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礦井維修電工技師培訓(xùn)班大家好！礦井維修電工技師培訓(xùn)班大家好！1第八章單片機原理及控制第一節(jié)單片微型計算機概述第二節(jié)80C51單片機的硬件結(jié)構(gòu)第八章單片機原理及控制第一節(jié)單片微型計算機概述2第一節(jié)單片微型計算機概述一、單片機單片微型計算機簡稱單片機，它是把組成微型計算機的各功能部件即中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接口等部分制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個完整的計算機。二、單片機的發(fā)展趨勢在短短的近三十年間，單片機經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，其發(fā)展速度大約每二至三年要更新一代，集成度增加一倍、功能翻一番。目前按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度來說，單片機已從最初的4位發(fā)展到32位。縱觀近三十年的發(fā)展，單片機正朝多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、擴大存儲容量和加強I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容方向發(fā)展。第一節(jié)單片微型計算機概述一、單片機3三、單片機的應(yīng)用單片機的出現(xiàn)是近代計算機技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑，單片機的誕生標(biāo)志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支。與巨大體積和高成本的通用計算機相比，單片機的單芯片的微小體積和極低的成本，使其可廣泛地嵌入到如玩具、家用電器、機器人、儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、工業(yè)控制單元、辦公自動化設(shè)備、金融電子系統(tǒng)、艦船、個人信息終端及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。單片機作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。近年來，除了各種類型的工控機，各種以通用微處理器構(gòu)成的計算機主板模塊、以通用微處理為核心的、片內(nèi)擴展一些外圍功能電路單元構(gòu)成的嵌入式微處理器甚至單片形態(tài)的PC機等，都實現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用，成為嵌入式系統(tǒng)的龐大家族。三、單片機的應(yīng)用4單片機是現(xiàn)代計算機、電子技術(shù)的新興領(lǐng)域，無論是單片機本身還是單片應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法都會隨時代的變化而不斷的發(fā)生變化。在所有單片機類型中，MCS-51系列單片機和80C51系列單片機的硬件結(jié)構(gòu)簡單明了、特殊功能寄存器功能規(guī)范并且軟件指令系統(tǒng)易于掌握，是一種便于學(xué)習(xí)、理解和掌握的單片機。該系列單片機在國內(nèi)介紹較多、資料比較齊全，其本身性能價格比較高，供貨渠道較多，所以本書以80C51系列為例介紹單片機知識。MCS-51系列8位高檔單片機是在總結(jié)MCS-48系列單片機的基礎(chǔ)上，于20世紀80年代初推出的新產(chǎn)品。其主要的技術(shù)特征是：①擴大了片內(nèi)存儲容量、外部尋址空間：程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器的尋址都嗇到64KB。②增強了并行口、增設(shè)了全雙工串行口I/O；4個位并行I/O接口，可用于地址和數(shù)據(jù)的傳送，也可以與8243、8155、8255等連接進行外部I/O接口的擴展；1個全雙工串行I/O通信接口，可用于數(shù)據(jù)的串行接收和發(fā)送，為構(gòu)成串行通信網(wǎng)絡(luò)提供了方便。單片機是現(xiàn)代計算機、電子技術(shù)的新興領(lǐng)域，無論是單片機本身還是5③增加了定時器/計數(shù)器的個數(shù)并擴展了長度；定時器/計數(shù)器由一個變?yōu)閮蓚€（8052為三個），計數(shù)長度由8位增為16位，肯有4種工作方式，這樣，既提高了定時/計數(shù)范圍，又使用戶使用靈活方便。④增強了中斷系統(tǒng)：設(shè)置有2級中斷優(yōu)先級，可接收5個中斷源的中斷請求，中斷優(yōu)先級別可由用戶定義。這樣，就使MCS-51單片機很適合用于數(shù)據(jù)采集與處理，智能儀器儀表和工業(yè)過程控制中。⑤具備較強的指令尋址和運算等功能：有111條指令，可分為4大類，使用了7種尋址方式。這些指令44%為單字節(jié)指令，41%為雙字節(jié)指令，15%為三字節(jié)指令。若用12MHZ晶振，50%的指令可在職μs內(nèi)執(zhí)行完畢，40%的指令可在2μs內(nèi)執(zhí)行完畢。⑥增設(shè)了頗具特色的布爾處理機：在指令系統(tǒng)中設(shè)置有位操作指令，可用于位尋址空間，這些位操作指令與位尋址空間一起構(gòu)成布爾處理機，布爾處理機對于實時邏輯控制處理具有突出的優(yōu)點。③增加了定時器/計數(shù)器的個數(shù)并擴展了長度；定時器/計數(shù)器由一6可以看出，這一代單片機主要的技術(shù)特征是為單片機配置了完善的外部并行總線（地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB、控制總線CB）和具有多機識別功能的串行通信接口（UART），規(guī)范了功能單元的特殊功能寄存器（SFR）控制模式及適應(yīng)控制器特點的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)，為發(fā)展具有良好兼容性的新一代單片機奠定了良好的基礎(chǔ)。80C51為第三代單片機?？梢钥闯?，這一代單片機主要的技術(shù)特征是為單片機配置了完善的外7第二節(jié)80C51單片機的硬件結(jié)構(gòu)一、80C51單片機的硬件結(jié)構(gòu)特點80C51系列單片機采用了CMOS技術(shù)制造，較之NCS-51系列單片機，集成度高、速度快、功耗低。其基本硬件結(jié)構(gòu)如圖8-1所示，硬件結(jié)構(gòu)具有如下特點：圖8-180C51單片機的基本組成結(jié)構(gòu)第二節(jié)80C51單片機的硬件結(jié)構(gòu)一、80C51單片機的硬81、內(nèi)部程序存儲器（ROM）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）容量80C51/87C51/80C52單片機的內(nèi)部ROM和內(nèi)部RAM的容量如表8-1所示：2、外部和諧存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間80C51可對64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器尋址肯不受該系列中各種芯片型號的影響，而對于程序存儲器是內(nèi)外總窨為64KB，所以80C51外部程序存儲器最大尋址范圍為64KB。1、內(nèi)部程序存儲器（ROM）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）容量93、輸入/輸出（I/O）口80C51單片機內(nèi)的I/O口的數(shù)量和種類較多且齊全，尤其是它有一個全雙工的串行口。該串口是利用兩根據(jù)I/O口線構(gòu)成的，有四種工作方式，可通過編程選定，80C51共有32根據(jù)口線。4、定時/計數(shù)器與寄存器區(qū)80C51系列單片機有2個16位定時/計數(shù)器，通過編程可以實現(xiàn)四種工作方式，80C52則有3個16位定時/計數(shù)器。80C51在內(nèi)部RAM中開設(shè)了4個通用工作寄存器區(qū)，共32個通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的要求。3、輸入/輸出（I/O）口10表8-180C51單片機的存儲器容量表8-180C51單片機的存儲器容量115、中斷與堆棧80C51有6個中斷源，分為4個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級是編程的。它的堆棧也是可編程的，堆棧深度可達128字節(jié)。6、指令系統(tǒng)80C51系統(tǒng)單片機完全繼承了MCS-51的指令系統(tǒng)，共有111條指令，按其功能可分為五大數(shù)：數(shù)據(jù)傳送類指令、算術(shù)運算類指令、邏輯運算類指令、控制轉(zhuǎn)移類指令、布爾操作。7、布爾處理器80C51布爾處理器，實際上是一個完整的一位微計算機，這個一位微機有自己的CPU、位寄存器、I/O和指令集。一位在開關(guān)決策、邏輯電路仿真和實時測控方面非常有效，而位機在運算處理、智能儀表常用的數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長處。在80C51單片機中8位機和一位機的硬件資源是結(jié)合在一起的，二者相輔相成。5、中斷與堆棧12二、80C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及中央處理器1、80C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖與組成80C51單片機片總體結(jié)構(gòu)詳細框圖如圖8-2所示，它主要由九個部件組成，分別是：1個8位的中央處理器；4KB/8KB的只讀存儲器（ROM或EPROM）（80C52為8K）；128字節(jié)/256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；32條I/O口線（四個8位口P0、P1、P2、P3）；2個或3個（80C52有三個）定時/計數(shù)器；一個具有6個中斷源、4個優(yōu)先級的中斷嵌套結(jié)構(gòu)；用于多處理機通訊、I/O擴展或全雙工UART（通用異步接收發(fā)器）的串行口；特殊功能寄存器（SFR）以及一個片內(nèi)振蕩和時鐘電路和。二、80C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及中央處理器13圖8-280C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及組成圖8-280C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及組成142、80C51的中央處理器中央處理器（CPU）單片機內(nèi)部的核心部件，它決定了單片機的主要功能特性。CPU主要由運算部件和控制部分構(gòu)成。下面將對這兩部分以及涉及到的部分硬件進行詳細的介紹。（1）運算部件運算部件包括算術(shù)、邏輯部件ALU、布爾處理器、累加器A、寄存器B、暫存器1和暫存器2、程序狀態(tài)寄存PSW以及十進制調(diào)整電路等。運算部件的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送操作。①算術(shù)、單元ALU80C51單片機的ALU功能十分強，它不僅可以對8位變量進行邏輯“與”、“或”、“異或”、循環(huán)、求補、清零等基本操作，還可以進行加、減、乘、除等基本運算。為了乘除運算的需要，設(shè)置了N寄存器。2、80C51的中央處理器15②累加器A累加器A又記作ACC，是CPU中使用最頻繁的一個寄存器，其作用為：a、累加器A是ALU單元的輸入之一，因而是處理數(shù)據(jù)源之，一，同時又是ALU運算結(jié)果的存放單元。b、CPU中的數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器，故又相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。在80C51中，增加了一部分可能不經(jīng)過累加器的傳送指令，如：寄存器與直接尋址單元之間；直接尋址單元與間接尋址單元之間等。這樣，既加快了傳送速度，又減少了累加器的“堵塞”現(xiàn)象。②累加器A16③B寄存器B寄存器在乘法和除法指令中作為ALU的輸入之一。乘法中，ALU的兩個輸入分別為A、C，運算結(jié)果存放于AB寄存器對中。A中放積的低沉位，B中放積的高8位；除法中，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商數(shù)存放于A，余數(shù)存放于B。在其他情況下，B寄存器可以作為內(nèi)部RAM中的一個單元來使用。④程序狀態(tài)PSW程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）是下個逐位定義的位寄存器，其內(nèi)容的主要部分是算術(shù)單元（ALU）的輸出。③B寄存器172、控制部件控制部件是單片機的神經(jīng)中樞，與運算部件一起組成中央處理器，在80C51單片機中，它包括程序計數(shù)器PC、程序地址寄存器IR，指令譯碼器，條件轉(zhuǎn)移邏輯電路及定時控制邏輯電路。它以主振頻率為基準(zhǔn)發(fā)出CPU的時序，對指令進行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列控制的微操作，用來控制單片各部分的運行。3、時鐘電路及CPU的工作時序時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關(guān)系。單片機本身就如一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同點工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。2、控制部件18(1)時鐘電路80C51單片機的時鐘電路框圖8-3所示。時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。內(nèi)部振蕩方式：80C51單片機內(nèi)帶有時鐘電路，因此，只需要在片外通過XTAL1和XTAL2引腳接入定時控制元件（晶體振蕩器和電容），即可構(gòu)成一個穩(wěn)定地自激振蕩器，如圖8-4所示。(1)時鐘電路19圖8-380C51單片機的時鐘電路圖8-380C51單片機的時鐘電路20圖8-4內(nèi)部振蕩方式圖8-5外部振蕩方式圖8-4內(nèi)部振蕩方式圖21外部振蕩方式：把外部已有的時鐘信號引入單片機內(nèi)。這種方式適宜用來使單片機的時鐘與外部信號保持同步。外部振蕩方式的外部電路如圖8-5所示。由圖可見，外部振蕩信號由XTAL2引入，XTAL1接地。為了使時入單處機的時鐘信號為TTL電平，通常外部信號一個帶有上拉電阻的TTL，反相器后接入XTAL2。（2）CPU時序及有關(guān)概念①振蕩周期：是指為單片機提供定時信號的振蕩源的周期。單片機以晶體振蕩器的振蕩周期（或外部引入的時鐘周期）為最小的時序單位，片內(nèi)的各種微操作都以此周期為時序基準(zhǔn)。外部振蕩方式：把外部已有的時鐘信號引入單片機內(nèi)。這種方式適宜22②狀態(tài)周期：振蕩頻率二分頻后形成狀態(tài)周期，又稱時鐘周期或稱S周期，所以，一個狀態(tài)周期包含兩個振蕩周期。狀態(tài)周期被分為兩個節(jié)拍，即P1節(jié)拍和P2節(jié)拍。在每個時鐘的前半周期，P1信號有效，這時通常完成算術(shù)邏輯操作；在每個時鐘的后半周期，P2信號有效，內(nèi)部寄存器與寄存器間的傳輸一般在此狀態(tài)發(fā)生。③機器周期：一個機器周期由6個狀態(tài)（12個振蕩脈沖）組成，即六個時鐘周期、12個振蕩周期。④是指執(zhí)行一條指令所占用的全部時間，一個指令周期通常含有1-4個機器周期。②狀態(tài)周期：振蕩頻率二分頻后形成狀態(tài)周期，又稱時鐘周期或稱S23三、80C51單片機的工作方式80C51單片機共有復(fù)位、程序執(zhí)行、低功耗等工作方式。1、復(fù)位方式（1）復(fù)位操作復(fù)位是單片機的初始化操作，其主要功能是PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行時出錯或錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為使單片機正常工作，也需按復(fù)位鍵以重新啟動。除PC之外，復(fù)位操作還對其他一些特殊功能寄存器有影響，他們的復(fù)位狀態(tài)見表2-9所示。（2）復(fù)位信號及其產(chǎn)生1）復(fù)位信號RST引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩脈沖周期（即兩個機器周期）以上。若使用頻率為6MHZ的晶振，則復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)超過4μs才能完成復(fù)位操作。產(chǎn)生復(fù)位信號的電路邏輯圖如圖8-6所示。三、80C51單片機的工作方式24表8-2特殊功能寄存器的復(fù)位狀態(tài)表8-2特殊功能寄存器的復(fù)位狀態(tài)25圖8-6復(fù)位電路結(jié)構(gòu)圖2）復(fù)位方式復(fù)位操作有上自動復(fù)位、按鍵電平復(fù)位、外部脈沖復(fù)位和自動復(fù)位四種方式，示于圖8-7中。圖8-6復(fù)位電路結(jié)構(gòu)圖2）復(fù)位方式26上電自動復(fù)位是通過外部電路的電容充電來實現(xiàn)的，其電路如圖8-7（a）所示，。按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vce電源接通而實現(xiàn)的，其電路如圖8-7（b）所示。而按鍵上述電路圖中的電阻、電容參數(shù)適宜于6MHz晶振，能保證復(fù)位信號高電平，持續(xù)時間大于2個機器周期。外部脈沖復(fù)位是由外部提供一個復(fù)位脈沖。此復(fù)位脈沖應(yīng)保持寬度大于2個機器周期，如圖8-7（c）所示。IMP805L是單片機自動復(fù)位電路，是低功耗、帶監(jiān)控器的復(fù)位器，具有看門狗等功能。上電時，可使單片機可靠復(fù)位；單片機正常工作時，看門狗輸入端WDI的電平若在1.6s內(nèi)不變化，看門狗輸出端將由低電平變?yōu)楦唠娖剑ù蠹s200mm），迫使單片機復(fù)位。礦井維修電工技師完整可編輯版課件272、程序執(zhí)行方式程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式，由于復(fù)位后PC=0000H，因此程序執(zhí)行總是從地址0000H開始的，但一般程序并不是真正從0000H開始，為此就得在0000H開始的單元中存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，以使跳轉(zhuǎn)到實際程序的入口去執(zhí)行。3、低功耗方式80C51有兩種低功耗方式，即待機方式和掉電保護方式。待機方式和掉電保護方式時所涉及硬件如圖8-8所示。圖8-880C51低功耗方式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2、程序執(zhí)行方式程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式，由于復(fù)位28待機方式和掉電方式都是由電源控制寄存器（PCON）的有關(guān)位業(yè)控制的。電源控制寄存器是一個逐位定義的位寄存器。（1）待機方式1）待機方式的進入如果使用指令使PCON寄存器IDL位置1，則80C51即進入待機方式。這時振蕩器仍然運行，并行中斷邏輯，串行口和定時器/計數(shù)器提供時鐘，但向CPU提供時鐘的電路被阻斷，因此，CPU不能工作，而中斷功能繼續(xù)存在，與CPU有關(guān)的如SP、PC、PSW、ACC以及全部通用寄存器都被“凍結(jié)”在原狀態(tài)。2）待機方式的退出采用中斷方法退出待機方式。在待機方式下，若引入一個外中斷請求信號，在單片機響應(yīng)中斷的同時，PCON.0位（PD）被硬件自動清“0”，單片機就退出待機方式面進入正常工作方式。在中斷服務(wù)程序中只需安排一條RETI指令，就可以使單片機恢復(fù)正常工作后，返回斷點繼續(xù)執(zhí)行程序。待機方式和掉電方式都是由電源控制寄存器（PCON）的有關(guān)位業(yè)29（2）掉電保護方式1）掉電保護方式的進入PCON寄存器的PD位控制單片機進入掉電保護方式。當(dāng)80C51單片機在檢測到電源故障時，除進行住處保護以外，還應(yīng)把PCON.1位置“1”，使之進入掉電保護方式。此時單片機一切工作都停止，只有內(nèi)部RAM單元的內(nèi)容被保存。2）掉電保護方式的退出80C51單片機備用電源由Vce端引入。當(dāng)Vce恢復(fù)正常后，只要硬件復(fù)位信號維持10ms，即能使單片機退出掉電保護方式。在待機和掉電保護方式期間，引腳的狀態(tài)見表8-3。（2）掉電保護方式30表8-3待機和掉電保護方式期間引腳的狀態(tài)表8-3待機和掉電保護方式期間引腳的狀態(tài)31謝謝大家!謝謝大家!32礦井維修電工技師完整可編輯版課件33礦井維修電工技師完整可編輯版課件34礦井維修電工技師完整可編輯版課件35礦井維修電工技師完整可編輯版課件36礦井維修電工技師完整可編輯版課件37此課件下載可自行編輯修改，此課件供參考！部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請與我聯(lián)系刪除！此課件下載可自行編輯修改，此課件供參考！38礦井維修電工技師培訓(xùn)班大家好！礦井維修電工技師培訓(xùn)班大家好！39第八章單片機原理及控制第一節(jié)單片微型計算機概述第二節(jié)80C51單片機的硬件結(jié)構(gòu)第八章單片機原理及控制第一節(jié)單片微型計算機概述40第一節(jié)單片微型計算機概述一、單片機單片微型計算機簡稱單片機，它是把組成微型計算機的各功能部件即中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接口等部分制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個完整的計算機。二、單片機的發(fā)展趨勢在短短的近三十年間，單片機經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，其發(fā)展速度大約每二至三年要更新一代，集成度增加一倍、功能翻一番。目前按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度來說，單片機已從最初的4位發(fā)展到32位。縱觀近三十年的發(fā)展，單片機正朝多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、擴大存儲容量和加強I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容方向發(fā)展。第一節(jié)單片微型計算機概述一、單片機41三、單片機的應(yīng)用單片機的出現(xiàn)是近代計算機技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑，單片機的誕生標(biāo)志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支。與巨大體積和高成本的通用計算機相比，單片機的單芯片的微小體積和極低的成本，使其可廣泛地嵌入到如玩具、家用電器、機器人、儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、工業(yè)控制單元、辦公自動化設(shè)備、金融電子系統(tǒng)、艦船、個人信息終端及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。單片機作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。近年來，除了各種類型的工控機，各種以通用微處理器構(gòu)成的計算機主板模塊、以通用微處理為核心的、片內(nèi)擴展一些外圍功能電路單元構(gòu)成的嵌入式微處理器甚至單片形態(tài)的PC機等，都實現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用，成為嵌入式系統(tǒng)的龐大家族。三、單片機的應(yīng)用42單片機是現(xiàn)代計算機、電子技術(shù)的新興領(lǐng)域，無論是單片機本身還是單片應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法都會隨時代的變化而不斷的發(fā)生變化。在所有單片機類型中，MCS-51系列單片機和80C51系列單片機的硬件結(jié)構(gòu)簡單明了、特殊功能寄存器功能規(guī)范并且軟件指令系統(tǒng)易于掌握，是一種便于學(xué)習(xí)、理解和掌握的單片機。該系列單片機在國內(nèi)介紹較多、資料比較齊全，其本身性能價格比較高，供貨渠道較多，所以本書以80C51系列為例介紹單片機知識。MCS-51系列8位高檔單片機是在總結(jié)MCS-48系列單片機的基礎(chǔ)上，于20世紀80年代初推出的新產(chǎn)品。其主要的技術(shù)特征是：①擴大了片內(nèi)存儲容量、外部尋址空間：程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器的尋址都嗇到64KB。②增強了并行口、增設(shè)了全雙工串行口I/O；4個位并行I/O接口，可用于地址和數(shù)據(jù)的傳送，也可以與8243、8155、8255等連接進行外部I/O接口的擴展；1個全雙工串行I/O通信接口，可用于數(shù)據(jù)的串行接收和發(fā)送，為構(gòu)成串行通信網(wǎng)絡(luò)提供了方便。單片機是現(xiàn)代計算機、電子技術(shù)的新興領(lǐng)域，無論是單片機本身還是43③增加了定時器/計數(shù)器的個數(shù)并擴展了長度；定時器/計數(shù)器由一個變?yōu)閮蓚€（8052為三個），計數(shù)長度由8位增為16位，肯有4種工作方式，這樣，既提高了定時/計數(shù)范圍，又使用戶使用靈活方便。④增強了中斷系統(tǒng)：設(shè)置有2級中斷優(yōu)先級，可接收5個中斷源的中斷請求，中斷優(yōu)先級別可由用戶定義。這樣，就使MCS-51單片機很適合用于數(shù)據(jù)采集與處理，智能儀器儀表和工業(yè)過程控制中。⑤具備較強的指令尋址和運算等功能：有111條指令，可分為4大類，使用了7種尋址方式。這些指令44%為單字節(jié)指令，41%為雙字節(jié)指令，15%為三字節(jié)指令。若用12MHZ晶振，50%的指令可在職μs內(nèi)執(zhí)行完畢，40%的指令可在2μs內(nèi)執(zhí)行完畢。⑥增設(shè)了頗具特色的布爾處理機：在指令系統(tǒng)中設(shè)置有位操作指令，可用于位尋址空間，這些位操作指令與位尋址空間一起構(gòu)成布爾處理機，布爾處理機對于實時邏輯控制處理具有突出的優(yōu)點。③增加了定時器/計數(shù)器的個數(shù)并擴展了長度；定時器/計數(shù)器由一44可以看出，這一代單片機主要的技術(shù)特征是為單片機配置了完善的外部并行總線（地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB、控制總線CB）和具有多機識別功能的串行通信接口（UART），規(guī)范了功能單元的特殊功能寄存器（SFR）控制模式及適應(yīng)控制器特點的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)，為發(fā)展具有良好兼容性的新一代單片機奠定了良好的基礎(chǔ)。80C51為第三代單片機?？梢钥闯?，這一代單片機主要的技術(shù)特征是為單片機配置了完善的外45第二節(jié)80C51單片機的硬件結(jié)構(gòu)一、80C51單片機的硬件結(jié)構(gòu)特點80C51系列單片機采用了CMOS技術(shù)制造，較之NCS-51系列單片機，集成度高、速度快、功耗低。其基本硬件結(jié)構(gòu)如圖8-1所示，硬件結(jié)構(gòu)具有如下特點：圖8-180C51單片機的基本組成結(jié)構(gòu)第二節(jié)80C51單片機的硬件結(jié)構(gòu)一、80C51單片機的硬461、內(nèi)部程序存儲器（ROM）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）容量80C51/87C51/80C52單片機的內(nèi)部ROM和內(nèi)部RAM的容量如表8-1所示：2、外部和諧存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間80C51可對64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器尋址肯不受該系列中各種芯片型號的影響，而對于程序存儲器是內(nèi)外總窨為64KB，所以80C51外部程序存儲器最大尋址范圍為64KB。1、內(nèi)部程序存儲器（ROM）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）容量473、輸入/輸出（I/O）口80C51單片機內(nèi)的I/O口的數(shù)量和種類較多且齊全，尤其是它有一個全雙工的串行口。該串口是利用兩根據(jù)I/O口線構(gòu)成的，有四種工作方式，可通過編程選定，80C51共有32根據(jù)口線。4、定時/計數(shù)器與寄存器區(qū)80C51系列單片機有2個16位定時/計數(shù)器，通過編程可以實現(xiàn)四種工作方式，80C52則有3個16位定時/計數(shù)器。80C51在內(nèi)部RAM中開設(shè)了4個通用工作寄存器區(qū)，共32個通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的要求。3、輸入/輸出（I/O）口48表8-180C51單片機的存儲器容量表8-180C51單片機的存儲器容量495、中斷與堆棧80C51有6個中斷源，分為4個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級是編程的。它的堆棧也是可編程的，堆棧深度可達128字節(jié)。6、指令系統(tǒng)80C51系統(tǒng)單片機完全繼承了MCS-51的指令系統(tǒng)，共有111條指令，按其功能可分為五大數(shù)：數(shù)據(jù)傳送類指令、算術(shù)運算類指令、邏輯運算類指令、控制轉(zhuǎn)移類指令、布爾操作。7、布爾處理器80C51布爾處理器，實際上是一個完整的一位微計算機，這個一位微機有自己的CPU、位寄存器、I/O和指令集。一位在開關(guān)決策、邏輯電路仿真和實時測控方面非常有效，而位機在運算處理、智能儀表常用的數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長處。在80C51單片機中8位機和一位機的硬件資源是結(jié)合在一起的，二者相輔相成。5、中斷與堆棧50二、80C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及中央處理器1、80C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖與組成80C51單片機片總體結(jié)構(gòu)詳細框圖如圖8-2所示，它主要由九個部件組成，分別是：1個8位的中央處理器；4KB/8KB的只讀存儲器（ROM或EPROM）（80C52為8K）；128字節(jié)/256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；32條I/O口線（四個8位口P0、P1、P2、P3）；2個或3個（80C52有三個）定時/計數(shù)器；一個具有6個中斷源、4個優(yōu)先級的中斷嵌套結(jié)構(gòu)；用于多處理機通訊、I/O擴展或全雙工UART（通用異步接收發(fā)器）的串行口；特殊功能寄存器（SFR）以及一個片內(nèi)振蕩和時鐘電路和。二、80C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及中央處理器51圖8-280C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及組成圖8-280C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及組成522、80C51的中央處理器中央處理器（CPU）單片機內(nèi)部的核心部件，它決定了單片機的主要功能特性。CPU主要由運算部件和控制部分構(gòu)成。下面將對這兩部分以及涉及到的部分硬件進行詳細的介紹。（1）運算部件運算部件包括算術(shù)、邏輯部件ALU、布爾處理器、累加器A、寄存器B、暫存器1和暫存器2、程序狀態(tài)寄存PSW以及十進制調(diào)整電路等。運算部件的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送操作。①算術(shù)、單元ALU80C51單片機的ALU功能十分強，它不僅可以對8位變量進行邏輯“與”、“或”、“異或”、循環(huán)、求補、清零等基本操作，還可以進行加、減、乘、除等基本運算。為了乘除運算的需要，設(shè)置了N寄存器。2、80C51的中央處理器53②累加器A累加器A又記作ACC，是CPU中使用最頻繁的一個寄存器，其作用為：a、累加器A是ALU單元的輸入之一，因而是處理數(shù)據(jù)源之，一，同時又是ALU運算結(jié)果的存放單元。b、CPU中的數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器，故又相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。在80C51中，增加了一部分可能不經(jīng)過累加器的傳送指令，如：寄存器與直接尋址單元之間；直接尋址單元與間接尋址單元之間等。這樣，既加快了傳送速度，又減少了累加器的“堵塞”現(xiàn)象。②累加器A54③B寄存器B寄存器在乘法和除法指令中作為ALU的輸入之一。乘法中，ALU的兩個輸入分別為A、C，運算結(jié)果存放于AB寄存器對中。A中放積的低沉位，B中放積的高8位；除法中，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商數(shù)存放于A，余數(shù)存放于B。在其他情況下，B寄存器可以作為內(nèi)部RAM中的一個單元來使用。④程序狀態(tài)PSW程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）是下個逐位定義的位寄存器，其內(nèi)容的主要部分是算術(shù)單元（ALU）的輸出。③B寄存器552、控制部件控制部件是單片機的神經(jīng)中樞，與運算部件一起組成中央處理器，在80C51單片機中，它包括程序計數(shù)器PC、程序地址寄存器IR，指令譯碼器，條件轉(zhuǎn)移邏輯電路及定時控制邏輯電路。它以主振頻率為基準(zhǔn)發(fā)出CPU的時序，對指令進行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列控制的微操作，用來控制單片各部分的運行。3、時鐘電路及CPU的工作時序時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關(guān)系。單片機本身就如一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同點工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。2、控制部件56(1)時鐘電路80C51單片機的時鐘電路框圖8-3所示。時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。內(nèi)部振蕩方式：80C51單片機內(nèi)帶有時鐘電路，因此，只需要在片外通過XTAL1和XTAL2引腳接入定時控制元件（晶體振蕩器和電容），即可構(gòu)成一個穩(wěn)定地自激振蕩器，如圖8-4所示。(1)時鐘電路57圖8-380C51單片機的時鐘電路圖8-380C51單片機的時鐘電路58圖8-4內(nèi)部振蕩方式圖8-5外部振蕩方式圖8-4內(nèi)部振蕩方式圖59外部振蕩方式：把外部已有的時鐘信號引入單片機內(nèi)。這種方式適宜用來使單片機的時鐘與外部信號保持同步。外部振蕩方式的外部電路如圖8-5所示。由圖可見，外部振蕩信號由XTAL2引入，XTAL1接地。為了使時入單處機的時鐘信號為TTL電平，通常外部信號一個帶有上拉電阻的TTL，反相器后接入XTAL2。（2）CPU時序及有關(guān)概念①振蕩周期：是指為單片機提供定時信號的振蕩源的周期。單片機以晶體振蕩器的振蕩周期（或外部引入的時鐘周期）為最小的時序單位，片內(nèi)的各種微操作都以此周期為時序基準(zhǔn)。外部振蕩方式：把外部已有的時鐘信號引入單片機內(nèi)。這種方式適宜60②狀態(tài)周期：振蕩頻率二分頻后形成狀態(tài)周期，又稱時鐘周期或稱S周期，所以，一個狀態(tài)周期包含兩個振蕩周期。狀態(tài)周期被分為兩個節(jié)拍，即P1節(jié)拍和P2節(jié)拍。在每個時鐘的前半周期，P1信號有效，這時通常完成算術(shù)邏輯操作；在每個時鐘的后半周期，P2信號有效，內(nèi)部寄存器與寄存器間的傳輸一般在此狀態(tài)發(fā)生。③機器周期：一個機器周期由6個狀態(tài)（12個振蕩脈沖）組成，即六個時鐘周期、12個振蕩周期。④是指執(zhí)行一條指令所占用的全部時間，一個指令周期通常含有1-4個機器周期。②狀態(tài)周期：振蕩頻率二分頻后形成狀態(tài)周期，又稱時鐘周期或稱S61三、80C51單片機的工作方式80C51單片機共有復(fù)位、程序執(zhí)行、低功耗等工作方式。1、復(fù)位方式（1）復(fù)位操作復(fù)位是單片機的初始化操作，其主要功能是PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行時出錯或錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為使單片機正常工作，也需按復(fù)位鍵以重新啟動。除PC之外，復(fù)位操作還對其他一些特殊功能寄存器有影響，他們的復(fù)位狀態(tài)見表2-9所示。（2）復(fù)位信號及其產(chǎn)生1）復(fù)位信號RST引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩脈沖周期（即兩個機器周期）以上。若使用頻率為6MHZ的晶振，則復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)超過4μs才能完成復(fù)位操作。產(chǎn)生復(fù)位信號的電路邏輯圖如圖8-6所示。三、80C51單片機的工作方式62表8-2特殊功能寄存器的復(fù)位狀態(tài)表8-2特殊功能寄存器的復(fù)位狀態(tài)63圖8-6復(fù)位電路結(jié)構(gòu)圖2）復(fù)位方式復(fù)位操作有上自動復(fù)位、按鍵電平復(fù)位、外部脈沖復(fù)位和自動復(fù)位四種方式，示于圖8-7中。圖8-6復(fù)位電路結(jié)構(gòu)圖2）復(fù)位方式64上電自動復(fù)位是通過外部電路的電容充電來實現(xiàn)的，其電路如圖8-7（a）所示