第1章 C51单片机的组成及结构

C51单片机技术教程

第1章

C51单片机的组成及结构

重点与难点 本章重点是掌握C51单片机引脚功能、单片机存储器结构和单片机工作方式。难点是数据存储器结构及专用存储器（SFR）的工作原理和方式。

基本要求1．熟悉C51单片机40个引脚（DIP封装）及其功能

2．掌握数据存储器结构，熟悉专用存储器（SFR）的工作原理和方式

3．理解C51单片机工作时序及其基本概念，时钟电路的结构和单片机的工作过程

4．对C51单片机复位、程序执行、单步执行、掉电保护、低功耗以及EPROM编程和校验6种工作方式有所了解，为以后学习指令系统和编写程序打下基础

本章内容1．C51单片机的内部结构2．C51单片机的CPU结构3．C51单片机的存储器空间

4．C51单片机的并行输入/输出端口5．C51单片机的引脚信号和CPU时序6．C51单片机的工作方式

C51单片机的内部结构1.1C51单片机的CPU结构1.2C51单片机的存储器空间1.3C51单片机的并行输入/输出端口1.4C51单片机的引脚信号和CPU时序1.5C51单片机的工作方式1.6

1.1C51单片机的内部结构 所谓单片机，即把组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。

因此，单片机早期的含义为单片微型计算机（singlechipmicrocomputer），直接译为单片机，并一直沿用至今。

C51单片机和微型计算机（以下称作微机）一样，是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备5个基本部分组成，如图1-1所示。

图1-1C51单片机内部结构框图

C51单片机的主要资源如下。（1）8位CPU。（2）片内振荡器。（3）片内数据存储器（RAM）。

（4）片内程序存储器（ROM）。

（5）程序存储器的寻址范围为64KB。（6）片外数据存储器（RAM）寻址范围为64KB。（7）2l个特殊功能寄存器（SFR）。

（8）4个8位并行双向I/O接口：P0，Pl，P2，P3。（9）l个全双工作串行I/O接口（UART），可多机通信。

（10）2个16位定时器/计数器T0/Tl，C52还多1个16位定时器/计数器T2。

（11）中断系统有5个中断源，即外中断源2个，内部中断源3个，内部中断中分2个定时/计数中断和1个串行中断，全部中断分高级和低级共2个优先级别。

（12）111条指令，含乘法、除法指令。（13）位操作功能强（位操作指令17条）。（14）片内采用单总线结构。（15）使用+5V单一电源。1.2C51单片机的CPU结构

CPU是单片机的核心部件，它由运算器和控制器等部件组成。运算器还包含一个专门进行位数据操作的布尔处理机。

1.2.1运算器 运算部件以算术逻辑单元（ALU）为核心，包括累加器（ACC）、寄存器B、暂存器、程序状态字（PSW）等部件。它能实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。

1．算术逻辑单元（ALU）与累加器（ACC）、寄存器B

2．程序状态字 程序状态字（PSW）是一个8位的标志寄存器，它保存指令执行结果的特征信息，以供程序查询和判别。其各位的功能、标志符号和位地址如表1-1所示。

算术逻辑单元（ALU）主要完成下列功能。（1）算术运算（2）逻辑运算（3）移位功能

1.2.2布尔处理机 布尔处理（即位处理）机是C51单片机ALU所具有的一种功能。

1.2.3控制部件及振荡器 控制部件是单片机的神经中枢，它包括定时和控制电路、指令寄存器、译码器数据地址指针（DPTR），程序计数器（PC），堆栈指针（SP），以及RAM地址寄存器，16位地址缓冲器等部件。

单片机以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来协调单片机内部各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作。

并对外发出地址锁存ALE、外部程序存储器选通PSEN，以及通过P3.6和P3.7发出数据存储器读（RD）、写（WR）等控制信号，并且接收处理外接的复位和外部程序存储器访问控制EA信号。

单片机的定时控制功能是用片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟产生有两种方式，即内部振荡方式和外部振荡方式。

图1-2单片机内部振荡方式接法

图1-3单片机外部振荡方式接法

图1-4C51单片机堆栈1.3C51单片机的存储器空间

1.3.1存储器的基本知识

1．位的含义

2．字节（byte）的含义

3．字（word）

4．字长

1.3.2C51单片机的存储器 计算机的存储器结构有两种：一种结构称为哈佛结构，即程序存储器和数据存储器分开，相互独立；另一种结构称为普林斯顿结构，即程序存储器和数据存储器是统一的，地址空间统一编址。

C51单片机属于哈佛结构，程序存储器和数据存储器分开。

图1-5C51单片机的存储空间分布图

从用户使用的角度看，C51单片机的存储器地址空间分为3类：（1）片内片外统一编址0000H～FFFFH的64KB程序存储器地址空间（用16位地址）；

（2）64KB片外数据存储器地址空间，地址0000H～FFFFH（用16位地址）；（3）256B片内数据存储器地址空间（用8位地址）。

1.3.2.1数据存储器

1．编址与访问

C51单片机片内、片外数据存储器是两个独立的地址空间，应分别单独编址。

2．片内数据存储器

图1-6C51片内RAM地址空间

（1）工作寄存器区

（2）位寻址区（3）数据缓冲区（4）堆栈和堆栈指针

堆栈具有如下特点。 ①堆栈是一个符合“先进后出、后进先出”的RAM区域； ②SP总是指向堆栈的顶部（保存有数据）； ③堆栈可以设在内部RAM中的任意区域，一般开辟在30H～7FH中。

堆栈的功能如下。 ①保护断点 ②保护现场 ③数据的临时存放

（5）专用寄存器 内部数据存储器的高128单元是为专用寄存器提供的，因此称为专用寄存器区，其单元地址为80H～FFH，用于存放相应功能部件的控制命令、状态或数据。

因为这些寄存器的功能已作专门的规定，故而称为专用寄存器（SFR），有时也称为特殊功能寄存器。

①程序计数器（PC） ②累加器（ACC）

③

B寄存器 ④程序状态字（PSW）

进位标志CY或C（PSW.7） 辅助进位标志AC（PSW.6） 软件标志位F0（PSW.5） 工作寄存器组选择位RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）

溢出标志位OV（PSW.2） 奇偶标志P（PSW.0） 堆栈指针（SP） 数据指针（DPTR）

端口P0～P3

串行数据缓冲器（SBUF） 串行口控制与状态寄存器（SCON） 定时器/计数器

定时器工作方式寄存器（TMOD）定时器/计数器控制寄存器（TCON）中断允许寄存器（IE）C51有5个中断源，中断允许寄存器的中断优先级寄存器（IP）

3．片外数据存储区

1.3.2.2程序存储器

1．编址与访问

2．程序的特殊入口地址

1.4C51单片机的并行输入/输出端口

C51单片机有4个8位并行I/O口，P0～P3，共32根端口线。每个端口都包括锁存器（即SFR：P0～P3）、输出驱动器、两个三态缓冲器以及控制电路。4个I/O端口都是准双向的并行I/O端口。

1.4.1P0口

1．P0口结构

图1-7P0口结构图

2．地址/数据分时复用功能 当P0口作为地址/数据分时复用总线时，可分为两种情况：一种是从P0口输出地址或数据，另一种是从P0口输入数据。

3．通用I/O接口功能（1）在输出数据时，由于V2截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号正常输出，必须外接上拉电阻。（2）P0口作为通用I/O口使用时，是准双向口。

4．端口操作

C51单片机有不少指令可直接进行端口操作，例如：

1.4.2P1口

P1口为准双向口，其1位的内部结构如图1-8所示。

图1-8P1口内部结构图

P1口只有通用I/O接口一种功能，其输入输出原理特性与P0口作为通用I/O接口使用时一样。

1.4.3P2口

P2口为准双向口，其1位的内部结构如图1-9所示。

图1-9P2口内部结构图

1.4.4P3口 图1-10所示为P3口的１位内部结构图，它具有第二输出功能，既可作为输入/输出口使用，又能涉及串口、外部中断、定时器等。扩展外部数据存储器时，WR和RD作为控制线使用。

图1-10P3口内部结构图

1.4.5四个并行口使用的注意事项（1）如果单片机内部有程序存储器，不需要扩展外部存储器和I/O接口，单片机的4个口均可作I/O口使用。（2）四个口在作为输入口使用时，均应先对其写“1”，以避免误读。

（3）P0口作为I/O口使用时，应外接10k的上拉电阻，其他口则可不必。（4）P2口的某几根线作为地址使用时，剩下的线不能作为I/O口线使用。（5）P3口的某些口线作为第二功能时，剩下的口线可以单独作为I/O口线使用。1.5C51单片机的引脚信号和CPU时序

C51单片机有44个引脚的方形封装形式和40个引脚的双列直插式封装形式，其中最常用的是40个引脚封装，如图1-11所示。

图1-11C51单片机引脚图

1.5.1C51单片机引脚功能说明

1．主电源引脚

VCC（40脚）：接+5V电源正端。

VSS（20脚）：接+5V电源地端。

2．外接石英晶体引脚

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）：使用内部振荡电路时，用来接石英晶体和电容；使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。

3．输入/输出引脚（1）P0口（39～32脚）（2）P1口（1～8脚）（3）P2口（21～28脚）（4）P3口（10～17脚）

4．控制线（1）ALE/（30脚）（2）（29脚）（3）RST/VPD（9脚）（4）/VPP（31脚）

综上所述，C51系列单片机的引脚特点，可归纳为以下两点。

（1）单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第二功能。

（2）单片机对外呈现3总线形式，由P2口，P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用为数据总线；由ALE，，RST，与P3口中的，，,T0，T1，，共10个引脚组成控制总线。由于是16位地址线，因此可使片外存储器的寻址范围达到64KB。

1.5.2复位电路

1．复位状态 复位操作使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。

复位操作通常有如下2种基本形式： 上电复位 开关复位

2．复位电路

图1-12C51单片机复位电路

图1-13C51单片机上电复位及按钮复位的一种实用电路

1.5.3CPU