2-第二章 80C51单片机的硬件

第二章80C51单片机的硬件结构,80C51单片机的内部结构80C51的外部引脚及功能80C51的存储器配置80C51的并行输入输出接口电路80C51外围电路设计,2.180C51单片机的内部结构,80C51系列单片机是由Intel等各大公司推出的8位主流单片机系列，它是我国目前应用最广泛的一种单片机系列。以该系列中的典型芯片80C51为线索来介绍单片机的内部结构、外部引脚、存储器配置、并行I/O端口、外围电路等内容。在51系列单片机里，80C51是最典型的单片机，其它芯片都具有与80C51基本相同的硬件结构和软件特征，其内部结构如图2.1所示。,80C51概况数据总线为8位，地址总线为16位；CMOS工艺；128B的RAM；4K的ROM；2个16位的定时器；5个中断源；.,2.280C51的外部引脚及功能,引脚共计40根，其中：电源引脚：2根，Vcc和Vss；晶振引脚：2根，XTAL1和XTAL2；I/O引脚：32根；控制引脚：4根EARSTPSENALE,2.380C51的存储器配置,80C51的片内集成有一定容量的程序存储器和数据存储器（128B）。当然，还可以根据需要对存储器进行外部扩展。80C51的存储器配置如图2.3所示。从物理上分，80C51的存储器有4个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。从逻辑上分，80C51有3个存储器地址空间：片内外统一的64KB的程序存储器地址空间、256B的内部数据存储器地址空间（其中128B的专用寄存器地址空间，仅有部分字节有实际意义）和64KB的外部数据存储器地址空间。为了区分不同的存储器空间，在用指令访问这三个不同的逻辑空间时采用了不同形式的指令。,一、程序存储器,80C51单片机内部有4K的程序存储器，0000H3FFFH；程序从0000H开始；有一些特殊功能的区域，如中断入口地址。,中断入口地址表：,二、内部数据存储器,内部数据存储器在物理上分为两个不同的存储空间:数据存储器空间（低128单元）特殊功能寄存器空间（高128单元）。这两个空间是相连的。从用户角度而言，低128单元才是真正的数据存储器。,1.数据存储器空间（低128单元）,数据存储器空间（低128单元）按功能划分为：通用寄存器区位寻址区用户区图2.4内部数据存储器配置,（1）.通用寄存器区,00H1FH的32个单元是4个通用工作寄存器区，每个区有8个8位寄存器，其编号为R0R7。在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器区。到底选择哪一个工作组为当前工作区，取决于专用寄存器PSW（程序状态字）中的RS1和RS0位的状态。RS1和RS0的状态可通过指令来改变。用户可以通过设置RS1和RS0位的状态来选择/切换当前工作寄存器区，这给用户保护寄存器中的内容提供了极大的方便。,（2）.位寻址区,RAM中的20H2FH的16个单元除了可作为一般RAM单元进行字节寻址外，还可进行位寻址，称作位寻址区。位寻址区共有16个RAM单元，合计128位，位地址为00H7FH。80C51单片机具有位处理机（又称布尔处理机）功能，位处理机的存储空间就包括这个位寻址区。表2-3为位寻址区的位地址表。,表2-3位寻址区的位地址,（3）.用户区,在内部RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下的80个单元就是供用户使用的一般RAM区，地址单元为30H7FH。对这部分区域的使用不作任何规定和限制，但应当说明的是，堆栈一般开辟在此区。,*关于堆栈堆栈：是一个特殊的存储区域；特点：“后进先出”。单片机的堆栈是地址增加型，即压入数据时地址指针增加。堆站的操作有压入：PUSH弹出：POP,2特殊功能寄存器SFR（高128单元）,内部RAM的高128单元是给特殊寄存器使用的，因此称之为专用寄存器区，其单元地址为80HFFH。因为这些寄存器的功能已作专门规定，所以称其为专用寄存器或特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegisters）。特殊功能寄存器的总数为21个，仅占用了80HFFH中的很小一部分。表2-4给出了这些特殊功能寄存器的符号、名称和地址等。,表2-4特殊功能寄存器一览表,21个特殊功能寄存器是不连读地分散在内部RAM的高128单元之中，尽管其中还有许多空闲地址，但用户不能使用。程序计数器PC是独立于SFR之外的唯一的一个不可寻址的专用寄存器。PC不占RAM单元，在物理上是独立存在的。它不包括在21个特殊功能寄存器中。在21个特殊功能寄存器中，有11个寄存器不仅可以字节寻址，也可以进行位寻址。凡是能进行位寻址的SFR，其特征是字节地址都能被8整除（字节地址的末位是0或8）。IP中有3位、IE中有2位、PSW中有一位对用户无实际意义，所以直接寻址位为82位；再加上数据存储器中的128位，80C51共计有210位可寻址位。,（1）程序计数器PCPC是一个16位的计数器。其内容为将要执行的指令地址，寻址范围达64KB。PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的（但在物理上是存在的），因此用户无法对它进行读写；但可以通过转移、调用返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。,(2)累加器A累加器A为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，功能较多。它既可用于存放操作数，也可用来存放中间结果。80C51单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。加、减、乘、除运算指令的运算结果都存放在累加器A或AB寄存器对中。,(3)B寄存器B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。乘法运算时，B是乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中。除法运算时，B存放除数。除法操作后，余数存于B中。此外，B寄存器也可作为一般数据寄存器使用。,(4)程序状态字PSW（PROGRAMSTATUSWORD）程序状态字PSW是一个8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息。其中，有些位的状态是程序执行的结果，是由硬件自动置位的；而有些位的状态则采用软件的方法来设定。PSW的位状态可以用专门指令进行测试，也可以用指令读出。一些条件转移指令会根据PSW有关位的状态进行程序转移。PSW的各位含义如图2.5所示。其中PSW.1为保留位，未用。,图2.5程序状态字PSW,图中：CY(PSW.7)：进位标志位CY是PSW中最常用的标志位，其功能有二：一是存放算术运算的进位标志；二是在位操作中作累加位使用。位传送、位与、位或操作，操作数之一为进位标志位。AC(PSW.6)：辅助进位位当进行加法或减法操作而产生由低4位向高4位的进位或借位时，由硬件将AC置1；否则就被清除。AC还用于十进制调整，同DAA指令结合起来使用。,F0(PSW.5)：用户标志位它是用户定义的一个状态标记，可以用软件来使它置位或清除，也可用软件测试F0以控制程序的流向。RS1、RS0（PSW.4，PSW.3）：当前寄存器区选择位用软件来置位或清除，以选择和确定当前工作寄存器区。RS1、RS0与寄存器区的关系如表2-5所示。,表2-5RS1、RS0与寄存器区的关系,OV(PSW.2)溢出标志位在带符号数运算中，OV1，表示加减运算结果超出了累加器所能表示的符号数的有效范围（128127），即产生了溢出，因此运算结果是错误的；否则OV0，运算结果正确，无溢出。溢出标志OV在硬件上是通过一个异或门来实现的，即：OVC6C7其中，C6为D6位向D7位的进位或借位，C7为D7向C的进位或借位。在乘法运行中，OV1，表示乘积超过255，即乘积分别放在B与A中；否则OV0，表示乘积只放在中。在除法运行中，OV1，表示除数为0，除法不能进行；否则，OV0，除数不为0，除法可正常进行。,（PSW.0）：奇偶位每个指令周期都由硬件来置位或清除，以表示累加器中1的个数的奇偶性。P1，则累加器中1的个数为奇数；若P=0，则累加器中1的个数为偶数。,(5)栈指针SP栈指针SP是一个8位专用寄存器。它指示出堆栈顶部在内部数据存储器中的位置。系统复位后，SP初始化为07H，使得堆栈向上由08H单元开始。考虑到08H1FH单元属于工作寄存器区，若程序设计中要用到这些区，最好把SP的值置为1FH或更大一些，一般将堆栈开辟在30H7FH区域中。SP的值越小，堆栈深度就越深，但最大为128字节。,SP的值除了可以用软件直接改变外（MOVSP，#DATA），在执行堆栈操作，程序调用、子程序返回及中断返回等指令时，SP的值自动增量或减量。堆栈操作指令为：PUSHACC（压入堆栈）POPACC（弹出堆栈）,(6)数据指针DPTR数据指针DPTR是唯一1个16位的可寻址的专用寄存器；由两个8位寄存器DPH和DPL拼装而成，其中DPH为DPTR的高8位，DPL为DPTR的低8位。它既可作为一个16位寄存器来使用，也可作为2个独立的8位寄存器（DPH和DPL）来使用。DPTR通常用来存放16位地址。既可访问外部RAM，也可访问ROM。例如：MOVDPTR，#2000HMOVXA，PPTR；将外RAM2000H单元内容AMOVCA，A+DPTR；访问ROM指令,(7)端口P0P3专用寄存器P0、P1、P2和P3分别是I/O口P0P3的锁存器。在80C51中，I/O和RAM统一编址，既可以字节寻址，也可以位寻址，使用起来较方便。有关P0P3的详细情况，在后续内容中介绍。,(8)串行数据缓冲器SBUF串行数据缓冲器SBUF用于存放欲发送或接收的数据，它实际上由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。当要发送的数据传送到SBUF时，进入的是发送缓冲器，当要从SBUF取数据时，则取自接收缓冲器，取走的是刚接收到的数据。,(9)定时器/计数器80C51单片机有两个16位定时器/计数器T0和T1，它们分别由两个独立的8位寄存器组成，共有4个独立的寄存器：TH0，TL0，TH1，TL1，可对这4个寄存器寻址，但不能把T0和T1当成16位寄存器来访问。,(10)其它控制寄存器IP、IE、TMOD、TCON、SCON和PCON寄存器分别包含有中断系统、定时器/计数器、串行口和供电方式的控制和状态位，这些寄存器将在以后内容中介绍。,三、外部数据存储器,当用户需处理的数据量较大而80C51的内部RAM不够用时，单片机需要在芯片外部连接数据存储器（RAM）和I/O接口。单片机可访问的外部RAM的地址空间为064KB，最多可由16位地址线寻址；外部RAM与外部I/O口统一编址，即CPU对RAM和I/O口不加区分；对外部数据存储器只能采用间接寻址方式进行访问，访问外部RAM的专用指令为MOVX。,R0、R1和DPTR都可作为间接寻址寄存器使用，前者寻址范围仅为256B，后者为64KB。例如：MOVXA，Ri；(i=0，1)范围为256BMOVXA，DPTR；范围为64K,需要指出的是，尽管80C51单片机的存储器有内部ROM、外部ROM、内部RAM和外部RAM，存储器空间也是重叠的，但在实际应用中不会发生混乱。对内ROM和外ROM，单片机是通过EA引脚来控制的，内外统一，不会出错；对内外RAM而言，通过指令MOV和MOVX加以区分。因此，用户在使用时可尽管放心，只要你使用正确的指令，就能指挥单片机为你正常地工作了。,2.4并行输入输出接口电路,单片机芯片内的一项重要内容就是并行I/O口。80C51共有四个位的并行O口，分别记作P0、P1、P2和P3。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，具有字节寻址和位寻址功能。口是一个综合概念。在单片机中，口是一个集数据输入缓冲，数据输出驱动及锁存等多项功能为一体的I/O电路。口有时称为端口。80C51单片机的四个I/O口都是位双向口，这些口在结构和特性上是基本相同的，但又各具特点。,一、P0口,图2.6P0的结构图,它包括1个输出锁存器，2个三态缓冲器，1个输出驱动电路和1个输出控制电路。输出驱动电路由一对FET(场效应管)组成，其工作状态受输出控制电路的控制。控制电路包括：1个与门、一个反相器和1路模拟转换开关(MUX)。模拟转换开关的位置由来自CPU的控制信号决定，当控制信号为低电平“”时，开关处于图示位置，它把输出极与锁存器的端接通。同时，因与门输出为，输出级中的上拉FET处于截止状态。因此输出极是漏极开路的开漏电路。这时P0可作一般的I/O口用。CPU向端口输出数据时，写脉冲加在触发器的时钟端CP上，这样，与内部总线相连的端的数据取反后就出现在端上，又经输出FET反相，在P0引脚上出现的数据正好是内部总线的数据。P0的输出级可以驱动个LSTTL输入，但在开漏状态下，为了驱动NMOS输入端，需接外部上拉电阻。,1输出操作（写操作）当P0口用作输出口使用时，内部的写脉冲加在触发器的CP端，数据写入锁存器，并向端口引脚输出。即锁存器的输出与引脚的输出状态是一致的。作通用输出口时，输出级属漏极开路，在驱动NMOS电路时应外接上拉电阻。,2输入操作（读操作）当P0口作为输入口使用时，应区分读引脚和读锁存器（端口）两种情况。为此，在电路中有两个用于读入的三态缓冲器。有读引脚和读锁存器之分。,读引脚在端口处于输入状态的情况下读引脚。作输入口使用时，应先向锁存器写“”，这时输出级个FET截止，可用作高阻抗输入（系统复位时P0=FFH）。读引脚，就是读芯片引脚的数据。这时使用下方的数据缓冲器，由“读引脚”信号把缓冲器打开，把端口引脚上的数据经缓冲器通过内部总线读进来。MOV类传送指令进行读口操作就是属于这种情况。,读锁存器在端口已处于输出状态的情况下读锁存器。读锁存器是通过上方的缓冲器读锁存器端的状态。在端口已处于输出状态的情况下，不能正常读取引脚的信号，只能读取锁存器的状态；这样安排的目的是适应对端口进行“读修改写”操作指令的需要。例如“ANLP0，A”就属于这类指令，执行时先读入P0口锁存器中的数据，然后与A的内容进行逻辑“与”，再把结果送到P0口输出。从这种意义上说，该指令又可看作是输出指令。除MOV类指令外的其它口操作指令都属于这种情况。,注意：当0口进行一般的输出时，由于输出电路是漏极开路电路，必须外接上拉电阻才能有高电平输出。作输入使用时，应区分读引脚和读锁存器。读引脚时，必须先向电路中的锁存器写入“”，使FET截止，引脚处于悬浮状态，可作为高阻抗输入。因为，若曾经输出锁存过数据0，则FET导通，引脚上的电位始终被钳在“0”电平上，输入数据不可能被正确地读入。0口在实际应用中，多作为地址/数据总线使用，这要比作一般I/O口应用简单。此时，可分为两种情况：一种情况是从P0输出地址或数据，这时控制信号应为高电平“”，转换开关把反相器输出端与下拉FET接通，同时与门开锁。输出的地址或数据信号既通过与门去驱动上提FET，又通过反相器去驱动下拉FET。另一种情况是从P0输入数据，这时信号仍应从输入缓冲器进入内部总线。,3结论P0口既可作地址/数据总线使用，又可作通用I/O口用。当P0口作地址数据总线使用时，就不能再把它当通用I/O口使用了。作通用输出口时，输出级属漏极开路，在驱动NMOS电路时应外接上拉电阻。作通用输入口使用时，应区分读引脚和读锁存器。读引脚时，应先向锁存器写“”，这时输出级个FET截止，可用作高阻抗输入。,二、P1口,P1口的口线逻辑电路如图2.7。,因为P1口通常是用作通用I/O使用的，所以在电路结构上与P0口有一些不同之处。首先，它不再需要多路开关MUX；其次，电路内部已有上拉电阻，与场效应管共同组成输出驱动电路。因此，1口用作输出口使用时，已能向外提供推拉电流负载，无须再外接上拉电阻。当1口作为输入口使用时，同样也需向其锁存器写入“1”，使输出驱动电路的FET截止。,P1口通常作为通用I/O使用；作输出口使用时，无须外接上拉电阻；作输入口使用时，应区分读引脚和读锁存器。读引脚时，应先向锁存器写“”。,四、P3口,P3口的口线逻辑电路如图2.9。,P3口的特点在于：为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。由于第二功能信号有输入和输出两类，因此分两种情况说明。对于第二功能为输出的信号引脚，当作为I/O使用时，第二功能信号引线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端数据输出道路的畅通。当输出第二功能信号时，该位的锁存器应置“”，使与门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出。对于第二功能为输入的信号引脚，在口线的输入通道上增加了一个缓冲器，输入的第二功能信号就从这个缓冲器的输出端取得，而作为I/O使用的数据输入，仍取自三态缓冲器的输出端，不管是作为输入口使用，还是作为第二功能信号输入使用，输出电路中的锁存器和第二功能输出信号线都应保持高电平。（等于“1”）。,P3口的各口线既可作通用I/O口用，又可作第二功能使用。当某些口线作为第二功能使用时，不能再把当通用I/O口使用；其它未用的口线仍可作为通用I/O口线使用。P3口作通用I/O使用时，与P1口相似。作输出口使用时，无须外接上拉电阻；作输入口使用时，应区分读引脚和读锁存器。读引脚时，应先向锁存器写“”。,五、P0P3口的使用特点综上所述，在一般使用情况下，P1和P2口可作为通用I/O口提供给用户，且无须上拉电阻；P0口作为数据总线使用；而P3口通常工作在第二功能状态。当然，在芯片外连接有RAM和I/O口时，P2口作为地址总线使用。,2.580C51的外围电路,单片机应该说是一个小系统了；然而，由于实用系统中有一些功能器件无法集成到芯片内部，如晶振、复位电路等，因此需要在片外附加相应的电路，下面就介绍一下实际应用中的单片机外围电路设计。,一、时钟电路与时序时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号；而时序研究的是指令中各信号之间的关系。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路就应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。,1时钟信号的产生采用内部时钟电路在80C51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2；而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图2.10所示。,时钟电路产生的振荡脉冲，经过触发器进行二分频之后才能为单片机的时钟脉冲信号。请特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的错误。电容C1和C2的典型值为30PF。晶体的振荡频率范围是1.2MHz12MHz。晶体振荡频率愈高，则系统的时钟频率也高，单片机运算速度也就快；但反过来，运行速度快，对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也高。80C51在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz或12MHz的石英晶体。,引入外部脉冲电路在由多片80C51单片机组成的系统中，为了使各单片机之间的时钟信号同步，应当引入唯一的公用外部脉冲作为系统中各单片机的振荡脉冲，这时外部脉冲信号是从从XTAL1引入，XTAL2悬空，其连接如图2.11所示。,2时序的定时单位时序是用定时单位来说明的，80C51的时序定时单位共有个，从小到大依次是：节拍状态机器周期指令周期。,节拍与状态振荡脉冲的周期叫做节拍，用表示。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态，用表示。这样，一个状态就包括两个节拍，其前半周期对应的节拍叫节拍（），后半周期对应的节拍叫节拍（）。机器周期80C51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。80C51的一个机器周期的宽度为个状态，并依次表示为，由于一个状态又包括两个节拍，因此一个机器周期总共有个节拍，分别记作S1P1、S1P2