第1章 C51單片機的組成及結構

C51單片機技術教程

第1章

C51單片機的組成及結構

重點與難點 本章重點是掌握C51單片機引腳功能、單片機存儲器結構和單片機工作方式。難點是數據存儲器結構及專用存儲器（SFR）的工作原理和方式。

基本要求1．熟悉C51單片機40個引腳（DIP封裝）及其功能

2．掌握數據存儲器結構，熟悉專用存儲器（SFR）的工作原理和方式

3．理解C51單片機工作時序及其基本概念，時鐘電路的結構和單片機的工作過程

4．對C51單片機復位、程序執(zhí)行、單步執(zhí)行、掉電保護、低功耗以及EPROM編程和校驗6種工作方式有所了解，為以后學習指令系統和編寫程序打下基礎

本章內容1．C51單片機的內部結構2．C51單片機的CPU結構3．C51單片機的存儲器空間

4．C51單片機的并行輸入/輸出端口5．C51單片機的引腳信號和CPU時序6．C51單片機的工作方式

C51單片機的內部結構1.1C51單片機的CPU結構1.2C51單片機的存儲器空間1.3C51單片機的并行輸入/輸出端口1.4C51單片機的引腳信號和CPU時序1.5C51單片機的工作方式1.6

1.1C51單片機的內部結構 所謂單片機，即把組成微型計算機的各個功能部件，如中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出接口電路、定時器/計數器以及串行通信接口等集成在一塊芯片中，構成一個完整的微型計算機。

因此，單片機早期的含義為單片微型計算機（singlechipmicrocomputer），直接譯為單片機，并一直沿用至今。

C51單片機和微型計算機（以下稱作微機）一樣，是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備5個基本部分組成，如圖1-1所示。

圖1-1C51單片機內部結構框圖

C51單片機的主要資源如下。（1）8位CPU。（2）片內振蕩器。（3）片內數據存儲器（RAM）。

（4）片內程序存儲器（ROM）。

（5）程序存儲器的尋址范圍為64KB。（6）片外數據存儲器（RAM）尋址范圍為64KB。（7）2l個特殊功能寄存器（SFR）。

（8）4個8位并行雙向I/O接口：P0，Pl，P2，P3。（9）l個全雙工作串行I/O接口（UART），可多機通信。

（10）2個16位定時器/計數器T0/Tl，C52還多1個16位定時器/計數器T2。

（11）中斷系統有5個中斷源，即外中斷源2個，內部中斷源3個，內部中斷中分2個定時/計數中斷和1個串行中斷，全部中斷分高級和低級共2個優(yōu)先級別。

（12）111條指令，含乘法、除法指令。（13）位操作功能強（位操作指令17條）。（14）片內采用單總線結構。（15）使用+5V單一電源。1.2C51單片機的CPU結構

CPU是單片機的核心部件，它由運算器和控制器等部件組成。運算器還包含一個專門進行位數據操作的布爾處理機。

1.2.1運算器 運算部件以算術邏輯單元（ALU）為核心，包括累加器（ACC）、寄存器B、暫存器、程序狀態(tài)字（PSW）等部件。它能實現數據的算術邏輯運算、位變量處理和數據傳輸操作。

1．算術邏輯單元（ALU）與累加器（ACC）、寄存器B

2．程序狀態(tài)字 程序狀態(tài)字（PSW）是一個8位的標志寄存器，它保存指令執(zhí)行結果的特征信息，以供程序查詢和判別。其各位的功能、標志符號和位地址如表1-1所示。

算術邏輯單元（ALU）主要完成下列功能。（1）算術運算（2）邏輯運算（3）移位功能

1.2.2布爾處理機 布爾處理（即位處理）機是C51單片機ALU所具有的一種功能。

1.2.3控制部件及振蕩器 控制部件是單片機的神經中樞，它包括定時和控制電路、指令寄存器、譯碼器數據地址指針（DPTR），程序計數器（PC），堆棧指針（SP），以及RAM地址寄存器，16位地址緩沖器等部件。

單片機以主振頻率為基準發(fā)出CPU的時序，對指令進行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列定時控制的微操作，用來協調單片機內部各功能部件之間的數據傳送、數據運算等操作。

并對外發(fā)出地址鎖存ALE、外部程序存儲器選通PSEN，以及通過P3.6和P3.7發(fā)出數據存儲器讀（RD）、寫（WR）等控制信號，并且接收處理外接的復位和外部程序存儲器訪問控制EA信號。

單片機的定時控制功能是用片內的時鐘電路和定時電路來完成的，而片內的時鐘產生有兩種方式，即內部振蕩方式和外部振蕩方式。

圖1-2單片機內部振蕩方式接法

圖1-3單片機外部振蕩方式接法

圖1-4C51單片機堆棧1.3C51單片機的存儲器空間

1.3.1存儲器的基本知識

1．位的含義

2．字節(jié)（byte）的含義

3．字（word）

4．字長

1.3.2C51單片機的存儲器 計算機的存儲器結構有兩種：一種結構稱為哈佛結構，即程序存儲器和數據存儲器分開，相互獨立；另一種結構稱為普林斯頓結構，即程序存儲器和數據存儲器是統一的，地址空間統一編址。

C51單片機屬于哈佛結構，程序存儲器和數據存儲器分開。

圖1-5C51單片機的存儲空間分布圖

從用戶使用的角度看，C51單片機的存儲器地址空間分為3類：（1）片內片外統一編址0000H～FFFFH的64KB程序存儲器地址空間（用16位地址）；

（2）64KB片外數據存儲器地址空間，地址0000H～FFFFH（用16位地址）；（3）256B片內數據存儲器地址空間（用8位地址）。

1.3.2.1數據存儲器

1．編址與訪問

C51單片機片內、片外數據存儲器是兩個獨立的地址空間，應分別單獨編址。

2．片內數據存儲器

圖1-6C51片內RAM地址空間

（1）工作寄存器區(qū)

（2）位尋址區(qū)（3）數據緩沖區(qū)（4）堆棧和堆棧指針

堆棧具有如下特點。 ①堆棧是一個符合“先進后出、后進先出”的RAM區(qū)域； ②SP總是指向堆棧的頂部（保存有數據）； ③堆?？梢栽O在內部RAM中的任意區(qū)域，一般開辟在30H～7FH中。

堆棧的功能如下。 ①保護斷點 ②保護現場 ③數據的臨時存放

（5）專用寄存器 內部數據存儲器的高128單元是為專用寄存器提供的，因此稱為專用寄存器區(qū)，其單元地址為80H～FFH，用于存放相應功能部件的控制命令、狀態(tài)或數據。

因為這些寄存器的功能已作專門的規(guī)定，故而稱為專用寄存器（SFR），有時也稱為特殊功能寄存器。

①程序計數器（PC） ②累加器（ACC）

③

B寄存器 ④程序狀態(tài)字（PSW）

進位標志CY或C（PSW.7） 輔助進位標志AC（PSW.6） 軟件標志位F0（PSW.5） 工作寄存器組選擇位RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）

溢出標志位OV（PSW.2） 奇偶標志P（PSW.0） 堆棧指針（SP） 數據指針（DPTR）

端口P0～P3

串行數據緩沖器（SBUF） 串行口控制與狀態(tài)寄存器（SCON） 定時器/計數器

定時器工作方式寄存器（TMOD）定時器/計數器控制寄存器（TCON）中斷允許寄存器（IE）C51有5個中斷源，中斷允許寄存器的中斷優(yōu)先級寄存器（IP）

3．片外數據存儲區(qū)

1.3.2.2程序存儲器

1．編址與訪問

2．程序的特殊入口地址

1.4C51單片機的并行輸入/輸出端口

C51單片機有4個8位并行I/O口，P0～P3，共32根端口線。每個端口都包括鎖存器（即SFR：P0～P3）、輸出驅動器、兩個三態(tài)緩沖器以及控制電路。4個I/O端口都是準雙向的并行I/O端口。

1.4.1P0口

1．P0口結構

圖1-7P0口結構圖

2．地址/數據分時復用功能 當P0口作為地址/數據分時復用總線時，可分為兩種情況：一種是從P0口輸出地址或數據，另一種是從P0口輸入數據。

3．通用I/O接口功能（1）在輸出數據時，由于V2截止，輸出級是漏極開路電路，要使“1”信號正常輸出，必須外接上拉電阻。（2）P0口作為通用I/O口使用時，是準雙向口。

4．端口操作

C51單片機有不少指令可直接進行端口操作，例如：

1.4.2P1口

P1口為準雙向口，其1位的內部結構如圖1-8所示。

圖1-8P1口內部結構圖

P1口只有通用I/O接口一種功能，其輸入輸出原理特性與P0口作為通用I/O接口使用時一樣。

1.4.3P2口

P2口為準雙向口，其1位的內部結構如圖1-9所示。

圖1-9P2口內部結構圖

1.4.4P3口 圖1-10所示為P3口的１位內部結構圖，它具有第二輸出功能，既可作為輸入/輸出口使用，又能涉及串口、外部中斷、定時器等。擴展外部數據存儲器時，WR和RD作為控制線使用。

圖1-10P3口內部結構圖

1.4.5四個并行口使用的注意事項（1）如果單片機內部有程序存儲器，不需要擴展外部存儲器和I/O接口，單片機的4個口均可作I/O口使用。（2）四個口在作為輸入口使用時，均應先對其寫“1”，以避免誤讀。

（3）P0口作為I/O口使用時，應外接10k的上拉電阻，其他口則可不必。（4）P2口的某幾根線作為地址使用時，剩下的線不能作為I/O口線使用。（5）P3口的某些口線作為第二功能時，剩下的口線可以單獨作為I/O口線使用。1.5C51單片機的引腳信號和CPU時序

C51單片機有44個引腳的方形封裝形式和40個引腳的雙列直插式封裝形式，其中最常用的是40個引腳封裝，如圖1-11所示。

圖1-11C51單片機引腳圖

1.5.1C51單片機引腳功能說明

1．主電源引腳

VCC（40腳）：接+5V電源正端。

VSS（20腳）：接+5V電源地端。

2．外接石英晶體引腳

XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）：使用內部振蕩電路時，用來接石英晶體和電容；使用外部時鐘時，用來輸入時鐘脈沖。

3．輸入/輸出引腳（1）P0口（39～32腳）（2）P1口（1～8腳）（3）P2口（21～28腳）（4）P3口（10～17腳）

4．控制線（1）ALE/（30腳）（2）（29腳）（3）RST/VPD（9腳）（4）/VPP（31腳）

綜上所述，C51系列單片機的引腳特點，可歸納為以下兩點。

（1）單片機功能多，引腳數少，因而許多引腳都具有第二功能。

（2）單片機對外呈現3總線形式，由P2口，P0口組成16位地址總線；由P0口分時復用為數據總線；由ALE，，RST，與P3口中的，，,T0，T1，，共10個引腳組成控制總線。由于是16位地址線，因此可使片外存儲器的尋址范圍達到64KB。

1.5.2復位電路

1．復位狀態(tài) 復位操作使單片機的片內電路初始化，使單片機從一種確定的狀態(tài)開始運行。

復位操作通常有如下2種基本形式： 上電復位 開關復位

2．復位電路

圖1-12C51單片機復位電路

圖1-13C51單片機上電復位及按鈕復位的一種實用電路

1.5.3CPU