第2章80C51的結構和原理

第2章AT89S51單片機硬件結構AT89S51單片機的硬件組成2.180C51的基本結構與應用模式2.280C51典型資源配置與引腳封裝2.380C51單片機的CPU2.480C51的存儲器組織2.580C51的并行口結構與操作2.62023/2/61各廠商以8051為基核開發(fā)出的CMOS單片機統(tǒng)稱為80C51系列。常用產品有：Intel：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；ATMEL：89C51、89C52、89C2051等；Philips、華邦、Dallas、Siemens等公司的許多產品。本課程主要是講解關于AT89C51/S5180C51=(8位)CPU+4KBROM+128BRAM+(2×16)T/C+(4×8)I/O+1個UART+5個INT2.1AT89S51單片機的硬件組成2023/2/622.1.180C51的基本結構2023/2/634圖2-1AT89S51單片機片內結構2023/2/642.1.280C51的應用模式

帶總線擴展引腳的產品擴展總線的應用模式不擴展總線的應用模式

2023/2/65沒有總線擴展引腳的產品引腳數(shù)減少、體積減小。對于不需進行并行外圍擴展，裝置的體積要求苛刻且程序量不大的系統(tǒng)極其適合。典型產品,如：AT89S2051/AT89S4051。2023/2/662.2AT89S51的引腳功能2023/2/67引腳簡介

P3口線的第二功能VCCVSSXTAL2

XTAL1RSTP0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.72、振蕩電路：XTAL1、XTAL23、復位引腳：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址鎖存控制信號1、電源線：VCC(+5V)、VSS(地)EAPSEN5、EA：訪問程序存儲控制信號6、PSEN：外部ROM讀選通信號RXD/

TXD/

INT0/INT1/

T0/

T1/

WR/

RD/1

2

3

4

5

6

7

8

9

10111213141516171819

2040

39

38

37

36

35

34

33

32

313029282726252424222180318051875189C512023/2/6840只引腳按功能分為3類：（1）電源及時鐘引腳:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。（2）控制引腳：

PSEN*、EA*

、ALE、RESET（即RST）。（3）I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口的外部引腳。1電源及時鐘引腳

1．電源引腳

（1）Vcc（40腳）：+5V電源；（2）Vss（20腳）：接地。2023/2/692．時鐘引腳

（1）XTAL1（19腳）：如果采用外接晶體振蕩器時，此引腳應接地。（2）XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。2控制引腳

提供控制信號，有的引腳還具有復用功能。

(1)RST/VPD(9腳)：復位與備用電源。

(2)ALE/PROG*（30腳）：第一功能ALE為地址鎖存允許，可驅動8個LS型TTL負載。

PROG*為本引腳的第二功能。為編程脈沖輸入端。

此外，單片機正常運行時，ALE端一直有正脈沖信號輸出，此頻率為時鐘振蕩器頻率fosc的1/6?？勺魍獠慷〞r或觸發(fā)信號用。2023/2/610

(3)PSEN*

（29腳）：外部程序存儲器的讀選通信號。可以驅動8個LS型TTL負載。

(4)EA*/VPP(EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，31腳)

EA*為內外程序存儲器選擇控制端。

EA*=1，訪問片內程序存儲器，但在PC（程序計數(shù)器）值超過0FFFH（對于8051、8751）時，即超出片內程序存儲器的4K字節(jié)地址范圍時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。

EA*=0，單片機則只訪問外部程序存儲器。2023/2/611

VPP為本引腳的第二功能。用于施加編程電壓（例如+21V或+12V）。對89C51，加在VPP腳的編程電壓為+12V或+5V。3I/O口引腳

(1)P0口：雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時復用口，可驅動8個LS型TTL負載。

(2)P1口：8位準雙向I/O口，可驅動4個LS型TTL負載。

(3)P2口：8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復用，可驅動4個LS型TTL負載。2023/2/612

(4)P3口：8位準雙向I/O口，雙功能復用口，可驅動4個LS型TTL負載。注意:準雙向口與雙向三態(tài)口的差別。當3個準雙向I/O口作輸入口使用時，要向該口先寫“1”。準雙向I/O口無高阻的“浮空”狀態(tài)。以上的準雙向口與雙向口的差別，讀者在學習第4章后，將會有深刻的理解。2023/2/6132.380C51的CPU2023/2/6148051的內部結構展開圖128×8RAMRAM地址寄存器P3口P1口P2口P0口鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器中斷控制定時/計數(shù)器串行I/O口SP寄存器B累加器A暫存器1暫存器2程序狀態(tài)字PSW指令寄存器IR指令譯碼器ID數(shù)據(jù)指針DPTR緩沖器程序計數(shù)器PC增1程序地址寄存器AR定時與控制4K×8ROMALUCPU2023/2/615（1）程序計數(shù)器（ProgramCounter——PC）——指向ROM存儲單元的地址指針（引導程序運行）

0000HPC指針……XxxxxxxxXxxxxxxxXxxxxxxxXxxxxxxxXxxxxxxxROM0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH永遠存放著下一條指令的首地址具有16位字長→可尋址范圍216（=65536字節(jié)=64KB）具有自動加“1”

功能→順序運行程序功能具有可被指令修改功能→跳轉運行程序功能復位時，PC初值=0→復位后程序從0開始運行PC的計數(shù)寬度決定了程序存儲器的地址范圍。PC為16位，故可對64KB（=216B）尋址。2023/2/616（2）數(shù)據(jù)指針寄存器（DataPointer——DPTR）具有16位字長，可尋址范圍216（64KB）具有可被指令修改功能→可變更數(shù)據(jù)地址可拆為2個8位的獨立寄存器DPL和DPH……0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH35H77HF4H94H9EHDPTR指針……xxHxxHxxHxxHxxHROMRAMDPLDPH0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH——指向ROM或RAM存儲單元的地址指針（引導數(shù)據(jù)傳送）

2023/2/617（3）累加器（ACCUMULATER——A）

具有8位字長是利用率最高的寄存器具有可被指令修改功能——存放操作數(shù)或中間運算結果的寄存器2023/2/618（4）程序狀態(tài)字寄存器（ProgramStateWord——PSW）

具有8位字長各位都具有特殊含義狀態(tài)信息通常自動形成，但也可用指令修改——存放程序運行過程中的各種狀態(tài)信息的寄存器AC2023/2/619CY（PSW.7）——進位標志在進行加或減運算時，如果操作結果最高位有進位或借位時，CY由硬件置“1”，否則清“0”。10010011+11110000

————————CY=110000011進位標志位CYCYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：1、根據(jù)CY判斷有無進位或借位；2、在位操作中CY可作為位累加器用。舉例2023/2/620

AC（PSW.6）——輔助進位標志在進行加或減運算時，如果操作結果的低四位數(shù)向高四位產生進位或借位時，將由硬件置“1”，否則清“0”。01001111+10100001

————————AC=111110000半進位CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0舉例用途：1、根據(jù)AC判斷加減運算時有無半進位或半借位；2、在BCD碼調整運算中要用到AC標志2023/2/621F0（PSW.5）和F1（PSW.1）——用戶標志位可作為用戶自行定義的一個狀態(tài)標記

舉例定義F0為安全門的狀態(tài)，F(xiàn)0=0→開；F0=1→閉定義F1為指示燈的狀態(tài)，F(xiàn)1=0→開；F1=1→閉CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：在程序運行中判斷門或燈的工作狀態(tài)2023/2/622RS1和

RS0（PSW.4和

PSW.3）——工作寄存器組指針用途：用于指定CPU的當前工作寄存器組CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位02023/2/623OV（PSW.2）——溢出標志在有符號數(shù)加減運算或無符號數(shù)乘除運算中若有異常結果，OV硬件置1，否則硬件清0。CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：判斷運算的結果是否正確，正確=0；出錯=12023/2/624OV=C6YC7Y=1

0=101010100（+84）

+01101001（+105）

——————————————CY=010111101→（-67）D6有進位D7無進位10111101→11000010→11000011正數(shù)的補碼是它本身，負數(shù)的補碼是除符號位外每位求反，然后末尾加111111011（-5）

+11110000（-16）

——————————————CY=111101011→（-21）D7有進位

D6有進位OV=C6YC7Y=1

1=011101011→10010100→10010101→運算出錯→運算正確舉例舉例2023/2/625P（PSW.0）——奇偶標志位該位始終跟蹤累加器A中含“1”個數(shù)的奇偶性如果A中有奇數(shù)個“1”，則P置“1”，否則置“0”舉例若A=10011111，則P=0

若A=11000001，則P=1CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：用于串行通訊中的數(shù)據(jù)校驗，判斷是否存在傳輸錯誤。2023/2/626指令寄存器譯碼地址譯碼程序計數(shù)器地址寄存器累加器A運算器①②存儲器內部數(shù)據(jù)總線外部地址總線AB數(shù)據(jù)緩沖器外部數(shù)據(jù)總線DB寄存器區(qū)外部控制總線CB內部控制信號時鐘及清零單片機的工作過程取指過程例:MOVA,#09H74H

09H;把09H送到累加器A中執(zhí)行過程PC=0000H0001H0000H0002H0111010000001001(PC)(PC)0001H0002H0000H外部控制總線CB取指過程(PC)執(zhí)行過程你知道PC的作用嗎？2023/2/627

RS1RS0所選的4組寄存器

000區(qū)（內部RAM地址00H～07H）

011區(qū)（內部RAM地址08H～0FH）

102區(qū)（內部RAM地址10H～17H）

113區(qū)（內部RAM地址18H～1FH）2023/2/628寄存器及其存儲器映射如下圖：20~2FH2023/2/6291.

存儲器劃分方法計算機存儲器地址空間的兩種結構形式：普林斯頓結構和哈佛結構。RAM和ROM統(tǒng)一編址

RAM和ROM分別編址

2.480C51的存儲器組織2023/2/63051系列單片機采用哈佛結構，共有4個物理存儲空間程序存儲器ROM數(shù)據(jù)存儲器RAM片內RAM、片內ROM、片外RAM、片外ROM2023/2/6312.480C51的存儲器組織80C51存儲器可以分成兩大類：

RAM，CPU在運行時能隨時進行數(shù)據(jù)的寫入和讀出，但在關閉電源時，其所存儲的信息將丟失。用來存放暫時性的輸入輸出數(shù)據(jù)、運算的中間結果或用作堆棧。

ROM，寫入信息后不易改寫的存儲器。斷電后，其中的信息保留不變。用來存放固定的程序或數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)監(jiān)控程序、常數(shù)表格等。

2023/2/6322.4.180C51單片機的程序存儲器配置片內與片外程序存儲器的選擇

EA引腳接高電平---片內2023/2/633

EA引腳接地---片外2023/2/634a）同時使用片內和片外ROMb）ROM地址分布

當EA引腳接高電平（開關接A點）時，4KB以內的地址在片內ROM，大于4KB的地址在片外ROM中（圖中折線），兩者共同構成64KB空間；當EA引腳接低電平（開關接B點）時，片內ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（圖中直線）。由于片內外ROM是統(tǒng)一編址的，只能算1個邏輯存儲空間。2023/2/635片內RAM和片外RAM是獨立的，而片內ROM可與片外ROM統(tǒng)一編址51單片機的4個物理存儲空間相當于3個邏輯存儲空間片內RAM片外RAM2023/2/636ROM的6個特殊存儲器單元——引導程序跳轉

0000H：復位后程序自動運行的首地址

0003H：外部中斷0入口地址

000BH：定時器0溢出中斷入口地址

0013H：外部中斷1入口地址

001BH：定時器0溢出中斷入口地址

0023H：串行口中斷入口地址程序一般應安排在0030H地址以后……

跳轉指令

跳轉指令

跳轉指令

跳轉指令

跳轉指令0000H0001H0002H0003H0004H0030H主程序首指令2023/2/637程序存儲器程序存儲器內部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序執(zhí)行的起始單元,

在這三個單元存放一條

無條件轉移指令中斷5中斷4中斷3中斷2中斷10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中斷0定時器0中斷外部中斷1定時器1中斷串行口中斷8位．．．0FFFH0FFEHEA=1EA=0程序存儲器資源分布中斷入口地址2023/2/638程序存儲器低端的幾個特殊單元2023/2/6392.4.280C51單片機數(shù)據(jù)存儲器配置片內、片外數(shù)據(jù)存儲器概況片內RAM及SFR片外RAM片內128B的RAM不夠用時，需外擴，最多可外擴64KB的RAM。注意，片內RAM與片外RAM兩個空間是相互獨立的，片內RAM與片外RAM的低128B的地址是相同的，但由于使用的是不同的訪問指令，所以不會發(fā)生沖突。2023/2/6400000HFFFFH(64K)內部外部數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM專用

寄存器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0區(qū)R0R7R0R7R0R7R0R71區(qū)2區(qū)3區(qū)工作寄存器區(qū)可位尋址區(qū)20H2FH7F78070030H7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū)內部RAM存儲器

11第3區(qū)18H~1FH

01第1區(qū)08H~0FHRS1RS0寄存器區(qū)片內RAM地址

00第0區(qū)00H~07H

10第2區(qū)10H~17H工作寄存器區(qū)選擇位RS0、RS12023/2/641工作寄存器區(qū)（含寄存器組0~3）

寄存器組0：地址00H~07H

寄存器組1：地址08H~0FH寄存器組2：地址10H~17H寄存器組3：地址18H~1FH當前工作寄存器組選擇

PSW寄存器中：

2023/2/642片內RAM詳圖2023/2/643片內數(shù)據(jù)存儲器(RAM)作用：存放程序運行結果字長：8位數(shù)量：128B+128B（80C51）30H低128B（00H～7FH）為普通RAM區(qū)高128B（80H～FFH）為特殊功能寄存器區(qū)2023/2/644(1)低128字節(jié)的區(qū)域

①工作寄存器區(qū)（00H～1FH）

②可位尋址區(qū)（20H～2FH）

③用戶RAM區(qū)（30H～7FH）①②③30H2023/2/645①區(qū)共有32個存儲單元；每個單元都有1個8位地址（字節(jié)地址）每個單元都有1個寄存器名稱（R0～R7）32個單元分為4組（第0～

第3組）CPU只能選一組為當前工作寄存器組當前工作寄存器組取決于PSW的設置①30HCPU復位后RS1和RS0默認值為0，即默認第0組為當前工作寄存器組。2023/2/646②30H②區(qū)共有16個存儲單元；每個單元都有一個字節(jié)地址每個單元都有8個不同的位地址

②區(qū)共有128個位地址②區(qū)可以字節(jié)地址和位地址兩種方式存取數(shù)據(jù)。2023/2/647位尋址區(qū)字節(jié)地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D020H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2023/2/648③區(qū)共有80個存儲單元；每個單元都有一個字節(jié)地址，但沒有位地址，也沒有寄存器名。③30H此區(qū)可作為堆棧區(qū)和中間數(shù)據(jù)存儲區(qū)使用——用戶RAM區(qū)【注意】：①區(qū)和③區(qū)只能按字節(jié)進行數(shù)據(jù)存取操作，②區(qū)則可按字節(jié)和位兩種方式存取操作。2023/2/649通用RAM區(qū)

30H~7FH，共80字節(jié)

數(shù)據(jù)緩沖

堆棧

SP指示棧頂復位時SP=07H

系統(tǒng)初始化通常重新設置2023/2/650（2）高128字節(jié)RAM區(qū)

30HSFR承擔著51單片機內部資源的管理工作每個存儲單元都有一個字節(jié)地址，但只有其中21個單元可以使用，并有相應寄存器名稱。51單片機共有21個特殊功能寄存器（SpetialFunctionRegister）2023/2/651字節(jié)地址末位是0或8的SFR，都具有位地址。88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH2023/2/6522.4.380C51單片機的特殊功能寄存器（SFR）基本型單片機有21個SFR離散地分布在80H~FFH空間。與運算器相關3個

ACC

B

PSW與定時/計數(shù)器相關6個

TH0,TL0

TH1,TL1

TMODTCON指針類3個

SP

DPH,DPL與口相關7個

P0,P1,P2,P3

SBUFSCON

PCON與中斷相關2個

IE

IP2023/2/6532.580C51的并行口結構與操作P0口結構

P0作通用I/O口（當EA=1或“MOV”傳送時C=0）輸出時2.5.1P0、P2口的結構2023/2/654輸入時

讀鎖存器（“讀-修改-寫”類指令，如ANLP0,A）

讀引腳（“MOV”類指令，如MOVA,P0）,要先寫“1”

10P0作通用I/O時為：準雙向口！2023/2/655**原因：如果此時該端口的負載恰是一個晶體管基極，且原端口輸出值為1，那么導通了的PN結會把端口引腳高電平拉低；若此時直接讀端口引腳信號，將會把原輸出的“1”電平誤讀為“0”電平。現(xiàn)采用讀輸出鎖存器代替讀引腳，圖中，上面的三態(tài)緩沖器就為讀鎖存器Q端信號而設，讀輸出鎖存器可避免上述可能發(fā)生的錯誤。**DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳2023/2/656DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳準雙向口：

從圖中可以看出，在讀入端口數(shù)據(jù)時，由于輸出驅動FET并接在引腳上，如果T2導通，就會將輸入的高電平拉成低電平，產生誤讀。所以在端口進行輸入操作前，應先向端口鎖存器寫“1”，使T2截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，變?yōu)楦咦杩馆斎搿＿@就是所謂的準雙向口。2023/2/657

P0作地址數(shù)據(jù)總線（當EA=1或“MOVX”類傳送時C=1）

輸出時，地址/數(shù)據(jù)信息分時出現(xiàn)在輸出引腳。

輸入時，先輸出地址，然后自動向鎖存器寫1，再讀引腳。此時為真正雙向口。2023/2/658P2口結構

P2作通用I/O口（未擴片外存儲器，或雖擴RAM但采用“MOVX@Ri”傳送時C=0）P2作通用I/O時為：準雙向口！

P2作地址總線高8位（C=1）2023/2/659P1口結構

P1僅能為通用的準雙向口！2.5.2P1、P3口的結構2023/2/660P3口結構

第一功能：通用I/O口（對口尋址時）2023/2/661

第二功能（不對口尋址時）

P3.0：RXD（串行口輸入）

P3.1：TXD（串行口輸出）

P3.2：INT0（外部中斷0輸入）

P3.3：INT1（外部中斷1輸入）

P3.4：T0（定時器0的外部輸入）

P3.5：T1（定時器1的外部輸入）

P3.6：WR（片外數(shù)據(jù)存儲器“寫”選通控制輸出）

P3.7：RD（片外數(shù)據(jù)存儲器“讀”選通控制輸出）2023/2/662P0～P3并行口的基本用途

1、可作為并行IO輸入通道（例如，按鍵/開關連接通道）2023/2/6632、可作為并行IO輸出通道（例如，數(shù)碼管顯示器連接通道）2023/2/6643、可作為串行通信通道（例如，雙機通訊的連接通道）2023/2/6654、可作為外部設備的連接通道（例如，存儲器擴展通道）2023/2/666P0～P3小結1.結構2.功能B0HA0H90H80HSFR地址★

第二功能

★

★總線端口★★★★準雙向IO口P3P2P1P0★★★內部上拉電阻★★★輸出控制★★MUX開關★★★★D鎖存器P3P2P1P02023/2/6672.680C51的時鐘與時序時鐘產生方式內部時鐘方式外部時鐘方式

外部時鐘源直接接到XTAL1端，XTAL2端懸空，2023/2/6683．時鐘信號的輸出當使用片內振蕩器，XTAL1、XTAL2引腳還能為應用系統(tǒng)中的其他芯片提供時鐘，但需增加驅動能力。其引出的方式有兩種，如圖2-10。69圖2-10

時鐘信號的兩種引出方式2023/2/669CPU的微操作必須在統(tǒng)一的時鐘控制下才能正確進行,時鐘電路

微調電容:C1、C