基本结构与工作原理

第2章单片机的根本结构与工作原理单片机的根本组成80C51单片机的引脚功能和结构框图80C51单片机CPU的结构和特点80C51单片机的存储器结构和地址空间80C51单片机的布尔(位)处理器80C51单片机的工作方式DesignedByCYQ单片机的根本组成结构中央处理器CPU存储器并行I/O口串行I/O口定时器/计数器定时电路及元件DesignedByCYQ中央处理器单片机中的中央处理器和通用微处理器根本相同，只是增设了“面向控制〞的处理功能。例如：位处理(SETB,CLR)、查表(MOVC)、多种跳转(JMP,LJMP,SJMP,AJMP)、乘除法运算(MUL,DIV)、状态检测(JBC)、中断处理(RETI)等，增强了实时性DesignedByCYQ存储器根本结构普林斯顿(Princeton)结构将程序和数据合用一个存储器空间的结构并采用统一寻址方式，这种结构在通用微型计算机中被广泛采用哈佛(Harvard)结构将程序存储器和数据存储器截然分开并采用独立寻址的结构，MCS-51和80C51系列采用这种结构DesignedByCYQ存储器结构形式程序存储器ROM片内掩膜ROM片内可编程的ROM：OTP,EPROM,E2PROM片外只读存储器数据存储器RAM片内数据存储器片外数据存储器DesignedByCYQ80C51单片机的封装图DesignedByCYQ80C51的引脚功能电源VCC:运行和程序校验时加+5V

VSS:接地晶振XTAL1:振荡器反相放大器输入XTAL2:振荡器反相放大器的输出当用外部振荡器时，XTAL1接收振荡器信号，XTAL2悬空DesignedByCYQ80C51的引脚功能I/O口〔根本功能〕P0：8位、漏极开路的双向I/O口P1：8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻P2：8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻P3：8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻I/O口〔第二功能〕DesignedByCYQ80C51的引脚功能端口引脚符号和作用端口引脚符号和作用P3.0串行输入口RXDP3.4定时器/计数器0T0P3.1串行输出口TXDP3.5定时器/计数器1T1P3.2外部中断0/INT0P3.6写选通信号/WRP3.3外部中断1/INT1P3.7读选通信号/RDP1.0定时器T2的计数输入端（80C52系列）P1.1定时器T2的外部输入端（80C52系列）DesignedByCYQ80C51的引脚功能控制线RST：复位输入信号，需维持两个机器周期以上的高电平/EA：片外程序存储器访问允许信号ALE：地址锁存允许信号，输出频率为1/6振荡频率的方波/PSEN：片外程序存储器选通信号，当/PSEN有效时，程序存储器的内容被锁存到P0口DesignedByCYQ80C51的内部结构框图和组成算术逻辑单元ALU累加器ACC〔或A〕程序计数器PC数据指针DPTR程序状态标志存放器PSW堆栈指针存放器SPDesignedByCYQ80C51CPU的组成和作用控制器用于指令识别和计算机组成部件工作控制运算器主要用来实现对操作数的算术逻辑运算和位操作工作存放器时序电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号DesignedByCYQ程序计数器PC作用存放下一条将从程序存储器中取出的指令的地址寻址空间程序计数器的宽度决定了程序存储器可以直接寻址的范围。在80C51中，程序计数器PC是一个16位的计数器，故最大寻址空间为64KB(216)DesignedByCYQ程序计数器PC的根本工作方式一般情况下，程序计数器PC自动加1当执行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将根据跳转指令置入新的数值当执行调用指令或响应中断时，PC的现行值先压栈保护，再将子程序的入口地址或者中断矢量地址送入PC，执行子程序或中断效劳程序，当遇到返回指令RET或RETI时，将栈顶的内容送到PC存放器中，程序流程又返回到原来的地方，继续执行DesignedByCYQPC的输出与P0、P2口之间的关系DesignedByCYQ数据指针DPTR从结构上说，DPTR是一个16位的特殊功能存放器，主要功能是作为片外数据存储器寻址用的地址存放器〔间接寻址方式〕DPTR存放器也可以作为访问程序存储器时的基址存放器〔基址+变址寻址方式〕DPTR既可以作为一个16位存放器处理，也可以作为两个8位存放器处理，其高8位用DPH表示，低8位用DPL表示DesignedByCYQ算术逻辑运算单元ALU

从结构上，该单元实质上是一个全加器，其输入有两个：通过暂存器1的输入：存放器、立即数、直接寻址单元〔含I/O口〕、内部RAM及存放器B。通过暂存器2或累加器ACC的输入DesignedByCYQ累加器ACC或A累加器是CPU中使用最频繁的一个存放器ALU单元的输入之一，是处理数据源之一ALU运算结果的存放单元，即ALU运算结果又通过内部总线送入累加器A中存放CPU中的数据传送大多都通过累加器，故又相当于一个数据的中转站DesignedByCYQB存放器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一乘法中：ALU的两个输入分别为AB，运算结果存放在AB存放器对中，其中A中存放积的低8位，B中存放积的高8位除法中：被除数取自A，除数取自B，商数存放于A，余数存放于B在其它情况下，B存放器可以作为内部RAM中的一个单元来使用DesignedByCYQ程序状态字PSW作用是一个逐位定义的8位的存放器，其内容的主要局部是算术逻辑运算单元(ALU)的输出。它是一个程序可访问的存放器，而且可以按位访问格式MSBLSBCYACF0RS1RS0OV-PDesignedByCYQ程序状态字PSW位含义位名称符号含义PSW.0PP=1表示累加器A中值包含1的位数是奇数PSW.1-保留位PSW.2OVOV=1表示运算结果超出8位有符号数的范围PSW.3RS0工作寄存器选择控制位（低位）PSW.4RS1工作寄存器选择控制位（高位）PSW.5F0用户可使用的通用标志位PSW.6ACAC=1表示字节运算中低字节产生进位或借位PSW.7CYCY=1表示运算结果中高位产生进位或借位DesignedByCYQ时钟电路80C51单片机内带有时钟电路，只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件〔晶体振荡器和微调电容〕，即可构成一个稳定的自激振荡器DesignedByCYQ振荡器及定时控制元件参数振荡器的工作频率一般在1.2~12MHz之间，目前所能采用的频率范围0Hz~40MHz电容C1和C2的大小影响振荡器振荡的稳定性和起振的快速性，通常选择在10~30pF左右在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性当由外部输入时钟信号时，对外部信号的占空比没有要求，但上下电平持续时间应不小于20nsDesignedByCYQ内部时钟发生器内部时钟发生器实质上是一个2分频的触发器。其输入由振荡器引入的，输出为两个节拍的时钟信号。输出的前半周期，节拍1(P1)信号有效；后半周期，节拍2(P2)信号有效。每个输出周期为一个计算机CPU的状态周期，即时钟发生器的输出为状态时钟。每个状态周期内包括一个P1节拍和一个P2节拍，形成CPU内的根本定时时钟DesignedByCYQ时序定时单位节拍最小的时序定时单位节拍周期=振荡周期=1/fosc状态包含两个节拍状态周期=2*

1/fosc机器周期包含六个状态机器周期=12*

1/fosc指令周期执行一条指令所需要的时间可包含1,2,4个机器周期DesignedByCYQ80C51时序定时单位关系图DesignedByCYQ存储器地址空间物理存储器地址空间〔4个〕片内程序存储器和片外程序存储器片内数据存储器和片外数据存储器逻辑存储器地址空间〔3个〕片内、片外统一的64KB程序存储器地址空间片内256(或384)Byte数据存储器地址空间片外64KB的数据存储器地址空间DesignedByCYQ80C51存储器映象图DesignedByCYQ程序存储器80C51单片机的程序存储器用于存放经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数采用16位的程序计数器PC和16位的地址总线(P0和P2端口)，其可扩展的地址空间为64KB，且这64KB地址是空间连续、统一的程序存储器可以分为片内和片外两局部，CPU访问片内或片外存储器由/EA引脚所接的电平来确定DesignedByCYQ程序存储器的访问/EA引脚接高电平时，CPU先访问片内存储器；当PC值超出片内ROM容量时，会自动转向片外程序存储器空间执行/EA引脚接低电平时，迫使系统全部执行片外程序存储器程序80C51系列单片机正常运行时，应将引脚接高电平；80C31/32单片机应将/EA引脚固定接低电平DesignedByCYQ程序存储器的特定入口地址特定入口地址作用0000H复位或非屏蔽中断0003H外部中断0000BH定时器T0溢出中断0013H外部中断1001BH定时器T1溢出中断0023H串行口中断002BH定时器T2/T2EX下降沿DesignedByCYQ数据存储器数据存储器用来存放随机数据数据存储器分片内数据存储器和片外数据存储器片内数据存储器通常采用直接寻址或利用Ri(i=0,1)存放器的间接寻址，其最大寻址范围为256个字节片外数据存储器可利用Ri(i=0,1)存放器的间接寻址方式，其最大寻址范围为256个字节；也可以通过专门设置的16位数据指针存放器DPTR进行间接寻址，其最大寻址范围为64KBDesignedByCYQ片内数据存储器片内数据RAM区(00H~7FH/0FFH)工作存放器区(00H~1FH)位寻址区(20H~2FH)字节寻址区(30H~7FH)堆栈区及堆栈指示器((SP)=07H(默认))特殊功能存放器SFR区(80~0FFH)DesignedByCYQ片内数据存储器地址空间分布图DesignedByCYQ工作存放器区有4个通用工作存放器组，每组包含8个8位存放器，编号为R0~R7，共32个单元，字节地址00H~1FH在某一时刻只能选用一个工作存放器组使用。可通过软件对程序状态字PSW中的RS0、RS1位进行设置RS1RS0组号单元地址000组（0体）00H~07H011组（1体）08H~0FH102组（2体）10H~17H113组（3体）18H~1FHDesignedByCYQ位寻址区有16个字节单元，共包含128位，既可进行字节寻址又可实现位寻址字节地址20H~2FH，位地址00H~7FH字节地址位地址765432102FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H………………………20H07H06H05H04H03H02H01H00HDesignedByCYQ字节寻址区对于80C51型单片机，字节寻址区共80个字节单元，字节地址30H~7FH，可以采用直接字节寻址的方法访问对于80C52型单片机，高128B的RAM区和SFR区的地址空间是重叠的，字节地址80H~0FFH。访问高128BRAM区时，应选用间接寻址方式；访问SFR区，那么应选用直接寻址方式DesignedByCYQ堆栈区及堆栈指示器SP堆栈是在片内数据RAM区中，数据先进后出或后进先出的区域，80C51中利用一个8位存放器即堆栈指示器SP存放当前的堆栈栈顶所指存储单元地址堆栈有两种操作：进栈(PUSH)和出栈(POP)80C51单片机的堆栈是向上生成的：进栈操作时，(SP)+1→SP；出栈操作时，(SP)-1→SP系统复位后，(SP)=07H，可通过软件对SP的内容重新定义，堆栈深度以不超过片内RAM空间为限DesignedByCYQ特殊功能存放器SFR区特殊功能存放器是80C51单片机中各功能部件所对应的存放器，用以存放相应功能部件的控制命令、状态或数据的区域80C51系列单片机设有128Byte片内数据RAM结构的特殊功能存放器空间，字节地址80H~0FFH80C51中共定义了21个特殊功能存放器，80C52中中共定义了26个特殊功能存放器，除此而外，其它地址访问无效DesignedByCYQ特殊功能存放器名称和地址序号标识符名称字节地址位地址1ACC累加器0E0H0E0H~0E7H2BB寄存器0F0H0F0H~0F7H3PSW程序状态字0D0H0D0H~0D7H4SP堆栈指针81H5DPH数据指针（高位）83H6DPL数据指针（低位）82H7P0P0口80H80H~87HDesignedByCYQ特殊功能存放器名称和地址序号标识符名称字节地址位地址8P1P1口90H90H~97H9P2P2口0A0H0A0H~0A7H10P3P3口0B0H0B0H~0B7H11IP中断优先级控制0B8H0B8H~0BFH12IE中断允许控制0A8H0A8H~0AFH13TMOD定时/计数器方式控制89H14TCON定时/计数器控制88H88H~8FHDesignedByCYQ特殊功能存放器名称和地址序号标识符名称字节地址位地址15T2CON定时/计数器2控制0C8H0C8H~0CFH16TH0定时/计数器0(高位)8CH17TL0定时/计数器0(低位)8AH18TH1定时/计数器1(高位)8DH19TL1定时/计数器1(低位)8BH20TH2定时/计数器2(高位)0CDH21TL2定时/计数器2(低位)0CCHDesignedByCYQ特殊功能存放器名称和地址序号标识符名称字节地址位地址22RCAP2H定时/计数器2自动再装载(高位)0CBH23RCAP2L定时/计数器2自动再装载(低位)0CAH24SCON98H98H~9FH25SBUF99H26PCON97HDesignedByCYQ布尔(位)处理器在位处理中的累加器CY位寻址的数据存储RAM位寻址的存放器位寻址的并行I/O口位操作指令系统DesignedByCYQ复位操作寄存器复位内容寄存器复位内容寄存器复位内容PC0000HP0~P30FFHTL100HACC00HTMOD00HTH100HB00HTCON00HSCON00HPSW00HIE0XX00000BSBUF不定SP07HTL000HPCON0XXX0000BDPTR0000HTH000HIPXXX00000BDesi