單片機原理及應(yīng)用（2）主講人：陳桂友山東大學(xué)1/30內(nèi)容提綱一8051單片機的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)二STC8A8K64S4A12的增強型8051內(nèi)核2/30目標(biāo)了解8051單片機的基本構(gòu)成掌握STC8A8K64S4A12單片機的結(jié)構(gòu)。3/308051單片機的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)一4/301.8051單片機的引腳-1DIP封裝格式的8051單片機引腳圖及邏輯符號圖如圖2-1所示。a)8051單片機的引腳圖b)8051單片機的邏輯符號圖5/30

各個引腳描述如下：1．電源引腳1）Vcc：一般接電源的＋5V。2）Vss：接電源地。2．外接晶體引腳XTAL1和XATL2分別是芯片內(nèi)部一個反相放大器的輸入端和輸出端。通常用于連接晶體振蕩器。常見的連接方法如圖2-2所示。其中，晶體振蕩器M的頻率可以在4MHz～35MHz之間選擇，典型值是11.0592MHz。電容C1、C2對時鐘頻率有微調(diào)作用，可在5～100pF之間選擇，典型值是47pF。圖2-2常見的晶振連接方法1.8051單片機的引腳-26/30

3．控制和復(fù)位引腳1）ALE：當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。2）PSEN：此引腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次PSEN有效。3）EA：當(dāng)EA保持高電平時，首先訪問內(nèi)部存儲器，在程序計數(shù)器PC值超過片內(nèi)的程序存儲器容量（8051單片機為4KB，8052單片機為8KB）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器中的程序。當(dāng)EA保持低電平時，只訪問外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。4）RST：當(dāng)振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。如果需要單片機接上電源就可以復(fù)位并進入正常工作狀態(tài)，則需要使用上電復(fù)位電路。典型的上電復(fù)位電路如圖2-3a所示。1.8051單片機的引腳-37/30a)上電復(fù)位電路

b)使用看門狗定時器電路的典型電路1.8051單片機的引腳-4圖2-38051單片機復(fù)位電路圖看門狗定時器電路的基本作用就是監(jiān)視CPU的工作。典型的看門狗定時器電路與8051單片機的連接方法如圖2-3b所示。8/304．輸入/輸出（I/O）引腳P0口：雙向8位三態(tài)I/O口。P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口。P2口：8位準(zhǔn)雙向I/O口。P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O口。1.8051單片機的引腳-59/302.8051單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8051單片機中包含中央處理器、程序存儲器（4KBROM）、數(shù)據(jù)存儲器（128BRAM）、2個16位定時/計數(shù)器、4個8位I/O口、一個全雙工串行通信接口和中斷系統(tǒng)等，以及與I/O口復(fù)用的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三大總線。10/303.CPU結(jié)構(gòu)-1

單片機的中央處理器（CPU）由運算器和控制器組成。

（1）運算器

以8位算術(shù)/邏輯運算部件ALU為核心，加上通過內(nèi)部總線而掛在其周圍的暫存器TMP1、TMP2、累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器PSW以及布爾處理機組成了整個運算器的邏輯電路。PSW的各位定義如下所示：11/301）CY（PSW.7）：進位標(biāo)志位。2）AC（PSW.6）：輔助進位標(biāo)志位。3）F0（PSW.5）：用戶標(biāo)志0。4）RS1，RS0（PSW.4～PSW.3）：工作寄存器組選擇控制位，其詳細介紹見后續(xù)內(nèi)容。5）OV（PSW.2）：溢出標(biāo)志位。6）－（PSW.1）：保留。該位在8051單片機中保留不用。7）P（PSW.0）：奇偶標(biāo)志位。如果累加器ACC中1的個數(shù)為偶數(shù)，P=0；否則P=1。每個指令周期都由硬件來置“1”或清“0”。在具有奇偶校驗的串行數(shù)據(jù)通信中，可以根據(jù)P設(shè)置奇偶校驗位。3.CPU結(jié)構(gòu)-212/30

（2）控制器

控制器是CPU的大腦中樞，包括定時控制邏輯、指令寄存器、譯碼器、地址指針DPTR及程序計數(shù)器PC、堆棧指針SP、RAM地址寄存器、16位地址緩沖器等。3.CPU結(jié)構(gòu)-313/304.存儲器空間及存儲器-18051單片機存儲器結(jié)構(gòu)的主要特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的空間是分開的，有4個物理上相互獨立的存儲器空間：片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器，如圖2-5所示。

圖2-58051單片機存儲器配置示意圖14/30

（1）程序存儲器設(shè)計人員編寫的程序就存放在單片機的程序存儲器中。8051單片機具有64KB程序存儲器空間的尋址能力。單片機復(fù)位后，程序計數(shù)器的內(nèi)容為0000H，從0000H單元開始執(zhí)行程序。8051單片機訪問外部程序存儲器時，至少需要提供兩類信號，一類是地址信號，用來確定選中某一單元；一類是控制信號，控制外部程序存儲器的數(shù)據(jù)輸出。8051單片機沒有專門的地址總線和數(shù)據(jù)總線，使用P2口輸出地址的高八位，用P0口分時輸出地址的低八位和數(shù)據(jù)，并由ALE信號把低八位地址鎖存在地址鎖存器中。單片機提供的程序存儲器允許輸出信號

，往往與存儲器芯片的數(shù)據(jù)允許輸出端

相連。讀取程序存儲器中保存的表格常數(shù)等內(nèi)容時，使用MOVC指令。4.存儲器空間及存儲器-215/30

（2）數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。8051單片機的數(shù)據(jù)存儲器在物理上和邏輯上都分為兩個地址空間：外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。1）外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)8051單片機外部數(shù)據(jù)存儲器最大可以擴展到64KB，用于存放數(shù)據(jù)。4.存儲器空間及存儲器-316/302）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)（又稱為內(nèi)部RAM）

內(nèi)部RAM可用于存放程序執(zhí)行的中間結(jié)果和過程數(shù)據(jù)。內(nèi)部RAM的地址范圍是00H～FFH，共256個單元。這256字節(jié)的空間分為兩部分：00H～7FH：內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（稱為基本RAM區(qū)）；80H～FFH：不存在，該部分空間映射為特殊功能寄存器（SFR）區(qū)。基本RAM區(qū)又分為工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、用戶RAM和堆棧區(qū)。內(nèi)部存儲器地址空間分配如圖2-6所示。4.存儲器空間及存儲器-4圖2-6內(nèi)部RAM地址空間17/301）工作寄存器區(qū)00H～1FH共32個單元用作工作寄存器，分為四組（每一組稱為一個寄存器組），每一組包括8個8位的工作寄存器，分別是R0～R7。PSW寄存器中的RS1和RS0兩位組合決定當(dāng)前使用的工作寄存器組。2）位尋址區(qū)20H～2FH之間的單元既可以像普通RAM單元一樣按字節(jié)存取，也可以對單元中的任何一位單獨存取（稱為位尋址），共128位，所對應(yīng)的位地址范圍是00H～7FH。特殊功能寄存器中，直接地址可被8整除的寄存器（除了IP.7、IP.6和IE.6以外）也可以進行位尋址。

4.存儲器空間及存儲器-518/30圖2-7RAM中的位地址圖2-8特殊功能寄存器中的位地址4.存儲器空間及存儲器-619/303）用戶RAM和堆棧區(qū)

內(nèi)部RAM中的30H～7FH單元是用戶RAM和堆棧區(qū)。由于8051單片機復(fù)位以后，SP為07H，指向了工作寄存器組0中的R7，因此用戶初始化程序都應(yīng)對SP設(shè)置初值，一般設(shè)在30H以后為宜。8051單片機的堆棧是向上生成的（即朝著地址增大的方向生成）。4.存儲器空間及存儲器-720/304）特殊功能寄存器（SFR）特殊功能寄存器及其復(fù)位值如表2-2所示。表2-2特殊功能寄存器及其復(fù)位值4.存儲器空間及存儲器-821/30STC8A8K64S4A12的增強型8051內(nèi)核二22/301.STC8A8K64S4A12單片機的引腳及功能-1STC8A8K64S4A12單片機的引腳圖如圖2-9所示。(a)LQFP-64封裝引腳圖(b)DIP-40封裝引腳圖23/30

與標(biāo)準(zhǔn)8051單片機有所不同或者改進的引腳描述如下：

1．復(fù)位引腳STC8A8K64S4A12單片機內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，時鐘頻率在12MHZ以下時，復(fù)位腳可接1KΩ電阻再接地，也可以使用普通8051的復(fù)位電路（參見圖2-3）。2．外接晶體引腳STC8A8K64S4A12單片機的系統(tǒng)時鐘有3個時鐘源可供選擇：內(nèi)部24MHz高精度IRC、內(nèi)部32KHz的低速IRC、外部4M~33M晶振或外部時鐘信號。利用ISP工具對單片機下載用戶程序時，可以在選項中選擇使用外部晶體振蕩器時鐘或者使用內(nèi)部R/C振蕩器時鐘。

3．輸入/輸出（I/O）及復(fù)用功能引腳STC8A8K64S4A12單片機最多可以有59根I/O口線，這些I/O口線可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（標(biāo)準(zhǔn)8051輸出口模式）、推挽輸出/強上拉、高阻輸入、開漏輸出。在用戶程序的開始部分，應(yīng)首先根據(jù)需要設(shè)置單片機I/O口線的工作模式。許多I/O口線具有復(fù)用功能。1.STC8A8K64S4A12單片機的引腳及功能-224/302.STC8A8K64S4A12單片機的增強型8051內(nèi)核-1

標(biāo)準(zhǔn)8051的一個機器周期是12個時鐘周期，STC8A8K64S4A12單片機是1時鐘周期/機器周期（簡稱1T）的8051單片機，在同樣的外部時鐘頻率下執(zhí)行同樣的代碼，其指令執(zhí)行速度要比標(biāo)準(zhǔn)8051單片機快約12倍。執(zhí)行指令時序圖如圖2-10所示。圖2-10執(zhí)行指令時序25/30STC8A8K64S4A12單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2-11所示。圖2-11STC8A8K64S4A12單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.STC8A8K64S4A12單片機的增強型8051內(nèi)核-226/30STC8A8K64S4A12單片機在標(biāo)準(zhǔn)8051單片機的基礎(chǔ)上增加了如下資源：（1）集成了程序Flash存儲器STC8A8K64S4A12單片機集成了64KB的程序Flash存儲器。（2）數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部256字節(jié)RAM（這部分和8052單片機相同）和內(nèi)部8192字節(jié)的擴展RAM。（3）增加了I/O口數(shù)量除了包含標(biāo)準(zhǔn)8051單片機的P0~P3口外，還擴展集成了P4、P5、P6和P7口。（4）增加了定時/計數(shù)器數(shù)量除了包含標(biāo)準(zhǔn)8051單片機的定時/計數(shù)器T0和T1外，擴展集成了定時/計數(shù)器T2、T3和T4。2.STC8A8K64S4A12單片機的增強型8051內(nèi)核-327/30（5）增加了異步串行通信接口數(shù)量除了包含標(biāo)準(zhǔn)8051單片機的異步串行接口（簡稱串口，在STC8A8K64S4A12單片機中稱為串口1）外，還擴展集成了串口2、串口3和串口4。（6）增加了SPI和I2C接口。（7）增加了可編程計數(shù)器陣列（PCA）模塊。（8）增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）模塊。

除了上述模塊以外，還增加了看門狗、內(nèi)部復(fù)位邏輯、內(nèi)部RC振蕩器、掉電喚醒專用定時器等模塊。2.STC8A8K64S4A12單片機的增強型8051內(nèi)核-428/30習(xí)題簡述8051基本內(nèi)核的結(jié)構(gòu)及資源，說明主要邏輯功能部件及其作用。8051單片機的存儲