80C51单片机内部结构和工作原理

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1.212MHz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,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。,530pf,典型值30pf。,1.212MHz，典型值12MHz和6MHz。,MCS-51和OSC的晶振连接图,HMOC工艺的外部时钟连接图,此常用于多片单片机同时工作，以便使各单片机同步,电容器的作用是稳定频率和快速起振,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,8D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）低电平有效。,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，芯片内部有4KB的ROM(80C31芯片内部没有程序存储器，应用时要在单片机外部配置一定容量的EPROM)。当EA保持高电平时，先访问内部ROM，但当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时，将自动转向执行片外ROM中的程序。当EA保持低电平时，CPU只能访问外部程序存储器。对80C31芯片，片内无ROM，因此EA必须接地。外部程序存储器的地址从0000H开始编址。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）。,P3.0RXD：串行口输入端；P3.1TXD：串行口输出端；P3.2INT0：外部中断0请求输入端；P3.3INT1：外部中断1请求输入端；P3.4T0：定时/计数器0外部信号输入端；P3.5T1：定时/计数器1外部信号输入端；P3.6WR：外RAM写选通信号输出端；P3.7RD：外RAM读选通信号输出端。,P0.0P0.7：一般I/O口引脚或数据/低位地址总线复用引脚；P1.0P1.7：一般I/O口引脚；P2.0P2.7：一般I/O口引脚或高位地址总线引脚；P3.0P3.7：一般I/O口引脚或第二功能引脚。,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以下不同的存储空间，分别是：,64KB程序存储器(ROM),有片内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:片内4KB：0000H0FFFH。80C51和87C51在片内，80C31片内无。片外64KB：0000HFFFFH。读写ROM用MOVC指令，控制信号是PSEN和EA。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，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。,注：0000H单片机复位后的入口地址；0003H外部中断0的中断服务程序入口地址。,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部ROM16位地址输入端，当PSEN信号有效时，外部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。,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。,片内RAM前32个单元(00H1FH)是工作寄存器区(由PSW中的RS1,RS0决定),00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,R0,R2,R1,R3,R4,R5,R6,R7,07H,02H,01H,00H,06H,04H,05H,03H,08H,1FH,工作寄存器区3,工作寄存器区2,工作寄存器区1,工作寄存器区0,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,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=000区（00H07H）RS1、RS0=011区（08H0FH）RS1、RS0=102区（10H17H）RS1、RS0=113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。注：存于ACC中的运算结果有奇数个1时P1，否则P0。,F0用户标志，由用户自己定义。,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。,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP栈顶,下一个进栈的数据将存在此,数据进栈,已经进栈的数据存放在此,初始SP,复位后SP=07H，数据进栈时：首先SP+1指向08H单元，第一个放进堆栈的数据将放进08H单元，然后SP再自动增1，仍指着栈顶,堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理堆栈区可以安排在RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。,从堆栈取出数据时：取出的数据是最近放进去的一个数据，也就是当前栈顶的数据。然后SP再自动减1，仍指着栈顶,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP栈顶,当前要出栈的数据,数据出栈,SP-1指向下一个将要出栈的数据,初始SP,堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理堆栈区可以安排在RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。,从堆栈取出数据时：取出的数据是最近放进去的一个数据，也就是当前栈顶的数据。然后SP再自动减1，仍指着栈顶,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP-1指向新的栈顶,也就是下一个将要出栈的数据,数据出栈,初始SP,堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理堆栈区可以安排在RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。,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；,2-3I/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；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,3,1,Vcc,V1,V2,外部中断已经打开（INT0、INT1);定时器/计数器处于外部计数状态(T0、T1);执行读/写外部RAM的指令(RD、WR)。,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(a)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。C1和C2的作用是稳定频率和快速起振。,2.4.2机器周期和指令周期,晶振周期（外部时钟信号周期）,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。状态周期是晶振周期的两倍。状态周期又称S周期。在S周期内有两个晶振周期，即分为两拍，分别称为P1和P2。,机器周期是6个状态周期、12个晶振周期。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。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：单机器周期指令、双机器周期指令和四机器周期指令。其中单机器周期指令有64条，双机器周期指令有45条，四机器周期指令只有2条(乘法和除法指令)，无三机器周期指令。,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：PUSHdirect,晶振周期=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个晶振周期；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，每个机器周期为1S，则只需持续2S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。一般晶振为6MHZ时,取电容22、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，R1、C2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：0000HTL1：00HP0P3：FFHSCON：00HIP：00000BSBUF：不定IE：000000BPCON：00000B,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。,PCON,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,VSS: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）；EA/VPP:寻址外部ROM控制端，低电平有效；寻址片内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(O