1、單片機(jī)基礎(chǔ)（第3版）,李廣弟等編著 北京航空航天大學(xué)出版社 2007年6 月,第2章 80C51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu),2.1 單片機(jī)的概念 2.2 80C51單片機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)及信號(hào)引腳 2.3 80C51單片機(jī)的存儲(chǔ)器 2.4 80C51 單片機(jī)的并行I/O口 2.5 80C51 單片機(jī)的時(shí)鐘與定時(shí) 2.6 80C51 單片機(jī)的系統(tǒng)復(fù)位 2.7 單片機(jī)低功耗工作模式,2.1 單片機(jī)的概念,單片微型計(jì)算機(jī)SCMC(Single Chip Micro-Computer)，是計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和大規(guī)模集成電路相結(jié)合的產(chǎn)物。 還有其他的稱呼，如：微控制器（MCU），嵌入式微控制器（EMCU），嵌入式微處理

2、器（EMP）等。 目前使用最多的仍是8位單片機(jī)。在8位單片機(jī)中80c51的使用更為廣泛。本教材也是以80c51為基礎(chǔ)。,2.2 80C51單片機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu) 及信號(hào)引腳,2.2.1 80C51單片機(jī)的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 1. 中央處理器CPU （1）運(yùn)算電路 （2）控制電路 2. 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 3. 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 4. 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 5. 并行I/O口 6. 串行口 7. 中斷控制電路 8. 時(shí)鐘電路 9. 位處理器 10. 內(nèi)部總線,80C51芯片邏輯結(jié)構(gòu)圖,P0驅(qū)動(dòng)器,RAM 地址 寄存器,RAM,EPROM或ROM,P2驅(qū)動(dòng)器,P0鎖存器,P2鎖存器,B寄存器,A,暫存器2,暫存器1,SP

3、,16位地址寄存器,緩沖器,PSW,ALU,P1鎖存器,P1驅(qū)動(dòng)器,振蕩器,P3鎖存器,P3驅(qū)動(dòng)器,PC加1,PC,DPTR,中斷系統(tǒng) 串行口 定時(shí)/計(jì)數(shù)器,定時(shí) 及 控制,指 令 寄 存 器,PSEN,ALE,EA,RST,Vcc,Vss,P0.0P0.7,P2.0P2.7,P1.0P1.7,P3.0P3.7,MCS-51系列單片機(jī)性能表,一、MCS-51系列單片機(jī)的基本組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu),MCS51單片機(jī)的結(jié)構(gòu),圖2.1 單片機(jī)組成框圖,1.適于控制應(yīng)用的8位CPU 2.具有布爾處理（位處理）能力 3.64KB程序存儲(chǔ)器空間 4.64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間 5.128個(gè)字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,二、51

4、系列單片機(jī)硬件電路特征,6. 4K字節(jié)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 7. 32根雙向并可按位尋址的并行I/O接口線 8. 兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 9. 一個(gè)全雙工的串行I/O接口 10. 6源5向量中斷結(jié)構(gòu)，每個(gè)中斷源都具有兩級(jí) 11. 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器,中斷系統(tǒng),T0 T1,運(yùn)算和控制功能,三、組成單片機(jī)的各部分功能：,存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)或表格,存放可讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)或運(yùn)算結(jié)果,中斷系統(tǒng),T0 T1,用于內(nèi)外數(shù)據(jù)并行傳輸,實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)并產(chǎn)生中斷,串行數(shù)據(jù)傳輸,產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)行脈沖,中斷系統(tǒng),T0 T1,中斷系統(tǒng)六源五向量,外部中斷, , ,中斷系統(tǒng),T0 T1,三總線數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線,內(nèi)部總線有三種

5、,數(shù)據(jù)總線：專門(mén)用來(lái)傳送數(shù)據(jù)信息 。,地址總線：專門(mén)用來(lái)傳送地址信息，選中各操作單元。,控制總線：專門(mén)用來(lái)傳送CPU各種控制命令，以便CPU統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)工作。完成程序所要執(zhí)行的各種功能。,51系列三總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：,16條地址總線: 尋址 64KB ROM和64KB RAM， 用控制線區(qū)分,無(wú)獨(dú)立的地址總線、數(shù)據(jù)總線，與P0、P2口復(fù)用,P0口分時(shí)作低8位地址總線/8位數(shù)據(jù)總線 P2口分時(shí)作高8位地址總線,2.2.2 80C51單片機(jī)的封裝與信號(hào)引腳 1. 芯片封裝形式,2. MCS-51系列單片機(jī)引腳功能 a、電源引腳 VCC和VSS: VCC=+5V VSS=地 b、時(shí)鐘引腳XTAL1（1

6、9）和XTAL2（18）: 接石英晶體 c、控制信號(hào)引腳RST, ALE,PSEN和EA RST（9）: 復(fù)位 ALE/PROG（30）:地址鎖存允許/8751片內(nèi)EPROM固化程序時(shí)加入編程脈沖.,d、輸入/輸出口 P0,P1,P2和P3 P0口是8位雙向I/O口。在CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí),P0口分時(shí)提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。 P1口是8位雙向I/O口 P2口是8位雙向I/O口。在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí), 它輸出高8位地址。 P3口是8位雙向I/O口。P3口的的每一位還有第二功能。 第一功能與第二功能是不同工作方式下的信號(hào)，不會(huì)發(fā)生使用上的矛盾。,2.3 MCS-51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器,2

7、.3.1 程序存儲(chǔ)器 2.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,MCS-51存儲(chǔ)器空間分布圖,2.3.1 程序存儲(chǔ)器,功能：用于存放編好的程序、表格和常數(shù) 。 特點(diǎn)：為只讀存儲(chǔ)器。,通過(guò)MOVC指令進(jìn)行訪問(wèn),。,0000H,0FFFH,0000H,0FFFH,1000H,FFFFH,片內(nèi)ROM /EA=1,片外ROM /EA=0,片外ROM,程序存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)空間：64KB的尋址空間，片內(nèi)片外由EA控制,，尋址內(nèi)部ROM；,，尋址外部ROM。,程序存儲(chǔ)器中6個(gè)具有特殊含義的單元,0000H 系統(tǒng)復(fù)位，PC指向此處； 0003H 外部中斷0入口 000BH T0溢出中斷入口 0013H 外中斷1入口 001BH T

8、1溢出中斷入口 0023H 串口中斷入口,片內(nèi)程序存儲(chǔ)器,0000H 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 002BH,例如,主程序?qū)嶋H從2000H開(kāi)始存放，復(fù)位后，通過(guò) 跳轉(zhuǎn)指令LJMP轉(zhuǎn)移至2000H開(kāi)始執(zhí)行。,ORG 0000H LJMP 2000H . . . ORG 2000H START：-,2.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,用途：存放程序執(zhí)行的中間結(jié)果和過(guò)程數(shù)據(jù)的 。 特點(diǎn)：CPU工作時(shí)可以隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。,物理上、邏輯上分為兩大區(qū)域： 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器00H FFH 。 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器0000H FFFFH。,51系列單片機(jī)片內(nèi)含有256個(gè)字節(jié)RAM。其中低 12

9、8B地址(00H7FH)為用戶數(shù)據(jù)RAM。,1、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,高128B地址(80HFFH)為特殊寄存器（SFR） 單元。,8051系列單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分布如圖所示：,1、片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM,工作寄存器區(qū)： 地址：00H 1FH 四組R0 R7,例,已知：程序狀態(tài)字PSW中的RS0 = 1， RS1 = 1，求R0R7對(duì)應(yīng)內(nèi)部RAM地址。,解：因RS0=1，RS1=1 根據(jù)前表可知： R0R7對(duì)應(yīng)內(nèi)部RAM地址為18H 1FH,1、已知：程序狀態(tài)字PSW中的RS0 = 0， RS1 = 1，求R5的地址。 2、已知：程序狀態(tài)字PSW中的RS0 = 1， RS1 = 0，求R0R7對(duì)應(yīng)內(nèi)部RA

10、M地址，其中R2的地址又是多少？,答：R5的地址為15H。,答：R0R7對(duì)應(yīng)內(nèi)部RAM地址為08H 0FH， R2的地址為0AH。,位尋址區(qū)：位尋址區(qū)（20H2FH）16個(gè)字節(jié)。 16*8=128位，每一位都有一個(gè)位地址，范圍為：00H7FH，位地址區(qū)也可作為一般的用戶RAM使用。,用戶RAM區(qū)：,地址：30H 7FH，80個(gè)單元 特點(diǎn)：用戶可隨意使用,實(shí)際RAM區(qū)：007FH,（2）特殊功能寄存器（SFR）,占用片內(nèi)RAM 80FFH中部分單元。80 FFH未被SFR占用的單元保留，用戶不能使 用。SFR也稱專用寄存器，專用于控制、 管理片內(nèi)ALU部件、并行I/O口、串行I/O 口、定時(shí)/計(jì)

11、數(shù)器、中斷系統(tǒng)，如下表所 示。其中有些專用寄存器有位地址或位名 稱，可以進(jìn)行位操作。,特殊功能寄存器,特殊功能寄存器SFR區(qū),21個(gè)特殊功能寄存器SFR：, CPU：ACC，B，PSW，SP，DPTR, 并行口：P0，P1，P2，P3,定時(shí)/計(jì)數(shù)器 (T0，T1) ： TMOD ，TCON TH0，TL0，TH1，TL1, 中斷系統(tǒng)：IE，IP, 串行口：SBUF，SCON，PCON,1）寄存器B,2）程序狀態(tài)字(Program Status Word),RS1、RS0 寄存器組選擇位 選擇指令當(dāng)前工作的工作寄存器組。 OV 溢出標(biāo)志 帶符號(hào)加減運(yùn)算中，超過(guò)累加器A所能表示的符號(hào)數(shù)有效范圍（-

12、128+127）則OV1。 乘法指令，乘積超過(guò)255時(shí)，OV=1。除法指令，OV=1，表示除數(shù)為0。 P 奇偶標(biāo)志 A中1的個(gè)數(shù)若為奇數(shù)P=1,否則P=0,例：已知累加器A=3DH，請(qǐng)問(wèn)PSW中的奇偶校驗(yàn)位P=？解：A=3DH=00111101B P=1,1、已知累加器A=34H，請(qǐng)問(wèn)PSW中的奇偶校驗(yàn)位P=？ 2、已知累加器A=C6H，請(qǐng)問(wèn)PSW中的奇偶校驗(yàn)位P=？,答案：A=00110100 ，P=1,答案：A=11000110 ，P=0,3）數(shù)據(jù)指針(DPTR),數(shù)據(jù)指針為16位寄存器，編程時(shí)，既可以按16位寄存器來(lái)使用，也可以按兩個(gè)8位寄存器來(lái)使用，即高位字節(jié)寄存器DPH和低位字節(jié)DP

13、L。,DPTR主要是用來(lái)保存16位地址，當(dāng)對(duì)64kB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址時(shí)，可作為間址寄存器使用，此時(shí)，使用如下兩條指令： MOVXA,DPTR MOVXDPTR,A,在訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器時(shí)，DPTR可用來(lái)作基址寄存器，采用基址+變址尋址方式訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器，這條指令常用于讀取程序存儲(chǔ)器內(nèi)的表格數(shù)據(jù)。 MOVCA,A+DPTR,4）堆棧指針SP(Stack Pointer),指明棧頂元素的地址，8位，可軟件設(shè)置初值，復(fù)位時(shí)SP = 07H。,5）I/O口專用寄存器(P0、P1、P2、P3),I/O口寄存器P0、P1、P2和P3分別是MCS-51單片機(jī)的四組I/O口鎖存器。,6）定時(shí)/計(jì)數(shù)器(TL0、T

14、H0、TL1和TH1),MCS-51單片機(jī)中有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，它們由四個(gè)8位寄存器組成的，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器卻是完全獨(dú)立的。我們可以單獨(dú)對(duì)這四個(gè)寄存器進(jìn)行尋址，但不能把T0和T1當(dāng)作16位寄存來(lái)使用。,7）定時(shí)/計(jì)數(shù)器方式選擇寄存器(TMOD),TMOD寄存器是一個(gè)專用寄存器，用于控制兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作方式，TMOD可以用字節(jié)傳送指令設(shè)置其內(nèi)容，但不能位尋址 。,MCS-51系列單片機(jī)有一個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR可用于尋址片外程序存儲(chǔ)器或片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元。它為16位，可尋址范圍為64KB（0000HFFFFH）。,通過(guò)MOVX指令進(jìn)行訪問(wèn)。,2、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,2.3.3

15、 堆棧操作,1. 堆棧的功用 堆棧主要是為子程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)立的，對(duì)應(yīng)有兩項(xiàng)功能：保護(hù)斷點(diǎn)和保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。 2. 堆棧的開(kāi)辟 只能開(kāi)辟在芯片的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中。 3. 堆棧指針 堆棧的兩種操作：進(jìn)棧和出棧。都是對(duì)棧頂單元進(jìn)行的。堆棧指針SP用來(lái)指示棧頂。SP的內(nèi)容就是堆棧棧頂?shù)拇鎯?chǔ)單元地址。,4. 堆棧類型 兩種不同類型的堆棧結(jié)構(gòu) 兩種類型：向上生長(zhǎng)型和向下生長(zhǎng)型。80c51使用向上生長(zhǎng)型堆棧，操作規(guī)則如下： 進(jìn)棧操作：先SP加1，后寫(xiě)入數(shù)據(jù)。 出棧操作：先讀出數(shù)據(jù)v，后SP減1。,5. 堆棧使用方式 兩種：自動(dòng)方式和指令方式。 自動(dòng)方式：在調(diào)用子程序或中斷時(shí)，返回地址自動(dòng)進(jìn)棧。程序返回時(shí)，斷

16、點(diǎn)再自動(dòng)彈回PC。 指令方式：使用專用的堆棧操作指令，進(jìn)行進(jìn)出棧操作。進(jìn)棧指令為PUSH，出棧指令為POP。,2.4 80C51 單片機(jī)的并行I/O口 80C51共有4個(gè)8位的并行雙向I/O口：P0，P1，P2，P3。可以按字節(jié)尋址外，還可以按位尋址。,2.4.1 P0口邏輯結(jié)構(gòu) P0口地址為80H，位地址為80H-87H。 既可做一般I/O口，又可作地址/數(shù)據(jù)總線，某一位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖,2.4.2 P1口邏輯結(jié)構(gòu) P1口地址為90H，位地址為90H-97H。只能作為通用數(shù)據(jù)I/O口使用，電路邏輯如下圖：,2.4.3 P2口邏輯結(jié)構(gòu) P2口地址為A0H，位地址為A0H-A7H。 既可做通用I

17、/O口，又可作系統(tǒng)高位地址線，某一位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖,2.4.4 P3口邏輯結(jié)構(gòu) P3口地址為B0H，位地址為B0H-B7H。 雖然可做通用I/O口，但在實(shí)際應(yīng)用中，它的第二功能信號(hào)更為重要，某一位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖,2.5 80C51 單片機(jī)的時(shí)鐘與定時(shí),單片機(jī)本身是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序系統(tǒng)，為保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)必須有時(shí)鐘信號(hào)，以使其系統(tǒng)在時(shí)鐘信號(hào)的控制下按時(shí)序協(xié)調(diào)工作。,2.5.1 時(shí)鐘電路,1. 振蕩電路 石英晶體作為感性元件，與電容構(gòu)成振蕩回路，為片內(nèi)放大器提供正反饋和振蕩所需的相移條件，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，如下圖。,2. 分頻電路 振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)并不直接為單

18、片機(jī)所用，而要進(jìn)行分頻，以得到單片機(jī)各種相關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)。,3. 晶振頻率 1.233MHz. 4. 從外部引入脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘電路 除了由振蕩電路產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)外，還可從外部脈沖源直接引入。,2.5.2 定時(shí)單位,1. 拍節(jié)與狀態(tài) 即振蕩周期，時(shí)鐘脈沖頻率的倒數(shù)，定義為拍節(jié)（P）。時(shí)鐘信號(hào)的周期定義為狀態(tài)（S）。1S=2P 2. 機(jī)器周期 規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期的寬度為6個(gè)狀態(tài)，S1S6。 3. 指令周期 執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，可包含1個(gè)、2個(gè)或4個(gè)機(jī)器周期。,【振蕩周期】：?jiǎn)纹瑱C(jī)外接石英晶體振蕩器的周期。如外接石英晶體的頻率若為12MHz，其振蕩周期就是1/12微秒。 【狀態(tài)周期】：?jiǎn)纹瑱C(jī)完

19、成一個(gè)最基本的動(dòng)作所需的時(shí)間周期。如掃描一次定時(shí)器T0引腳狀態(tài)所需要的時(shí)間。一個(gè)狀態(tài)周期2個(gè)振蕩周期。 【機(jī)器周期】：?jiǎn)纹瑱C(jī)完成一次完整的具有一定功能的動(dòng)作所需的時(shí)間周期。如一次完整的讀操作或?qū)懖僮鲗?duì)應(yīng)的時(shí)間。一個(gè)機(jī)器周期6個(gè)狀態(tài)周期。 【指令周期】： 執(zhí)行完某條指令所需要的時(shí)間周期，一般需要14個(gè)機(jī)器周期，如MUL AB指令是四機(jī)器周期指令。一個(gè)指令周期14個(gè)機(jī)器周期。,例:一個(gè)時(shí)鐘頻率為6MHz的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，它的時(shí)鐘周期、機(jī)器周期、指令周期分別是多少？,解: f=6MHz T=1/6(s) TM=12(1/6)=2(s) T指=28 s,2.6 80C51 單片機(jī)的系統(tǒng)復(fù)位,復(fù)位是單片

20、機(jī)的硬件初始化操作。復(fù)位后，單片機(jī)才能開(kāi)始正常工作。 2.6.1 復(fù)位方式與初始化狀態(tài) 1. 復(fù)位方式 （1）加電復(fù)位：通過(guò)專用的復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。 （2）手動(dòng)復(fù)位： 在實(shí)際應(yīng)用中，總是把加電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位結(jié)合在一起，形成一個(gè)綜合的復(fù)位電路。,2. 初始化狀態(tài)復(fù)位后的片內(nèi)狀態(tài)為,PC0000H ACC00H B00H PSW00H SP07H DPTR0000H P0P30FFH IPxxx00000B 完成復(fù)位操作需24個(gè)狀態(tài)周期,IE0 x000000B TMOD00H TCON00H TH0,TL0,TH1,TL100H SCON00H SBUF不定 PCON0 xxxxxxxB,2.6.2 復(fù)位電路,1. 復(fù)位電路概述 使用過(guò)的復(fù)位電路：積分電路型、微分電路型、比較型和看門(mén)狗型。常用前兩種。 （1）積分電路型 用于產(chǎn)生低電平復(fù)位信號(hào)，見(jiàn)下圖。,（2）微分電路型 用于產(chǎn)生高電平復(fù)位信號(hào)，見(jiàn)下圖。,2. 80C51 基本復(fù)位電路,3. 80C51 芯片內(nèi)復(fù)位電路,2.7