单片机应用与技术21

第2章8051单片机的结构体系*1lijiajun@第1部分第2部分第3部分*lijiajun@2第1部分2.18051单片机的主要特性2.28051单片机内部结构2.38051单片机的封装和引脚2.48051的微处理器*lijiajun@3*lijiajun@微处理器(Microprocessor)ArithmeticLogicUnitRegisterArraysControlUnitGP-CPUCLKRegMPUCPUMicroprocessor-basedSystem4单片机（Microcontroller）*lijiajun@5基本部分扩展部分2.18051单片机的主要特性针对控制应用而优化的8位CPU128字节的片上数据RAM64KB的数据存储器寻址空间64KB的程序存储器寻址空间4KB的片上程序存储器(8031无)2个16位定时器／计数器32根双向和单独可寻址的I/O线*

lijiajun@61个全双工的UART2个优先级的5向量中断结构211位可寻址空间4μs乘法/除法指令片上时钟振荡器工作电压4.0~5.5V*lijiajun@7*lijiajun@8型号片上程序存储器片上数据存储器定时器8031/320128B/256B2/38051/524kB/8kBROM128B/256B2/38751/524kB/8kBEPROM128B/256B2/389C51/524kB/8kBFlash(并行编程)128B/256B2/389S51/524kB/8kBISPFlash(串/并行编程)128B/256B2/3

表2-18051系列单片机的比较2.28051单片机内部结构*lijiajun@9

图2-18051结构框图1.CPU8051单片机中有一个8位CPU，是单片机的核心，由运算器和控制器构成。运算器包括算术逻辑单元ALU、累加器ACC、寄存器B、程序状态字PSW、十进制调整电路等部件，实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。控制器包括定时控制逻辑(时钟电路、复位电路)、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、堆栈指针SP、数据指针寄存器DPTR、以及信息传送控制等部件，其主要功能是对指令码进行译码，然后在时钟信号作用下，使单片机的内外电路能够按一定的时序协调有序的工作，执行译码后的指令。*lijiajun@102.内部数据存储器(RAM)8051系列单片机内部有128字节(8052子系列有256个字节)RAM，用来存放程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。3.内部ROM/EPROM/Flash/ISPFlash8031无此部件；8051系列单片机片内有4KB的掩膜ROM；8751则为4KB的EPROM；89S52为ISP(InSystemProgram)的免拔插电气可编程8KBFlash存储器，用来存放程序、原始数据或表格。如果片内只读存储器容量不够，则需扩展片外只读存储器。片外只读存储器最多可扩展至64KB。*lijiajun@114.定时器/计数器

8051系列单片机内部有2个16位定时器/计数器T0、T1，有四种工作方式。89S52不仅有定时器T0和T1，还有定时器T2、看门狗定时器。通过编程，T0、T1还可用作13位或8位定时器。*lijiajun@125.并行口

8051单片机内部共有四个输入输出口，一般称为并行I／O口，即P0、P1、P2、P3口，每个口都是8位。对于没有程序存储器的8031单片机，需用P0口作为低8位地址/数据线分时复用，即相当于计算机的AD0～AD7，而P2口作为高8位地址A8～A15。P3口各个管脚又有不同的第二功能，例如，读、写控制信号等。对8051单片机而言，P1口一般可作为通用I/O口使用；对于8052单片机，P1.0作为定时器T2的外部计数输入，P1.1是定时器/计数器T2捕捉/重装操作的控制信号；对于89SXX系列单片机P1.5、P1.6、P1.7还是Flash串行编程操作的接口端。*lijiajun@136.串行口

8051系列单片机有一个全双工的串行I/O口，以完成单片机和其它计算机或通信设备之间的串行数据通信，单片机只用P3口的RXD和TXD两个管脚进行串行通信。7.中断系统

8051系列单片机内部有很强的中断功能，以满足控制应用的需要。它共有5个中断源，即外部中断源2个，定时器/计数器中断源2个，串行中断源1个。*lijiajun@148.CPU内部总线和外部总线

CPU通过内部的8位总线与各个部件连接，并通过P0口和P2口形成内部16位地址总线连接到内部ROM区。从图2-2可看到外部三总线：它是由P0口组成的数据总线DB(与低8位地址总线分时复用)；由P0口和P2口组成的16位地址总线(AB)(P0口分时)；由

，

,ALE和P3口部分管脚(读信号及写信号)组成的控制总线(CB)。*lijiajun@159.布尔处理器

由片内RAM的20H～2FH共16个单元的128位，11个SFR中的83位组成的211位布尔处理器，可完成位运算等任务。8052增加可寻址位SFR1个，可寻址位增加8位。*lijiajun@162.38051单片机的封装和引脚

2.3.1封装*lijiajun@17PDIPPLCCTQFPPDIP:PlasticDualInlinePackagePLCC:PlasticLeadedChipCarrierTQFP:ThinQuadFlatPackage*lijiajun@18*lijiajun@19*lijiajun@20*lijiajun@212.3.2引脚定义(非常重要!)VCC:

PIN40----电源正端,为+5V。VSS:PIN20----电源地端。*lijiajun@22RESET:PIN9----复位引脚。当晶体振荡器运行时，只要在这个引脚出现两个机器周期的高电平，

就可以使单片机复位。PIN9引脚内部有下拉电阻，用户只要在VCC和该引脚之间接电容，就可实现上电复位。*lijiajun@23上电复位电路上电和手动复位电路XTAL1(PIN19)、XTAL2(PIN18):

外接晶振引脚XTAL1:内部振荡电路反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，此引脚应接地。XTAL2:内部振荡电路反相放大器的输出端，采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。*lijiajun@24*lijiajun@25片内时钟方式

UsingtheOn-ChipOscillator外部时钟方式

ExternalClockDriveC1=C2=30pF*lijiajun@26PSEN(PIN29):外部程序存储器选通使能,低电平有效。

在由外部程序存贮器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间内，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。ALE/PROG(PIN30),当访问外部存贮器时，ALE(允许地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存贮器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存贮器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL。*lijiajun@27EA/VPP(PIN31):

当EA=1时，访问内部程序存贮器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH(对8051/8751/80C51)或1FFFH(对8052)时，将自动转向外部程序存贮器。当

EA=0时，则只访问外部程序存贮器，不管是否有内部程序存贮器。对于8031来说，因其无内部程序存储器，所以该脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器。VPP为本引脚的第二功能。在对EPROM型单片机8751片内EPROM固化编程时，用于施加较高编程电压（例如＋21V或＋12V）的输入端，对于89X51则VPP编程电压为＋12V或＋5V。*lijiajun@288751/8051最小系统*lijiajun@29*lijiajun@3089S52最小系统P0.0(AD0)–P0.7(AD7):PIN39–32

P0口为双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LSTTL负载。如果不用作地址/数据总线使用，P0口可作为普通I/O口使用，此时，需要外接上拉电阻。*lijiajun@31P2.0(A8)-P2.7(A15)--(PIN21-PIN28)8位准双向I/O口，要么作为高8位地址总线，要么作为普通I/O口。可驱动4个LSTTL型负载。*lijiajun@32P1.0-P1.7(PIN1-PIN8)：普通的I/O口89S52第2功能*lijiajun@33*lijiajun@34P3口第二功能（AlternateFunction）P3.0—RXD(SerialInputLine)P3.1—TXD(SerialOutputLine)P3.2—/INT0(ExternalInterrupt0)

P3.3—/INT1(ExternalInterrupt1)P3.4—T0(Timer0ExternalInput)P3.5—T1(Timer1ExternalInput)P3.6—/WR(ExternalDataMemoryWriteStrobe)P3.7—/RD(ExternalDataMemoryREADStrobe)2.48051的微处理器8051的微处理器由运算器和控制器构成。运算器：主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。主要包括算术逻辑运算单元ALU、累加器A、寄存器B、位处理器、程序状态字寄存器PSW以及BCD码修正电路等。*lijiajun@352.4.1运算器1.算术逻辑运算单元ALU

ALU的功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑与、或、异或、循环、求补和清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本算术运算。ALU还具有一般微计算机ALU所不具备的功能，即位处理操作，它可对位变量进行处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑与、或等操作。*lijiajun@362.累加器A

8位累加器，是CPU中使用最频繁的一个寄存器，也可写为ACC。

累加器的作用是：

累加器A是ALU单元的输入之一，因而是数据处理源之一。但它又是ALU运算结果的存放单元；CPU中的数据传送大多都通过累加器A，故累加器A又相当于数据的中转站。由于数据传送大多都通过累加器A，故累加器容易产生“堵塞”现象，也即累加器结构具有的“瓶颈”现象。*lijiajun@378051单片机增加了一部分可以不经过累加器的传送指令，这样，即可加快数据的传送速度，又减少了累加器的“瓶颈堵塞”现象。累加器A的进位标志

Cy是特殊的标志位，因为它同时又是位处理机的位累加器。*lijiajun@383.寄存器B

寄存器B是为执行乘法和除法操作设置的。乘法中，ALU的两个输入分别为A、B，运算结果存放在BA寄存器对中。B中放乘积的高8位，A中放乘积的低8位。

除法中，被除数取自A，除数取自B，商存放在A中，余数存放于B。

在不执行乘、除法操作的情况下，可把寄存器B当作普通寄存器使用。*lijiajun@394.程序状态字寄存器PSW

8051单片机的程序状态字寄存器PSW(ProgramStatusWord)，是一个8位可读写的寄存器，位于单片机片内的特殊功能寄存区，字节地址0D0H。*lijiajun@40

图2-3程序状态字寄存器PSW位功能CY(PSW．7)进位标志位

在执行算术和逻辑指令时，CY可以被硬件或软件置位或清除，在位处理器中，它是位累加器。CY也写为C。AC(PSW．6)辅助进位标志位

当进行BCD码的加法或减法操作而产生的由低4位数(代表一个BCD码)向高4位进位或借位时，AC将被硬件置1，否则被清0。AC被用于十进位调整，同DA指令结合起来用。*lijiajun@41F0(PSW.5)标志位

它是由用户使用的一个状态标志位，可用软件置1或清0，也可由软件来测试标志F0以控制程序的流向。编程时，该标志位特别有用。RS1、RS0(PSW.4、PSW.3)4组工作寄存器区选择控制位1和位0

这两位用来选择4组工作寄存器区中的哪一组为当前工作寄存区(4组寄存器在单片机内的RAM区中，将在本章稍后介绍)，它们与4组工作寄存器区的对应关系如表2-2所示。*lijiajun@42*lijiajun@43RS1RS0工作寄存器区000011102113表2-2工作寄存器区选择控制位1和位0定义OV(PSW.2)溢出标志位，当执行算术指令时，由硬件置1或清0，以指示运算是否产生溢出。PSW.1位，该位是保留位，未用。P(PSW.0)奇偶标志位，该标志位用来表示累加器A中为1的位数的奇偶数。

P=1，则累加器A中“1”的位数为奇数。P=0，则累加器A中“1”的位数为偶数。

奇偶标志位对串行口通讯中的数据传输有重要的意义，常用奇偶检验的方法来检验数据传输的可靠性。*lijiajun@44*lijiajun@45控制器：单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。对单片机用户来说，必须了解MCS-51指令执行顺序：取指→译码→执行程序计数器（ProgramCounter）2.4.2控制器*lijiajun@461.程序计数器PC（ProgramCounter） 16位计数器,存放着下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址。读指令时，程序计数器将其中的数作为所取指令的地址输出给程序存储器，然后程序存储器按此地址输出指令字节，同时程序计数器本身自动加1，读完本条指令，PC指向下一条指令在程序存储器中的地址。程序计数器PC中内容的变化决定程序的流程。程序计数器的宽度决定了单片机对程序存储器可以直接寻址的范围。在8051单片机中，程序计数器PC是一个16位的计数器，故可对64KB(216=65536=64K)的程序存储器进行寻址。*lijiajun@bjut