80C51的结构和原理

2020/1/191第2章80C51的结构和原理80C51系列概述2.180C51的基本结构与应用模式2.280C51典型资源配置与引脚封装2.380C51单片机的CPU2.480C51的存储器组织2.580C51的并行口结构与操作2.62020/1/1922.180C51系列概述2.1.1MCS-51系列8051/8751/80318052/8752/803280C51/87C51/80C3180C52/87C52/80C32等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：2020/1/194功能上，有基本型和增强型2大类：增强型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C312020/1/195在片内程序存储器配置上，有3种形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMLess。如：80C51有4K字节的掩膜ROM87C51有4K字节的EPROM80C31在芯片内无程序存储器。2020/1/1962.1.280C51系列各厂商以8051为基核开发出的CMOS单片机统称为80C51系列。常用产品有：Intel：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；ATMEL：89C51、89C52、89C2051等；Philips、华邦、Dallas、Siemens等公司的许多产品。2020/1/1972.280C51的基本结构与应用模式2.2.180C51的基本结构时钟电路总线控制CPUROM/EPROM/FLASH4K字节RAM128字节SFR21个定时/计数器2个中断系统5中断源、2优先级串行口全双工1个并行口4个RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1P0P1P2P3VCCVSS2020/1/1982.2.280C51的应用模式带总线扩展引脚的产品扩展总线的应用模式不扩展总线的应用模式74LS373OEGALE80C31D7::D0Q7::Q0PSENEAP2P0ABDBCBWRRD89C51P2P0P3P18+5V888P3.0P3.5含第二功能2020/1/199没有总线扩展引脚的产品引脚数减少、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：AT89S2051/AT89S4051。1234567891020191817161514131211RSTP3.0/RXDP3.1/TXDXTAL2XTAL1P3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1GNDVCCP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1/AIN1P1.0/AIN0P3.789S20512020/1/19102.380C51典型产品资源配置与引脚封装2.3.180C51典型产品资源配置2020/1/1911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3个中断源：从5个增加到6个。2020/1/19132.3.280C51的引脚封装123456789101112131415161718192040393837363534333231302928272625242322211234567891020191817161514131211P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0RSTP3.0/RXDP3.1/TXDXTAL2XTAL1P3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1GNDVCCP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1/AIN1P1.0/AIN0P3.7注：类似的还有Philips公司的87LPC64，20引脚8XC748/750/（751），24引脚8X749（752），28引脚8XC754，28引脚等等80C51/89S5189S20512020/1/1914二、引脚分类：1、主电源引脚Vss、Vcc2、外接晶振引脚XTAL1、XTAL22020/1/19153、控制或复位引脚①、RST/VPD——复位/备用电源当出现两个机器周期高电平时，单片机复位。复位后，P0~P3输出高电平；SP寄存器为07H；其它寄存器全部清0；不影响RAM状态。②、ALE/PROG——地址锁存控制端/编程脉冲输入端ALE:提供1/6fosc振荡频率；PROG:为其内部的EPROM输入编程脉冲③、——外部程序存储器的读选通信号端当执行MOVC指令时，=0PSENPSEN2020/1/19160时，只访问外部程序存储器,即外ROM1时，先访问内部ROM,再访问外部ROM④、——内、外ROM选择端/编程电压输入端4、输入/输出引脚P0.0~P0.7；P1.0~P1.7；P2.0~P2.7；P3.0~P3.7四个I/O口，每口八条线，共32脚；还兼作地址/数据线。EA=EAPPVEAVPP:对于8751(EPROM)单片机编程时，该端施加编程电压21.5V2020/1/19172.480C51的CPUP3口驱动器P0口驱动器RAM地址寄存器RAM128/256字节P2口锁存器P0口锁存器P3口锁存器栈指针SPROM4K/8K字节暂存器2ACCBPSWALU暂存器1指令寄存器IRDPHDPL程序计数器PCROM地址寄存器缓冲器振荡器RSTEAALEPSENXTAL1XTAL2VSSVCCP2口驱动器P0.0~P0.7P2.7~P2.0串口、中断及定时/计数器P1口驱动器P1口锁存器P1.0~P1.7P3.0~P3.740201891017181921282930313239译码及控制逻辑TCONIEIPSCONSBUFTL2TL1TL0TH2TH1TH0RCAP2LRCAP2HT2CONPCONTMODT2MOD2020/1/19181、中央处理单元CPU（8位）用于数据处理、位操作（位测试、置位、复位）2、只读存储器ROM（4KB或8KB）用于永久性存储应用程序，掩膜ROM、EPROM、EEPROM3、随机存取存储器RAM（256B）用于程序运行中存储工作变量和数据4、并行输入/输出口I/O（32线）用作系统总线、扩展外存、I/O接口芯片80C51的内部结构一、总体结构2020/1/19195、串行输入/输出口UART（二线,借用）串行通信、扩展I/O接口芯片6、定时/计数器T（16位增量可编程）它与CPU之间各自独立工作，当它计数满时向CPU中断7、时钟电路fosc分为内部振荡器、外接振荡电路8、中断系统五个中断源、两个优先级，可编程进行控制。2020/1/1920二、具体介绍1、80C51的微处理器（CPU）（1）运算器累加器ACC；寄存器B；程序状态字寄存器PSW。（2）控制器程序计数器PC；指令寄存器IR；数据指针DPTR。2020/1/19212、80C51的片内存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间（称为哈佛结构）：﹡内部ROM容量4K字节范围是：000H~0FFFH﹡内部RAM容量128字节范围是：00H~7FH2020/1/19223、80C51的I/O口及功能单元四个8位的并行口，即P0~P3。它们均为双向口，既可作为输入，又可作为输出。每个口各有8条I/O线。有一个全双工的串行口（利用P3口的两个引脚P3.0和P3.1）；有2个16位的定时/计数器；有1套完善的中断系统。2020/1/19234、80C51的特殊功能寄存器（SFR）内部有SP，DPTR（可分成DPH、DPL两个8位寄存器），PCON，…，IE，IP等21个特殊功能寄存器单元，它们同内部RAM的128个字节统一编址，地址范围是80H～FFH。这些SFR只用到了80H～FFH128个存储单元中的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。2020/1/1924寄存器及其存储器映射如下图：R7R6R5R4R3R2R1R0DPLABSPPCDPTR系统寄存器工作寄存器0组R7R6R5R4R3R2R1R0R7R6R5R4R3R2R1R0R7R6R5R4R3R2R1R0DPHPSW1组2组3组工作寄存器区位寻址区通用RAM区00H1FH30H7FH80HFFHSFR区直接寻址访问间接寻址访问增强型附加空间注：PC不属于SFR空间BAPSWSPDPLDPH81H82H83HD0HE0HF0H1FH18H00H07H17H2020/1/19252.4.280C51的时钟与时序时钟产生方式80C51振荡器C1C2CYS80C51悬空外部时钟信号XTAL1XTAL2XTAL2XTAL118191819内部时钟方式外部时钟方式2020/1/192680C51的时钟信号S1S2S3S4S5S6机器周期TCY分频器振荡器晶振周期S状态80C51P1P21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）2020/1/192780C51的典型时序时序：各条指令执行时各部份电路工作的先后次序。单片机的时序以XTAC2的振荡信号为参考(fOSC)时序单位:1、晶振周期—即振荡频率周期，单片机的基本时序单位2、时钟周期—由两个晶振周期组成，也称为S状态，分为P1和P2。2020/1/19283、机器周期由六个状态组成,每个状态S为分两个时相P1、P2.每个时相为一个振荡周期,因此一个机器周期为12个晶振周期.MCS—51单片机的典型的指令周期为一个机器周期.4、指令周期——执行一条指令所需的时间为指令周期。2020/1/192980C51的典型时序S1S2S3S4S5S61个机器周期P1P2ALE读操作码空读S1S2S3S4S5S61个机器周期P1P2ALE读操作码读第二字节单字节指令双字节指令单周期指令2020/1/1930双周期指令S1S2S3S4S5S6第1机器周期P1P2ALE读操作码空读3次S1S2S3S4S5S6第2机器周期2个机器周期中ALE有效4次，后3次读操作无效。2020/1/1931访问外部RAM的双周期指令时序S1S2S3S4S5S6第1机器周期P1P2ALE读操作码空读S1S2S3S4S5S6第2机器周期数据地址及选通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信号会出现非周期现象。2020/1/19322.4.380C51单片机的复位复位可使单片机或系统部件处于确定的初始状态。80C51C1R1＋5V80C51C1R1＋5VR2KRSTRST99D复位电路上电复位电路按键与上电复位2020/1/1933单片机复位后的状态PC=0000H，所以程序从0000H地址单元开始执行；启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容；特殊功能寄存器复位后的状态是确定的：P0~P3=FFH，各口可用于输出，也可用于输入；SP=07H，第一个入栈内容将写入08H单元；IP、IE和PCON的有效位为0，各中断源处于低优先级且均被关断、串行通讯的波特率不加倍；PSW=00H，当前工作寄存器为0组。2020/1/19342.580C51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。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