第二章(80C51单片机的硬件结构)

第二章80C51单片机的硬件结构§2-180C51单片机内部结构及引脚§2-280C51存储器配置§2-380C51的中断系统§2-480C51定时器\计数器§2-580C51的串口通信§2-180C51单片机内部结构及引脚一、系统资源及主要性能特点1、系统资源MCS-51单片机是Intel公司1980推出的高档8位单片机，采用40脚双列直插封装或44脚方形封装，51、52系列功能兼容。8031内包括：1个8位CPU；128个字节RAM；21个特殊功能寄存器；4个8位并行I/O口；1个全双工串行口（二根线）；2个16位定时计数器器；1个片内振荡器和时钟电路；5个中断源2个中断优先级；8051/8751：带有4KBROM/EPROM52子系列的RAM/ROM容量为：256B/8KB2、性能特点单片机为哈佛结构的计算机，除上述基本资源外，还具有如下特点：外部程序存储器：可扩展到64KB；外部数据存储器：可扩展到64KB；堆栈：最深128B/256B；输入/输出口线：32根；寄存器区：划出RAM中32B作为通用寄存器；具有位寻址功能；单一“+5V”电源；系统时钟1~12MHz，常用12MHz、11.0592MHz和6MHz。二、MCS-51单片机基本结构1、内部结构框图结构简图如图2-1所示包括：CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接口等计算机的基本组成。2、外部引脚共40个引脚，大致可分为四类，其逻辑符号如图2-2所示。1）电源引脚VCC和VSSVCC：40脚，电源端，+5VVSS：20脚，接地端（GND）2）时钟电路引脚XTAL1：19脚，外接晶振输入引脚。XTAL2：18脚，外接晶振输出引脚。3）控制线引脚共4根，其中3根为双功能①RST/VPD：9脚，复位/备用电源。RST---通过外接复位电路实现上电复位或按键复位。VPD---可外接备用电源，在VCC掉电时向RAM供电。②/VPP：31脚，内外ROM的选择/EPROM编程电源。=0：访问外部ROM；=1：访问内部ROM；PC值超过0FFFH（4KB）时，自动转向外ROM。VPP---在8751片内EPROM编程期间，为21V编程电源输入端。③ALE/：30脚，地址锁存允许/编程脉冲。ALE---访问外ROM或RAM时，用来驱动地址锁存器锁存P0口分时送出的低8位地址（下降沿有效）。不访问外存储器时，该端以1/6时钟频率输出正脉冲，可用作为外部时钟。带8个LS型TTL门电路。---8751片内EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。④：29脚，读外部ROM选通信号，即该脚有效时（上升沿），外ROM允许输出。每个机器周期2次有效。从内部ROM取指时不产生。可带8个LS型TTL门电路。EAEAEAPROGPROGPSEN4）I/O引脚P0口：P0.0~P0.7，39~32脚，外接存储器时作地址/数据分时使用口线；不接外部存储器时，可用作为8位准双向I/O口。P1口：P1.0~P1.7，1~8脚，8位准双向I/O口。P2口：P2.0~P2.7，21~28脚，8位准双向I/O口。外接存储器时作为高8位地址总线。P3口：P3.0~P3.7，10~17脚，8位准双向I/O口，出于芯片引脚数的限制，P3口具有第二输出、输入功能。三、微处理器（CPU）（一）运算器组成：ALU、TMP1、TMP2、A、B、PSW、DAA和布尔处理机等。DAA：BCD码十进制修正，由专用电路实现。布尔处理机：进位位CY，被称作“位累加器”，可在任何可寻址的位与CY间进行逻辑运算操作。与通用CPU相比，增加了暂存寄存器和B寄存器（二）控制器组成：PC、SP、DPTR、IR、ID、PLA等1、时钟电路（1）振荡源（oscillation）MCS-51的HMOS芯片内部时钟电路的振荡源有两种方式提供，即内部自激振荡方式、外部振荡脉冲源方式。（1）振荡源（oscillation）内部方式在XTAL1、XTAL2跨接定时元件和两个电容就构成了自激振荡器。如图2-3.1所示。C1、C2取5~30PF，起微调和稳定作用。晶振频率：fosc=1.2~12MHZ常用频率为6、12、11.0592MHz。外部方式外部振荡脉冲信号直接由XTAL2端输入，此时，XTAL1应接地，而片内振荡电路不起作用，如图2-3.2所示。常用于多块8051同时工作，以便同步，要求信号频率低于12MHz。（2）时序振荡脉冲并不直接使用，由XTAL2端送往内部时钟电路：经过2分频，向CPU提供2相时钟信号P1和P2；再经3分频，产生ALE时序；经过12分频，成为机器周期信号，如图2-3.3所示。需要指出的是，CPU的运算操作在P1期间，数据传送在P2期间。时钟周期：振荡器输出的时钟脉冲频率的倒数。为单片机中最小、最基本的时间单位。状态周期：振荡信号经2分频后获得的信号周期，称S，显然，S为时钟周期的2倍。机器周期：12个时钟周期为一个机器周期，对应计算机执行一个基本操作所需的时间。指令周期：执行一条指令所需的时间，至少包含一个机器周期。指令字节：指令占用存储空间的字节数，有单字节、双字节、三字节三类。当时钟频率为12MHz和6MHz时，时钟周期分别为1/12us和1/6us，机器周期分别为1us和2us。ALE时序：地址锁存信号，每个机器周期2次有效，分别在S1、S4状态。每次出现，CPU进行一次取指操作。2、复位电路MCS-51单片机的复位信号，高电平有效。电路结构如图2-4,RST/VPD引脚至少保持2个机器周期的高电平，才能复位。（1）复位工作状态复位时，各SFR寄存器的状态为：（PC）=0000H；（SP）=07H；（P0～P3）=FFH；其余SFR寄存器内容均为0；RAM的内容保持不变；外部引脚，ALE=0，=1。PSEN（2）复位电路复位方式有上电自动复位、按键手动复位两种。如图2-4所示。在按键手动电平复位电路中，具有上电和按键双重功能。3、指针程序计数器PC16位计数器，指向程序存储器中被执行的指令所在的地址。本身没有地址，在物理上独立。寻址范围0000～FFFFH的64KB空间。数据指针DPTR16位地址指针，可寻址范围0000～FFFFH的64KB空间，可指向程序、数据存储器。堆栈指针SP8位地址寄存器，SP用来管理堆栈。它指向内部RAM的一个存储单元，且总是指向栈顶单元。MCS-51的堆栈是内部RAM中的一个部分，符合“先进后出、后进先出”原则。四、存储器MCS-51的程序存储器与数据存储器是分开的，地址空间重迭，最大可扩展到64KB。1、程序存储器ROM（1）8031内部无程序存储器由于8031无片内程序存储器，需外接，因此，端必须外接低电平，如图2-6所示。（2）8051、8751内部有4KBROM/EPROM=0，使用外部程序存储器；=1，使用内部程序存储器4KB空间，当PC的值超过4KB范围时，自动转向外部程序存储器。2、数据存储器RAM（1）内部RAM中低128B，00～7FH；（2）外部RAM，可扩至64KB，0000~FFFFHEAEAEA五、并行输入/输出口MCS-51单片机有4个8位并行I/O口，P0～P3，共32根口线。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。结构如下图所示。1、P1口（90H）特点：（1）准双向口：作为I/O输入时，口锁存器必须置“1”，使T截止，输入信号通过“读引脚”三态缓冲器进入内部总线。（2）内部有上拉电阻（20KΩ～40KΩ）；（3）CPU读P1口的二种情况：①读P1口的锁存器状态值：“读─改─写”指令。例ANLP1，#0FH；②读P1口的引脚（外部输入）。例MOVA，P1；2、P3口（B0H）特点：（1）准双向口：条件为第二功能输出端常“1”，与门开锁；（2）第二功能口：作为第二功能口使用时，（P3）=FFH；某位作为第二功能输入时，第二功能输出也必须置“1”。第二功能输出：P3.0—TXD，串行输出口；P3.6—，外部数据存储器写选通信号P3.7—，外部数据存储器读选通信号第二功能输入：P3.1—RXD，串行输入口；P3.2—，外部中断输入0；P3.3—，外部中断输入1；P3.4—T0，外部计数输入0P3.5—T1，外部计数输入1；3、P2口（A0H）特点：（1）控制端高电平时，作为高8位地址输出口。（2）控制端低电平时，最小系统（8051、8751）作准双向口。WRRD0INT1INTP2口结构4、P0口（80H）特点：（1）控制端高电平时，作为低8位地址和8位数据分时使用口，供扩展时使用。（2）控制端低电平时，T1截止，使T2漏极开路，输出“1”时须外接上拉电阻，最小系统（8051、8751）作准双向。P0口结构注意：P0口作地址/数据总线输出时，通过反相器、与门工作。P0口作外部数据输入时，CPU使T1、T2均截止，引脚浮空，第三态，数据经“读引脚”输入缓冲器进入内部总线----是真正的双向口。端口小结：（1）系统总线：地址总线（16位）：P0（地址低8位）、P2口（地址高8位）数据总线（8位）：P0口（地址/数据分时使用）；控制总线（6根）：P3口的第二功能、和9、29、30、31脚；（2）供用户使用的端口：P1口、部分未作第二功能的P3口；（3）P0口作地址/数据时，是真正的双向口，三态，负载能力为8个LSTTL电路；P1～P3是准双向口，负载能力为4个LSTTL电路。（4）P0～P3在用作输入之前必须先写“1”，即：（P0）=FFH~（P3）=FFH。六、MCS-51单片机最小应用系统结构1、8751/8051最小应用系统外接时钟电路和复位电路，即构成应用系统，如图2-6.1。特点：1）不扩展外ROM、外RAM，接高电平，P0~P3口都可用作I/O口；2）128BRAM、4KBROM，容量有限；3）开发时、应用时P0、P2口的环境差异较大；4）8051系统应用软件需厂家置入，一般用作为大批量产品。2、8031最小应用系统外接时钟电路和复位电路，需外扩一片程序存储器，一般为EPROM，构成应用系统，如图2-6.2。特点：1）P0、P2口只能作总线用，剩下P1、P3口作I/O口。2）接地，ALE、作为地址锁存和读ROM信号。EAEAPSEN§2-380C51存储器配置MCS-51存储器可分为五类：程序存储器、内部数据存储器、特殊功能存储器、位寻址区、外部扩展的数据存储器和扩展I/O口。如图2-7所示。一、程序存储器1、程序存储器作用及寻址范围作用：存放指令（程序）的存储器，用PC作地址指针。寻址范围：0000～FFFFH，共64KB；片内、片外统一编址。片内：PC=0000～0FFFH；片外：PC=1000～FFFFH；2、ROM低端的几个特殊入口地址0000H：CPU开始执行指令时的第一个取指单元，每次执行时PC的内容总是0000H；0003H~002B：中断专用固定入口地址（系统规定）；一般：我们总是从ROM的0030H单元开始存放用户指令。二、内部数据存储器字节地址：00～7FH；有128个8位单元字节。按功能划分为三个部分：1、工作寄存器区：00～1FH（1）共分4个区，00～07，08～0F，10～17，18～1F；（2）每区有8个工作寄存器：R0～R7；（3）当前工作寄存器区：由PSW中的第三、第四位选择，具有快速保护现场数据的作用，也可作为一般的数据缓冲器。PSW4（RS1）PSW3（RS0）当前区字节地址工作寄存器000区00～07H（R0~R7）011区08～0FH（R0~R7）102区10～17H（R0~R7）113区18～1FH（R0~R7）2、位寻址区：20H～2FH共16个字节，16×8=128个位，位地址：00～7FH。51系列整个位地址空间为：00～FFH，共211位。1）00～7FH为片内RAM中20～2FH的16个字节单元中的128个位。2）80～FFH中11个SFR的可寻址位，83位。它们是：A、B、PSW、P0～P3、TCON、SCON、IE、IP52系列的SFR可寻