 Idle 掉电保护方式 PowerDown 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75 A 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 8mS 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 0 P0 7 8位数据口和输出低8位地址复用口 复