第2章单片微机的基本结构

第二章第二章 单片微机的根本结构单片微机的根本结构l2.1 80C51单片微机的内部结构单片微机的内部结构l2.2 80C51单片微机的引脚及其功能单片微机的引脚及其功能l2.3 80C51 CPU的结构和特点的结构和特点l2.4 80C51存储器结构和地址空间存储器结构和地址空间l2.5 80C51并行输入并行输入/输出端口输出端口l2.6 80C51布尔位处理器布尔位处理器l2.7 80C51单片微机的工作方式单片微机的工作方式 中央处理器中央处理器CPU(算术逻辑部件算术逻辑部件ALU、控制器等、控制器等)只读存储器只读存储器ROM随机存取存储器随机存取存储器RAM定时器定时器/计数器计数器并行并行I/O口口P0P3、串行口、串行口中断系统以及定时控制逻辑电路等。中断系统以及定时控制逻辑电路等。2.180C51单片微机的内部结构单片微机的内部结构80C51内部结构如内部结构如图图21所示所示包包括括微型计算机的根本组成有三局部，即CPU+存储器+I/O接口图图2180C51的内部结构图的内部结构图图图2180C51的内部结构图的内部结构图1.中央处理器中央处理器运算器运算器控制器控制器CPU2.程序存储器程序存储器内部没有程序存储器的称内部没有程序存储器的称80C31(片外片外ROM)内部带内部带ROM的称的称80C51(掩膜掩膜ROM)内部以内部以EPROM代替代替ROM的称的称87C51(紫外线擦除紫外线擦除)内部以内部以EEPROM(电可擦除电可擦除,也称也称Flash单片微机单片微机,如如89C51)算术逻辑运算部件ALU寄 存 器（8位）ACC-累加器BPSW程序状态字寄存器运算器PSW(D0H)CYACF0RS1RS0OVF1PPC-程序计数器（16位）SP-堆栈指针（8位）DPTR-数据指针（16位）指令寄存器、译码、定时控制等控制器3.数据存储器数据存储器RAM典型典型51的内部的内部RAM是是128字节一般称为存放器字节一般称为存放器当内部当内部RAM容量不够时，还可通过串行总线或并行总容量不够时，还可通过串行总线或并行总线外扩数据存储器。线外扩数据存储器。4.并行并行I/O口口数据线、地址线、控制线、连接外设等。数据线、地址线、控制线、连接外设等。单片微机单片微机I/O引脚的驱动能力也逐渐增大，甚至可以直接引脚的驱动能力也逐渐增大，甚至可以直接驱动外扩的驱动外扩的LED显示器例如显示器例如STC单片机。单片机。5.串行串行I/O口口全双工串行全双工串行I/O口，实现串行通信；口，实现串行通信；也可与多个单片微机相连构成多机系统。也可与多个单片微机相连构成多机系统。拓拓宽宽：有有些些型型号号的的单单片片微微机机内内部部还还包包含含有有两两个个串串行行I/O口。口。6.定时器定时器/计数器计数器80C51共有两个共有两个16位的定时器位的定时器/计数器；计数器；80C52那么有三个那么有三个16位的定时器位的定时器/计数器。计数器。7.中断系统中断系统80C51的中断功能较强，具有内、外共五个中断源，两个的中断功能较强，具有内、外共五个中断源，两个中断优先级。中断优先级。8时序电路及元件时序电路及元件计算机的整个工作是在时钟信号的驱动下，按照严格的计算机的整个工作是在时钟信号的驱动下，按照严格的时序有规律地一个节拍一个节拍地执行各种操作。单片微机内时序有规律地一个节拍一个节拍地执行各种操作。单片微机内部设有定时电路，只需外接振荡元件即可工作有些单片机将部设有定时电路，只需外接振荡元件即可工作有些单片机将振荡元件集成在内部。振荡元件集成在内部。8位位CPU；4K内部内部ROM；128字节内部字节内部RAM；寻址空间：寻址空间：64KROM64KRAM；32位位I/O口线；口线；2个个16位位T/C；一个全双工串行口；一个全双工串行口；5个中断源个中断源80C51单片机资源：单片机资源：80C51有有40引脚双列直插引脚双列直插DIP、44引脚引脚(PLCC)和和44引脚引脚PQFP/TQFP封装形式。封装形式。80C5180C52的封装及逻辑图如图的封装及逻辑图如图22所示。所示。2.2 80C512.2 80C51单片微机的引脚及其功能单片微机的引脚及其功能图图22 80C51/80C5222 80C51/80C52的封装及逻辑图的封装及逻辑图在某些场合，不需通过并行总线扩展芯片，在某些场合，不需通过并行总线扩展芯片，在某些场合，不需通过并行总线扩展芯片，在某些场合，不需通过并行总线扩展芯片，这时常采用这时常采用这时常采用这时常采用20202020引脚双列直插引脚双列直插引脚双列直插引脚双列直插DIPDIPDIPDIP甚至仅甚至仅甚至仅甚至仅14141414引脚的单片微机，如引脚的单片微机，如引脚的单片微机，如引脚的单片微机，如ATMELATMELATMELATMEL公司的公司的公司的公司的1051/2051/40511051/2051/40511051/2051/40511051/2051/4051单片微机等，或单片微机等，或单片微机等，或单片微机等，或PHILIPSPHILIPSPHILIPSPHILIPS公公公公司的司的司的司的P87LPC764P87LPC764P87LPC764P87LPC764单片微机。它们的封装及引单片微机。它们的封装及引单片微机。它们的封装及引单片微机。它们的封装及引脚见图脚见图脚见图脚见图23232323。图图2323非总线型单片微机引脚示意图非总线型单片微机引脚示意图二、二、8051单片机外部引脚单片机外部引脚引脚分类：引脚分类：1 1、主电源引脚：、主电源引脚：VssVss接地、接地、VccVcc接电源正接电源正2 2、外接晶振引脚、外接晶振引脚 XTAL1 XTAL1、XTAL2XTAL23 3、输入、输入/输出引脚输出引脚 P0.0 P0.7 P0.0 P0.7 ；P1.0 P1.7 P1.0 P1.7 P2.0 P2.7 P2.0 P2.7 ；P3.0 P3.7 P3.0 P3.7四个四个I/OI/O口口P08P08P08P08位、漏极开路的双向位、漏极开路的双向位、漏极开路的双向位、漏极开路的双向I/OI/OI/OI/O口。口。口。口。当使用片外存储器当使用片外存储器当使用片外存储器当使用片外存储器ROMROMROMROM及及及及RAMRAMRAMRAM时，作低八位地址和数时，作低八位地址和数时，作低八位地址和数时，作低八位地址和数据总线分时复用。据总线分时复用。据总线分时复用。据总线分时复用。P0 P0 P0 P0口作为总线时能驱动口作为总线时能驱动口作为总线时能驱动口作为总线时能驱动 8 8 8 8个个个个 LSTTL LSTTL LSTTL LSTTL负载。负载。负载。负载。P18P18P18P18位、准双向位、准双向位、准双向位、准双向I/O I/O I/O I/O 口。口。口。口。在编程在编程在编程在编程/校验期间，用做输入低位字节地址。校验期间，用做输入低位字节地址。校验期间，用做输入低位字节地址。校验期间，用做输入低位字节地址。P1P1P1P1口可以驱动口可以驱动口可以驱动口可以驱动 4 4 4 4个个个个 LSTTL LSTTL LSTTL LSTTL负载。负载。负载。负载。P28P28位、准双向位、准双向I/OI/O口。口。当使用片外存储器当使用片外存储器ROMROM及及RAMRAM时，输出高时，输出高8 8位地址。位地址。在编程在编程/校验期间，接收高位字节地址。校验期间，接收高位字节地址。P2P2口可以驱动口可以驱动4 4个个LSTTLLSTTL负载。负载。P38P38位、准双向位、准双向I/OI/O口，具有内部上拉电路。口，具有内部上拉电路。P3P3提提供供各各种种替替代代功功能能。在在提提供供这这些些功功能能时时，其其输输出出锁锁存存器应由程序置器应由程序置 1 1。P3P3口可以输入口可以输入/输出输出4 4个个LSTTLLSTTL负载。负载。串行口：串行口：串行口：串行口：P3P3P3P30RXD 0RXD 0RXD 0RXD 串行输入口。串行输入口。串行输入口。串行输入口。P3 P3 P3 P31TXD 1TXD 1TXD 1TXD 串行输出口。串行输出口。串行输出口。串行输出口。中断：中断：中断：中断：P3 P3 P3 P32 2 2 2 外部中断外部中断外部中断外部中断0 0 0 0输入。输入。输入。输入。P3 P3 P3 P33 3 3 3 外部中断外部中断外部中断外部中断1 1 1 1输入。输入。输入。输入。定时器定时器定时器定时器/计数器：计数器：计数器：计数器：P3P3P3P34444定时器定时器定时器定时器/计数器计数器计数器计数器T0 T0 T0 T0 的外部输入。的外部输入。的外部输入。的外部输入。P3 P3 P3 P35555定时器定时器定时器定时器/计数器计数器计数器计数器T1T1T1T1的外部输入。的外部输入。的外部输入。的外部输入。数据存储器选通：数据存储器选通：数据存储器选通：数据存储器选通：P3P3P3P36WR 6WR 6WR 6WR 低电平有效，输出，片外存储器写选通。低电平有效，输出，片外存储器写选通。低电平有效，输出，片外存储器写选通。低电平有效，输出，片外存储器写选通。P3P3P3P37 RD 7 RD 7 RD 7 RD 低电平有效，输出，片外存储器读选通。低电平有效，输出，片外存储器读选通。低电平有效，输出，片外存储器读选通。低电平有效，输出，片外存储器读选通。4 4、控制或复位引脚、控制或复位引脚 RST/VPD RST/VPD 当出现两个机器周期高电平当出现两个机器周期高电平时，单片机复位时，单片机复位 。复位后，复位后，P0-P3 P0-P3 输出高电平；输出高电平；SPSP为为07H07H；PCPC为为0000H0000H。其它存放器全部清其它存放器全部清0 0；不影响；不影响RAMRAM状态。状态。ALE/PROGALE/PROG 地址锁存控制端；地址锁存控制端；当访问外部程当访问外部程序器时，序器时，ALE(ALE(地址锁存地址锁存)的输出用于锁存地址的低位的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，字节。而访问内部程序存储器时，ALEALE端将有一个端将有一个1/61/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。PSEN PSEN 外部程序存储器的读选通信号端；低电外部程序存储器的读选通信号端；低电平有效。平有效。EA/VppEA/Vpp 内内 外外ROMROM选择端选择端 EA=1EA=1 时，访问内部程序存储器时，访问内部程序存储器,即内即内ROMROMEA=0EA=0 时，只访问外部程序存储器时，只访问外部程序存储器,即外即外ROMROM中央处理器中央处理器CPUCPU是单片微机内部的核心部件，是单片微机内部的核心部件，主要包括：主要包括：控制器控制器运算器运算器工作存放器工作存放器时序电路时序电路2.32.3 80C51 CPU 80C51 CPU的结构和特点的结构和特点在在80C51单单片片机机中中，控控制制器器包包括括程程序序计计数数器器PC、程程序序地地址址存存放放器器、指指令令存存放放器器IR、指指令令译译码码器器、条条件件转转移移逻逻辑电路及定时控制逻辑电路。辑电路及定时控制逻辑电路。中央控制器中央控制器1 1 1 1程序计数器程序计数器程序计数器程序计数器PCPCPCPC程序指针程序指针程序指针程序指针 16 16 16 16位位位位存放下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址。存放下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址。存放下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址。存放下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址。工作过程：读指令时，程序计数器将其中的数作为所取指工作过程：读指令时，程序计数器将其中的数作为所取指工作过程：读指令时，程序计数器将其中的数作为所取指工作过程：读指令时，程序计数器将其中的数作为所取指令的地址输出给程序存储器，然后程序存储器按此地址输出指令的地址输出给程序存储器，然后程序存储器按此地址输出指令的地址输出给程序存储器，然后程序存储器按此地址输出指令的地址输出给程序存储器，然后程序存储器按此地址输出指令字节，同时程序计数器本身自动加令字节，同时程序计数器本身自动加令字节，同时程序计数器本身自动加令字节，同时程序计数器本身自动加1 1 1 1，指向下一条指令地址。，指向下一条指令地址。，指向下一条指令地址。，指向下一条指令地址。复位时，复位时，复位时，复位时，PC=0000HPC=0000HPC=0000HPC=0000H，使程序从，使程序从，使程序从，使程序从0 0 0 0单元开始执行。通常单片机单元开始执行。通常单片机单元开始执行。通常单片机单元开始执行。通常单片机每取一个字节机器码，每取一个字节机器码，每取一个字节机器码，每取一个字节机器码，PCPCPCPC就自动加就自动加就自动加就自动加1 1 1 1，从而保证了指令的顺序执，从而保证了指令的顺序执，从而保证了指令的顺序执，从而保证了指令的顺序执行。行。行。行。转移指令可强行改变转移指令可强行改变转移指令可强行改变转移指令可强行改变PCPCPCPC的内容。的内容。的内容。的内容。2.2.数据指针数据指针 DPTR DPTR DPTR DPTR是一个是一个1616位的特殊功能存放器，位的特殊功能存放器，主要功能：作为片外数据存储器或主要功能：作为片外数据存储器或I/OI/O寻址寻址用的地址存放器间接寻址，故称为数用的地址存放器间接寻址，故称为数据存储器地址指针。据存储器地址指针。DPTR DPTR存放器既可以作为一个存放器既可以作为一个1616位存放器位存放器处理，也可以作为两个处理，也可以作为两个8 8位存放器处理，其高位存放器处理，其高8 8位用位用DPHDPH表示，低表示，低8 8位用位用DPLDPL表示。表示。在在80C51中中，两两个个地地址址存存放放器器，即即程程序序计计数数器器PC与数据指针与数据指针DPTR，有相同之处，也有差异：，有相同之处，也有差异：两两者者都都是是与与地地址址有有关关的的16位位的的存存放放器器。其其中中PC与与程程序序存存储储器器的的地地址址有有关关，而而DPTR与与数数据据存存储储器器的的地地址址有有关关。作作为为地地址址存存放放器器使使用用时时PC与与DPTR都都是是通通过过P0和和P2口口输输出出的的。PC的的输输出出与与ALE及及PSEN信信号号有有关关；DPTR的的输输出出，那那么么与与ALE、WR、RD信信号号有有关。关。PC PC PC PC只能作为只能作为只能作为只能作为16161616位存放器对待。位存放器对待。位存放器对待。位存放器对待。PCPCPCPC是不可以访是不可以访是不可以访是不可以访问的，它不属于特殊功能存放器，有自己独特的变问的，它不属于特殊功能存放器，有自己独特的变问的，它不属于特殊功能存放器，有自己独特的变问的，它不属于特殊功能存放器，有自己独特的变化方式。化方式。化方式。化方式。DPTR DPTR DPTR DPTR可以作为可以作为可以作为可以作为16161616位存放器，也可以作为两个位存放器，也可以作为两个位存放器，也可以作为两个位存放器，也可以作为两个8 8 8 8位位位位存放器，存放器，存放器，存放器，DPTRDPTRDPTRDPTR是可以访问的，是可以访问的，是可以访问的，是可以访问的，DPLDPLDPLDPL和和和和DPHDPHDPHDPH都位于特殊都位于特殊都位于特殊都位于特殊功能存放器区中。功能存放器区中。功能存放器区中。功能存放器区中。运算器主要用来实现对操作数的算术逻辑运算和位操作运算器主要用来实现对操作数的算术逻辑运算和位操作的。的。运算器主要包括算术逻辑运算单元运算器主要包括算术逻辑运算单元ALU、累加器、累加器ACCA、暂存存放器、暂存存放器、B存放器、程序状态标志存放器存放器、程序状态标志存放器PSW以及以及BCD码运算修正电路等。码运算修正电路等。运算器运算器ALUALU有两个输入：有两个输入：通通过过暂暂存存器器1 1的的输输入入：输输入入数数据据来来自自存存放放器器、直直接接寻寻址址单单元元含含I/OI/O口口、内内部部RAMRAM、存存放放器器B B或或是是立即数。立即数。通过暂存器通过暂存器2 2或累加器或累加器ACCACC的输入：的输入：ALUALU有两个有两个输出输出:数据经过运算后，其结果又通过内部总线送数据经过运算后，其结果又通过内部总线送回到累加器中；回到累加器中；数据运算后产生的标志位输出至程序状态字数据运算后产生的标志位输出至程序状态字 PSWPSW。2.2.累加器累加器A A 累加器累加器A A是是CPUCPU中使用最频繁的一个中使用最频繁的一个8 8位专位专用存放器，简称用存放器，简称ACCACC或或A A存放器。存放器。主要功能：累加器主要功能：累加器A A存放操作数，而单片存放操作数，而单片微机中大局部数据操作都要通过累加器微机中大局部数据操作都要通过累加器A A进行，进行，容易产生容易产生“瓶颈现象。瓶颈现象。3 3B B存放器存放器 一一般般用用于于乘乘除除法法指指令令。乘乘法法中中，ALUALU的的两两个个输输入入分分别别为为A A、B B，运运算算结结果果存存放放在在ABAB存存放放器器对中对中;A;A中放积的低中放积的低8 8位，位，B B中放积的高中放积的高8 8位。位。除除法法中中，被被除除数数取取自自A A，除除数数取取自自B B，(AB=A)(AB=A)商数存放于商数存放于A A，余数存放于，余数存放于B B。4.4.4.4.程序状态字程序状态字程序状态字程序状态字PSWPSWPSWPSW PSWPSWPSWPSW是一个逐位定义的是一个逐位定义的是一个逐位定义的是一个逐位定义的8 8 8 8位存放器，其内容的主位存放器，其内容的主位存放器，其内容的主位存放器，其内容的主要局部是算术逻辑运算单元要局部是算术逻辑运算单元要局部是算术逻辑运算单元要局部是算术逻辑运算单元ALUALUALUALU的输出。其中有的输出。其中有的输出。其中有的输出。其中有些位是根据指令执行结果，由硬件自动生成，而有些位是根据指令执行结果，由硬件自动生成，而有些位是根据指令执行结果，由硬件自动生成，而有些位是根据指令执行结果，由硬件自动生成，而有些位状态可用软件方法设定。些位状态可用软件方法设定。些位状态可用软件方法设定。些位状态可用软件方法设定。一些条件转移指令就是根据一些条件转移指令就是根据一些条件转移指令就是根据一些条件转移指令就是根据PSWPSWPSWPSW中的相关标志中的相关标志中的相关标志中的相关标志位的状态，来实现程序的条件转移。位的状态，来实现程序的条件转移。位的状态，来实现程序的条件转移。位的状态，来实现程序的条件转移。P奇偶奇偶标志；累加器志；累加器A中中1的个数的个数为奇数奇数P=1；否那么；否那么P=0。PSW.1保存位。保存位。OV溢出溢出标志；志；硬件置位硬件置位/清零。清零。RS1、RS0存放器存放器组选择控制位。控制位。00：0组00H07H01：1组08H0FH10：2组10H17H11：3组18H1FHF0用用户定定义标志位；志位；软件置位件置位/清零。清零。AC辅助助进/借位借位标志；用于十志；用于十进制制调整。整。CYPSW.7进位位/借位借位标志；位累加器。志；位累加器。PP-OVOVRS0RS0RS1RS1F0F0ACACCYCY0 0 0 0区：区：区：区：0000000007H 107H 107H 107H 1区：区：区：区：08H08H08H08H0FH 0FH 0FH 0FH 2 2 2 2区：区：区：区：10H10H10H10H17H 317H 317H 317H 3区：区：区：区：18H18H18H18H1FH1FH1FH1FH每个区有每个区有每个区有每个区有8 8 8 8个单元，都用个单元，都用个单元，都用个单元，都用R0R0R0R0R7R7R7R7编号编号编号编号 时钟电路用于产生单片微机工作所需要的时钟时钟电路用于产生单片微机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。相互关系。单片微机本身就如一个复杂的同步时序电路，单片微机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。钟信号控制下严格地按时序进行工作。2.3.3 2.3.3 时钟电路及时钟电路及CPUCPU的工作时序的工作时序1.1.时钟电路时钟电路 在在80C5180C51内内带带有有时时钟钟电电路路，只只需需要要在在片片外外通通过过XTALIXTALI和和XTAL2XTAL2引引脚脚接接入入定定时时控控制制元元件件，即即可可构构成成一一个个稳稳定定的的自自激激振振荡器。荡器。在在80C5180C51芯芯片片内内部部有有一一个个高高增增益益反反相相放放大大器器，而而在在芯芯片片的的外外部部，XTAL1XTAL1和和XTAL2XTAL2之之间间跨跨接接晶晶体体振振荡荡器器和和微微调调电电容容。80C5180C51的时钟电路如的时钟电路如图图2626所示。所示。1.1.时钟电路时钟电路 由由图图可可见见，时时钟钟电电路路由由以以下下几几局局部部组组成成：振振荡荡器器及及定定时时控制元件、时钟发生器、地址锁存允许信号控制元件、时钟发生器、地址锁存允许信号 ALE ALE。振荡器及定时控制元件振荡器及定时控制元件 在在80C5180C51芯芯片片内内部部有有一一个个高高增增益益反反相相放放大大器器，其其输输入入端端为芯片引脚为芯片引脚XTAL1XTAL1，其输出端为引脚，其输出端为引脚XTAL2XTAL2。图图2680C512680C51单片微机的时钟电路单片微机的时钟电路 22时序定时单位时序定时单位 单单片片微微机机执执行行指指令令是是在在时时序序电电路路的的控控制制下下一一步步一一步步进进行行的的。时时序序是是用用定定时时单单位位来来说说明明的的。80C5180C51的的时时序序定定时时单单位位共共有有4 4个个：节节拍拍、状状态态、机机器器周周期期和和指指令令周周期期。1T1T机机S=12P=12TS=12P=12T晶振晶振1 1节拍节拍P P 振荡脉冲的周期称为节拍。振荡脉冲的周期称为节拍。2 2 2 2状态状态状态状态S S S S 一个状态一个状态一个状态一个状态S S S S包含两个节拍，其前半周期对应的节包含两个节拍，其前半周期对应的节包含两个节拍，其前半周期对应的节包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫拍叫拍叫拍叫P1P1P1P1，后半周期对应的节拍叫，后半周期对应的节拍叫，后半周期对应的节拍叫，后半周期对应的节拍叫P2P2P2P2。3 3 3 3机器周期机器周期机器周期机器周期80C5180C5180C5180C51采用定时控制方式，因此它有固定的机器采用定时控制方式，因此它有固定的机器采用定时控制方式，因此它有固定的机器采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。周期。周期。周期。规规定定一一个个机机器器周周期期的的宽宽度度为为6 6个个状状态态，并并依依次次表表示示为为S1S1S6S6。由由于于一一个个机机器器周周期期共共有有1212个个振振荡荡脉脉冲冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的周期，因此机器周期就是振荡脉冲的1212分频。分频。当当振振荡荡脉脉冲冲频频率率为为12MHZ12MHZ时时，一一个个机机器器周周期期为为 lSlS；当当振振荡荡脉脉冲冲频频率率为为6MHZ6MHZ时时，一一个个机机器器周周期期为为2 2 SS。机器周期是单片微机的最小时间单位。机器周期是单片微机的最小时间单位。4 4 4 4指令周期指令周期指令周期指令周期 执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它是最大的时序定时单位。是最大的时序定时单位。是最大的时序定时单位。是最大的时序定时单位。80C5180C5180C5180C51的指令周期根据指令的指令周期根据指令的指令周期根据指令的指令周期根据指令的不同，可包含有一、二、三、四个机器周期。当的不同，可包含有一、二、三、四个机器周期。当的不同，可包含有一、二、三、四个机器周期。当的不同，可包含有一、二、三、四个机器周期。当振荡脉冲频率为振荡脉冲频率为振荡脉冲频率为振荡脉冲频率为 12 MHZ 12 MHZ 12 MHZ 12 MHZ时，时，时，时，80C5180C5180C5180C51的一条指令执行的一条指令执行的一条指令执行的一条指令执行的时间最短为的时间最短为的时间最短为的时间最短为lSlSlSlS，最长为，最长为，最长为，最长为4S4S4S4S。3.80C513.80C51指令时序指令时序 80C5180C51共有共有111111条指令，全部指令按其长度可分条指令，全部指令按其长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。为单字节指令、双字节指令和三字节指令。图图2 28 8所表示的是几种典型单机器周期和双机器所表示的是几种典型单机器周期和双机器周期指令的时序。周期指令的时序。图图2880C512880C51单片微机指令时序单片微机指令时序(1)(1)单机器周期指令，如图单机器周期指令，如图2 28 8a a、b b所示。所示。双字节时，执行在双字节时，执行在S1P2S1P2开始，操作码被读入指令开始，操作码被读入指令存放器；在存放器；在S4P2S4P2时，再读入第二个字节。时，再读入第二个字节。双字节单周期指令如双字节单周期指令如 ADD A ADD A，datadata ALE ALE的两次读操作都是有效的，第一次是读指令的两次读操作都是有效的，第一次是读指令操作码，第二次是读指令第二字节。操作码，第二次是读指令第二字节。单字节时，执行在单字节时，执行在S1P2S1P2开始，操作码被读入指令开始，操作码被读入指令存放器；在存放器；在S4P2S4P2时仍有读操作，但被读入的字节即时仍有读操作，但被读入的字节即下一操作码被忽略，且此时下一操作码被忽略，且此时PCPC并不增量。并不增量。单字节单周期指令如单字节单周期指令如 INC A INC A只需进行一次只需进行一次读指令操作。当第二个读指令操作。当第二个ALEALE有效时，由于有效时，由于PCPC没有加没有加1 1，所以读出的还是原指令。所以读出的还是原指令。以上两种情况均在以上两种情况均在S6P2S6P2时结束操作。时结束操作。(2)双机器周期指令，如图28cd所示。双字节时，执行在S1P2开始，操作码被读入指令存放器；在S4P2时，再读入的字节被忽略。由S5开始送出外部数据存储器的地址，随后是读或写的操作。在读、写期间，ALE不输出有效信号。在第二个机器周期，片外数据存储器也寻址和选通，但不产生取指操作。单字节双周期指令如 INC DPTR 两个机器周期共进行4次读指令的操作，但其中后3次的读操作全是无效的.单字节双周期指令如单字节双周期指令如MOVXMOVX类指令类指令 执行执行MOVXMOVX类指令时，先在类指令时，先在ROMROM读取指令，然后对外部读取指令，然后对外部RAMRAM进进行读行读/写操作。写操作。第一机器周期时，与其它指令一样，第一次读指令操作第一机器周期时，与其它指令一样，第一次读指令操作码有效，第二次读指令操作无效。码有效，第二次读指令操作无效。第二机器周期时，进行外部第二机器周期时，进行外部RAMRAM访问，此时与访问，此时与ALEALE信号无关，信号无关，不产生读指令操作。不产生读指令操作。图图中中的的ALEALE信信号号是是为为地地址址锁锁存存而而定定义义的的，该该信信号号每有效一次对应单片微机进行一次读指令操作。每有效一次对应单片微机进行一次读指令操作。在在一一个个机机器器周周期期中中，ALEALE信信号号两两次次有有效效，第第一一次次在在S1P2S1P2和和S2P1S2P1期期间间，第第二二次次在在S4P2S4P2和和S5P1S5P1期期间间，有有效效宽度为一个状态周期宽度为一个状态周期S S。牢牢记住：牢牢记住：一个状态周期一个状态周期=2=2个振荡周期个振荡周期一个机器周期一个机器周期=6=6个状态周期个状态周期一个机器周期一个机器周期=12=12个振荡周期个振荡周期一个指令周期一个指令周期=1=1，2 2，3 3，4 4个机器周期个机器周期80C5180C51的存储器配置方式与其他常用的微的存储器配置方式与其他常用的微机系统不同，属机系统不同，属哈佛结构哈佛结构，它把程序存储器和，它把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。信号和功能。程序存储器程序存储器用于存放程序和表格常数；用于存放程序和表格常数；数数据存储器据存储器用于存放程序运行数据和结果。用于存放程序运行数据和结果。2.4 80C512.4 80C51存储器结构和地址空间存储器结构和地址空间图图图图29292929为为为为80C5180C5180C5180C51存储器映象图。存储器映象图。存储器映象图。存储器映象图。在物理上设有在物理上设有在物理上设有在物理上设有4 4 4 4个存储器空间个存储器空间个存储器空间个存储器空间 程序存储器程序存储器程序存储器程序存储器：片内片内片内片内程序存储器；程序存储器；程序存储器；程序存储器；片外片外片外片外程序存储器。程序存储器。程序存储器。程序存储器。数据存储器数据存储器数据存储器数据存储器：片内片内片内片内数据存储器；数据存储器；数据存储器；数据存储器；片外片外片外片外数据存储器。数据存储器。数据存储器。数据存储器。图图2929 80C5180C51单片微机存储器映象图单片微机存储器映象图 在逻辑上设有3个存储器地址空间片内、片外统一的64KB程序存储器地址空间内外重复；片内256B数据存储器地址空间；片外64KB的数据存储器地址空间。片内数据存储器空间，在物理上又包含两局部：片内数据存储器空间，在物理上又包含两局部：80C51 80C51：0 0127B127B为片内数据存储器空间；为片内数据存储器空间；128 128255B255B为特殊功能存放器空间。为特殊功能存放器空间。80C52 80C52：0 0127 B127 B为片内数据存储器空间；为片内数据存储器空间；128128 255B255B共共 128128个个 字字 节节 是是 数数 据据 存存 储储 器器 和和 特特 殊殊 功能存放器地址重叠空间。功能存放器地址重叠空间。80C5180C51有三种根本的寻址空间：有三种根本的寻址空间：64 KB 64 KB的片内、外程序存储器寻址空间；的片内、外程序存储器寻址空间；64 KB 64 KB的片外数据存储器寻址空间；的片外数据存储器寻址空间；256 256或或384384B B的片内数据存储器寻址空间，的片内数据存储器寻址空间，其中包括特殊功能存放器寻址空间。其中包括特殊功能存放器寻址空间。0000HFFFFH0000HFFFFHROM内RAM外RAM00HFFH存放器区位寻址区数据缓冲区SFR20H30H80HE0HA二、区分四个独立空间的方法二、区分四个独立空间的方法1 1 1 1、使用三个不同的指令、使用三个不同的指令、使用三个不同的指令、使用三个不同的指令MOVMOV 读片内读片内读片内读片内RAMRAMRAMRAMMOVX MOVX 读片内读片内读片内读片内RAMRAMRAMRAMMOVCMOVC 读读读读ROMROMROMROM2 2 2 2、片外、片外、片外、片外ROMROMROMROM使用控制信号使用控制信号使用控制信号使用控制信号PSENPSENPSENPSEN 片外片外片外片外RAMRAMRAMRAM使用控制信号使用控制信号使用控制信号使用控制信号RDRDRDRD、WRWRWRWR3 3、EAEA引脚引脚接地接地，从，从片外片外ROMROM开始开始 EA EA引脚引脚接高电平接高电平，从，从片内片内ROMROM开始开始4 4、ROMROM和片外和片外RAMRAM一定要用一定要用1616位地址位地址 片内片内RAM RAM 和和SFRSFR，只能使用，只能使用8 8位地址位地址由于采用由于采用16位的程序计数器位的程序计数器PC和和16位的地址总线，因而其位的地址总线，因而其可扩展的地址空间为可扩展的地址空间为64KB。整个程序存储器可以分为片内和片外两局部。整个程序存储器可以分为片内和片外两局部。EA引脚固定接高电平，程序从片内程序存储器引脚固定接高电平，程序从片内程序存储器0000H开始执行，开始执行，当当PC值超出片内值超出片内ROM容量时，会自动片外程序存储器空间执行。容量时，会自动片外程序存储器空间执行。2.4.l 2.4.l 程序存储器程序存储器 将将EAEA引脚固定接低电平，系统全部执行引脚固定接低电平，系统全部执行片外程序存储器程序对于片内无片外程序存储器程序对于片内无ROMROM的的80C31/80C3280C31/80C32单片机，必须接低电平。单片机，必须接低电平。程序存储器的某些单元被保存用于特定的程序入程序存储器的某些单元被保存用于特定的程序入口地址。口地址。由于系统复位后的由于系统复位后的PC地址为地址为0000H，故系统从，故系统从0000H单元单元开始取指，执行程序。从开始取指，执行程序。从0003H002DH单元被保存用于单元被保存用于6个中断源的中断效劳程序的入口地址。个中断源的中断效劳程序的入口地址。以下以下7 7个特定地址被保存：个特定地址被保存：复位复位 0000H 0000H 外部中断外部中断0 0003H0 0003H 定时器定时器T0 000BHT0 000BH 外部中断外部中断1 1 0013H 0013H 定时器定时器T1 T1 001BH 001BH 串行口中断串行口中断 0023H 0023H 定时器定时器T2/T2EX 002BHT2/T2EX 002BH 片内程序存储器片内程序存储器存存储储器器的的类类型型有有：掩掩膜膜ROMROM、OTPOTP一一次次性性编编程程ROMROM和和MTPMTP屡屡次次编编程程ROMROM包包括括EPROMEPROM及及E2PROME2PROM等。等。(80C31)(80C31)片内无片内无ROMROM8051 4K8051 4K掩膜掩膜ROMROM87C51 4K EPROM87C51 4K EPROM89C51 4K E2PROM89C51 4K E2PROM 数据存储器由随机存取存储器数据存储器由随机存取存储器RAM构成，用来存放随构成，用来存放随机数据。机数据。在在80C51中，数据存储器又分片内数据存储器和片外中，数据存储器又分片内数据存储器和片外数据存储器两局部。数据存储器两局部。2.4.2 2.4.2 内部数据存储器内部数据存储器由由RAMRAM存放随机数据存放随机数据。片片内内数数据据存存储储器器地地址址只只有有8 8位位，最最大大寻寻址址范范围为围为256256个字节。个字节。片片外外数数据据存存储储器器有有1616位位数数据据指指针针DPTRDPTR，用用于于访访问问片片外外数数据据存存储储器器。80C5180C51具具有有64KB64KB的的数数据据存存储储器器扩展能力。扩展能力。片内数据存储器在物理上又分成两个独立的功能不同的区。片内数据RAM区：对80C51，为地址空间的低128B；特殊功能存放器SFR区：和地址空间的高128B重叠。访问高128BRAM区时，选用间接寻址方式；访问SFR区，那么应选用直接寻址方式。片内数据片内数据RAMRAM区区(分几个区域分几个区域)工作存放器区：工作存放器区：其中片内数据其中片内数据 RAM RAM区的区的 00H 00H1FH1FH，共，共 32 32个单个单元，是元，是 4 4个通用工作存放器组，每个组包含个通用工作存放器组，每个组包含 8 8个个 8 8位存放器，编号为位存放器，编号为 R0 R0R7R7。存放器存放器R0R0、R1 R1 通常用做间接寻址时的地址指通常用做间接寻址时的地址指针。针。R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7即可位寻址，又可字节寻址即可位寻址，又可字节寻址数据缓冲区、堆栈区、工作数据缓冲区、堆栈区、工作单元单元 位寻址区：位寻址区：从片内数据从片内数据RAMRAM区的区的20H20H2FH2FH的的1616个字节个字节单元，共包含单元，共包含128128位，是可位寻址的位，是可位寻址的RAMRAM区。这区。这1616个字节单元，既可进行字节寻址，又可位寻个字节单元，既可进行字节寻址，又可位寻址。所有的位都可直接寻址。址。所有的位都可直接寻址。字节寻址区 从片内数据RAM区的4812730H7FH，共80个字节单元，可以采用直接字节寻址的方法访问。对于 80C52，还有高 128B的数据 RAM区。这一区域只能采用间接字节寻址的方法访问。堆栈区及堆栈指示器SP：堆栈是在片内数据RAM区中，数据先进后出或后进先出的区域。堆栈指示器SPstackpointer在80C51中存放当前的堆栈栈顶所指存储单元地址的一个8位存放器。系统复位后SP内容为07H。以以07H07H为栈底，压栈的内容从为栈底，压栈的内容从08H08H单元开始存放。单元开始存放。堆堆栈栈是是为为子子程程序序调调用用和和中中断断操操作作而而设设立立的的，具具体体功功能：保护断点和保护现场。能：保护断点和保护现场。在在80C5180C51中中，堆堆栈栈在在子子程程序序调调用用和和中中断断时时会会把把断断点点地地址址自自动动进进栈栈和和出出栈栈，还还有有对对堆堆栈栈的的进进栈栈和和出出栈栈的的指指令令PUSHPUSH、POPPOP操作，用于保护现场和恢复现场。操作，用于保护现场和恢复现场。子子程程序序调调用用和和中中断断都都允允许许嵌嵌套套，并并可可以以多多级级嵌嵌套套，而而现现场场的的保保护护也也往往往往使使用用堆堆栈栈，要要注注意意给给堆堆栈栈以以一一定定的深度。的深度。特殊功能存放器特殊功能存放器 SFR SFR区区 特殊功能存放器特殊功能存放器SFRSFRSpecial Function Special Function RegisterRegister是是80C5180C51中各功能部件所对应的存中各功能部件所对应的存放器，用以存放相应功能部件的控制命令、状放器，用以存放相应功能部件的控制命令、状态或数据的区域。态或数据的区域。80C5180C51设设有有128 128 B B片片内内数数据据RAMRAM结结构构的的特特殊殊功功能能存存放放器器空空间间区区。除除程程序序计计数数器器PCPC和和4 4个个通通用用工工作作存存放放器器组组外外，其其余余所所有有的的存存放放器器都都在在这个地址空间之内。这个地址空间之内。80C5180C51共共定定义义了了2121个个特特殊殊功功能能存存放放器器，其其名名称称和和字字节节地地址址列列于于表表2 23 3中中。在在80C5280C52中中，除除上上述述80C5180C51的的2121个之外，还增加了个之外，还增加了5 5个特殊功能存放器，共计个特殊功能存放器，共计2626个。个。在在80C5180C51的的2121个个80C5280C52的的2626个个特特殊殊功功能能存存放放器器中中，字字节节地地址址中中低低位位地地址址为为0H0H或或8H8H的的特特殊殊功功能能存存放放器器，除除有有字字节节寻寻址址能能力力外外，还还有有位位寻寻址址能能力力。这这些些特特殊殊功功能存放器与位地址的对应关系见表能存放器与位地址的对应关系见表2 24 4。表表23 23 特殊功能存放器特殊功能存放器SFRSFR的名称和地址的名称和地址 表表24 24 特殊功能存放器特殊功能存放器(SFR)(SFR)的位地址的位地址 片外数据存储器是在外部存放数据的区域，这一区域片外数据存储器是在外部存放数据的区域，这一区域只能用存放器间接寻址的方法访问，所用的存放器为只能用存放器间接寻址的方法访问，所用的存放器为DPTR、R1或或R0。指令助记符为。指令助记符为MOVX。2.4.3 2.4.3 片外数据存储区片外数据存储区 当用当用R0R0、R1R1寻址时，由于寻址时，由于R0R0、R1R1为为8 8位存位存放器，因此最大寻址范围为放器，因此最大寻址范围为256B256B；当用；当用DPTRDPTR寻址时，由于寻址时，由于DPTRDPTR为为1616位存放器，因此最大位存放器，因此最大寻址范围为寻址范围为64KB64KB。2.5 80C512.5 80C51并行输入并行输入/输出端口输出端口80C5180C51共有共有4 4个个 8 8位的并行双向口，计有位的并行双向口，计有3232根输入根输入输出输出I/OI/O口线。各口的每一位均由锁存器、口线。各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。由于它们在结构输出驱动器和输入缓冲器所组成。由于它们在结构上的一些差异，故各口的性质和功能也就有了差异。上的一些差异，故各口的性质和功能也就有了差异。它们之间的异同列于表它们之间的异同列于表2 25 5。表表2 25 80C515 80C51并行并行I/OI/O接口的异同接口的异同 表表26 26 特殊功能存放器特殊功能存放器SFRSFR的复位状态的复位状态 2.5.1 P02.5.1 P0口口多多功功能能的的8 8位位口口，字字节节访访问问地地址址为为80H80H，位位访访问问地地址为址为80H80H87H87H。位结构位结构 P0P0口位结构原理图见口位结构原理图见图图2 21111。作地址数据复用总线用作地址数据复用总线用 为真正的双向口为真正的双向口 作作I IO O口使用口使用 需外接上拉电阻需外接上拉电阻 为准双向口为准双向口图图2 21111P0P0口位结构原理图口位结构原理图当地址数据输出线置当地址数据输出线置1 1时，地址数据输出线为时，地址数据输出线为1 1。当地址数据输出线置当地址数据输出线置0 0时，时，“地址数据输出线为地址数据输出线为0 0。此此时时的的输输出出状状态态随随地地址址数数据据线线而而变变，P0P0口口可可以以作作为为地地址址/数数据据复复用用总总线线使使用用。这这时时上上下下两两个个FETFET处处于于反反相相，构构成成了了推推拉拉式式的的输输出出电电路路，其其负负载载能能力力大大大大增增加加。此此时时的的P0P0口相当一个双向口。口相当一个双向口。n n 在在在在P0P0P0P0口作输入口用时，为了使口作输入口用时，为了使口作输入口用时，为了使口作输入口用时，为了使P0P0P0P0i i i i能正确读能正确读能正确读能正确读入数据，必须先使入数据，必须先使入数据，必须先使入数据，必须先使P0.iP0.iP0.iP0.i置置置置1 1 1 1。这样，下拉。这样，下拉。这样，下拉。这样，下拉FETFETFETFET也截也截也截也截止，止，止，止，P0P0P0P0i i i i处于悬浮状态。处于悬浮状态。处于悬浮状态。处于悬浮状态。A A A A点的电平由外设的电点的电平由外设的电点的电平由外设的电点的电平由外设的电平而定，通过输入缓冲器读入平而定，通过输入缓冲器读入平而定，通过输入缓冲器读入平而定，通过输入缓冲器读入CPUCPUCPUCPU，P0P0P0P0口相当于一口相当于一口相当于一口相当于一个高阻抗的输入口。个高阻抗的输入口。个高阻抗的输入口。个高阻抗的输入口。P0 P0口的功能口的功能 作作I IO O口使用口使用 相相当当于于一一个个真真正正的的双双向向口口：输输出出锁锁存存、输输入入缓缓冲冲，但但输输入入时时需需先先将将口口置置1 1；每每根根口口线线可可以以独独立立定定义义为为输输入入或输出。它具有双向口的一切特点。或输出。它具有双向口的一切特点。与与其其它它口口的的区区别别是是，输输出出时时为为漏漏极极开开路路输输出出，与与NMOSNMOS的的电电路路接接口口时时必必须须要要用用电电阻阻上上拉拉，才才能能有有高高电电平平输出；输入时为悬浮状态，为一个高阻抗的输入口。输出；输入时为悬浮状态，为一个高阻抗的输入口。作地址数据复用总线用作地址数据复用总线用 此此时时P0P0口口为为一一个个准准双双向向口口。但但是是有有上上拉拉电电阻阻，作作数数据据输输入入时时，口口也也不不是是悬悬浮浮状状态态。在在系系统统扩扩展展时时，作作地址数据复用总线用。地址数据复用总线用。作作数数据据总总线线用用时时，输输入入输输出出8 8位位数数据据D0D0D7D7；作作地地址址总总线线用用时时，输输出出低低8 8位位地地址址A0A0A7A7。当当P0P0口口作作地地址址数数据据复复用用总总线线用用之之后后，就就再再也也不不能能作作I IO O口口使使用了。用了。8位口，字节访问地址为90H，位访问地址为90H97H。位结构和工作原理P1口的位结构如图212所示。包含输出锁存器、输入缓冲器BUF1读引脚、BUF2读锁存器以及由FET晶体管Q0与上拉电阻组成的输出输入驱动器。2.5.2 P1口图图212212P1P1口位结构原理图口位结构原理图 2 2、P1 P1口的特点口的特点输出锁存器，输出时没有条件；输出锁存器，输出时没有条件；输入缓冲，输入时有条件，即需要先输入缓冲，输入时有条件，即需要先将该口设为输入状态，先输出将该口设为输入状态，先输出1 1；工作过程中无高阻悬浮状态，也就是该口工作过程中无高阻悬浮状态，也就是该口不是输入态就是输出态。具有这种特性的口不不是输入态就是输出态。具有这种特性的口不属于属于“真正的双向口，而被称为真正的双向口，而被称为“准双向准双向口。口。3 3、P1 P1口的多功能线口的多功能线 在在80C5280C52中中，P1P10 0和和P1P11 1口口线线是是多多功功能能的的，即除作一般双向即除作一般双向I/OI/O口线之外，还具有以下功能：口线之外，还具有以下功能：P1 P10 0：T2T2的外部输入端的外部输入端T2T2；P1 P11 1：T2T2的外部控制端的外部控制端T2EXT2EX。多多功功能能的的8 8位位口口，字字节节访访问问地地址址为为A0HA0H，位位访访问问地地址为址为A0HA0HA7HA7H。P2 P2口位结构和工作原理口位结构和工作原理P2P2口位结构原理图示于口位结构原理图示于图图2 21313。2.5.3 P22.5.3 P2口口图图2 213P213P2口位结构原理图口位结构原理图 P2 P2口的功能口的功能 作作I IO O口使用时，口使用时，P2P2口为一口为一准双向口准双向口。作作地地址址输输出出时时，P2P2口口可可以以输输出出程程序序存存储储器器或或片片外外数数据据存存储储器器的的高高8 8位位地地址址，与与P0P0输输出出的的低低地地址址一一起起构构成成1616位位地地址址线线，从从而而可可分分别别寻寻址址64KB64KB的的程程序序存存储储器器或或片片外外数数据据存存储储器器。地地址址线线是是8 8位位一一起起自自动动输输出的。出的。2.5.4 P32.5.4 P3口口 多功能的多功能的8 8位口，字节访问地址为位口，字节访问地址为B0HB0H，位访问，位访问地址为地址为B0HB0HB7HB7H。位结构与工作原理位结构与工作原理 P3 P3口的位结构原理如口的位结构原理如图图2 21414所示。所示。与与P1P1口相比，口相比，P3P3口增加了一个与非门。口增加了一个与非门。图图214P3214P3口位结构原理图口位结构原理图 P3 P3口的功能口的功能 可作可作I/OI/O口使用，为准双向口。口使