1、1第第2 2章章80518051单片机的体系结构单片机的体系结构 22.2.80518051单片机的体系结构单片机的体系结构 2.1 8051单片机内部结构2.2 8051单片机芯片引脚功能2.3 8051中央处理器 2.4 8051单片机的存储结构2.5 并行I/O端口2.6 单片机时序与复位32.1 80512.1 8051单片机内部结构单片机内部结构八大功能部件：八大功能部件：（1 1）微处理器微处理器（8 8位位CPUCPU）（2 2）程序存储器程序存储器（ROMROM、EPROMEPROM或或FlashFlash等）等）（3 3）数据存储器数据存储器（RAMRAM、E E2 2PRO
2、MPROM）（4 4）四个四个8 8位并行可编程位并行可编程I/OI/O端口端口（P0P0、P1P1、P2P2、P3P3）（5 5）一个串行口一个串行口4（6 6）两个两个1616位定时器位定时器/计数器计数器（T0/T1T0/T1）（7 7）中断系统中断系统（含（含5 58 8个中断源、个中断源、2 2个优先级）个优先级）（8 8）特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFRSFR）还包含：还包含：时钟振荡器、总线控制器和供电电源时钟振荡器、总线控制器和供电电源 此外，有的还有此外，有的还有其它功能部件其它功能部件.58051单片机内部结构图单片机内部结构图 62.2 80512.2 8051单片机
3、芯片引脚功能单片机芯片引脚功能单片机芯片单片机芯片双列直插封装方式双列直插封装方式引脚图引脚图 72.2 80512.2 8051单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能单片机芯片单片机芯片方形封装方式方形封装方式引脚图引脚图 82.2 80512.2 8051单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能1主电源引脚（1）GND 接地（2）VCC正常操作时为十5V电源。2时钟电路引脚（1）XTAL1：（2）XTAL2：93 3控制线与电源复用引脚控制线与电源复用引脚（1）RST/VPD：RSTRST是复位信号，高电平有效。VPDVPD为第二功能，即备用电源输入端。（2）
4、ALE/PROG：ALEALE为地址锁存允许信号输出引脚。PROGPROG为编程信号，第二功能，低电平有效。（3）PSENPSEN：片外ROM选通信号输出端，低电平有效。（4）EAVPP：EA为内部和外部ROM控制端 当EA1时，从内ROM开始访问 当EA0时，只访问外部ROM VPP是编程电源输入端104 4并行输入并行输入/输出引脚输出引脚（1）P0口：P0.0P0.7统称为P0口（2）P1口：P1.0P1.7统称为P1口（3）P2口：P2.0P2.7统称为P2口（4）P3口：P3.0P3.7统称为P3口 P3口每一位可用作第二功能，而且P3口的每一条引脚都可以独立设置为第一功能的I/O口
5、功能和第二功能。112.3 8051中央处理器 CPU由运算器、控制器、寄存器组成。122.3.1 2.3.1 运算器运算器 运算器包含：1.算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALUALU-算术运算、逻辑运算 2.累加器累加器A A-相当于数据加工厂 3.位处理器位处理器-位运算 4.BCDBCD码修正电路码修正电路-十进制数的运算处理 5.PSW-记录程序运行状态 132.3.2 2.3.2 控制器控制器 单片机的指挥部件，主要任务是识别指识别指令令，控制各功能部件控制各功能部件，保证各部分有序工作有序工作。主要包括指令寄存器、指令译码器、程序计数器、程序地址寄存器、条件转移逻辑电路、时序控制
6、逻辑电路。141 1、指令、指令译码及控制器、指令、指令译码及控制器 指令指令-就是完成某项操作的命令。指令译码指令译码-对指令进行解析和翻译 控制器控制器-发出相应的控制信息，指挥运算器和存储器协同完成指令所要求的操作。例如：下面是单片机的一条指令：00100101 00110000 (A)+(30H)该指令是加法指令,指令占2字节152 2、指令集和指令助记符、指令集和指令助记符 为方便使用和记忆，用指令助记符表示。例如，上面的加法指令的助记符为：ADD A，30H163 3、程序及程序计数器、程序及程序计数器PCPC 什么叫计算机程序：为完成一个完整的运算任务，按照执行步骤用计算机指令编
7、写的指令集合。执行程序指示：地址由PC指示。执行程序时，在计算机控制器的控制下，取指令装置会按PC的指向从存储器中读出第一条指令并译码，执行指令所要求的操作。172.3.3 2.3.3 程序执行过程程序执行过程 执行程序线路实际上按PC的指取指令运行，PC就象引路人，称为程序指针。执行流程如下图：18程序指令取指执行过程程序指令取指执行过程1、复位PC=00002、从PC取指，PC+13、取数据4、执行指令5、取下一条指令图2-5 8051单片机内部结构图单片机内部结构图 192.4 80512.4 8051单片机的存储结构单片机的存储结构 8051单片机存储器采用冯诺依曼结构：程序存储器空间
8、和数据存储器空间采用独立编址、拥有各自的寻址方式和寻址空间。202.4.1 80512.4.1 8051单片机的存储器结构单片机的存储器结构8 8051051单片机存储器从物理结构上分四种：单片机存储器从物理结构上分四种：1、片内程序存储器 2、片外程序存储器 3、片内数据存储器 4、片外数据存储器212.4.1 80512.4.1 8051单片机的存储器结构图单片机的存储器结构图222.4.2 2.4.2 程序存储器：程序存储器：可寻址的地址空间为64KB，从0000H开始编址，最大地址可至FFFFH。用EA信号选择片内、片外程序存储器：对于STC89C51单片机（片内有4 KB），编址为0
9、0000FFFH，EA 接高电平，从片内0000H开始执行程序。对于8031单片机无内部程序存储器，EA接低电平，从片外读取程序执行。23中断向量：中断向量：单片机至少有5个中断地址，在0000002FH程序存储器地址之间占5个特殊地址，被固定用于5个中断源的中断服务程序入口地址。中断地址如下：242.4.3 2.4.3 片内数据存储器片内数据存储器1 1、片内、片内RAMRAM编址编址 片内数据存储器(RAM)，（128B/256B)，用来存放程序运行时所需要的常数或变量。编址如下：51子系列片内RAM有128字节编址为007FH 特殊功能寄存器块有128字节编址为为80FFH 52子系列片
10、内RAM有256字节 低128字节编址为007FH（直接寻址）高128字节编址为80FFH（间接寻址）SFR有128字节编址为为80FFH 252 2、内部数据存储器的划分、内部数据存储器的划分 片内片内RAMRAM编址为编址为00007FH7FH，分，分工作寄存器区工作寄存器区、位寻址区位寻址区、数据缓冲区数据缓冲区和和堆栈数据区堆栈数据区三个部分。三个部分。结构如下图：结构如下图：26(1)(1)工作寄存器区工作寄存器区 从上图中可以看到，单片机内部从上图中可以看到，单片机内部RAM的的001FH区是区是R工作寄存器区，分为四个组，由工作寄存器区，分为四个组，由RS1、RS0配置选择：配置
11、选择：27(2)(2)位寻址区位寻址区 内部内部RAM的的20H2FH为位寻址区域为位寻址区域(见表见表2-4)。这这16个单元个单元(共共128位位)的位地址编址范围为的位地址编址范围为00H7FH。28(3)(3)数据缓冲区数据缓冲区 内部内部RAMRAM的的30H30H7FH7FH是数据缓冲区，也称为是数据缓冲区，也称为用户用户RAMRAM区，共区，共8080个单元。个单元。5252子系列内部有子系列内部有256256个单元的数据存储器，个单元的数据存储器，用户用户RAMRAM区范围为区范围为30H30HFFHFFH，共，共208208个单元。个单元。工作寄存器区和位寻址区的地址及单元数
12、工作寄存器区和位寻址区的地址及单元数与上述一致。与上述一致。293 3、堆栈和堆栈指针、堆栈和堆栈指针 堆栈的概念：堆栈的概念：是一种数据项按序排列的数据是一种数据项按序排列的数据结构，采用后进先出，这种后进先出操作的缓冲结构，采用后进先出，这种后进先出操作的缓冲器区称为堆栈。器区称为堆栈。堆栈指针总是指向栈顶。堆栈指针总是指向栈顶。堆栈特点：后进先出堆栈特点：后进先出 堆栈有堆栈有3 3个具体功能：个具体功能：(1)(1)保护断点保护断点 (2)(2)现场保护现场保护 (3)(3)临时暂存数据临时暂存数据 302.4.4 2.4.4 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 单片机是通过特殊功能寄存器（
13、单片机是通过特殊功能寄存器（SFR）对各）对各种功能部件进行集中控制。如下表：种功能部件进行集中控制。如下表：312.4.5 2.4.5 外部数据存储器外部数据存储器 单片机单片机一般的内部一般的内部RAMRAM只有只有128B128B或或256B256B。现在有现在有大大RAMRAM容量容量单片机或集成了单片机或集成了Data Data FlashFlash的单片机。的单片机。系统需要系统需要海量存储器海量存储器必须扩展外部存储器。必须扩展外部存储器。扩展外部存储器方式：扩展外部存储器方式：（1 1）并行方式扩展（最大）并行方式扩展（最大64KB64KB）（2 2）串行方式扩展（最大）串行方
14、式扩展（最大1MB1MB以上）以上）32存储器使用总结如下：存储器使用总结如下：(1)(1)地址有重叠性，用不同的控制命令分开。地址有重叠性，用不同的控制命令分开。(2)(RAM)(2)(RAM)和和 (ROM)(ROM)在操作使用上是严格区分在操作使用上是严格区分的，不同的操作指令不能混用。的，不同的操作指令不能混用。(3)(3)位地址空间有两个区域：位地址空间有两个区域：20H20H2FH2FH区和区和SFRSFR区区 (4)(4)片外数据存储器区中，片外数据存储器区中，RAMRAM存储单元与单存储单元与单片机外部扩展的片机外部扩展的I/OI/O端口是统一编址的。端口是统一编址的。332.
15、5 并行并行I/O端口端口 共有共有4 4个个8 8位双向位双向I/OI/O口，共口，共3232根线。每位根线。每位均有自己的锁存器均有自己的锁存器(SFR)(SFR)，输出驱动器和输入，输出驱动器和输入缓冲器。缓冲器。34多路开关多路开关1)功能功能：用于控制选通I/O方式还是地址/数据输出方式2)方式控制方式控制：由内部控制信号产生输出锁存器输出锁存器两个输入缓冲器两个输入缓冲器(BUF1和BUF2)I/O驱动器驱动器2.5.1 P02.5.1 P0口位图内部结构口位图内部结构BUF2BUF15 5、P0R2P0R2为为读引脚读引脚信号，执行信号，执行“MOV A,P0MOV A,P0”时
16、该信号有效时该信号有效6 6、读引脚（端口）时，输出锁存器应为、读引脚（端口）时，输出锁存器应为“1 1”说明：说明：1 1、当控制信号为、当控制信号为0 0时，时，P0P0口做双口做双向向I/OI/O口，为漏极开路（三态）口，为漏极开路（三态）2 2、控制信号为、控制信号为1 1时，时，P0P0口为地址口为地址/数据复用总线（用于口扩展）数据复用总线（用于口扩展）3 3、P0WP0W为端口输出写信号，用于为端口输出写信号，用于锁存输出状态锁存输出状态4 4、P0R1P0R1为为读锁存器读锁存器信号，执行信号，执行“ANL P0,#0FHANL P0,#0FH”时该信号有效时该信号有效Q QQ
17、 QD DC CVccVcc控制控制AD0AD0P0R1P0R1 P0R2P0R2D0D0P0WP0W图图1 1、P0P0口内部结构口内部结构读锁存器读锁存器读引脚读引脚锁存器锁存器内部总线内部总线写锁存器写锁存器地址地址/数据数据P00P00多路开关多路开关10352.5.2 P12.5.2 P1口内部结构口内部结构Vcc P10 Q Q D C P1R1 P1R2 D0 P1W R*图2、P1口内部结构 P1P1口内部结构如图口内部结构如图2 2所示所示 输出部分有内部上拉电阻输出部分有内部上拉电阻R R*约为约为20K20K。其他部分与其他部分与P0P0端口使用相类似（读引脚时先写入端口
18、使用相类似（读引脚时先写入1 1）。）。写数据读端口 P10 Vcc P11 8051 K1 D1 R1 图2.1、P1口应用 362.5.3 P22.5.3 P2口内部结构口内部结构2 2、当控制信号为、当控制信号为1 1时时FP2P2口输出地址信息，口输出地址信息，F此时单片机完成外部的此时单片机完成外部的取指操作或对外部数据取指操作或对外部数据存储器存储器1616位地址的读写位地址的读写操作。操作。3 3、当、当P2P2口作为普通口作为普通I/OI/O口口使用时使用时F用法和用法和P1P1口类似。口类似。说明：说明：1 1、P2P2可以作为通用的可以作为通用的I/OI/O，也可以作，也可
19、以作为为高高8 8位地址位地址输出。输出。Q Q D C Vcc 控制 地址 P2R1 P2R2 D0 P2W P20 图3、P2口内部结构 R*37P0.3地址锁存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCC P0.0P0.1P0.2P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2MCS-51片外总线结构
20、示意图 MCS-51单片机片外总线 P0.438单片机单片机 8031P2.0P2.1P2.2A8A9A10ALERD74LS373G6264A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2O3O4O5O6O7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7OECEQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7WEWRP2.7P2.3P2.4A11A126264WE单片机单片机 8031P2.0:.A8.ALERD74LS373GA7.A0P0.0P0.0 :P0.7P0.7OECEQ0.Q7D0.D7A12P2.4WRD7.D0392.5.4 P32.5.4 P
21、3口内部结构口内部结构说明：说明：1、做普通端口使用时，第二、做普通端口使用时，第二功能应为功能应为“1”。Q Q D C Vcc 变异输出 P3R1 P3R2 D0 P3W P30 图3、P3口内部结构 R*变异输入 2、使用第二功能时，输出端、使用第二功能时，输出端口锁存器应为口锁存器应为“1”。3、第二功能第二功能 表表2-6 P3口的第二功能口的第二功能1输出输出I/O口口1读I/O口1 1第二输出功能第二输出功能第二输入功能第二输入功能402.5.5 P02.5.5 P0P3P3端口功能总结端口功能总结使用中应注意的问题：使用中应注意的问题：（1 1）P0P0P3P3口都是并行口都是
22、并行I/OI/O口，但口，但P0P0口和口和P2P2口口还可还可用来构建数据总线和地址总线，所以用来构建数据总线和地址总线，所以电路中有一电路中有一个个MUXMUX，进行转换。，进行转换。（2 2）而）而P1P1口和口和P3P3口口无构建系统的数据总线和地址总无构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，线的功能，因此，无需转接开关无需转接开关MUXMUX。41（3 3）访问外部存储器时，）访问外部存储器时，P0P0口口是一个真正的是一个真正的双向口双向口，作为一般作为一般I/OI/O口使用的口使用的P0P0口、口、P1P1、P2P2口和第一功能口和第一功能的的P3P3口口都是都是准双向口准双向
23、口。（4 4）P3P3口具有第二功能。因此在口具有第二功能。因此在P3P3口电路增加了第口电路增加了第二功能控制逻辑。这是二功能控制逻辑。这是P3P3口与其它各口的不同之处口与其它各口的不同之处。42P3P3口的第二功能口的第二功能432.6 2.6 单片机时序与复位单片机时序与复位 时钟电路用于产生单片机工作所必需的时时钟电路用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号。钟控制信号。2.6.1 2.6.1 时钟电路时钟电路 时钟频率直接影响单片机的时钟频率直接影响单片机的速度速度。常用的。常用的时钟电路有两种方式：时钟电路有两种方式：内部时钟内部时钟方式和方式和外部时外部时钟钟方式。方式。44一、
24、内部时钟方式一、内部时钟方式 内部有一个用于构成振荡器的内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器高增益反相放大器，其输入端：其输入端：XTAL1XTAL1，输出端：，输出端：XTAL2XTAL2。C1和和C2典型值通常选择典型值通常选择为为30pF左右。左右。晶体的振荡频率晶体的振荡频率在在1.2MHz12MHz之间。之间。某些高速单片机芯片的某些高速单片机芯片的时钟频率已达时钟频率已达40MHz。45二、外部时钟方式二、外部时钟方式 常用于多片单片机同时工作。常用于多片单片机同时工作。462.6.2 2.6.2 机器周期、指令周期与指令时序机器周期、指令周期与指令时序一、时钟周期一、时钟周
25、期若时钟的晶体的振荡频率为若时钟的晶体的振荡频率为foscfosc，则振荡周期，则振荡周期Tosc=1/foscTosc=1/fosc。如。如fosc=6MHzfosc=6MHz，Tosc=166.7nsTosc=166.7ns。二、机器周期二、机器周期 执行一条指令分为几个机器周期。执行一条指令分为几个机器周期。MCS-51MCS-51单片机单片机每每1212个振荡周期为一个机器周期。个振荡周期为一个机器周期。47一个机器周期又分为一个机器周期又分为6 6个状态个状态：S1S1S6S6。每个状每个状态又分为两拍态又分为两拍：P1P1和和P2P2。因此，。因此，一个机器周期中的一个机器周期中的
26、1212个振荡周期表示为：个振荡周期表示为：S1P1S1P1、S1P2S1P2、S2P1S2P1、S2P2S2P2、SP6P1SP6P1、S6P2S6P248三、指令周期三、指令周期执行一条指令时，可分为执行一条指令时，可分为取指令阶段取指令阶段和和指令执行阶指令执行阶段段 。取指令阶段取指令阶段，PCPC中地址送到程序存储器，并从中取出中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。需要执行指令的操作码和操作数。指令执行阶段指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。列控制信号完成指令的执行。ALEALE信号是为地址
27、锁存而定义的信号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲，以时钟脉冲1/61/6的频的频率出现，在一个机器周期中，率出现，在一个机器周期中，ALEALE信号两次有效（注意，信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令在执行访问外部数据存储器的指令MOVXMOVX时，将会丢失一时，将会丢失一个个ALEALE脉冲）脉冲）49若外接晶振为若外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周时，则单片机的四个周期的具体值为：期的具体值为：振荡振荡周周期期1/12MHz1/12s0.0833s 状态周期状态周期1/6s0.167s 机器周期机器周期1s 指令周期指令周期14s可用于计算指令、程序的执行时间，以及定可
28、用于计算指令、程序的执行时间，以及定时器的定时时间时器的定时时间502.6.3 2.6.3 复位电路复位电路单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。引脚引脚RSTRST加上加上大于大于2 2个机器周期的高电平就可使个机器周期的高电平就可使MCS-51MCS-51复位。复位。复位时，复位时，PCPC初始化为初始化为0000H0000H，使，使MCS-51MCS-51单片机从单片机从0000H0000H单元开始执行程序。单元开始执行程序。除除PCPC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见见表表2-82-8。SP=07H SP=07H，P0-P3P0-P3的引脚均为高电平的引脚均为高电平。51上电自动复位上电自动复位和和按钮复位按钮复位 最简单的上电自动复位电路最简单的上电自动复位电路:52按键手动复位按键手动复位，有，有电平方式电平方式和和脉冲方式脉冲方式两种。两种。电平方式电平方式 脉冲方式脉冲方式532.6.4 复位和复位状态 单片机复位后，各个特殊功能寄存器的复位状态如表2-8所示
