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第二章80C51单片机结构与工作原理第二章80C51单片机结构与工作原理2.180C51单片机系统结构组成2.2存储器结构2.3I/O口结构分析2.480C51时序2.580C51的工作方式2.6引脚功能和电气指标思考练习题第二章80C51单片机结构与工作原理2.180C51单片机系统结构组成单片机与通用微机相比较，在结构组成、指令设置上均有独特之处，其主要特点如下：(1)单片机的存储器采用哈佛结构，即程序存储器和数据存储器是严格区分、独立寻址的。这种结构主要考虑到单片机的应用是面向控制的，通常有大量的控制程序和少量的随机数据。程序存储器采用ROM方式，程序、常数及数据表格固化在ROM中，不易被破坏；数据存储器采用RAM，用作工作区和存放数据，而单片机数据计算量相对较小，这样小容量的数据存储器以高速RAM的形式集成在单片机内，可以加快单片机的运行速度。第二章80C51单片机结构与工作原理(2)采用面向控制的指令系统。为了满足工业控制的要求，单片机的指令系统中有极其丰富的输入输出控制指令、转移指令、逻辑判断指令、位操作指令等。(3) I/O引脚具有一线多功能的特点。I/O端口引脚在程序控制下都可有第二功能，使得有限的引脚能够满足大量的输入输出功能需求。(4)具有完善的外围扩展总线，可方便地扩展各种外围电路(如ROM、RAM、I/O接口、定时器/计数器、中断等)。第二章80C51单片机结构与工作原理(5)通用寄存器和操作管理寄存器大多以片内RAM的形式出现，易实现CPU的直接存取，数量也较一般通用CPU中的多。单片机中普遍将操作管理寄存器统一成特殊功能寄存器SFR，通过对SFR的读写来实现对片内各单元电路的操作管理，这使得单片机各种功能单元的管理和扩展都变得十分容易。2.1.180C51的基本结构组成80C51系列单片机具有典型的单片机结构，其基本结构框图如图2-1所示。它由CPU系统、CPU外围单元、基本功能单元和外部扩展单元组成，各部分通过内部总线相连。第二章80C51单片机结构与工作原理图2-180C51单片机基本结构框图第二章80C51单片机结构与工作原理CPU系统和CPU外围单元组成了单片机的最小系统；最小系统与基本功能单元构成了一个单片机的基本结构；在单片机基本结构的基础上，根据不同的嵌入式应用要求可扩展各种外部功能单元电路，如数据采集ADC、伺服驱动控制PWM、监视定时器WDT等，形成兼容的各种型号系列单片机。第二章80C51单片机结构与工作原理1．CPU系统80C51的CPU系统包括CPU、时钟系统和总线控制逻辑。(1)中央处理器CPU。80C51的CPU是专门为面向测控对象、嵌入式应用等特点而设计的，具有突出控制功能的指令系统。它是单片机的核心，由运算器和控制器组成。运算器以ALU为核心，用于实现对数据的算术逻辑运算。控制器是CPU的大脑中枢，它在时钟信号的作用下对指令进行译码，使单片机系统的各部件按时序协调有序地工作。(2)时钟系统。时钟系统主要产生时钟信号，为CPU及片内各单元电路提供工作时钟，包含振荡电路、外接的谐振器(石英振子或陶瓷振子)及振荡电容和可关断控制等部分。第二章80C51单片机结构与工作原理(3)总线控制逻辑。总线控制逻辑主要用于管理外部并行总线的时序以及系统复位控制，外部控制总线有RST、ALE、EA和PSEN等。RST为复位控制引脚，高电平有效，当RST有复位信号输入时，系统进入复位状态。ALE、EA、PSEN为外部总线控制引脚，ALE用于数据总线复用管理，EA用于外部与内部程序存储器选择，PSEN用于外部程序存储器的读取控制。第二章80C51单片机结构与工作原理2．CPU外围单元CPU外围单元是与CPU运行直接相关的单元电路，与CPU系统构成单片机的最小系统。CPU外围单元包括程序存储器ROM、数据存储器RAM、输入输出(I/O)口和特殊功能寄存器SFR。(1)程序存储器ROM。80C51片内有4 KB掩膜ROM，主要用于存放程序、原始数据和表格内容，被称之为程序存储器，有时也被称为片内ROM。第二章80C51单片机结构与工作原理(2)数据存储器RAM。80C51内部共有256个字节的RAM单元，其中低128个单元是数据RAM区，包括通用寄存器区、位寻址区和用户RAM区，这些单元主要用于存放随机存取的数据及运算的中间结果。高128个单元是特殊功能寄存器(SFR)区。(3)输入输出口。80C51有4个8位并行I/O口，即P0、P1、P2和P3口。这些端口可以用作一般输入或输出口，而且具有复用功能。通常P0口作为8位数据总线/低8位地址总线复用口，P1口作为通用I/O口，P2口常用作高8位地址总线，而P3口的各个管脚多以第二功能输入或输出形式出现。第二章80C51单片机结构与工作原理(4)特殊功能寄存器SFR。SFR是80C51单片机工作的重要控制单元，CPU对所有片内功能单元的操作、控制都是通过对SFR的访问实现的。3．基本功能单元基本功能单元是用来完善和扩大单片机功能，以满足单片机测控功能要求的基本外围电路。80C51的基本功能单元包括定时器/计数器、中断系统和串行接口等。(1)定时器/计数器。80C51内部有2个16位的定时器/计数器T0和T1，作为内部定时器或外部脉冲计数器，实现定时/计数的自动处理。第二章80C51单片机结构与工作原理(2)串行接口。80C51有一个全双工的串行通信接口，用以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行口是一个带有移位寄存器工作方式的通用异步收发器UART(UniversalAsynchronousReceiverTransmitter)，既可以作为全双工异步通信收发器进行串行通信，也可以作为移位寄存器用于串行外围扩展。(3)中断控制系统。80C51的中断系统共有5个中断源，即2个外部中断源、2个定时器/计数器中断源和1个串行通信中断源。全部中断源可设定为高级和低级2个优先级。上述CPU系统、CPU外围单元和基本功能单元构成了80C51系列单片机的基核，即80C51。第二章80C51单片机结构与工作原理第二章80C51单片机结构与工作原理4．内部结构组成80C51的内部结构如图2-2所示，主要包含算术逻辑单元ALU、累加器ACC、ROM、RAM、定时控制电路、指令寄存器IR、程序计数器PC、数据指针DPTR、定时器/计数器、4个I/O口P0～P3、串行口、中断系统、程序状态字寄存器PSW等功能部件。这些部件通过内部总线连接起来，构成一个完整的单片机。第二章80C51单片机结构与工作原理图2-280C51内部结构框图第二章80C51单片机结构与工作原理2.1.280C51CPU的结构CPU是单片机的核心部件，它由运算器和控制器等部件组成。1．运算器运算器的功能是用来实现对操作数的算术/逻辑运算和位操作。运算器(见图2-3)以算术/逻辑运算单元ALU为核心，加上累加器ACC(A)、暂存寄存器TMP1和TMP2、寄存器B、程序状态字寄存器PSW以及布尔处理器、BCD码运算调整电路等构成了整个运算器的逻辑电路。第二章80C51单片机结构与工作原理图2-3运算器第二章80C51单片机结构与工作原理1)算术逻辑运算单元ALU算术逻辑运算单元ALU用来完成二进制数的四则运算和逻辑运算，可以对4位(半字节)、8位(单字节)和16位(双字节)数据进行操作。例如能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算和与、或、异或、求反、循环等逻辑操作。从结构上讲，ALU实质是一个全加器。从图2-2可以看出，全加器有两个输入：暂存器TMP1的输入、暂存器TMP2或累加器ACC的输入。它还有两个输出：一个是累加器ACC，数据经过运算后，结果又通过内部总线送回到累加器中；另一个是程序状态字PSW。第二章80C51单片机结构与工作原理2)累加器ACC累加器ACC是一个8位寄存器，它通过暂存器和ALU相连，是CPU中使用最频繁的寄存器。在指令中用助记符A来表示累加器ACC。在进行算术逻辑运算时，累加器A往往作为一个运算数经TMP2进入ALU的一个输入端参与运算，运算结果又通过内部总线送回ACC。ACC又相当于一个数据中转站，CPU中的数据传送大多都通过累加器。第二章80C51单片机结构与工作原理3)程序状态字寄存器PSW程序状态字寄存器PSW是一个8位的状态标志寄存器，用来指示指令执行后的状态信息。其格式如下：PSW中Cy、AC、OV、P的状态是ALU运算结果的输出，由硬件自动形成；F0、RS1、RS0的状态由用户根据需要用软件方法设定。PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0PSWCyACF0RS1RS0OV—PD0HD7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H第二章80C51单片机结构与工作原理(1)进位标志位Cy(Carry，也可简写为C)：在进行算术运算时，可以被硬件置位或清零，以表示运算结果中高位是否有进位或借位。如果操作结果使A中最高位D7有进位输出(加法)或借位输入(减法)，则C=1，否则C=0。在位操作中，C作位累加器使用。(2)辅助进位标志位AC(AuxiliaryCarry)：AC也称为半进位标志位，它反映了两个8位数进行加减运算时，低半字节向高半字节有无进位或借位的状况。若D3位向D4位有进位或借位，则AC=1，否则AC=0。AC通常在二/十进制调整时使用。第二章80C51单片机结构与工作原理(3)用户标志位F0(FlagZero)：用户可使用的标志位，由用户根据需要在程序中对F0置位或清零，以控制用户程序的转向。(4)工作寄存器选择控制位RS1、RS0：用于选定4组工作寄存器中的某一组为当前工作的工作寄存器组，由用户通过软件加以选择。(5)溢出标志位OV(OverFlow)：用于指示累加器A在算术运算中是否发生溢出。在进行补码运算时，当运算结果超出了A所能表示的数值范围(－128～+127)时，OV位由硬件自动置1，否则OV=0。第二章80C51单片机结构与工作原理(6)奇偶标志位P(Parity)：反映累加器A中1的个数，每条指令执行完后，由硬件根据A的内容自动置位或复位。若A中1的个数为奇数，则P=1；若A中1的个数为偶数，则P=0。该标志位常用在串行通信中检验数据传输的可靠性。(7) PSW.1未定义。用户可以通过位地址D1H或位标志PSW.1使用这一位。4) B寄存器B寄存器用于乘法和除法运算。乘法运算时，两个乘数分别来自A和B，运算结果积的低8位存放在A中，积的高8位存放在B中。除法运算时，被除数来自A，除数来自B，结果商存于A，余数存于B。在不作乘除运算时，B寄存器可作为通用寄存器或一个RAM单元使用。第二章80C51单片机结构与工作原理5)布尔处理器布尔处理器是运算器的一个重要组成部分，由单独的逻辑电路来处理位操作。它有自己的累加器C、自己的位寻址RAM和I/O空间，还有相应的指令系统，给用户提供了丰富的位操作功能，是80C51系列单片机的突出优点之一。布尔处理器以进位标志位C作为位累加器，对任何直接寻址的位，可执行置位、复位、取反、等于1转移、等于0转移、等于1转移且清零以及进位标志位与其它可位寻址的位之间进行数据传送等位操作。在进位标志位与其它任何可位寻址的位之间进行逻辑与、逻辑或操作，结果送回C中。第二章80C51单片机结构与工作原理2．控制器控制器是单片机的神经中枢，控制着计算机系统完成各种操作。80C51控制器包括定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、数据指针DPTR、堆栈指针SP以及地址寄存器、地址缓冲器等。它以主振频率为基准发出CPU时序，将指令寄存器中存放的指令码取出送指令译码器进行译码，再发出各种控制信号，控制单片机各部分运行，完成指令指定的功能。第二章80C51单片机结构与工作原理1)程序计数器PC程序计数器PC用来存放将要执行的下一条指令在程序存储器中的地址。80C51中的PC是一个16位的计数器，由两个8位的计数器PCH和PC