第2章 80c51单片机的结构

第2章80C51系列单片机的结构(硬件）P3.4P3.52.180C51结构和引脚2.1.1结构（AT89S51）一个8位的CPU128BSRAM4KFlashROM两个16位的定时/计数器T0、T1四个8位的并行I/OP0P1P2P3CPU包含运算器和控制器时钟电路振荡器决定计算机运行速度五个中断源在线编程看门狗可读可写存储器只能读不能写（指令）可工作在定时或计数两种状态（+1）共占用32个引脚一个串行I/ORXDTXDP3.0P3.1P3.2P3.3T0T1S一个全双工的异步通信口两个外中断、三个内中断ISP串口编程防死机电路三总线数据总线地址总线控制总线XL2XL1P3.6P3.7P0P1P2VCCGNDRSTPSENALEEA2.180C51结构和引脚1、一个8位的CPU，是计算机的核心部件，主要用于运算和控制（字长＝8bit）；CPU需要有时钟电路，产生脉冲信号（主频）。2、内部RAM一共256B，可读可写（指令）；但正真用于一般数据存储的只有128B（内存），另外128B作为专用寄存器使用（用于对计算机的各种设定和工作状态的反映）；外部可扩展64KB。3、内部有4KB的FlashROM，只能读不能写（指令），一般用于存放程序和表格；外部可扩展64KB。2.180C51结构和引脚4、有两个16位的+1定时/计数器（T0、T1），分别可工作定时和计数两种状态。5、有四个8位的并行输入/输出口（I/O），分别是P0、P1、P2、P3口，这是单片机和外设通信的输入/输出口，共32个口线；P3口有第二功能。6、有一个全双工的异步串行口，可同时发送或接收。2.180C51结构和引脚7、中断系统，有五个中断源，三个内部中断，两个外部中断，能实现两级嵌套。8、有一个ISP串行口，用于对单片机内部FlashROM进行串行编程。9、看门狗电路，当单片机发生死机时，能使计算机自动复位。10、三总线，包括数据总线、地址总线、控制总线。2.180C51结构和引脚2.1.2引脚定义及功能1、电源VCCGND接+5V2、时钟XTAL1、XTAL2用于外接石英晶体，和内部电路构成振荡器，产生CPU所需要的脉冲信号，即主频。3、控制线（1）ＡＬＥ／ＰＲＯＧa、ALE：地址锁存允许信号，ＡＬＥ端可驱动８个ＬＳＴＴＬ门电路。2.180C51结构和引脚b、ＰＲＯＧ：在固化片内存储器的程序（也称为“烧录程序”）时，此引脚用于输入编程脉冲，此时为低电平有效。（2）ＰＳＥＮ：外扩展ＲＯＭ读选通信号。（3）ＲＳＴ／VPD：复位／备用电源a、RST：ＲＳＴ端为复位信号输入端，高电平有效。b、VPD：在ＶＣＣ掉电情况下，该引脚还可接上备用电源，由ＶＰＤ向内ＲＡＭ供电，以保持内ＲＡＭ中的数据不丢失。2.180C51结构和引脚（4）ＥＡ／ＶＰＰ：内ＲＯＭ选择端／编程电源a、正常工作时，ＥＡ为内外ＲＯＭ选择端；b、对闪存进行编程期间，此引脚用于施加编程电源ＶＰＰ。4、I/O线ＭＣＳ-５１型单片机共有４个８位并行I/O端口，共占用３２个引脚。（1）Ｐ０口（Ｐ０．０～Ｐ０．７）：８位双向I/O口。（2）Ｐ１口（Ｐ１．０～Ｐ１．７）（3）Ｐ２口（Ｐ２．０～Ｐ２．７）（4）Ｐ３口（Ｐ３．０～Ｐ３．７）2.180C51结构和引脚注：P3口有第二功能P3.0——RXD：串行口输入P3.1——TXD：串行口输出P3.2——INT0：外中断0输入P3.3——INT1：外中断1输入P3.4——T0：定时/计数器0计数状态输入端P3.5——T1：定时/计数器1计数状态输入端P3.6——WR：外部扩展RAM写选通信号输出P3.7——RD：外部扩展RAM读选通信号输出2.2存储器结构与处理器2.2.1存储器结构和地址空间1、存储器的用途是存放程序和数据，它有两种结构：冯·诺伊曼结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址。注：a、个人电脑（PC机）采用的是冯·诺伊曼结构；b、单片机一般采用哈佛结构（8051）；c、8051(80C51)：数据存储器用的是SRAM程序存储器用的是ROM。2.2存储器结构与处理器2、8051（80C51）系列存储器的结构（1）物理空间有四个部分内部数据存储器（128BSRAM)外部扩展数据存储器（最大64KRAM）内部程序存储器（4KFlashROMAT89S51）外部扩展程序存储器（最大64KRAM)数据存储器程序存储器（2）逻辑空间有三个部分a、程序存储器ROM：包括内部和外部c、内部数据存储器RAM（128B）d、外部数据存储器RAM（64K）2.2存储器结构与处理器3、地址空间60K4K4K128B128B64K2.2存储器结构与处理器（1）8051(80C51)系列有64KROM的寻址区，地址范围0000H——FFFFH,用于存放程序；（2）其中低4K（0000H——0FFFH)的地址区可以为片内ROM和片外ROM公用，但不能同时使用(由外引脚/EA决定)；（3）高60K(1000H——FFFFH)的地址区为片外ＲＯＭ所专用。2.2.2程序存储器（ROM）1、程序存储器的结构2.2存储器结构与处理器注：a、低4K公用地址，这样出现一个地址两个单元，地址不能唯一（不允许）；b、解决方法，通过/EA来实现；①当/EA=0时，CPU直接访问外部ROM（0000HFFFFH），内部不用；②当/EA=1时，CPU先访问内部ROM（0000H0FFFH）结束后，再去访问外部ROM（1000HFFFFH）2.2存储器结构与处理器CPU在执行程序时，不管程序放在存储器的什么位置，只认程序存储器的地址；先从低字节地址单元开始取指令执行，然后取高字节地址单元指令执行；而CPU这些操作，都是通过程序计数器PC来实现，PC是一个16bit的寄存器，不可寻址（不可操作），复位后（PC）＝0000H。2、程序存储器的入口地址（1）计算机是怎样执行程序？2.2存储器结构与处理器为了解决CPU只认存储器的地址，不认程序的问题，只能由用户，根据CPU访问存储器的特点，将目标程序按上述特点来存放；就是将先要执行的指令，放在低字节单元，后执行的指令放在高字节单元。（2）目标程序放在程序存储器什么位置？2.2存储器结构与处理器中断：是指当计算机正在执行正常程序时，系统中出现了某些急需处理的异常情况和特殊请求，CPU停下正在执行的程序，去处理异常情况或特殊请求；要实现怎样的功能，就得给中断源一个强制性的入口，8051（80C51）单片机有五个中断源。（3）中断的入口2.2存储器结构与处理器对应的入口地址分别为：0003H：外部中断０入口地址。000BH：定时器０溢出中断入口地址。0013H：外部中断１入口地址。001BH：定时器１溢出中断入口地址。0023H：串行口中断入口地址。002BH：定时器２溢出中断入口地址（仅52子系列）。注：0000H为主程序的入口地址。51子系列2.2存储器结构与处理器（4）机器语言怎样按要求存放到程序存储器中？通过编译软件中的伪指令（不产生机器码）（ORGXXXXH、END等）如：ORG0000H;定义起始地址伪指令LJMPSTART;转移指令ORG0003H;定义起始地址伪指令……………….;中断操作（子程序）RET;中断返回ORG0050HSTART:;主程序……………END;汇编结束2.2存储器结构与处理器2.2.3数据存储器（SRAM）1、内部数据存储器（00H－7FH）（1）工作寄存器区（00H－1FH）地址寄存器名RS1RS00组00H－07HR0－R7001组08H－0FHR0－R7012组10H－17HR0－R7103组18H－1FHR0－R7112.2存储器结构与处理器（2）位寻址区（20H－2FH）这１６个ＲＡＭ单元具有双重功能。它们既可以像普通ＲＡＭ单元一样按字节存取，也可以对每个ＲＡＭ单元中的任何一位单独存取，这就是位寻址。注：字节地址：20H－2FH位地址：00H－7FH2.2存储器结构与处理器（3）堆栈和数据缓冲区（３０Ｈ－７ＦＨ）堆栈、数据缓冲区共有８０个ＲＡＭ单元，用于存放用户数据或作堆栈区使用，也称用户ＲＡＭ区。８０Ｃ５１对用户ＲＡＭ区中每个ＲＡＭ单元是按字节存取的。注：a、不使用的工作寄存器或位寻址区也都可以作为一般的ＲＡＭ使用；b、所有的运算处理都是在内部数据存储器中完成，所有指令也是非常丰富的（大部分指令）。2.2存储器结构与处理器2、外部数据存储器最大可扩展64K的SRAM，可独立寻址，有专用指令MOVX用于一般数据的存放，地址为0000H－FFFFH。注：只能用于一般数据的存放，不能用于数据的运算及处理。2.2存储器结构与处理器2.2.4特殊功能（SFR）寄存器80C51系列单片机内的锁存器、定时器、串行口、数据缓冲器及各种控制寄存器、状态寄存器都以特殊功能寄存器（SFR）的形式出现，它们离散地分布在高１２８位片内RAM８０Ｈ～ＦＦＨ中。注：共18个特殊功能寄存器，占用21个单元，其余单元用户不好使用（AT89C51)。2.2存储器结构与处理器（１）累加器ＡＣＣ（E0H）累加器ＡＣＣ是８０Ｃ５１型单片机中最常用的寄存器。许多指令的操作数取自ＡＣＣ，许多运算的结果存放在ＡＣＣ中。乘除法指令必须通过ＡＣＣ进行。累加器ＡＣＣ的指令助记符为Ａ。简单的讲就是一个8位的存储器（使用非常频繁，很多指令中必须用到ACC）。2.2存储器结构与处理器（２）寄存器Ｂ（F0H）在ＭＣＳ-５１型单片机乘除法指令中要用到寄存器Ｂ。除此外，Ｂ可作为一般寄存器用。（３）程序状态字寄存器ＰＳＷ（D0H）ＰＳＷ也称为标志寄存器，存放各有关标志。其结构和定义如表２-３所示。2.2存储器结构与处理器CY：进（借）位标志位，有进（借）位（CY）＝1，否则（CY）＝0；AC：辅助进（借）位标志位，低四位向高四位的进（借）位，有进（借）（AC）=1，否则（AC）=0；RS1、RS0：工作寄存器区选择控制位；地址寄存器名RS1RS00组00H－07HR0－R7001组08H－0FHR0－R7012组10H－17HR0－R7103组18H－1FHR0－R7112.2存储器结构与处理器OV：溢出标志位80C51单片机CPU的位数为8，则表示带符号数的位数只能是8位，数的范围在-128～+127之间，若运算的结果超出这个范围，溢出（结果出错）。公式：OV=Cy6Cy7F0：用户位，用户可以作为一般的一位二进制数的存储。P：奇偶标志位，累加器A中1的个数为奇数时（P）=1，否则（P）=0（实时反映）。2.2存储器结构与处理器（4）数据指针ＤＰＴＲ（83H、82H）数据指针ＤＰＴＲ是一个１６位的特殊功能寄存器，由两个８位寄存器ＤＰＨ和ＤＰＬ组成，ＤＰＨ是ＤＰＴＲ的高８位，ＤＰＬ是ＤＰＴＲ的低８位，ＤＰＴＲ既可合并作为一个１６位寄存器，又可分开按８位寄存器单独操作。注：用于外部数据存储器和程序存储器的访问（用于存放地址）。2.2存储器结构与处理器（５）堆栈指针ＳＰ（81H）堆栈是ＣＰＵ用于暂时存放部分数据的“仓库”。在８０Ｃ５１中，由内ＲＡＭ中若干存储单元组成。存储单元的个数称为堆栈的深度（可理解为仓库容量）注：a、堆栈数据存取的原则：先进后出，后进先出。b、堆栈指针是用于指示栈顶数据的地址。c、堆栈的作用：保护现场、保护断点。2.2存储器结构与处理器2.2.5位处理器８０Ｃ５１型单片机硬件结构中有一个布尔处理器，它是一个１位处理器，用于完成位操作的运算等。从指令方面，与此相对应的一个进行布尔操作的指令集，包括位变量的传送、修改和逻辑操作等。2.3并行输入/输出端口2.3.1并行Ｉ／Ｏ口的结构80C51有４个并行I/O端口，分别命名为P0、P1、P2和P3，在这４个并行I/O端口中，每个端口都有双向I/O功能。2.3.2并行Ｉ／Ｏ口的操作1、P0口（1）P0口可作为通用I/O口(即一般的输入/输出口)①作为输出口（无上拉电阻）必须外接上拉电阻，否则无法向端口写1（写0无关）。②作为输入口必须先向端口写