第2 章 80C51单片机的硬件结构

课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构教学基本要求：（1）、了解单片机芯片内部各功能模块的作用；（2）、了解单片机的时序定时单位；（3）、熟悉单片机的信号引脚；（4）、熟悉单片机并行I/O口的结构及特点；（5）、熟悉单片机的不同工作方式；（6）、掌握单片机存储器的分类及特点；（7）、掌握单片机的时钟电路、复位电路的工作原理。2单片机芯片的硬件结构课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构教学重点：（1）、单片机内部RAM低128单元的分类及使用方法；（2）、单片机内部专用寄存器的功能及使用方法；（3）、单片机程序存储器前43个单元的使用方法；（4）、单片机并行I/O口结构特点与功能的关系。教学难点：（1）、通用寄存器组的设置及使用方法；（2）、堆栈的概念及使用方法；（3）、单片机内部RAM的字节操作和位操作；（4）、80C51单片机的低功耗方式和掉电保护方式。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构2.1MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚2.1.1MCS-51单片机结构框图回顾微型计算机的结构体系：冯.诺依曼经典体系结构五个组成部分即运算器、控制器、存储器、输入及输出设备。MCS-51单片机是微型计算机发展方向的一个分支，因此，其结构也为冯.诺依曼经典体系结构，但有其自身的特点，学习时应特别注意。MCS-51单片机的系统逻辑结构。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构2.1.2MCS-51单片机芯片内部逻辑结构课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构（1）中央处理器CPUCPU是单片机的核心，由运算器和控制器两大部分组成。运算器的功能：完成运算功能控制器的功能：完成控制功能a)、运算器电路ALU：算术逻辑单元，是核心，完成算术、逻辑运算；ACC：累加器；B：寄存器；PSW：程序状态字；暂存寄存器：注意：运算和操作结果的状态保存于PSW之中。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构b)、控制器电路PC：程序计数器；PC加1寄存器；指令寄存器；指令译码器；定时与控制电路。C)、单片机执行指令的过程首先，从ROM中读指令，送指令寄存器保存，然后，送指令译码器进行译码，译码结果送定时与控制逻辑电路，由定时与控制逻辑电路产生各种定时信号和控制信号，最后，送到系统的各个部件去进行响应的操作。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构（2）内部数据存储器功能：执行程序，存放临时数据和最终结果的场所。容量：51子系列（128B）52子系列（256B）（3）内部程序存储器功能：存放程序、原始数据、常数表格。容量：51子系列（4KB）52子系列（8KB）（4）定时器/计数器功能：定时功能、计数功能。数量：51子系列（2个16位可编程）52子系列（3个16位可编程）课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构（5）并行I/O口功能：执行数据的并行输入输出。数量：4个8位的并行I/O口。名称：P0、P1、P2、P3口。（6）串行口功能：执行数据的串行通信。（7）中断控制系统功能：处理紧急事件。数量：5个。其中，外部中断2个，内部中断3个（T/C中断2个，串行中断一个）。全部中断分为高级和低级二个优先级别。每个中断源的优先级都可由程序设定。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构（8）时钟电路功能：为单片机工作产生必须的时钟脉冲序列信号。注意：必须外接石英晶体和电容器。（9）位处理器（布尔处理器）功能：执行位处理操作，以便单片机实现控制功能。注意：位处理器为MCS-51系列单片机所特有。（10）总线（单片机片内总线）功能：完成所有信息的传送。类型：数据总线（DB），双向；地址总线（AB），单向；控制总线（CB），双向。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构2.1.3MCS-51的信号引脚以80C51单片机为例进行说明，芯片封装：DIP，引脚数量：4080C51单片机芯片引脚图课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构（1）信号引脚介绍（第一功能）P0.0～P0.7：P0口8位双向输入输出口线，完成数据的传送；在构造单片机应用系统片外总线时，既作为8位数据总线（D0～D7），又作为地址总线的低8位（A0～A7）分时使用。P1.0～P1.7：P1口8位双向输入输出口线，完成数据的传送；在单片机处于编程工作方式时，由它输入存储器单元地址的低8位。P2.0～P2.7：P2口8位双向输入输出口线，完成数据的传送；在构造单片机应用系统片外总线时，作为地址总线的高8位（A8～A15）使用；在单片机处于编程工作方式时，由它输入存储器单元地址的高8位。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构P3.0～P3.7：P3口8位双向输入输出口线，完成数据的传送；ALE：地址锁存控制信号在不扩展单片机系统时不使用，但ALE端仍产生频率为晶体振荡器振荡频率fosc的1/6的周期性正脉冲信号，此信号可以作为外部时钟或外部定时脉冲使用；在扩展单片机系统时，ALE的输出用于控制把P0口输出的低8位地址送锁存器锁存，即锁存地址的低位字节，以实现低位地址和数据总线信息的分离。/PSEN：外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时，/PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的操作。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构/EA：访问程序存储器控制信号。当/EA输入端保持高电平，CPU访问内部程序存储器4KB的地址范围。但在PC（程序计数器）值超过OFFFH时(即PC值超出4KB地址时),将自动转向执行片外程序存储器内的程序；当/EA保持低电平时,则单片机只访问外部程序存储器，此时不管单片机是否有内部程序存储器。注意:对于常用的8031来说无内部程序存储器,因此,/EA脚必须常接地,这样单片机才能选择到外部程序存储器执行片外程序储器内的程序。RST：复位信号，高电平有效。但有效的高电平信号必须维持两个机器周期以上，用以完成单片机复位初始化操作。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于连接外部时钟脉冲信号，此时，XTAL1接地，XTAL2连接外部时钟脉冲信号。VSS:地线VCC:+5V电源（2）信号引脚的第二功能ALE/PROG：编程脉冲输入端在单片机处于编程工作方式时，输入编程脉冲。/EA/VPP：编程电压(25V或21V)输入端课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构RST/VPD：备用电源引入端VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源。一旦芯片在使用过程中，当VCC电源发生故障（电压突然下降或断电，称掉电，或失电），电压下掉到低于规定的值，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失，使单片机复电后，能正常运行。P3口口线的第二功能：见P3口口线第二功能表注意：对于ALE/PROG，/EA/VPP和RST/VPD，由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号，因此，不会发生使用上的矛盾；对于P3口口线,在实际使用时应优先考虑其第二功能。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构2.2MCS-51单片机的内部存储器在具体讲解MCS-51单片机的内部存储器之前，我们首先来研究MCS-51单片机存储器的特点及分类情况。一般微机存储器通常只有一个逻辑地址空间，可以随意安排ROM或RAM，同一地址对应唯一的存储器单元，可以是ROM，也可以是RAM，并用同类指令访问。但MCS-51单片机与一般微机的存储器配置方法大不相同。在此，以80C51单片机的存储器配置为例进行说明。MCS-51的存储器配置在物理结构上有四个存储器空间：（1）、片内程序存储器；（2）、片外程序存储器；（3）、片内数据存储器；（4）、片外数据存储器课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构MCS-51的存储器配置在逻辑结构上有三个存储器地址空间：（1）、片内外统一编址的64K字节的程序存储器空间，地址范围（0000H～FFFFH）；（2）、片内256字节的数据存储器地址空间，地址范围（00H～FFH）；（3）、片外64K字节的数据存储器地址空间，地址范围（0000H～FFFFH）。在访问三个不同的逻辑空间时应采用不同形式的指令。片内256字节的数据存储器地址空间又可以分为三个部分：（1）、内部数据存储器，地址范围（00H～7FH）；（2）、特殊功能寄存器（SFR），地址范围（80H～FFH）；（3）、位地址空间，地址范围（00H～FFH）。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构2.2.1内部数据存储器低128单元内部数据存储器低128单元又分为寄存器区、位寻址区、用户RAM区三个部分。80C51单片机内部数据存储器低128单元配置图（1）寄存器区寄存器区共32个单元，地址范围00H～1FH，共分为四组，组号依次为0、1、2、3，每组8个寄存器，寄存器名依次为R0～R7，每个寄存器都是8位，都有一个字节地址与之相对应。通用寄存器与内部RAM字节地址对照表。寄存器区的32个寄存器也通常称之为通用寄存器或工作寄存器，因此，寄存器区通常也称之为通用寄存器区或工作寄存器区。其功能用于存放操作数及中间结果，由用户使用时规定。课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，正在使用的寄存器组，我们称之为当前寄存器组。CPU究竟使用的是那一组，由程序状态字寄存器PSW中的RS1，RS0位的状态组合来决定。通用寄存器有两种使用方法：a)、以寄存器的形式使用，用寄存器符号表示；b)、以存储单元的形式使用，用单元（字节）地址表示。RS1RS0寄存器组片内RAM地址00第0组00H～07H01第1组08H～0FH10第2组10H～17H11第3组18H～1FH课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构（2）位寻址区MCS-51单片机内部RAM的20H～2FH单元（共16个RAM单元）称之为位寻址区。它既可以作为一般RAM使用，进行字节操作，也可以对单元中的每一位进行位操作，位寻址区共有128位，位地址范围为00H～7FH。位寻址区的“位”有两种表示方式：a)、以位地址的形式表示；位寻址区的最后一个“位”可表示为7FH。b)、以存储单元地址加位的形式表示位寻址区的最后一个“位”也可表示为2FH.7。80C51单片机内部RAM位寻址区的位地址课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构（3）用户RAM区共有80个RAM单元，单元地址范围为30H～7FH，一般可作为堆栈或数据缓冲使用，由用户使用时规定。2.2.2内部数据存储器高128单元内部数据存储器高128单元，其功能和名称由系统规定，用户不能随意更改，单元地址范围为80H～FFH，用于存放单片机相应功能部件的控制命令、状态或数据。共22个，其中可寻址的为21个，也称之为专用寄存器或特殊功能寄存器，它们离散分布在内部数据存储器高128单元中。80C51单片机专用寄存器一览表（一）专用寄存器简介课程：单片机技术教材：单片机基础内容：2单片机芯片的硬件结构（1）程序计数器（PC—ProgramCounter）PC是一个16位的计数器，其内容为将要执行的指令地址，寻址范围为64KB（0～65535）。PC具有自动加1功能，当CPU要取指令时，PC的内容送到地址总线上，从存储器中取出指令后，PC内容则自动加1。指向下一条指令，从而实现程序的顺序执行。PC没有地址是不可寻址的，因此，用户无法对它进行读，写。但可以通过执行转移、调用、返回等指令自动改变其内容，以实现程序的转移。（2）累加器A或ACC（E0H）它是最常用的专