第二章單片機基本結構-1

要求上課帶教材練習本和筆課上請把手機關閉或調(diào)靜音，確實有需要，請去教室外接聽按時交作業(yè)，作業(yè)須做在練習本上說明：課程設計可以提前進行第二章單片機的基本結構與工作原理命令程序存儲器程序CPU和數(shù)據(jù)存儲器總線和接口功能模塊第二章單片機的基本結構與工作原理如果把一個單片機系統(tǒng)看成是一個人體

如何理解單片機的工作原理和方式？

數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的區(qū)別？總線的概念？地址的概念？數(shù)據(jù)的概念？純數(shù)據(jù)操作？動作？第二章單片機的基本結構與工作原理2.1 單片機的基本組成2.2 80C51單片機的引腳功能和結構框圖2.2.180C51的引腳功能2.2.280C51的內(nèi)部結構框圖和組成2.380C51CPU的結構和特點2.3.1中央控制器2.3.2運算器2.3.3時鐘電路及CPU的工作時序第二章單片機的基本結構與工作原理2.4 存儲器結構和地址空間2.4.1程序存儲器2.4.2數(shù)據(jù)存儲器2.5 布爾(位)處理器2.6 80C51單片機的工作方式2.6.1復位方式2.1 單片機的基本組成圖2-1MCS-51單片機基本結構示意圖按功能劃分:由8個部分組成123456872.280C51單片機的引腳功能和結構框圖2.2.180C51的引腳功能2.2.280C51的內(nèi)部結構框圖和組成第二章單片機的基本結構與工作原理圖2280C51/80C52的封裝及邏輯圖MCS-51單片機的引腳(40腳)返回本章首頁Vcc,GND2XTAL1,XTAL22RESET1(/EA)/Vpp1ALE/(/PROG)

1(/PSEN)

1P0.0—P0.78P1.0—P1.78P2.0—P2.78P3.0—P3.782.2.180C51的引腳功能

電源和晶振4根

VCC、VSS：電源的正端與接地

XTAL1,XTAL2：

片內(nèi)振蕩電路輸入/輸出端(2)I/O口：4個口，32根(3)控制線：共4根。①輸入：

RESET:

復位端（正脈沖有效，寬度個機器周期）(/EA)/Vpp:片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上施加21V或12V的編程電壓。

2.2.180C51的引腳功能②輸入、輸出：(/ALE)/PROG:

地址鎖存允許/編程脈沖輸入端。

P0口尋址外部低8位地址時接外部鎖存器G端；

ALE端平時會輸出周期正脈沖：ffosc/6；對片內(nèi)ROM編程時編程脈沖由此端加入。③輸出控制線：/PSEN：尋址外部程序存儲器時選通外部EPROM的讀控制端（OE）低有效。2.2.280C51的內(nèi)部結構框圖和組成第二章單片機的基本結構與工作原理

圖2-380C51的內(nèi)部結構框圖2.380C51CPU的結構和特點CPU控制器運算器2.3.1中央控制器

中央控制器是識別指令，并根據(jù)指令性質(zhì)控制計算機各組成部件進行工作的部件，中央控制器程序計數(shù)器PC數(shù)據(jù)指針指令寄存器IR指令譯碼器條件轉移邏輯電路定時控制邏輯電路程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）PC

不是一個特殊功能寄存器SFR，但其作用又十分重要和特殊!!!特點：▼它是16位的，按機器周期自動增1計數(shù)器▼一切分支/跳轉/調(diào)用/中斷/復位等操作的本質(zhì)就是:改變PC值▼總指向下一條指令所在首地址(當前PC值)▼不可尋址程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）程序計數(shù)器PC的輸出，即程序存儲器的地址，與P0、P2口之間的關系如圖2--4所示。圖2-4程序計數(shù)器PC的輸出與P0、P2口之間的關系

數(shù)據(jù)指針DPTR51系列中唯一出現(xiàn)在符號指令中的一個16位寄存器可分為兩個8位的寄存器使用用作訪問外部存儲空間（數(shù)據(jù)、I/O、程序空間）此時，DPTR的輸出，即片外數(shù)據(jù)存儲器的地址，與P0、P2口之間的關系如圖2--5所示。

數(shù)據(jù)指針DPTR圖2—5DPTR的輸出與P0、P2口之間的關系

數(shù)據(jù)指針DPTRDPTR寄存器也可以作為訪問程序存儲器時的基址寄存器。MOVCA，@A+DPTRJMP@A+DPTRDPTR寄存器既可以作為一個16位寄存器處理如，MOVDPTR，#16位地址

INCDPTR也可以作為兩個8位寄存器處理，其高8位用DPH表示，低8位用DPL表示。如：CJNEA，DPL，$CJNEA，DPH，$PC與DPTR對比①兩者都是與地址有關的、16位的寄存器。其中，PC與程序存儲器的地址有關，而DPTR與數(shù)據(jù)存儲器的地址有關。作為地址寄存器使用時，PC與DPTR都是通過P0和P2口輸出的。但是，PC的輸出與ALE及PSEN有關；DPTR的輸出，則與ALE、WR、RD相聯(lián)系。PC與DPTR對比②PC只能作為16位寄存器對待；由于有自動加1的功能，故又稱為計數(shù)器；PC是不可以訪問的；有自己獨特的變化方式；它的變化軌跡決定了程序執(zhí)行的流程。DPTR可以作為16位寄存器對待，也可以作為兩個8位寄存器對待；DPTR是可以訪問的。指令寄存器IR、指令譯碼器及控制邏輯指令寄存器IR是用來存放指令操作碼的專用寄存器圖2--6指令寄存器和指令譯碼器

定時控制邏輯電路產(chǎn)生一系列定時控制信號，控制計算機的各組成部件進行相應的工作，執(zhí)行指令。

2.3.2運算器運算器主要用來實現(xiàn)對操作數(shù)的算術邏輯運算和位操作注:A--arithmetic運算器算術邏輯運算單元ALU累加器ACC(A)B寄存器程序狀態(tài)標志寄存器PSWBCD碼運算修正電路算術邏輯運算單元ALU(圖2--7)算術邏輯運算單元ALU算術邏輯運算單元ALU算術/邏輯運算可完成的操作：①帶進位和不帶進位的加法、減法及8位數(shù)的乘、除法運算；②邏輯運算AND、OR和XOR；③增量或減量；④位置位、位復位和位取反等；⑤左移位、右移位；⑥半字節(jié)交換；⑦BCD碼運算修正。累加器A累加器是CPU中使用最頻繁的一個寄存器，簡稱ACC或A寄存器。其作用為：①累加器A是ALU單元的輸入之一，又是ALU運算結果的存放單元。

②CPU中的數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器，故又相當于一個數(shù)據(jù)的中轉站。在CPU中與它打交道的部分有：程序存儲器ROM中的常數(shù)“MOVCA，@A+DPTR”、“MOVCA,@A+PC”；B寄存器B寄存器在乘法和除法指令中作為ALU的輸入之一。B寄存器可以作為內(nèi)部RAM中的一個單元來使用。程序狀態(tài)字寄存器(PSW)

（ProgramStatusWord）

CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0▼CY(PSW.7)進位/借位標志位。若ACC在運算過程中發(fā)生了進位或借位，則CY=1；否則=0。它也是布爾處理器的位累加器，可用于布爾操作。▼AC(PSW.6)半進位/借位標志位。若ACC在運算過程中，D3位向D4位發(fā)生了進位或借位，則CY=1,否則=0。機器在執(zhí)行“DAA”指令時自動要判斷這一位，我們可以暫時不關心它。▼F0(PSW.5)可由用戶定義的標志位。PSW.6PSW.5程序狀態(tài)字寄存器(PSW)

CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0RS1，RS0=01則選擇了工作寄存器組

1區(qū)R0～R7分別代表08H～0FH單元。RS1，RS0=10則選擇了工作寄存器組

2區(qū)R0～R7分別代表10H～17H單元。RS1，RS0=11則選擇了工作寄存器組

3區(qū)R0～R7分別代表18H～1FH單元。PSW.4PSW.3RS1，RS0=00則選擇了工作寄存器組

0區(qū)R0～R7分別代表08H～0FH單元。片內(nèi)RAM前32個單元(00H—1FH)是工作寄存器區(qū)

(由PSW中的RS1,RS0決定)00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM區(qū)普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)R0R2R1R3R4R5R6R707H02H01H00H06H04H05H03H08H1FH工作寄存器區(qū)3工作寄存器區(qū)2工作寄存器區(qū)1工作寄存器區(qū)0程序狀態(tài)字寄存器(PSW)

CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0▼OV(PSW.2)溢出標志位。

OV=1時特指累加器在進行帶符號數(shù)(-128—+127)運算時出錯（超出范圍）；OV=0時未出錯。▼PSW.1未定義。▼P(PSW.0)奇偶標志位。

P=1表示累加器中“1”的個數(shù)為奇數(shù)

P=0表示累加器中“1”的個數(shù)為偶數(shù)

CPU隨時監(jiān)視著ACC中的“1”的個數(shù),并反映在PSW中PSW.2PSW.12.3.3時鐘電路及CPU的工作時序時鐘電路：產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號時序：是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關系。時鐘電路在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），即可構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。在80C51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容。時鐘電路1.2~12MHz0~40MHz圖2-880C51單片機的時鐘電路時鐘電路如圖2--9（b）所示，用晶振和電容構成諧振電路。C1和C2雖然沒有嚴格要求，通常選擇在10~30pF左右。在設計電路板時，晶振、電容等均應盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。當用電感或陶瓷諧振器作定時控制元件時，也是用電感或陶瓷諧振器構成諧振電路。此時的電容C1、C2在40pF±10pF。時序定時單位

80C51的時序定時單位節(jié)拍：最小單位，一個晶振周期狀態(tài)：一個狀態(tài)包含兩個節(jié)拍機器周期：80C51采用定時控制方式，因此它有固定的機器周期。是振蕩脈沖的12分頻指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期。80C51的指令周期根據(jù)指令的不同，可包含有一、二、四個機器周期。計算當振蕩脈沖頻率為l2MHz時，一個機器周期為：1μs當振蕩脈沖頻率為6MHz時，一個機器周期為：為2μs80C51指令時序單字節(jié)單機器周期指令單字節(jié)雙機器周期指令單字節(jié)則均為四機器周期的（乘除指令）雙字節(jié)單機器周期指令雙字節(jié)雙機器周期指令三字節(jié)指令都是雙機器周期的圖2--10所表示的是幾種典型單機器周期和雙機器周期指令的時序。圖2-1080C51的取指/執(zhí)行時序2.4存儲器結構和地址空間80C51單片機系列的存儲器采用的是哈佛(Harvard)結構片內(nèi)駐留了一定容量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器及眾多的特殊功能寄存器外部存儲器擴展能力，尋址范圍分別可達64KB，尋址和操作簡單方便。2.4存儲器結構和地址空間內(nèi)部程序存儲器外部程序存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)外統(tǒng)一64K程序存儲器128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器64K外部數(shù)據(jù)存儲器或擴展I/O物理上分邏輯上分存儲器思考問題程序放何處?數(shù)據(jù)存在何處?在何處進行處理?可尋址片內(nèi)RAM256字節(jié)(包括位及SFR)

(00-FFH),可尋址片外RAM64K字節(jié)

（0000H—FFFFH）；可尋址片外ROM64K字節(jié)

（0000H—FFFFH）；片內(nèi)FlashROM4K字節(jié)

（000H—FFFH）；FFFFH0000H可尋址片外RAM

64K字節(jié)FFFFH1000H可尋址片外ROM

60K字節(jié)FFFH000H可尋址片內(nèi)或片外4K字節(jié)7FH00H片內(nèi)RAM

128字節(jié)FFH80H存儲器配置2.4.1程序存儲器作用：用于存放經(jīng)調(diào)試正確的應用程序和表格之類的固定常數(shù)大?。嚎蓴U展的地址空間為64KBEA引腳接高電平時，程序從片內(nèi)程序存儲器開始執(zhí)行，當PC值超出片內(nèi)ROM容量時，會自動轉向片外程序存儲器空間執(zhí)行。EA引腳接低電平時，迫使系統(tǒng)全部執(zhí)行片外程序存儲器程序。程序存儲器的某些單元被保留用于特定的程序入口地址2.4.1程序存儲器7個特定地址被保留：復位或非屏蔽中斷0000H外部中斷00003H計時器T0溢出000BH外部中斷10013H計時器T1溢出001BH串行口中斷0023H計時器T2/T2EX下降沿002BH

在程序設計時，通常在這些中斷入口處設置無條件轉移指令，使之轉向?qū)闹袛喾粘绦蚨翁巿?zhí)行。2.4.2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器（datamemory）由隨機存取存儲器RAM構成，用來存放隨機數(shù)據(jù)。在80C51單片機中，數(shù)據(jù)存儲器又分片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（internaldatamemory）和片外數(shù)據(jù)存儲器（enternaldatamemory）兩部分。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(IRAM)最高地址只有8位，因而最大尋址范圍為256個字節(jié)。存儲器配置（片內(nèi)RAM）片內(nèi)RAM

128字節(jié)（00H—7FH）SFR分布在80H-FFH其中92個位可位尋址80HFFH所有的RAM區(qū)(包括位尋址區(qū)、工作寄存器區(qū)）都可以用于存放數(shù)據(jù)，故也稱為數(shù)據(jù)緩存寄存器00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM區(qū)普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)51系列

128字節(jié)片內(nèi)RAM前32個單元是工作寄存器區(qū)(00H—1FH)00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM區(qū)普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)存儲器配置（片內(nèi)RAM）00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM區(qū)普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)R0R2R1R3R4R5R6R707H02H01H00H06H04H05H03H08H1FH工作寄存器區(qū)3工作寄存器區(qū)2工作寄存器區(qū)1工作寄存器區(qū)00FH10H17H18H片內(nèi)RAM前32個單元是工作寄存器區(qū)(00H—1FH)存儲器配置（片內(nèi)RAM）00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM區(qū)普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)片內(nèi)RAM中有128個可按位尋址的位。

位地址:00H—7FH

分布在:20H—2FH單元存儲器配置（片內(nèi)RAM）00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM區(qū)普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)27H22H21H20H26H24H25H23H28H2FH單元地址07060504030201000F0E0D0C0B0A090817161514131211101F1E1D1C1B1A191827262524232221202F2E2D2C2B2A292837363534333231303F3E3D3C3B3A393847464544434241407F7E7D7C7B7A7978位地址總共128個可按位尋址的位片內(nèi)RAM中有128個可按位尋址的位。

位地址:00H—7FH

分布在:20H—2FH單元存儲器配置（片內(nèi)RAM）堆棧：

在片內(nèi)RAM中，常常要指定一個專門的區(qū)域來存放某些特別的數(shù)據(jù),它遵循順序存取和后進先出(LIFO/FILO）的原則,這個RAM區(qū)叫堆棧。堆棧指針寄存器SP（StackPointer):總是指向棧頂,壓棧時先(SP)+1然后數(shù)據(jù)進棧；彈棧時數(shù)據(jù)先出棧然后(SP)-1。功用：1）子程序調(diào)用和中斷服務時CPU自動將當前PC

值壓棧保存，返回時自動將PC值彈棧。2）保護現(xiàn)場/恢復現(xiàn)場3）數(shù)據(jù)傳輸堆棧及堆棧指示器（ＳＰ）00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM區(qū)普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)

SP棧頂下一個進棧的數(shù)據(jù)將存在此數(shù)據(jù)進棧已經(jīng)進棧的數(shù)據(jù)存放在此初始SP復位后SP=07H，數(shù)據(jù)進棧時：首先SP+1指向08H單元，第一個放進堆棧的數(shù)據(jù)將放進08H單元，然后SP再自動增1，仍指著棧頂……堆棧區(qū)由特殊功能寄存器堆棧指針SP管理

堆棧區(qū)可以安排在RAM區(qū)任意位置，一般不安排在工作寄存器區(qū)和可按位尋址的RAM區(qū)，通常放在RAM區(qū)的靠后的位置。從堆棧取出數(shù)據(jù)時：取出的數(shù)據(jù)是最近放進去的一個數(shù)據(jù)，也就是當前棧頂?shù)臄?shù)據(jù)。然后SP再自動減1，仍指著棧頂……00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM區(qū)普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)

SP棧頂當前要出棧的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)出棧SP-1指向下一個將要出棧的數(shù)據(jù)初始SP堆棧區(qū)由特殊功能寄存器堆棧指針SP管理

堆棧區(qū)可以安排在RAM區(qū)任意位置，一般不安排在工作寄存器區(qū)和可按位尋址的RAM區(qū)，通常放在RAM區(qū)的靠后的位置。從堆棧取出數(shù)據(jù)時：取出的數(shù)據(jù)是最近放進去的一個數(shù)據(jù)，也就是當前棧頂?shù)臄?shù)據(jù)。然后SP再自動減1，仍指著棧頂……00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM區(qū)普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)SP-1指向新的棧頂,也就是下一個將要出棧的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)出棧初始SP堆棧區(qū)由特殊功能寄存器堆棧指針SP管理

堆棧區(qū)可以安排在RAM區(qū)任意位置，一般不安排在工作寄存器區(qū)和可按位尋址的RAM區(qū)，通常放在RAM區(qū)的靠后的位置。51單片機特殊功能寄存器(SFR)▼特殊功能寄存器SFR（專用寄存器）專用于控制、選擇、管理、存放單片機內(nèi)部各部分的工作方式、條件、狀態(tài)、結果的寄存器。▼不同的SFR管理不同的硬件模塊，負責不同的功能——各司其職換言之：要讓單片機實現(xiàn)預訂的功能，必須有相應的硬件和軟件，而軟件中最重要的一項工作就是對SFR寫命令（要求）。特殊功能寄存器區(qū)特殊功能寄存器除程序計數(shù)器PC和4個通用工作寄存器組外，其余所有的寄存器都在這個地址空間之內(nèi)。

80C51系列中的80C51，共定義了21個特殊功能寄存器，其名稱和字節(jié)地址列于表23中。80C52中，除上述80C51的21個之外，還增加了5個特殊功能寄存器，共計26個。除此而外，其它地址訪問無效。特殊功能寄存器(SFR)名稱和地址如書：表2-3序號標識符名稱字節(jié)地址位地址ACC累加器0E0H0E0H~0E7HBB寄存器0F0H0F0H~0F7HPSW程序狀態(tài)字0D0H0D0H~0D7HSP堆棧指針81HDPTR數(shù)據(jù)指針（DPH、DPL）83H、82HP0P0口80H80H~87HP1P1口90H90H~97H特殊功能寄存器(SFR)名稱和地址8P2P2口0A0H0A0H~0A7H9P3P3口0B0H0B0H~0B7H10IP中斷優(yōu)先級控制0B8H0B8H~0BFH11IE中斷允許控制0A8H0A8H~0AFH12TOMD定時器/計數(shù)器方式控制89H13TCON定時器/計數(shù)器控制88H88H~8FH14T2CON定時器/計數(shù)器2控制0C8H0C8H~0CFH15TH0定時器/計數(shù)器0（高位字節(jié)）8CH特殊功能寄存器(SFR)名稱和地址16TL0定時器/計數(shù)器0（低位字節(jié)）8AH17TH1定時器/計數(shù)器1（高位字節(jié)）8DH18TL1定時器/計數(shù)器1（低位字節(jié)）8BH19TH2定時器/計數(shù)器2（高位字節(jié)）0CDH20TL2定時器/計數(shù)器2（低位字節(jié)）0CCH21RCAP2H定時器/計數(shù)器2自動再裝載（高位字節(jié)）0CBH22RCAP2H定時器/計數(shù)器2自動再裝載（低位字節(jié)）0CAH特殊功能寄存器(SFR)名稱和地址23SCON串行口控制98H98H~9FH24SBUF串行數(shù)據(jù)緩沖器99H25PCON電源控制97H特殊功能寄存器在128B空間中的分布示于表2-4。從表中可以看出，在128B空間中存在著大片的空白，這為80C51系列功能的增加提供了極大的可能性。2.5布爾(位)處理器

CY：在布爾運算中，CY是數(shù)據(jù)源之一，又是運算結果的存放處，位數(shù)據(jù)傳送的中心。

位尋址的RAM：RAM區(qū)中的0~127位(包含在20H~2FH單元內(nèi))。位尋址的寄存器：特殊功能寄存器(SFR)中的可以位尋址的位。位尋址的并行I/O口：并行I/O口中的可以位尋址的位。位操作指令系統(tǒng)：位操作指令可實現(xiàn)對位的置位、清0、取反、位狀態(tài)判跳轉、傳送、位邏輯運算、位輸入/輸出等操作。2.680C51單片機的工作方式

共有復位、程序執(zhí)行、低功耗以及編程和校驗四種工作方式。1復位操作

2.6.1復位方式

復位是單片機的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。復位操作還對單片機的個別引腳信號有影響。例如在復位期間，ALE和PSEN信號變?yōu)闊o效狀態(tài)，即ALE=l,PSEN=1。PC與SFR復位狀態(tài)表寄存器復位狀態(tài)寄存器復位狀態(tài)PC0000HTCON00HA00HT2CON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0~P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUFXXHIE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H復位信號圖2--13復位電路結構圖復位方式上電自動復位按鍵電平復位和外部脈沖復位2.6.2程序執(zhí)行方式由于復位后PC=0000H，因此程序執(zhí)行總是從地址0000H開始的。2.6.3低功耗工作方