第二章_51单片机内部结构.ppt

1、2.6 80C51的并行口结构与操作,本章内容：,2.1 80C51系列概述,2.2 80C51的基本结构与应用模式,2.3 80C51典型产品资源配置与引脚封装,2.4 80C51的内部结构,2.5 80C51的存储器组织,第2章 80C51的结构和原理,2.1 80C51系列概述,2.1.1 MCS-51系列 MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。这一系列的单片机有多种，如：,8051/8751/8031 8052/8752/8032 80C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C32等,生产工艺有两种：,在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片

2、，CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。,一是HMOS工艺（高密度短沟道MOS工艺）。,二是CHMOS工艺（互补金属氧化物的HMOS工艺）。,功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类（名称上）：,增强型： 8052/8752/8032 80C52/87C52/80C32,基本型： 8051/8751/8031 80C51/87C51/80C31,在片内程序存储器的配置上，该系列单片机有三种形式，即掩膜ROM、EPROM和无ROM。如：,80C51有4K字节的掩膜ROM 87C51有4K字节的EPROM 80C31在芯片内无程序存储器。,2.1.2 MCS-51系列,I

3、ntel：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等； ATMEL：89C51、89C52、89C2051等； Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品 。,80C51是MCS-51系列中CHMOS工艺的一个典型品种 ；其它厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为MCS-51系列。常用的MCS-51系列产品有：,2.2 80C51的基本结构与应用模式,2.2.1 80C51的基本结构,2.2.2 80C51的应用模式,总线型应用的“三总线”模式 非总线型应用的“多I/O”模式,一.总线型单片机应用模式,

4、单片机由于引脚有限，AB.DB.CB采用复用方式，可扩展： 1）芯片内无程序存储器时或容量不够需要扩展 2）需要扩展并行总线外围器件（当扩展外围器件较多较复杂时，系统可靠性降低，尽量减少扩展器件数量）,二.非总线型单片机应用模式（多I/O模式）,引脚数减少、体积减小。对于不需进行并行外围扩展，装置的体积要求苛刻且程序量不大的系统极其适合。,典型产品,如： AT89C2051/AT89C4051。,2.3 51典型产品资源配置与引脚,2.3.1 51典型产品资源配置,由表可见： 增强型与基本型的几点不同：,片内ROM：从4K增加到8K 片内RAM：从128增加到256 定时/计数器：从2个增加到

5、3个 中断源：从5个增加到6个。,无ROM型，要在片外扩展程序存储器；,掩膜ROM型，程序由芯片生产厂写入；,EPROM型，程序通过写入装置写入；,FlashROM型，程序可电写入（常用）。,片内ROM的配置形式：,还有OTPROM型，具有较高的可靠性。,2.3.2 80C51的引脚封装,总线型,非总线型,一、32位I/O端口 1.P0,P1,P2,P3四组,每组8根线,共32根线 2.P0.0P0.7一组共8条，P0.7为最高位，P0.0为最低位。P0口可以作为通用I/O口使用，输出/入数据。另外还用做与地址锁存器相连，在访问外部存储器时与P2口共同输出地址。P0为低8位，P2为高8位。 3

6、.P1.0P1.7一组共8条，P1.7为最高位，P1.0为最低位。P1口可以作为通用I/O口使用，输出/入数据。,3.P2.0P2.7一组共8条，P2.7为最高位，P2.0为最低位。P2口可以作为通用I/O口使用，与P0口共同输出/入地址。 4.P3.0P3.7一组共8条，P3.7为最高位，P3.0为最低位。P3口可以作为通用I/O口使用，输出/入数据。另外P3口还有第二功能！,P3.0 ：RXD P3.1 ：TXD P3.2 ：INT0 P3.3 ：INT1,P3.4 ：T0 P3.5 ：T1 P3.6 ：WR P3.7 ：RD,二.电源引脚 Vcc(40), Vss(20): 正电源端与接

7、地端（+5V/3.3V/2.7V)不同的单片机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也不同。 三.振荡电路输入引脚 XTAL1, XTAL2（18，19）:片内振荡电路输入/输出端 (P21页 图2-6),四.控制引脚 1.rst/Vpd:复位/备用电源线。可以使单片机处于复位状态。 2.EA*/Vpp: 寻址外部ROM控制端/编程电源输入端。 EA*:低有效 (理解记忆！) 接地（0）：不使用内部ROM或内部无ROM的MCU时 接高电平（1）:允许使用片内有ROM； 当PC0FFFH,且外部有扩展ROM时，CPU自动转向外部ROM的程序 Vpp(8751):对片内ROM编程时编程正

8、电源加到此端。,3.ALE /PROG*: 地址锁存允许/编程脉冲输入端。 ALE:P0口寻址外部低8位地址时接外部锁存器 G(LE)端；配合P0口第二功能使用。 当访问外部存储器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器； 不访问外部存储器时，ALE端以固定的振荡器振荡频率的1/6速率输出正脉冲信号，作为对外的时钟信号或定时脉冲ffosc/6 PROG*(8751)对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入。,单片机,锁存器74LS373,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,

9、(6)PSEN* ：低电平有效 寻址外部程序存储器时选通外部ROM的读控制端（OE*）,在读取外部ROM时，每个机器周期产生两次PSEN有效信号（负脉冲），但执行片内ROM取指令时，不产生PSEN信号（高电平）,2.4 80C51的内部结构,RAM 128B,RAM地址寄存器,P3口,P1口,P2口,P0口,锁存器,锁存器,锁存器,锁存器,中断 定时/计数器 串行口,SP,B,ACC,暂存器1,暂存器2,PSW,指令寄存器IR,指令译码器ID,DPL,缓冲器,程序计数器PC,PC增量器,地址寄存器AR,定时与控制,4K ROM,ALU,DPH,运算器,控制器,存储器,I/O接口,2.4.1 8

10、0C51的内部结构,一、80C51的CPU:控制单片机运行，执行指令，进行算术逻辑运算等控制操作,运算器: ALU(全加器，布尔运算器) 累加器ACC （很多场合需要用到 ） 寄存器B：乘除法中与A配合使用 PSW ：程序状态字（运算的状态）,控制器： 程序计数器PC 指令寄存器IR 定时与控制逻辑,二、片内存储器 程序存储器和数据存储器2个独立的空间（称为哈佛结构）：,ROM：4K 范围是：000H0FFFH,RAM：256B 范围是：00H7FH,三、I/O口及功能单元,并口：P0P3，双向口。每口8条I/O线,串行口：P3.0、P3.1，全双工,定时/计数器： 2个，16位,中断系统：5

11、个中断源，2个优先级,四、特殊功能寄存器（SFR）,21个SFR，地址80HFFH。只占用了80HFFH中的21个字节单元，且这些单元是离散分布的。,增强型单片机的SFR有26个字节单元，所增加的5个单元均与定时/计数器2相关。,2.5 80C51的存储器组织,80C51存储器可以分成两大类：,RAM，CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。,ROM，写入信息后不易改写的存储器。断电后，其中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。,INTEL MCS51 单片机,程序

12、存储器与数据存储器分别编址 冯诺依曼结构 8XC196/MSP430 单片机,程序存储器与数据存储器统一编址 普林斯顿结构,0FFFH=4K FFH=255 FFFFH=64K,从逻辑上分为三个空间： 1、程序空间（0000H-0FFFFH） MOVC 2、片内数据空间（00H-7FH或0FFH） MOV 3、片外数据空间（0000H-0FFFFH） MOVX 从物理上分为四个空间： 1、片内程序空间（0000H-0FFFH） MOVC 2、片外程序空间（1000H-0FFFFH） 3、片内数据空间（00H-7FH或0FFH） MOV 4、片外数据空间（0000H-0FFFFH） MOVX,2

13、.5.1 8051的数据存储器配置,1.片内RAM 低128字节（00H7FH）； (1)00H-1FH:前32个单元是工作寄存器区 (2)20H-2FH:128个可按位寻址的位,占16个单元,位地址编号为:00H-7FH (3)30H-7FH:片内一般RAM 2.片内RAM 高128字节（80H-FFH） 离散分布着21个特殊功能寄存器 SFR 其中:地址号能被8整除的SFR中的可以按位寻址！ 3.可寻址片外RAM 64K字节 （0000HFFFFH） 4.片内ROM 4K字节 （000HFFFH） 5.片外ROM 64K字节 （0000HFFFFH）,1.片内RAM 低128字节（00H7

14、FH）,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SFR分布在80H-FFH 其中92个位可位寻址,80H,FFH,所有的RAM区(包括位寻址区、工作寄存器区）都可以用于存放数据,89C51 128字节,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,普通RAM区,位寻址区,R2,R1,R3,R4,R5,R6,R7,07H,02H,01H,06H,04H,05H,03H,08H,1FH,工作寄存器区3,工作寄存器区2,工作寄存器区1,0FH,10H,17H,18H,片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH),工作寄存

15、器区0,工作寄存器区,低端32个字节分成4个工作寄存器组，每组8个单元。当前工作寄存器组的机制便于快速现场保护。,PSW的RS1、RS0 决定当前工作寄存器组号 寄存器0组 ：地址00H07H； 寄存器1组 ：地址08H0FH； 寄存器2组 ：地址10H17H； 寄存器3组 ：地址18H1FH。,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,20H2FH单元 片内RAM中128个可按位寻址的位。 位地址:00H7FH,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,27H,22H,21

16、H,20H,26H,24H,25H,23H,28H,2FH,单元地址,07 06 05 04 03 02 01 00,0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 08,17 16 15 14 13 12 11 10,1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18,27 26 25 24 23 22 21 20,2F 2E 2D 2C 2B 2A 29 28,37 36 35 34 33 32 31 30,3F 3E 3D 3C 3B 3A 39 38,47 46 45 44 43 42 41 40,7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78,位地址,总共128个可按位寻址的位,位寻址区,通用

17、RAM区（普通RAM区）,30H至7FH共80个字节 作为数据缓冲器 操作指令丰富，数据处理方便灵活,堆栈区：通常在30H7FH范围 栈顶：SP寄存器指示 复位时SP的初值为07H,2.5.2 8051的程序存储器配置,PC:16位计数器，能寻址64KB的ROM。,39,片内 ROM 4K字节 （0000H0FFFH）(与片内ROM重叠，由EA决定）； 可寻址片外ROM 64K字节 （0000HFFFFH）； 可寻址片外RAM 64K字节 （0000HFFFFH）；,FFFFH,0000H,可寻址片外RAM,64K字节,FFFFH,0000H,可寻址片外ROM,64K字节,FFFH,000H,

18、可寻址片内 ROM,4K 字节,8051,7FH,00H,片内 RAM,128字节,FFH,80H,0FFFH,与片内 ROM重叠,40,(1)程序存储器存放调试好的应用程序和表格常数（TAB: DB *H,*H,.） (2)MCS-51采用16位的PC和16位的地址总线（P2+P0），使64k程序存储器空间连续、统一 (3)对于内部有ROM的CPU，EA*接高电平，程序首先从内部ROM开始执行，当PC0FFFH时，自动转向外部ROM(1000-0FFFFH)地址空间执行程序 (4)对于内部没有ROM的CPU，EA*接低电平，迫使CPU从外部ROM取指令；（少见了） (5)内部RAM和外部RA

19、M存在地址重叠，但不会造成操作混乱，通过不同的指令来区别：访问内部RAM,用MOV指令，访问外部RAM，用MOVX指令,NOTE:,2.5.3 89C51特殊功能寄存器(SFR),特殊功能寄存器SFR（专用寄存器） 专用于控制、选择、管理、存放单片机内部各部分的工作方式、条件、状态、结果的寄存器。,不同的SFR管理不同的硬件模块，负责不同的功能各司其职,换言之：要让单片机实现预订的功能，必须有相应的硬件和软件，而软件中最重要的一项工作就是对SFR写命令（要求）。,2.5.3 8051的特殊功能寄存器(SFR),43,特点： PC 不是一个特殊功能寄存器SFR，但其作用又十分重要和特殊! 它是1

20、6位的按机器周期自动增1计数器 总指向下一条指令所在首地址(当前PC值) 一切分支/跳转/调用/中断/复位 等操作的本质就是:改变 PC 值 PC 没有地址，不可寻址，复位后，PC=0000H，系统从ROM:0000h单元开始执行程序,1.程序计数器PC,8051有21个SFR (8052有26个),P0: P0口锁存器 80h P1: P1口锁存器 90h P2: P2口锁存器 0A0h P3: P3口锁存器 0B0h setb p1.0,堆栈指针寄存器 SP（Stack Pointer) 81h 总是指向栈顶,压栈时先 (SP)+1 然后数据进栈；弹栈时数据先出栈 然后(SP)-1。,累加

21、器 ACC 0E0H 一个被众多指令用得最频繁的特殊功能寄存器(如：运算、数据传输)。JB ACC.7,NEXT 寄存器B (0F0H) 一个经常与 ACC 配合在一起使用的特殊功能寄存器(如：乘法 MUL AB、除法 DIV AB)，此外，它也经常当作普通寄存器使用。,程序状态字寄存器 PSW (Program Status Word)： Bit addressable (0d0h),CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,CY(PSW.7 Carry Flag)进位/借位标志位。若ACC在运算过程中发生了进位或借位，则CY=1；否则=0。它也是布尔处理器的位累加

22、器，可用于布尔操作。,AC(PSW.6 Auxiliary Carry Flag)半进位/借位标志位。若ACC在运算过程中，D3位向D4位发生了进位或借位，则CY=1,否则=0。机器在执行“DA A”指令时自动要判断这一位，我们可以暂时不关心它。,F0 (PSW.5 Flag 0) 用户可以根据需要对F0赋以一定的含义,47,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。,RS1，RS0 = 0 0 则选择了工作寄存器组 0 区 R0R7分别代表00H 07H单元。 mov psw,#00h RS1，RS0 = 0 1 则选择了工作寄

23、存器组 1 区 R0R7分别代表08H 0FH单元。 mov psw,#08h RS1，RS0 = 1 0 则选择了工作寄存器组 2 区 R0R7分别代表10H 17H单元。 mov psw,#10h RS1，RS0 = 1 1 则选择了工作寄存器组 3 区 R0R7分别代表18H 1FH单元。mov psw,#18h setb rs1setb rs0,片内RAM前32个单元(00H1FH)是工作寄存器区 (由PSW中的RS1,RS0决定) 系统复位后，PSW=00H,自动选择0007h单元,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有 的RAM区,普通RAM

24、区,位寻址区,工作寄存器区,R0,R2,R1,R3,R4,R5,R6,R7,07H,02H,01H,00H,06H,04H,05H,03H,08H,1FH,工作寄存器区3,工作寄存器区2,工作寄存器区1,工作寄存器区0,49,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,OV (PSW.2)溢出标志位。 OV=1时特指累加器在进行带符号数(-128+127)运算时出错（超出范围）；OV=0时未出错。,PSW.1 保留位，未定义。,P (PSW.0)奇偶标志位。 P=1表示累加器中“1”的个数为奇数(odd) P=0表示累加器中“1”的个数为偶数(even) CPU随时监视

25、着ACC中的“1”的个数,并反映在PSW中,PSW.2,PSW.1,DPTR (DATA POINTER) 数据指针寄存器 单片机内部唯一的一个可以供用户使用的16位寄存器（PC 16位 不可寻址），用来存放16位地址值，以便用间接寻址或变址寻址片外存储器。DPTR可分成DPL(LOW)和DPH(HIGH)两个8位寄存器分别使用。 PUSH DPTR (错) Push dpl (对) Push dph (对),此外还有如下寄存器，它们将在后面章节介绍： IP (Interrupt Priorities) 中断优先级控制寄存器。 IE (Interrupt Enable)中断允许控制寄存器。 T

26、MOD (Timer Mode Register) 定时器/计数器方式控制寄存器。 TCON (Timer Control Register) 定时器/计数器控制寄存器。 TH0，Tl0 (Timer 0 Low/High) 定时器/计数器0 TH1，Tl1(Timer 1 Low/High) 定时器/计数器1 SCON (Serial Control Register) 串行端口控制寄存器。 SBUF (Serial Buffer Register) 串行数据缓冲器。 PCON (Power Control Register) 电源控制寄存器。,2.5.4 堆栈（stack） 在片内RAM中

27、，常常要指定一个专门的区域来存放某些特别的数据,它遵循顺序存取和后进先出(LIFO/FILO）-Last In First Out的原则,这个RAM区叫堆栈。,功用： 1）子程序调用和中断服务程序时CPU自动将当前PC 值压栈保存，返回时自动将PC值弹栈。 2）保护现场/恢复现场 3）数据传输,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP栈顶,下一个进栈的数据将存在此,数据进栈,已经进栈的数据存放在此,初始 SP,堆栈区由SFR 堆栈指针SP管理 堆栈区可以安排在 RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通

28、常放在RAM区的靠后的位置。,从堆栈取出数据时：取出的数据是最近放进去的一个数据，也就是当前栈顶的数据。然后SP再自动减1，仍指着栈顶,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP栈顶,当前要出栈的数据,数据出栈,SP-1指向下一个将要出栈的数据,初始 SP,从堆栈取出数据时：取出的数据是最近放进去的一个数据，也就是当前栈顶的数据。然后SP再自动减1，仍指着栈顶,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP-1 指向新的栈顶,也就是下一个将要出栈的数据,数据出栈,初始 S

29、P,复位后 SP=07H，堆栈区在工作寄存器区1，一般对SP的值进行重新初始化。,一、与运算器相关的寄存器（3个）,累加器ACC，8位。提供操作数，存结果；,寄存器B，8位。主要用于乘、除法运算。,程序状态字寄存器PSW，8位。各位含义为： CY：进位、借位标志。有进位、借位时 CY=1，否则CY=0； AC：辅助进位、借位标志； F0：用户标志位，由用户自己定义； RS1、RS0：当前工作寄存器组选择位； OV：溢出标志位。有溢出时OV=1，否则OV=0； P：奇偶标志位。ACC中结果有奇数个1时P=1，否则 P=0。,二、指针类寄存器（3个）,堆栈指针SP，8位。总是指向栈顶。遵循“后进先

30、出”的原则 入栈时，SP先加1，数据再压入SP指向的单元。出栈操作时 先将SP指向的单元的数据弹出，然后，SP再减1，这时SP指向的单元是新的栈顶。,80C51单片机的堆栈区是向地址增大的方向生成的。,三、与端口相关的寄存器（7个）,并行I/O口P0、P1、P2、P3，均为8位；,串行口数据缓冲器SBUF； 串行口控制寄存器SCON； 串行通讯波特率倍增寄存器PCON，（又称为电源控制寄存器）。,数据指针DPTR。用来存放16位的地址。 它由两个8位的寄存器DPH和DPL组成。,四、与中断相关的寄存器（2个）,中断允许控制寄存器IE； 中断优先级控制寄存器IP。,五、与定时器/计数器相关的寄存

31、器（6个）,T0的两个8位计数初值寄存器TH0、TL0 T1的两个8位计数初值寄存器TH1、TL1 工作方式寄存器TMOD； 控制寄存器TCON。,2.4.2 80C51的时钟与时序,一、时钟产生方式,内部时钟 外部时钟,二、时钟信号,1个机器周期：12个晶荡周期（或6个时钟周期）,指令的执行时间称作指令周期 （单、双、四周期）,三、80C51的典型时序,指令微操作在时间上的次序，即时序。,单字节指令 双字节指令,1、单周期指令时序,2个机器周期中ALE有效4次，后3次读操作无效。,2、双周期指令时序,在第二机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据存储器的寻址和数据选通 。ALE信号会出现非

32、周期现象。,访问外部RAM的双周期指令时序,2.4.3 80C51单片机的复位,一、复位电路 复位可使单片机或系统部件处于确定的初始状态。,上电复位电路 按键与上电复位,二、单片机复位后的状态,PC=0000H RAM：随机值（运行中复位不改变RAM内容 ）,SFR状态 P0P3=FFH SP=07H IP、IE和PCON：有效位为0 PSW=00H,2.6 80C51的并行口结构与操作,2.6.1 P0口、P2口的结构,一、 P0口的结构,1、 P0用作通用I/O口,系统不扩展（片外ROM、片外RAM ）时，P0用作通用I/O口。,MUX接锁存器反相端,T1截止，漏极开路,此时，C=0,输出

33、时，执行口输出指令，数据在“写锁存器”信号作用下，经锁存器反向端送至T2，反相后送至P0.X。,输入时，数据可读自锁存器，也可读自引脚。由指令是“读锁存器”指令还是“读引脚”指令来决定。,“读修改写”类指令（如：ANL P0，A）产生“读锁存器”操作信号；,读锁存器可避免因外部电路原因使原口引脚的状态发生变化造成的误读。,“MOV”类指令（如：MOV A，P0）内部产生的是“读引脚”信号。此时要先向锁存器写入“1”，使T2截止，让引脚处于悬浮状态，使口处于高阻抗输入态。,否则，在作为输入方式之前曾向锁存器输出过“0”，则T2导通会使引脚箝位在“0”电平，使输入高电平“1”无法读入。,因此，P0

34、口作为通用I/O时，属于准双向口。,2、P0用作地址/数据总线,系统进行扩展（片外ROM、片外RAM ）时，P0用作地址/数据总线。,MUX接反相器,T1截止与导通由地址/数据线的状态决定,此时，C=1,执行输出指令时，低8位地址信息和数据信息分时地出现在地址/数据总线上。,执行输入指令时，首先低8位地址信息出现在地址/数据总线上。然后，CPU自动地使MUX拨向锁存器，并向P0口写入FFH，同时“读引脚”信号有效。,P0口作为地址/数据总线使用时是一个真正的双向口。,二、 P2口的结构,P2用作通用I/O口,不扩展ROM，或只扩展256B的片外RAM时，仅用到了地址线低8位，P2仍可作为通用I/O口。,输出时，数据由D端进入锁存器，经反相器送至T，经T反相送引脚。,输入时，数据可读自锁存器，也可读自引脚。要根据输入采用的是“读锁存