80C51单片机的基本结构

基本组成

CPU
存储器
- RAM
- ROM
并行I/O口

用于检测和控制
定时器/计数器
定时电路及元件

80C51单片机的引脚及功能

电源与晶振

Vcc：运行与检验时接电源正端

Vss：接地

P0P_0P0 : 8位，漏极开路的双向I/O口

P1P_1P1 : 8位，准双向I/O口

P2P_2P2 : 8位，准双向I/O口

P3P_3P3 : 8位，准双向I/O口，具有内部上拉电路

串行口

P3.0P_{3.0}P3.0 : RXD串行输入口

P3.1P_{3.1}P3.1 : TXD串行输出口
中断

P3.2P_{3.2}P3.2 : INT0‾\overline{INT0}INT0 外部中断0输入

P3.3P_{3.3}P3.3 : INT1‾\overline{INT1}INT1 外部中断1输入
定时器/计数器

P3.4P_{3.4}P3.4 : T0T_0T0 定时器/计数器0的外部输入

P3.5P_{3.5}P3.5 : T1T_1T1 定时器/计数器1的外部输入
数据存储器或I/O选通

P3.6P_{3.6}P3.6 : WR‾\overline{WR}WR 低电平有效，I/O口写选通

P3.7P_{3.7}P3.7 : RD‾\overline{RD}RD 低电平有效，I/O口读选通
控制线

RST
- 复位输入信号，高电平有效
- 在RST上作用两个机器周期以上的高电平后，复位
EA‾\overline{EA}EA /Vpp
- 为1时，选择片内程序存储器
- 为0时，程序存储器在片外

80C51单片机CPU的结构和特点

CPU

PC（程序计数器）
程序地址寄存器
指令寄存器（IR）
指令译码器
条件转移逻辑电路及定时电路

PC
- 存放下一条将要从程序员存储器中取出的指令的地址
- 取出数作为指令地址后，自动加1，指向下一条指令地址
- 16位计数器，对63KB程序存储进行寻址
- 执行条件转移/无条件转移，PC将植入转移的目的地址
DPTR（数据指针）
- 作为片外数据存储器或I/O寻址用的地址寄存器（间址）
  
  MOV A，@DPTR ；读
  
  MOV @DPTR， A ；写
- 可作为访问程序存储器时的基址寄存器
  
  MOVC A ，@A+DPTR
  
  JMP @A+DPTR
PC与DPTR的区别
相同

与地址有关的16位地址寄存器

均通过P0P_0P0 与P1P_1P1 口输出
区别

① PC与程序存储器有关

DPTR与数据存储器或I/O地址有关

② PC输出与ALE及PSEN‾\overline{PSEN}PSEN 信号有关

DPTR输出，与ALE，WR‾\overline{WR}WR ,RD‾\overline{RD}RD 信号有关

③ PC仅作为16位寄存器，不可访问，不属于特殊功能寄存器

DPTR可作为16/8位寄存器，可访问，PDL与DPH均位与特殊功能寄存器区中

指令执行过程：取指令 -> 指令译码 -> 执行指令

运算器

算术逻辑运算单元（ALU）
累加器（ACC）
暂存寄存器
B寄存器
程序状态标志寄存器（PSW）
BCD码运算修正电路

寄存器B

在乘法和除法指令作为ALU的输入之一

程序状态字（PSW）

字节地址为D0H
主要为算数逻辑运算单元（ALU）的输出

① P（PSW.0）—— 奇偶校验位

表示累加器A中值为1的个数的奇偶性

1的个数为奇数（奇校验）

1的个数为偶数（偶校验）

② OV（PSW.2）—— 溢出标志位

OV = C6C_6C6 ⨁\bigoplus⨁ C7C_7C7 （CiC_iCi为位i向位i+1有进位）

③ RS1RS_1RS1 , RS0RS_0RS0 （PSW.4，PSW.3）—— 工作寄存器选择控制位

实现对主程序的现场保护的作用

RS1RS_1RS1	RS0RS_0RS0	组号	寄存器R0R_0R0 ~R7R_7R7地址
0	0	0	00H~07H
0	1	1	08H~0FH
1	0	2	10H~17H
1	1	3	18H~1FH

④ AC（PSW.6）—— 辅助进位

低4位向高4位数发生进位/借位

⑤ CY（PSW.7）—— 进位标志位

结果中高位是否有进位或者借位

时钟电路及CPU的工作时序

时序定时单位

节拍P

振荡脉冲的周期
状态S

一个状态包含2个节拍
机器周期

一个机器周期的宽度为6状态，并依次表示为S1S_1S1~S6S_6S6
指令周期

执行一条指令所需要的时间，是最大的时序定时单位，可包含一、二、四个机器周期
80C51指令时序

按照长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令

单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、双字节单机器周期指令和双字节双机器周期指令

三字节指令嗾使双机器周期指令

单字节乘除指令则均为四机器周期指令

80C51单片机存储器结构与地址空间

采用Harvad结构：程序存储器与数据存储器分开

程序存储器

采用16位程序计数器（PC）和16位的地址总线，可扩展的地址空间位64KB，且为空间地址是连续、统一的

程序存储器某些单元保留为特定的程序入口地址

复位	0000H
外部中断0	00003H
计时器T0T_0T0溢出	000BH
外部中断1	0013H
计数器T1T_1T1溢出	001BH
串行口中断	0023H

片内数据存储器（IRAM）

①只有8位，最大寻址范围位256字节

② DPTR为16位的寄存器，从而具有64KB数据存储扩展的功能

③ 寄存器R0R_0R0、R1R_1R1通常用作间接寻址时的地址指针

位寻址区

片内数据存储区的32~47（20H ~ 2FH）的16个字节单元，共128位 => 既可以字节寻址，又可以直接进行位寻址

字节寻址

48 ~ 127（30H ~ 7FH），共80个字节单元，可直接字节寻址

堆栈区及堆栈指示器（SP）

堆栈指示器是一个在80C51中存放当前的堆栈栈顶所指存储的单元地址的8位寄存器

80C51堆栈为向上生成，及进栈时SP内容增加，出栈减少

特殊功能寄存器（SFR）

设有128B片内数据存储器结构的特殊功能存储器空间区

80C51共定义了20个特殊功能寄存器

序号	标识符	名称	字节地址	位地址
1	ACC	累加器	E0H	E0H~E7H
2	B	B寄存器	F0H	F0H~F7H
3	PSW	程序状态字	D0H	D0H~D7H
4	SP	堆栈指针	81H
5	DPTR	数据指针（DPH、DPL）	83H、82H
6	P0	P0口	80H	80H~87H
7	P1	P1口	90H	90H~97H
8	P2	P2口	A0H	A0H~A7H
9	P3	P3口	B0H	B0H~B7H
10	IP	中断优先级控制寄存器	B8H	B8H~BFH
11	IE	中断允许控制寄存器	A8H	A8H~AFH
12	TMOD	定时器/计数器方式控制寄存器	89H
13	TCON	定时器/计数器控制寄存器	88H	88H~8FH
14	TH0	定时器/计数器0（高位字节）	8CH
15	TL0	定时器/计数器0（低位字节）	8AH
16	TH1	定时器/计数器1（高位字节）	8DH
17	TL1	定时器/计数器1（低位字节）	8BH
18	SCON	串行口控制寄存器	98H	98H~9FH
19	SBUF	串行数据缓冲器	99H
20	PCON	电源控制及波特率选择寄存器	87H

片外数据存储器

只能用间址寻址，所用寄存器为DPTR、R0、R1，指令助记符MOVX

R0，R1为8位寄存器，最大范围位256B

用DPTR时，最大寻址范围为64KB

80C51单片机I/O口

并行I/O表

I/O	P0口	P1口	P2口	P3口
性质	真正双向口	准双向口	准双向口	准双向口
功能	I/O口替代功能	I/O口替代功能	I/O口替代功能	I/O口替代功能
SFR字节地址	80H	90H	A0H	B0H
位地址范围	80H~87H	90H~97H	A0H~A7H	B0H~B7H
驱动能力	8个TTL负载	4个TTL负载	4个TTL负载	4个TTL负载
替代功能	程序存储器、片外数据存储器低8位地址及8位数据		程序存储器、片外数据存储器高8位地址	串行口：RXD、TXD 中断：INT0‾\overline{INT0}INT0、INT1‾\overline{INT1}INT1 CTC0、1：T0、T1 片外数据存储器：WR‾\overline{WR}WR、RD‾\overline{RD}RD

P0口

字节访问：80H

位访问：80H~87H

① p0口的输出上拉电路导通和戒指受呢不控制信号和地址/数据信号同时控制

② 当内部信号置1时，多路开关接通地址/数据输出端

③ 当内部信号置0时，多路开关接通输出锁存器的Q‾\overline{Q}Q端

功能

作为I/O口使用：双向口，输出锁存，输入缓冲

与其他口的区别：输出时为漏极开路输出，与NMOS的电路接口时必须用电阻上拉，才有高电平输出
P1口

字节访问：90H

位访问：90H~97H

特点

① 输出锁存器，输出无条件

② 输入缓冲，需先将该口设为输入状态，先输出1

③ 同一时刻仅处于一态，不是输入即输出（无高阻悬浮状态）

读引脚操作和读锁存器操作

① 响应CPU输出的读引脚信号，本身引脚的电平值通过缓冲器BUF1进入内部总线

② 执行读锁存器的指令时，CPU首先完成将锁存器的值通过缓冲器BUF2读入内部进入修改，然后重新写道锁存器中
P2口

字节访问：A0H

位访问：A0H~A7H

一般作为地址使用

功能

① 作I/O口使用，为准双向口，与P1相同

② 作地址输出，输出程序存储器或片外数据存储器的高8位，与P0输出的低地址一起构成16位地址线，分别寻址64KB的程序或片外数据存储器
P3口

字节访问：B0H

位访问：B0H~B7H

功能

① 可作为I/O口使用

既可作为位操作，又可字节操作；8位口操作，逐位定义口线位输入/输出先线

② 作为替代功能的输入输出

80C51单片机位处理器

位处理器系统

① 位累加器

借用进位标志位CY，用JC rel或者JNC rel转移状态

② 位寻址寄存器

SFR中可以位寻址的位

③ 位寻址的RAM

内部RAM位寻址区中的0~127位（20H ~ 2FH）

④ 位寻址的I/O口

并行I/O口中可以位寻址的位

⑤ 位操作指令系统

位操作指令可实现对位的置位、清0、取反、位状态跳转、传送、位逻辑运算、位输入/输出等操作

80C51单片机的工作方式

复位
程序执行
低功耗
编程和校验

复位

程序运行出错或操作错误使系统封处于死锁状态时，将PC初始化为0000H

寄存器	复位时内容	寄存器	复位时内容
PC	0000H	TCON	0x000000B
ACC	00H	TL0	00H
B	00H	TH0	00H
PSW	00H	TL1	00H
SP	07H	TH1	00H
DPTR	0000H	SCON	00H
P0~P3	FFH	SBUF	不定
TMOD	xx000000B	PCON	0xxx0000B

在复位期间，ALE和PSEN‾\overline{PSEN}PSEN信号无效 = > ALE = 1，PSEN‾\overline{PSEN}PSEN = 1

方式

上电自动复位
按键电平复位
外部脉冲复位：需要大于2个机器周期

程序执行方式
低功耗方式
- 待机方式
  
  使PCON寄存器IDL位置1，则80C51进入待机方式 => 向CPU提供时钟的电路被阻断 => CPU不能工作 => 采用中断方式或硬件复位来退出
- 掉电保护方式
  
  PCON寄存器的PD位控制单片机进入掉电保护方式
  
  一切工作均停止，只有内部RAM内容保护
  
  只有靠复位退出掉电保护模式

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