C51单片机的结构及原理.ppt
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1、第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理学习目的学习目的 (1)了解)了解80C51的内部结构的内部结构。(2)掌握)掌握80C51引脚信号功能定义。引脚信号功能定义。(3)掌握)掌握80C51的存储器空间分配及各的存储器空间分配及各I/O口的特点。口的特点。(4)掌握)掌握80C51的复位电路、时钟电路及指令时序。的复位电路、时钟电路及指令时序。学习重点和难点学习重点和难点 (1)80C51的结构特点。的结构特点。(2)80C51存储器配置与空间的分布。存储器配置与空间的分布。(3)8
2、0C51程序状态寄存器程序状态寄存器(PSW)。(4)80C51的指令时序。的指令时序。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理2.1 80C512.1 80C51单片机的结构与原理单片机的结构与原理 2.1.1 80C512.1.1 80C51单片机系列单片机系列 IntelIntel公司推出的公司推出的80C5180C51是是MCS-51MCS-51系列单片机中以系列单片机中以CHMOSCHMOS为生产为生产工艺的一个典型产品;其它厂商以工艺的一个典型产品;其它厂商以80518051为基核开发出的为基核开发出的CMOSCMOS工艺工艺单片机产品统称为单片机
3、产品统称为80C5180C51系列。当前常用的系列。当前常用的80C5180C51系列单片机主要系列单片机主要产品有:产品有:1 1、IntelIntel公司的:公司的:80C3180C31、80C5180C51、87C5187C51、80C3280C32、80C5280C52、87C5287C52等。等。2 2、ATMELATMEL公司的:公司的:89C5189C51、89C5289C52、89C205189C2051、89S5189S51等。等。3 3、PhilipsPhilips公司的公司的80C5180C51、80C55080C550、80C55280C552系列。系列。4 4、Mot
4、orolaMotorola公司公司M68HC05M68HC05系列。系列。5 5、华邦公司的、华邦公司的W78C51W78C51、W77C51W77C51高速低价系列。高速低价系列。6 6、MaximMaxim公司的公司的DS89C420DS89C420高速(高速(50MIPS50MIPS)系列。)系列。7 7、CygnalCygnal公司的公司的C8051FC8051F系列高速系列高速SOCSOC单片机。单片机。8 8、ADIADI公司的公司的ADC8xxADC8xx高精度高精度ADCADC系列。系列。9 9、LGLG公司的公司的GMS90/97GMS90/97低压高速系列。低压高速系列。第
5、第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理2.1.2 80C512.1.2 80C51单片机的结构单片机的结构 80C51 80C51单片机的结构框图如单片机的结构框图如图图2-12-1所示,可以看出,在一块芯所示,可以看出,在一块芯片上集成了一个微型计算机的主要部件,它包括以下几部分:片上集成了一个微型计算机的主要部件,它包括以下几部分:(1 1)8 8位位 CPU 1 CPU 1个个 。(2 2)时钟电路(振荡电路和时序)时钟电路(振荡电路和时序OSCOSC)。)。(3 3)4KB4KB程序存储器(程序存储器(ROM/EPROM/FlshROM/EPROM/F
6、lsh),可外扩展到),可外扩展到64KB64KB。(4 4)128B128B数据存储器数据存储器RAMRAM,可外扩展到,可外扩展到64KB64KB。(5 5)2 2个个1616位定时位定时/计数器。计数器。(6 6)64KB64KB总线扩展控制电路。总线扩展控制电路。(7 7)4 4个个8 8位并行位并行I/OI/O接口接口P0P0P3P3。(8 8)1 1个全双工异步串行个全双工异步串行I/OI/O接口。接口。(9 9)中断系统:)中断系统:5 5个中断源,其中包括个中断源,其中包括2 2个优先级嵌套中断。个优先级嵌套中断。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的
7、结构及原理第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理2.1.3 80C512.1.3 80C51单片机的内部结构单片机的内部结构 80C51单片机的内部结构如图2-2所示,它由CPU、存储器、I/O口及SFR(特殊功能寄存器)等组成。具体说明如下:1、80C51 CPU 80C51 CPU即微处理器,是一8位CPU,是单片机的核心部件,是计算机的控制指挥中心。同微型计算机CPU类似,80C51内部CPU由运算器和控制器两部分组成。(1)运算器 组成:由算术运算/逻辑运算单元ALU(Arithmetic Logic Unit)为核心,由暂存器1、暂存器2、累加器A
8、CC(Accumulator)、寄存器B及程序状态寄存器PSW(Program Status Word)组成。主要任务:是完成算术运算、逻辑运算、位运算和数据传送等操作,运算结果的状态由程序状态寄存器(PSW)保存。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理图2-2 80C51单片机的内部结构第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理 (2 2)控制器)控制器 组成:由程序计数器组成:由程序计数器(PC)(PC)、PCPC增增1 1寄存器、指令寄存器寄存器、指令寄存器(IR)(IR)、指令译码器指令译码器(ID)(ID)、数据指针
9、、数据指针(DPTR)(DPTR)、堆栈指针、堆栈指针(SP)(SP)、缓冲器及定、缓冲器及定时控制电路等组成。时控制电路等组成。主要任务:完成指挥控制工作,协调单片机各部分正常工作。主要任务:完成指挥控制工作,协调单片机各部分正常工作。2 2、80C5180C51的片内存储器的片内存储器 80C51 80C51的片内存储器与一般微机的存储器的配置不同。一般的片内存储器与一般微机的存储器的配置不同。一般微机的微机的ROMROM和和RAMRAM安排在同一空间的不同范围(称为普林斯顿结构)安排在同一空间的不同范围(称为普林斯顿结构)。而。而80C5180C51单片机的存储器在物理上设计成程序存储器
10、和数据存单片机的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)。储器两个独立的空间(称为哈佛结构)。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理2.1.4 80C51单片机的引脚及功能单片机的引脚及功能 80C51单片机的封装是采用双列直插式单片机的封装是采用双列直插式(DIP)封装,引脚图如封装,引脚图如图图2-3(a)所所示。示。80C51的的40个引脚及功能描述如下:个引脚及功能描述如下:1、电源引脚、电源引脚(2根根)(1)VCC(40脚脚):电源端,接电源端,接+5V电源。电源。(2)VSS(20脚脚):接地端。接地端。2、时钟
11、引脚、时钟引脚(2根根)(1)XTAL1(19脚脚):晶体振荡器接入的一个引脚。采用外部时钟电路时,晶体振荡器接入的一个引脚。采用外部时钟电路时,此引脚应接地。此引脚应接地。(2)XTAL2(18脚脚):晶体振荡器接入的另一个引脚。使用外部时钟时,晶体振荡器接入的另一个引脚。使用外部时钟时,此引脚应接外部时钟的输入端。此引脚应接外部时钟的输入端。3、控制引脚、控制引脚(4根根)(1)RST/VPD(9脚脚):复位信号输入引脚复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。备用电源输入引脚。说明:说明:当当RST引脚保持两个机器周期的高电平后,就可以使引脚保持两个机器周期的高电平后,就可以使80C51完成完
12、成复位操作。该引脚的第二功能是复位操作。该引脚的第二功能是VPD,即备用电源的输入端,具有掉电保护,即备用电源的输入端,具有掉电保护功能。若在该引脚接功能。若在该引脚接+5V备用电源,在使用中若主电源备用电源,在使用中若主电源VCC掉电,可保护片掉电,可保护片内内RAM中的信息不丢失。中的信息不丢失。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理 (2)ALE/PROG(30脚脚):地址锁存允许信号输出引脚地址锁存允许信号输出引脚/编程编程脉冲输入引脚。脉冲输入引脚。说明:说明:在系统扩展时,
13、在系统扩展时,ALE用于控制把用于控制把P0口输出的低口输出的低8位地位地址锁存起来,以实现低位地址和数据的隔离。此外,由于址锁存起来,以实现低位地址和数据的隔离。此外,由于ALE是是以晶振以晶振fosc/6的固定频率输出的正脉冲的固定频率输出的正脉冲(fosc代表振荡器的频率代表振荡器的频率),因此,因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。该引脚的第二功能是对该引脚的第二功能是对8751内部内部4KB EPROM编程写入时,编程写入时,作为编程脉冲的输入端。作为编程脉冲的输入端。(3)EA/VPP(31脚脚):外部程序存储器地址允许输入信号引外部程序存储器地
14、址允许输入信号引脚脚/编程电压输入信号引脚。编程电压输入信号引脚。说明:说明:当当EA接高电平时,接高电平时,CPU执行片内执行片内ROM指令,当指令,当PC值值超过超过0FFFH时,将自动转去执行片外时,将自动转去执行片外ROM指令;当指令;当EA接低电平接低电平时,时,CPU只执行片外只执行片外ROM指令。指令。该引脚的第二功能该引脚的第二功能VPP是对是对8751片内片内EPROM编程写入时,作编程写入时,作为为21V编程电压的输入端。编程电压的输入端。(4)PSEN(29脚脚):片外片外ROM读选通信号。读选通信号。说明:说明:在读片外在读片外ROM时,为低电平(有效),以实现对片外时
15、,为低电平(有效),以实现对片外ROM的读操作。的读操作。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理 4 4、并行、并行I/OI/O引脚引脚(32(32根,由根,由4 4个个8 8位口构成位口构成)其中:其中:(1 1)P0.0P0.0P0.7(39P0.7(393232脚脚):一般的:一般的8 8位双向位双向I/OI/O口引脚或数口引脚或数据据/地址总线低地址总线低8 8位复用引脚。位复用引脚。说明:说明:P0P0口即可作数据口即可作数据/地址总线使用,又可作一般的地址总线使用,又可作一般的I/OI/O口口使用。当使用。当CPUCPU访问片外存储器时,访问片外
16、存储器时,P0P0口分时先作低口分时先作低8 8位地址总线,位地址总线,后作双向数据总线,此时,后作双向数据总线,此时,P0P0口就不能再作一般口就不能再作一般I/OI/O口使用。口使用。(2 2)P1.0P1.0P1.7(1P1.7(18 8脚脚):P1P1口作为一般的口作为一般的8 8位准双向位准双向I/OI/O口口使用。使用。(3 3)P2.0P2.0P2.7(21P2.7(212828脚脚):一般:一般8 8位准双向位准双向I/OI/O口引脚或高口引脚或高8 8位地址总线引脚。位地址总线引脚。说明:说明:P2P2口即可作为一般的口即可作为一般的I/OI/O口使用,也可作为片外存储口使用
17、,也可作为片外存储器的高器的高8 8位地址总线,与位地址总线,与P0P0口配合,组成口配合,组成1616位片外存储器单元地位片外存储器单元地址,可访问址,可访问64KB64KB的存储空间。的存储空间。(4 4)P3.0P3.0P3.7(10P3.7(101717脚脚):一般:一般8 8位准双向位准双向I/OI/O口引脚或第口引脚或第二功能引脚。二功能引脚。说明:说明:P3P3口除了作为一般的口除了作为一般的I/OI/O口使用之外,每个引脚还具口使用之外,每个引脚还具有第二功能,有第二功能,P3P3的的8 8条口线都定义有第二功能,详见表条口线都定义有第二功能,详见表2-1(a)2-1(a)第第
18、2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理表2-1 P3口各引脚与第二功能表 第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理2.2 80C512.2 80C51单片机的存储器组织单片机的存储器组织 80C51的存储器在物理结构为哈佛结构,它将程序存储器和数据存储器分开,如图2-4所示。从物理地址空间看,80C51单片机有四个存储器地址空间,即片内数据存储器(简称片内RAM)、片内程序存储器(片内ROM)、片外数据存储器(片外RAM)和片外程序存储器(片外ROM)。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理
19、但从使用的角度来看,但从使用的角度来看,80C5180C51的存储器又分为三个逻辑空间,如图的存储器又分为三个逻辑空间,如图2-52-5所示。所示。1 1、片内外统一寻址的、片内外统一寻址的64KB64KB程序存储器空间,地址范围为程序存储器空间,地址范围为0000H0000HFFFFHFFFFH(访问用指令(访问用指令MOVCMOVC)。)。2 2、64KB64KB的片外数据存储器空间,地址范围也为的片外数据存储器空间,地址范围也为0000H0000HFFFFHFFFFH(访问用指(访问用指令令MOVXMOVX)。)。3 3、80C5180C51的片内数据存储器的片内数据存储器RAMRAM只
20、有只有128B128B,地址范围为,地址范围为00H00H7FH7FH;80C5280C52的片内数据存储器的片内数据存储器RAMRAM为为256B256B,地址范围为,地址范围为00H00HFFHFFH(访问用指令(访问用指令MOVMOV)。)。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理2.2.1 80C512.2.1 80C51单片机的程序存储器单片机的程序存储器ROMROM 80C51内部有4KB的掩膜ROM。80C51的片外最多能扩展64 KB程序存储器,片内外的ROM是统一编址的。80C51程序存储器ROM空间地址分布图如图2-6(a)所示。第第2 2
21、章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理 对图对图2-6(a)ROM空间地址分布图作如下说明:空间地址分布图作如下说明:1、80C51片内有片内有4KB的的ROM存储单元,地址为存储单元,地址为0000H0FFFH。2、80C51片外最多可扩片外最多可扩60KB的的ROM,地址为,地址为1000HFFFFH。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理2.2.2 80C51ROM2.2.2 80C51ROM低地址特殊单元低地址特殊单元 80C51 80C51的程序存储器低地址单元中有的程序存储器低地址单元中有6 6个单元具有特殊功能,个单元
22、具有特殊功能,见图见图2-62-6(b b)所示)所示,使用时应予以注意其含义。使用时应予以注意其含义。1、0000H0002H:单片机复位后的程序入口地址 (3个单元)。2、0003H000AH:外部中断0的中断服务程序入口地址 (8个单元)。3、000BH0012H:定时器0的中断服务程序入口地址 (8个单元)。4、0013H001AH:外部中断1的中断服务程序入口地址 (8个单元)。5、001BH0022H:定时器1的中断服务程序入口地址 (8个单元)。6、0023H002AH:串行口的中断服务程序入口地址 (8个单元)。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结
23、构及原理 具体应用时注意:第一组特殊单元是0000H0002H,3个单元不可能安排长程序,因此,系统复位后(PC)=0000H,80C51单片机从0000H单元开始取指令执行程序。如果程序不从0000H单元开始,应在这3个单元中存放一条无条件转移指令,以便直接转去执行指定的程序。第二组特殊单元是0003H002AH,共40个单元。这40个单元被均匀地分为5段,作为5个中断源的中断地址区。中断响应后,按中断种类,自动转到各中断区的首地址去执行程序,因此在中断地址区中应存放中断服务程序。但通常情况下,8个单元难以存下一个完整的中断服务程序,因此通常也是从中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令,
24、以便中断响应后,通过中断地址区,再转到中断服务程序的实际入口地址。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机的结构及原理2.2.3 80C512.2.3 80C51单片机的数据存储器单片机的数据存储器RAM RAM 80C51数据存储器RAM主要用来存放运算的中间结果和数据等。80C51单片机数据存储器RAM分为片内RAM和片外RAM两大部分,如图2.7所示。80C51的片内数据存储器RAM只有128B,地址范围为00H7FH;80C52的片内数据存储器RAM为256B,地址范围为00HFFH。片外数据存储器RAM最多可扩至64KB存储单元,地址范围为0000HFFFFH。
25、说明两点:80C52的片内RAM地址空间共有256B,又分为两个部分:低128B(00H7FH)RAM区与80C51的RAM区相同(访问时采用直接或间接寻址方式均可)。高128B(80HFFH)RAM区,在访问这个区只能用寄存器间接寻址。需要注意是该地址范围与特殊功能寄存器(SFR)区相重叠,区别是访问特殊功能寄存器区采用直接寻址方式。片内RAM和片外RAM的低端地址0000H007FH区是相重叠的,因此,就需要采用不同的寻址方式来解决。访问片内RAM时用指令MOV,而访问片外RAM时用指令MOVX,另外片外RAM不能进行堆栈操作。第第2 2章章 80C51 80C51单片机的结构及原理单片机
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