单片机原理与控制技术第2章

第2章机械工业出版社同名教材配套电子教案第2章80C51单片机内部结构和工作原理80C51系列单片机内部结构外部引脚功能存储空间配置和功能片内RAM结构和功能特殊功能寄存器的用途和功能程序计数器PC的作用和基本工作方式I/O端口结构、工作原理及功能时钟和时序复位电路、复位条件和复位后状态低功耗工作方式的作用和进入退出的方法本章要点§2-1内部结构和引脚功能一、内部结构二、引脚功能40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。⒈电源:⑴VCC-芯片电源，接+5V；⑵VSS-接地端；⒉时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。⒊控制线:控制线共有4根，⑴ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲①ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址②PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。⑵PSEN:外ROM读选通信号。⑶RST/VPD:复位/备用电源。①RST（Reset）功能：复位信号输入端。②VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。⑷EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。①EA功能：内外ROM选择端。②Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。⒋I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。P3.0——RXD：串行口输入端；P3.1——TXD：串行口输出端；P3.2——INT0：外部中断0请求输入端；P3.3——INT1：外部中断1请求输入端；P3.4——T0：定时/计数器0外部信号输入端；P3.5——T1：定时/计数器1外部信号输入端；P3.6——WR：外RAM写选通信号输出端；P3.7——RD：外RAM读选通信号输出端。§2-1存储空间配置和功能80C51的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是：⑴64KB程序存储器(ROM),包括片内ROM和片外ROM；⑶256B内部数据存储器(内RAM)(包括特殊功能寄存器）。⑵64KB外部数据存储器（外RAM）；80C51存储空间配置图一、程序存储器（ROM）地址范围：0000H～FFFFH，共64KB。其中:低段4KB：0000H～0FFFH80C51和87C51在片内，80C31在片外。高段60KB：1000H～FFFFH。在片外。读写ROM用MOVC指令，控制信号是PSEN和EA。读ROM是以程序计数器PC作为16位地址指针，依次读相应地址ROM中的指令和数据，每读一个字节，PC+1→PC，这是CPU自动形成的。但是有些指令有修改PC的功能，例如转移类指令和MOVC指令，CPU将按修改后PC的16位地址读ROM。读外ROM的过程：CPU从PC中取出当前ROM的16位地址，分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外ROM16位地址输入端，当PSEN信号有效时，外ROM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。二、外部数据存储器（外RAM）地址范围：0000H～FFFFH共64KB。读写外RAM用MOVX指令，控制信号是P3口中的RD和WR。外RAM16位地址分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外RAM16位地址输入端，当RD信号有效时，外RAM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。读外RAM的过程：写外RAM的过程：写外RAM的过程与读外RAM的过程相同。只是控制信号不同，信号换成WR信号。当WR信号有效时，外RAM将数据总线（P0口分时传送）上的数据写入相应地址存储单元中。三、内部数据存储器（内RAM）从广义上讲，80C51内RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均属于片内RAM空间，读写指令均用MOV指令。但为加以区别，内RAM通常指00H～7FH的低128B空间。80C51内RAM又可分成三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。地址区域功能名称00H～1FH00H～07H工作寄存器0区08H～0FH工作寄存器1区10H～17H工作寄存器2区18H～1FH工作寄存器3区20H～2FH位寻址区30H～7FH数据缓冲区作用：⒈工作寄存器区工作寄存器区分为4个区：0区、1区、2区、3区。每区有8个寄存器：R0～R7，寄存器名称相同。但是，当前工作的寄存器区只能有一个，由PSW中的D4、D3位决定。有专用于工作寄存器操作的指令，读写速度比一般内RAM要快，指令字节比一般直接寻址指令要短，还具有间址功能，能给编程和应用带来方便。⒉位寻址区⑴地址:从20H～2FH共16字节（Byte，缩写为英文大写字母B）。每B有8位（bit，缩写为小写b），共128位，每一位均有一个位地址，可位寻址、位操作。即按位地址对该位进行置1、清0、求反或判转。⑵用途：存放各种标志位信息和位数据。⑶注意事项:位地址与字节地址编址相同，容易混淆。区分方法:位操作指令中的地址是位地址;字节操作指令中的地址是字节地址。位寻址区的位地址映象表字节地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H⒊数据缓冲区内RAM中30H～7FH为数据缓冲区，用于存放各种数据和中间结果，起到数据缓冲的作用。四、特殊功能寄存器（SFR）特殊功能寄存器地址映象表（一）特殊功能寄存器地址映象表（二）特殊功能寄存器地址映象表（三）注：带括号的字节地址表示每位有位地址可位操作。⑴累加器Acc⑵寄存器B⑶程序状态字寄存器PSWPSW也称为标志寄存器，存放各有关标志。其结构和定义如下：①Cy—进位标志。用于表示Acc.7有否向更高位进位。②AC—辅助进位标志。用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。③RS1、RS0—工作寄存器区选择控制位。RS1、RS0=00——0区（00H～07H）RS1、RS0=01——1区（08H～0FH）RS1、RS0=10——2区（10H～17H）RS1、RS0=11——3区（18H～1FH）④OV—溢出标志。表示Acc在有符号数算术运算中的溢出。⑤P—奇偶标志。表示Acc中“1”的个数的奇偶性。⑥F0、F1—用户标志。⑷数据指针DPTR⑸堆栈指针SP专用于指出堆栈顶部数据的地址。16位，由两个8位寄存器DPH、DPL组成。主要用于存放一个16位地址，作为访问外部存储器（外RAM和ROM）的地址指针。⑶执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址装入PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的PC值，继续执行原顺序程序指令。五、程序计数器PC※PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构上是独立的。※PC是一个16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，因此也称为地址指针。※PC的基本工作方式有：⑴自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行PC+1→PC；⑵执行转移指令时，PC会根据该指令要求修改下一次读ROM新的地址；§2-3I/O端口结构及工作原理※有4个8位并行I/O口,共32条端线：P0、P1、P2和P3口。每一个I/O口都能用作输入或输出。※用作输入时，均须先写入“1”；用作输出时，P0口应外接上拉电阻。※P0口的负载能力为8个LSTTL门电路；P1～P3口的负载能力为4个LSTTL门电路。※在并行扩展外存储器或I/O口情况下，P0口用于低8位地址总线和数据总线(分时传送)P2口用于高8位地址总线，P3口常用于第二功能，用户能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能的部分P3口端线。§2-4时钟和时序一、时钟电路二、时钟周期和机器周期80C51单片机工作的基本定时单位，简称机周。⑴时钟周期。80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。⑵机器周期。机器周期是时钟周期的12倍。当时钟频率为12MHz时，机器周期为1S；当时钟频率为6MHz时，机器周期为2S。80C51单片机的工作方式共有四种：⑴复位方式；⑵程序执行方式；⑶低功耗方式；⑷片内ROM编程（包括校验）方式。§2-5复位和低功耗工作方式⒉复位电路一、复位方式⒈复位条件RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。⒊复位后CPU状态PC：0000HTMOD：00HAcc：00HTCON：00HB：00HTH0：00HPSW：00HTL0：00HSP：07HTH1：00HDPTR：0000HTL1：00HP0～P3：FFHSCON：00HIP：×××00000BSBUF：不定IE：0××00000BPCON：0×××0000B二、低功耗工作方式⑴待机(休闲)方式（Idle）⑵掉电保护方式（PowerDown）。在Vcc=5V，fosc=12MHz条件下，正常工作时电流约20mA；待机(休闲)方式时电流约5mA；掉电保护方式时电流仅75A。两种低功耗工作方式由电源控制寄存器PCON确定。其中：SMOD：波特率倍增位（在串行通信中使用）GF1、GF0：通用标志位PD：掉电方式控制位，PD=1，进入掉电工作方式；IDL：待机(休闲)方式控制位,IDL=1,进入待机工作方式。注意:PCON字节地址87H，不能位寻址。读写时，只能整体字节操作，不能按位操作。SMOD———GF1GF0PDIDLPSONMSBLSB⒈待机（休闲）方式⑶待机（休闲）状态退出①产生中断；②复位。⑴待机（休闲）方式状态●片内时钟仅向中断源提供，其余被阻断；●PC、特殊功能寄存器和片内RAM状态保持不变；●I/O引脚端口值保持原逻辑值；●ALE、保持逻辑高电平；●CPU不工作，但中断功能继续存在。⑵待机（休闲）状态进入只要使PCON中IDL位置1。⒉掉电保护方式⑶掉电保护状态退出⑴掉电保护方式状态●片内振荡器停振，所有功能部件停止工作；●片内RAM数据信息保存不变；●ALE、PSEN为低电平；●Vcc可降至2V，但不能真正掉电。⑵掉电保护状态进入只要使PCON中PD位置1。唯一方法是硬件复位，复位后片内RAM数据不变，特殊功能寄存器内容按复位状态初始化。