第2章 80C51单片机硬件结构

第2章MCS-51单片机的硬件结构2.1单片机概述将计算机的基本组成部分(微处理器(CPU)，存储器(RAM、ROM、EPROM)和各种输入、输出接口)集成在一个芯片或一个完整封装的器件内，由于它已经20世纪70年代问世。目前已广泛应用在：工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等方面。2.1.1什么是单片机可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。具有一台计算机的属性。故称之为微型单片计算机也称为：•嵌入式控制器EMCU（EmbeddedMicroControllerUnit）。我国，习惯使用“单片机”这一名称。按用途可分为通用型和专用型两大类：（1）通用型•微控制器MCU(MicroControllerUnit)（2）专用型专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大。对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑。“专用”单片机具有十分明显的综合优势。（3）单片机应用系统在单片机芯片的基础上扩展其它电路构成的具有一定应用功能的计算机应用系统。它是为控制应用而设计的，该系统和控制对象结合在一起使用，是单片机开发应用的成果。（4）单片机开发系统单片机开发系统是单片机应用系统开发调试的工具。常用的开发工具有：仿真器、编程器、逻辑分析仪、计算机等。（5）单片机的程序设计语言和软件机器语言：用二进制代码表示的单片机指令，用机器语言构成的程序称之为目标程序。汇编语言：用助记符表示的指令，汇编语言是对机器语言的改进，是单片机最常用的程序设计语言。用汇编语言编写的程序通常称为汇编源程序，将汇编源程序编译成目标程序的程序称汇编程序。软件：包括各类程序、数据以及相关文档资料。2.1.2单片机的历史及发展概况四个阶段:第一阶段(1974年～1976年)：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较简单。第二阶段（1976年～1978年）:低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表。第三阶段(1978年～现在)：高性能单片机阶段。Intel公司的MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。第四阶段(1982年～现在)：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。2.1.38位单片机的主要生产厂家和机型（1）美国Intel公司MCS-51系列及其增强型、扩展型系列。（2）美国ATMEL公司89C51、89C52、89C55、89S52等。（3）荷兰PHILIPS（菲力浦）公司8xC552系列。MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，主流系列,软、硬件设计资料丰富齐全。2.1.4单片机的发展趋势1.CPU的改进（1）采用双CPU结构，提高处理能力（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。（3）串行总线结构，菲利浦公司的I2C总线（Inter－Icbus）。用两根信号线代替现行的8位数据总线。2．存储器的发展（1）加大存储容量。（2）片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash）存储器（3）程序保密化。3．片内I/O的改进（1）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。（2）增加I/O口的逻辑控制功能。（3）设置了一些特殊的串行接口功能，构成分布、网络化系统。4．外围电路内装化器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内－－系统的单片化。5．低功耗化CMOS化CHMOS工艺。总之，向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化方向发展。2.1.5单片机的应用单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。使用温度：民品：0°C—+70°C工业品：-40°C—+85°C军品：-65°C—+125°C。在下述的各个领域广泛的应用：1.工业自动化2.智能仪器仪表3．消费类电子产品4.通讯5．武器装备6．终端及外部设备控制7．多机分布式系统2.1.6MCS-51系列单片机20世纪80年代后期:Intel公司以专利的形式把8051内核技术转让给其它厂家。这些厂家生产的兼容单片机，与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺。如：AMTEL、PHILIPS、ANALOGDEVICES、DALLAS公司。不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号。MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：80C51系列：所有具有8051指令系统的单片机。（1）基本型典型产品：8031/8051/8751内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。（3）低功耗型典型产品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺适于电池供电或其它要求低功耗的场合。（4）专用型8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZUSR-2100单片机－USB接口。（2）增强型典型产品：8032/8052/8752（5）超8位型典型产品：PHILIPS公司80C552/87C552/83C552系列单片机。将MCS-96系列（16位单片机）I/O部件如：高速输入/输出（HSI/HSO）、A/D转换器、脉冲宽度调制（PWM）、看门狗定时器（WDT）等移植进来构成新一代MCS-51产品。功能介于MCS-51和MCS-96之间。目前已得到了较广泛的使用。（6）片内闪烁存储器型美国ATMEL公司的AT89C51单片机，受到应用设计者的欢迎。MCS-51系列以及80C51系列单片机有多种类型，但掌握好MCS-51的基本型（8031、8051、8751或80C31、80C51、87C51）是十分重要的。它们是具有MCS-51内核的各种型号单片机的基础，也是各种增强型、扩展型等衍生品种的核心。思考题及习题1．微处理器、微计算机、微处理机、CPU、单片机它们之间有何区别？2．除了单片机这一名称之外，单片机还可称为（）和（）。3．单片机与普通计算机的不同之处在于其将（）、（）、和（）三部分集成于一块芯片上。4．单片机的发展大致分为哪几个阶段？5.单片机根据其基本操作处理的位数可分为哪几种类型?6．MCS-51系列单片机的基本型芯片分别为哪几种？它们的差别是什么？7．MCS-51系列单片机与80C51系列单片机的异同点是什么？8．8051与8751的区别是：（A）内部数据存储单元数目的不同；（B）内部数据存储器的类型不同；（C）内部程序存储器的类型不同；（D）内部的寄存器的数目不同。9．在家用电器中使用单片机应属于微计算机的（A）辅助设计应用（B）测量、控制应用（C）数值计算应用（D）数据处理应用10．说明单片机主要应用在哪些领域？2.2MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚CPU运算部件控制部件BRAMP0口P2口ROM(EPROM)串行口C/T中断系统SFRP1口8P3口888XTAL1XTAL2PSENALEEARESETVccVss按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接起来1.微处理器2.数据存储器3.程序存储器4.I/O口5.串行口6.定时/计数器7.中断系统8.特殊功能寄存器控制方式：SFR对各功能部件集中控制片内总线各功能部件：1.CPU（微处理器）CPU是单片机的核心，由运算器和控制器组成，完成运算和控制操作。对照图2.1，运算部件由ALU、ACC、B、TEMP1、TEMP2和PSW组成。控制部件由PC、PC＋1寄存器、指令寄存器IP、指令译码器ID、定时控制电路和震荡电路组成。2.数据存储器（RAM）包括片内为128个字节（52子系列的为256个字节）RAM和RAM地址寄存器。其作用是存放运算的中间结果以及数据的暂存。地址为00H～7FH。3.程序存储器（ROM/EPROM）8031:无此部件；8051:4K字节ROM；8751:4K字节EPROM；89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K字节闪存。程序存储器用于存放程序代码和表格数据。程序的地址总是从0000H开始。4.定时/计数器80C51片内有2个16位的定时器/计数器，以实现定时功能和计数功能，并可以根据定时或计数的结果对单片机进行控制。5.并行I/O口80C51共有4个8位并行I/O口，P1～P3，以实现单片机与外界交换信息。6.串行口1个全双工的异步串行口，实现单片机与其它数据设备如上位计算机之间的数据传送。7.中断系统中断系统是为了使单片机具有实时控制能力而设计的内部电路。5个中断源：INT0、INT1、T0、T1、串行口中断。由P3口第二功能来定义。8.时钟电路外接晶体振荡器，产生震荡脉冲，由定时电路产生时钟脉冲序列，它作为单片机的基本工作节拍。9.位处理器以PSW中的进位标志位C作为位运算器，其功能等价于字节运算的累加器ACC。10.总线见图2.1中的空心线表示的线段，系统的地址信号、数据信号、控制信号都是通过总线进行传送的。总线的结构减少了单片机的外部连线和引脚，提高单片机的集成度和可靠性。共有地址总线AS、数据总线DS和控制总线CS。2.2.1MCS-51的引脚40只引脚双列直插封装（DIP）44只引脚方形扁平式封装方式（4只无用）引脚逻辑图•8051单片机为40条引脚双列直插式封装•引脚可分为三个部分X1X2EAPSENALERSTVCCGND8051P0P1P2P3P00~P07P10~P17P20~P27P30~P37控制引脚并行I/O口引脚电源及时钟引脚（1）电源及时钟引脚:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。（2）控制引脚：PSEN*、EA*、ALE、RESET（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，4个8位I/O口一、电源及时钟引脚1．电源引脚（1）Vcc（40脚）：+5V电源；（2）Vss（20脚）：接地。2．时钟引脚（1）XTAL1（19脚）：采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（2）XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。二、控制引脚(1)RST/VPD(9脚)：复位与备用电源(2)ALE/PROG*（30脚）：第一功能ALE：地址锁存允许第二功能PROG*：编程脉冲输入端。(3)PSEN*（29脚）：读外部程序存储器的选通信号。可以驱动8个LS型TTL负载。(4)EA*/VPP(31脚)：EA*为内外程序存储器选择控制EA*=1，访问片内程序存储器，EA*=0，单片机则只访问外部程序存储器。第二功能VPP，用于施加编程电压。三、I/O口引脚(1)P0口：双向8位三态I/O口，地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。(2)P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。(3)P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。(4)P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。注意:准双向口与双向三态口的差别。当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。引脚转义引脚功能说明P3.0RXD串行数据接收端P3.1TXD串行数据发送端P3.2INT0外部中断0请求P3.3INT1外部中断1请求P3.4T0计数器0外部输入P3.5T1计数器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写P3.7RD外部数据存储器读2.2.2MCS-51的CPU由运算器和控制器所构成一、运算器对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。1．算术逻辑运算单元ALU2．累加器A使用最频繁的寄存器，可写为Acc。A的作用：（1）是ALU单元的输入之一，又是运算结果存放单元。（2）数据传送大多都通过累加器A。（3）A的进位标志Cy同时又是位处理机的位累加器。3．程序状态字寄存器PSW（1）Cy（PSW.7）进位标志位（2）Ac(PSW.6)辅助进位标志位（3）F0（PSW.5）标志位由用户使用的一个状态标志位。（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4组工作寄存器区选择控制位1和位0。工