第二章 80C51单片机的硬件

1、第2章 MCS-51 单片机组成原理,2.1 MCS-51单片机的内部结构 2.2 引脚功能 2.3 MCS-51单片机的总线 2.4 MCS-51单片机存储器 2.5 输入/输出端口 2.6 时钟电路及时序,退出,北华航天工业学院,2.1 MCS-51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。（89C51） 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

2、件结构和软件特征，其内部结构如图2.1所示。,北华航天工业学院,北华航天工业学院,2.1 MCS-51单片机的内部结构,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； .,北华航天工业学院,2.2 内部结构,MCS-51系列单片机内部可分为五大部分 2.2.1 CPU CPU包括运算器和控制器两部分。 2.2.1.1 运算器 运算器包括算术逻辑部件(ALU)、累加器A、暂存寄存器、寄存器B、程序状态寄存器（PSW），十进制调整电路等。运算器主要用于实现算术/逻辑运算及位操作运算。下面介绍运算器的各组成部

3、分。 1、算术逻辑部件ALU 2、累加器A 3、寄存器B 4、程序状态字寄存器PSW 5、布尔处理器、暂存器、十进制调整电路等,北华航天工业学院,2.2.1.2 控制器,包括： 程序计数器PC 指令寄存器 指令译码器 振荡器 定时电路 数据指针寄存器、堆栈指针寄存器等,北华航天工业学院,2.2.2 内部存储器,程序存储器 ROM 数据存储器 RAM,00H,FFH,7FH,SFR,RAM,00H,FFFH,ROM,01H,北华航天工业学院,2.2.3 定时与中断系统,定时器/计数器 2个加法计数器 中断系统 5个中断源,2.2.4 I/O口,4个8位并行I/O口 1个全双工串行口,2.2.5

4、时钟电路,为单片机产生时钟脉冲序列，用于协调和控制单片机的工作 产生方式有两种：内部时钟 外部时钟 80C51时钟频率范围：1.212MHz,北华航天工业学院,2.3 MCS-51单片机的引脚功能,MCS-51单片机共有40个引脚。,北华航天工业学院,北华航天工业学院,2.4 MCS-51单片机存储器,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

5、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。,北华航天工业学院,2.4 MCS-51单片机存储器,北华航天工业学院,2.3.1 程序存储器 8051单片机内部有4KB的掩膜ROM（0000H3FFFH）、8751单片机内部有4KB的EPROM，而8031内部没有程序存储器，必须外接程序存储器。 程序存储器扩展连接方法 程序从0000H开始；有一些特殊功能的区域，如中断入口地址。

6、 访问外部存储器需要利用外部总线进行地址和数据的传输，此时用P0、P2口,北华航天工业学院,中断入口地址表：,北华航天工业学院,程序计数器PC,16位寄存器，用于存放将要执行的指令的地址，可寻址64K范围。PC在物理结构上相对独立，不属于SFR，如将要执行的指令为多字节指令，则PC存放指令的第一个字节的地址。 PC的功能： 复位功能 计数功能 直接置位功能,北华航天工业学院,程序存储器的扩展,访问外部存储器需要利用外部总线进行地址和数据的传输，此时用P0、P2口作为数据/地址总线,北华航天工业学院,2.3.2 数据存储器,MCS-51系列单片机数据存储器分内部数据存储器（即片内RAM）和外部数

7、据存储器（即片外RAM）。 1、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。,北华航天工业学院,北华航天工业学院,（1）工作寄存器区,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

8、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。,北华航天工业学院,表2-5 RS1、RS0与寄存器区的关系,北华航天工业学院,（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。,北华航天工业学院,北华航天工业学院,（3）.用户区,在内部RAM低128单元中，通用

9、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。,北华航天工业学院,*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。 堆栈的操作有 压入：PUSH 弹出：POP,北华航天工业学院,2、外部数据存储器 由于MCS-51子系列单片机内部数据存储器只有128个字节，往往不够用，这就需要扩展外部数据存储器，外部数据存储器最多可扩至64KB。 访问外部存储器需要利用外部总线进行地址和数据的传输，

10、此时用P0、P2口 访问外部数据存储器只能用间接寻址，两种方式：DPTR和Ri（i=0、1），并有专用指令 思考：1.扩展数据存储器时，系统是否会将数据和地址混淆 2.同时扩展数据存储器和程序存储器是否会产生混乱,北华航天工业学院,外部存储器扩展实例,见课本P36,北华航天工业学院,2.3.3 总线,为多个部件服务的信息传送线，可分为： 地址总线：AB 数据总线：DB 控制总线：CB,北华航天工业学院,2.4 工作寄存器和特殊功能寄存器 1、工作寄存器 MCS-51有32个工作寄存器，分为四个区（或组）每个区为8个寄存器R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，每一时刻只有一个区工作。由

11、PSW寄存器中的RS1、RS0的值来决定当前的工作区： 当RS1 RS000时，0区为工作区， RS1 RS001时，1区为工作区 RS1 RS010时，2区为工作区 RS1 RS011时，3区为工作区,北华航天工业学院,这32个工作寄存器不但有它们的名称和区号，而且还有地址。00H-1FH共32个单元。 00H07H为0区，分别对应R0R7 08H0FH为1区，分别对应R0R7 10H17H为2区，分别对应R0R7 18H1FH为3区，分别对应R0R7,北华航天工业学院,这32个单元为内部数据存储器（即片内RAM）的00H1FH存贮空间，这与普通微机中的通用寄存器基本相同，所不同的是，普通微

12、机的通用寄存器只有名称，不占有RAM空间，因此只有名字，没有对应的地址；而MCS-51单片机的工作寄存器R0R7既可以用名字也可以用它的地址来表示。其中R0、R1寄存器除做工作寄存器外还常做间址寻址的地址指针。,北华航天工业学院,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（Special Function Registers）。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、

13、名称和地址等。,北华航天工业学院,北华航天工业学院,北华航天工业学院,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，8

14、0C51共计有210位可寻址位。,北华航天工业学院,这21个特殊功能寄存器中，有11个寄存器具有位寻址功能，即寄存器中的每位都具有位地址，可以按位寻址。11个寄存器的位地址如图2-3所示。,北华航天工业学院,北华航天工业学院,（1）程序计数器PC PC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。,北华航天工业学院,(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

15、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。,北华航天工业学院,(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。,北华航天工业学院,(4) 程序状态字PSW（PROGRAM STATUS WORD） 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

16、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。,北华航天工业学院,图2.5 程序状态字PSW,北华航天工业学院,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

17、件将AC置1；否则就被清除。AC还用于十进制调整，同DA A 指令结合起来使用。,北华航天工业学院,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。,北华航天工业学院,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

18、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。,北华航天工业学院,P（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。,北华航天工业学院,(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

19、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。,北华航天工业学院,SP的值除了可以用软件直接改变外（MOV SP， #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： PUSH ACC （压入堆栈） POP ACC （弹出堆栈）,北华航天工业学院,(6) 数据指针DPTR 数据指针DPTR是唯一1个16位的可寻址

20、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： MOV DPTR， #2000H MOVX A， PPTR ；将外RAM2000H单元内容A MOVC A， A+DPTR ；访问ROM指令,北华航天工业学院,(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

21、用起来较方便。 有关P0P3的详细情况，在后续内容中介绍。,北华航天工业学院,(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。,北华航天工业学院,(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。

22、,北华航天工业学院,(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。,北华航天工业学院,2.5 输入/输出端口,2.5.1 P0口 P0口有位，每一位由一个锁存器、两个三态输入缓冲器以及控制电路和驱动电路组成，其位结构如图2-7（a）所示。,北华航天工业学院,北华航天工业学院,结论： P0口即可做地址/数据总线，又可以做通用I/O口，当做地址/数据总线时就不能够再做通用I/O使用了。 做通用I/O时，需要外接上拉电阻。 做通用输入口时，需要区分读引脚和读锁存器，读

23、引脚时，需要先向锁存器写1.,北华航天工业学院,2.5.2 P1口 P1口是一个专用的8位准双向I/O口，只具有通用输入/输出口功能，每一位都能设定为输入或输出，它的位结构如图2-7（b）所示。,北华航天工业学院,P1口通常做通用I/O口使用，由于内接上拉电阻，所以无需外接。 读入数据时需区分读引脚和读锁存器，读引脚需先向锁存器写1。,北华航天工业学院,2.5.3 P2口 P2口是一个8位准双向I/O口，具有两种功能。一是作通用I/O口用，与P1口相同。二是作扩展系统的高8位地址总线。输出高8位地址，与P0口一起组成16位地址总线。它的位结构如图2-7（c）所示。,北华航天工业学院,2.5.4

24、 P3口 P3口也是一个8位准双向I/O口，除具有与P1口同样的功能（即可以作通用I/O口使用）外，还具有第二功能。当工作在第二功能时，每位都具有新的功能，各位的定义如表2-4。,北华航天工业学院,北华航天工业学院,P3口的位结构如图2-7（d）所示，当P3口作通用I/O口时，与P1口相同。,北华航天工业学院,2.5.5 P0P3口的负载能力及接口要求 P0口的输出级的每一位可驱动8个LSTTL门。P0口作通用I/O口时，由于输出级是开漏电路，故用它驱动NMOS电路时需外加上拉电阻；而作地址/数据总线时，无需外接上拉电阻。 P1口P3口的输出级的每一位可驱动4个LSTTL门。由于它们的输出级内

25、部有上拉电阻，因此组成系统时无需外加上拉电阻。 注意：系统复位后，P0P3口全部输出高电平。,北华航天工业学院,2.4 时钟电路及时序,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。 2.4.1 时钟电路 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。,北华航天工业学院,1、内部方式时钟电路 2、外部方式时钟电

26、路,北华航天工业学院,2.4.2 时序 1、基本概念 （1）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（）。,北华航天工业学院,（3）机器周期 一个机器周期由6个时钟周期组成，即S1S6，如果把一条指令的执行过程划分为几个基本操作，则完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。. T=12/fosc （4）指令周期 指令周期是执行一条指令所需的全部时间。MCS-51单片机的指令周期通常由14个机器周期组成。,北华航天工业学院,3典型时序分析 有关时序的内容比较繁杂，这里仅以外部RAM或I/O口的访问为例介绍一下单片机的时序，给大家建立时序的初步概念。,北华航天工业学院,MOVX A,DPTR,北华航天工业学院,对此时序说明如下： 第一个机器周期是读ROM的取指时序。从第二个机器周期开始读外部RAM。 第一个机器周期的4之后，为读外部RAM送出地址，其中包括P0的，2的15