單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)

8051單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)江大學(xué)徐愛鈞8051單片機(jī)的特點(diǎn)

8051單片機(jī)可分為無(wú)ROM型和ROM型兩種無(wú)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型芯片為8031）ROM型芯片又分為EPROM型（典型芯片為8751）、FLASH型（典型芯片為89C51）、掩膜ROM型（典型芯片為8051）、一次性可編程ROM（OneTimeProgramming,簡(jiǎn)稱OTP）的芯片（典型芯片為97C51）。

8051單片機(jī)的基本組成時(shí)鐘電路SFR和RAMROMCPU定時(shí)/計(jì)數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系統(tǒng)總線時(shí)鐘源T0T1P0

P1

P2

P3TXDRXD

INT0INT1

（1）一個(gè)8位微處理器CPU。（2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和特殊功能寄存器SFR。（3）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM。（4）兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1，可用作定時(shí)器，也可用以對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。（5）四個(gè)8位可編程的并行I/O端口，每個(gè)端口既可作輸入，也可作輸出。（6）一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。（7）中斷控制系統(tǒng)。（8）內(nèi)部時(shí)鐘電路。

一個(gè)8051單片機(jī)包含下列部件8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)通道0驅(qū)動(dòng)器通道2驅(qū)動(dòng)器RAM地址鎖存器RAM通道0鎖存器通道2鎖存器ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器緩沖器PC遞增器程序計(jì)數(shù)器PC數(shù)據(jù)指針DPTRVCCGNDP1.0～P1.7堆棧指針SPACCTMP2PSW通道3鎖存器通道1鎖存器通道1驅(qū)動(dòng)器通道3驅(qū)動(dòng)器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中斷、串行口和定時(shí)器邏輯振蕩器P3.0～P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定時(shí)和控制邏輯指令譯碼器CPU即中央處理器，是單片機(jī)的核心部件，它完成各種運(yùn)算和控制操作，CPU由運(yùn)算器和控制器兩部分組成。（1）運(yùn)算器運(yùn)算器以算術(shù)邏輯單元ALU為核心，加上累加器ACC、暫存寄存器TMP和程序狀態(tài)字寄存器PSW等所組成。ALU主要用于完成二進(jìn)制數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，并通過(guò)對(duì)運(yùn)算結(jié)果的判斷影響程序狀態(tài)字寄存器PSW中有關(guān)位的狀態(tài)。

D7D0PSW：8051單片機(jī)的CPUCYACF0RS1RS0OV—PPSW中各位的意義如下：CY：進(jìn)位標(biāo)志。在進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時(shí)，若運(yùn)算結(jié)果的最高位有進(jìn)位或借位，CY=1，否則CY=0，在執(zhí)行位操作指令時(shí)，CY作為位累加器。AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志。在進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時(shí)，若低半字節(jié)向高半字節(jié)有進(jìn)位或借位，AC=1，否則AC=0，AC還作為BCD碼運(yùn)算調(diào)整時(shí)的判別位。F0：用戶標(biāo)志。RS1和RS0：工作寄存器組選擇，如下表所示。RS1RS0工作寄存器組片內(nèi)RAM地址00第0組00H～07H01第1組08H～0FH

10第2組10H～17H

11第3組18H～1FH

OV：溢出標(biāo)志。當(dāng)兩個(gè)帶符號(hào)的單字節(jié)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果超出-128～+127的范圍時(shí)，OV=1，表示有溢出，否則OV=0表示無(wú)溢出。PSW中的D1位為保留位，對(duì)于8051來(lái)說(shuō)沒(méi)有意義，對(duì)于8052來(lái)說(shuō)為用戶標(biāo)志，與F0相同。P：奇偶校驗(yàn)標(biāo)志。每條指令指行完畢后，都按照累加器A中“1”的個(gè)數(shù)來(lái)決定P值，當(dāng)“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，P=1，否則P=0。

（2）控制器

控制器包括程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP、緩沖器以及定時(shí)與控制電路等。控制電路完成指揮控制工作，協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分正常工作。程序計(jì)數(shù)器PC：當(dāng)一條指令按PC所指向的地址從程序存儲(chǔ)器中取出之后，PC的值會(huì)自動(dòng)增量，即指向下一條指令。堆棧指針SP：用來(lái)指示堆棧的起始地址。80C51單片機(jī)的堆棧位于片內(nèi)RAM中，而且屬于“上長(zhǎng)型”堆棧，復(fù)位后SP被初始化為07H，使得堆棧實(shí)際上由08H單元開始。指令譯碼器：當(dāng)指令送入指令譯碼器后，由譯碼器對(duì)該指令進(jìn)行譯碼，CPU根據(jù)譯碼器輸出的電平信號(hào)使定時(shí)控制電路產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需要的各種控制信號(hào)。數(shù)據(jù)指針寄存器DRTR：它是一個(gè)16位寄存器，由高位字節(jié)DPH和低位字節(jié)DPL組成，用來(lái)存放16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址，以便對(duì)片外64kB的數(shù)據(jù)RAM區(qū)進(jìn)行讀寫操作。P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

8051單片機(jī)引腳描述

電源引腳Vcc和Vss

Vcc：電源端，接＋5V。

Vss：接地端。

時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2

XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是

振蕩器倒相放大器的輸入，若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，該

引腳必須接地。

XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它

是振蕩器倒相放大器的輸出，若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，

該引腳為外部時(shí)鐘的輸入端。

地址鎖存允許ALE

系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制地址鎖存器鎖存P0口輸出的

低8位地址，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復(fù)用。

外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)PSEN

PSEN是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效。

程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端EA/VPP

當(dāng)EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令，但當(dāng)

PC中的值超過(guò)0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。當(dāng)EA為低電平時(shí)，CPU只執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。

復(fù)位信號(hào)RST

該信號(hào)高電平有效，在輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作。

輸入/輸出端口引腳P0，P1，P2和P3P0口（P0.0～P0.7）：該端口為漏極開路的8位準(zhǔn)雙向口，它為外部低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線復(fù)用端口，驅(qū)動(dòng)能力為8個(gè)LSTTL負(fù)載。

P1口（P1.0～P1.7）：它是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P1口的驅(qū)動(dòng)能力為4個(gè)LSTTL負(fù)載。

P2口（P2.0～P2.7）：它為一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P2口的驅(qū)動(dòng)能力也為4個(gè)LSTTL負(fù)載。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，作為高8位地址線。

P3口（P3.0～P3.7）：為內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向

I/O口，P3口除了作為一般的I/O口使用之外，每個(gè)引腳都具有第二功能。外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部ROM內(nèi)部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH程序存儲(chǔ)器90H98H特殊功能寄存器通用

RAM區(qū)位尋址區(qū)00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器地址內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器工作寄存器區(qū)8051單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置 片內(nèi)ROM和片外ROM。片內(nèi)RAM和片外RAM。片外程序存儲(chǔ)器ROM地址空間為64kB，片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM也有64kB的尋址區(qū)，在地址上是與ROM重迭的。

8051單片機(jī)通過(guò)不同信號(hào)來(lái)選通ROM或RAM。當(dāng)從外部ROM中取指令時(shí)，采用選通信號(hào)PSEN，而從外部RAM中讀寫數(shù)據(jù)時(shí)則采用讀RD和寫WR信號(hào)或來(lái)選通，因此不會(huì)因地址重迭而發(fā)生混亂。8051在物理上有4個(gè)存儲(chǔ)器空間片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM片內(nèi)RAM有256個(gè)字節(jié)，其中00H～7FH地址空間是直接尋址區(qū)，該區(qū)域內(nèi)從00H～1FH地址為工作寄存器區(qū)，安排了4組工作寄存器，每組都為R0～R7，在某一時(shí)刻，CPU只能使用其中任意一組工作寄存器，由程序狀態(tài)字PSW中RS0和RS1的狀態(tài)決定。片內(nèi)RAM的20H～2FH地址單元為位尋址區(qū)，其中每個(gè)字節(jié)的每一位都規(guī)定了位地址。每個(gè)地址單元除了可進(jìn)行字節(jié)操作之外，還可進(jìn)行位操作。片內(nèi)RAM的80H～FFH地址空間是特殊功能寄存器SFR區(qū)，對(duì)于51子系列在該區(qū)域內(nèi)安排了21個(gè)特殊功能寄存器，對(duì)于52子系列則在該區(qū)域內(nèi)安排了26個(gè)特殊功能寄器，同時(shí)擴(kuò)展了128個(gè)字節(jié)的間接尋址片內(nèi)RAM，地址也為80～FFH，與SFR區(qū)地址重迭。

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的位地址特殊功能寄存器地址及功能表片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 當(dāng)片內(nèi)RAM不能滿足數(shù)量上的要求時(shí)，可通過(guò)總線端口和其他I/O口擴(kuò)展外部RAM，其最大容量可達(dá)64KB字節(jié)。在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)區(qū)和擴(kuò)展的I/O口是統(tǒng)一編址的，使用的指令也完全相同，因此，用戶在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理地進(jìn)行外部RAM和I/O端口的地址分配，并保證譯碼的唯一性。程序存儲(chǔ)器ROM程序存儲(chǔ)器ROM包括片內(nèi)ROM和片外ROM兩個(gè)部分。主要用來(lái)存放編好的用戶程序和表格常數(shù)，它以16位的程序計(jì)數(shù)器PC作為地址指針，尋址空間為64KB。當(dāng)EA接高電平時(shí)，單片機(jī)從片內(nèi)ROM的4kB字節(jié)存儲(chǔ)器區(qū)取指令，當(dāng)指令地址超過(guò)0FFFH后，自動(dòng)地轉(zhuǎn)向片外ROM取指令。當(dāng)EA接低電平時(shí)，所有的取指操作均對(duì)片外程序存儲(chǔ)器進(jìn)行。8051單片機(jī)的CPU時(shí)序1單片機(jī)的時(shí)鐘電路2振蕩周期、機(jī)器周期、指令周期3單片機(jī)指令的取指和執(zhí)行時(shí)序

單片機(jī)的時(shí)鐘電路單片機(jī)時(shí)鐘電路通常有兩種形式：1．內(nèi)部振蕩方式：8051單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。2．外部振蕩方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)。XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部時(shí)鐘源內(nèi)部振蕩方式

外部振蕩方式P1P2S1振蕩周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P28051單片機(jī)各種周期的相互關(guān)系

振蕩周期、機(jī)器周期、指令周期P21．振蕩周期：為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的振蕩源的周期。2．機(jī)器周期：完成一個(gè)基本操作所需的時(shí)間，通常為12個(gè)振蕩周期。3．指令周期：指CPU執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，一個(gè)指令周期通常含有1～4

個(gè)機(jī)器周期。

振蕩周期＝1/12μs

機(jī)器周期＝1μs

指令周期＝1～4μs

8051單片機(jī)外接晶振為12MHz時(shí)

3個(gè)周期的具體值復(fù)位電路及復(fù)位狀態(tài)1．復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路包括片內(nèi)、片外兩部分。外部復(fù)位電路就是為內(nèi)部復(fù)位電路提供兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平而設(shè)計(jì)的。8051單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。單片機(jī)運(yùn)行出錯(cuò)或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，可按復(fù)位鍵重新運(yùn)行。C122μF

RST

R11KΩ+5V+5V803180518751（a）上電復(fù)位電路（b）按鍵復(fù)位電路C122μF

RSTR2200Ω803180518751

R11KΩ上電復(fù)位和按鍵復(fù)位電路特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)ACC00HTMOD00HPC0000HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0～P3FFHSBUF不定IP×××00000BSCON00HIE0××00000BPCON0×××0000B復(fù)位后的初始狀態(tài)8051單片機(jī)的并行I/O口

8051單片機(jī)有4個(gè)雙向并行的8位I/O口P0～P3。P0口為三態(tài)雙向口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL電路，P1、P2、P3口為準(zhǔn)雙向口（作為輸入時(shí)，需要先向口鎖存器寫入1，故稱為準(zhǔn)雙向口），其負(fù)載能力為4個(gè)TTL電路。1．P0口的結(jié)構(gòu)VCCP0.X鎖存器讀鎖存器地址/數(shù)據(jù)控制D讀引腳寫鎖存器內(nèi)部總線QQMUXT2P0.XT1CL2．P1口的結(jié)構(gòu)

VCC