8051单片机的体系结构

说明：
5.1 P0口位图内部结构
1、当控制信号为0时，P0口做双
读锁存器
P0R1
AD0 控制 地址/数据
BUF2
内D部0 总线 写锁存器
P0W
D
Q
锁存器 1
C
Q
0
多路开关
读引脚
P0R2
BUF1
图1、P0口内部结构
Vcc
P00
输向入I/锁O口存，器为漏极开路（三态） 2、两控个制输信入号缓为冲1器时(，BUPF10和口B为UF2地) 址 推/数拉据式复I/O用驱总动线器（用于口扩展）
（4）P3口具有第二功能。因此在P3口电路增加了第
P3口的第二功能
6 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钟控制 信号。
6.1 时钟电路 时钟频率直接影响单片机的速度，电路的质量直
接影响系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式： 内部时钟方式和外部时钟方式。
一、内部时钟方式
内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器， 其输入端：XTAL1，输出端：XTAL2。 ➢ C1和C2典型值通常选择 为30pF左右。 ➢ 晶体的振荡频率在 1.2MHz～12MHz之间。 ➢ 某些高速单片机芯片的 时钟频率已达40MHz。
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：
3．控制线与电源复用引脚 （1）RST/VPD：RST是复位信号，高电平有效。
VPD为第二功能，即备用电源输入端。 （2）ALE/PROG：ALE为地址锁存允许信号输出引脚。
多3、路P开0W关为端口输出写信号，用于 1) 锁功存能输：出用状于态控制选通I/O方式 4、还P0是R1地为址读/锁数存据器输信出号方，式执行
2) “方A式NL控P制0,：#0由FH内”时部该控信制号信有号效 产生
5、P0R2为读引脚信号，执行“MOV A,P0”时该信号有效
6、读引脚（端口）时，输出锁存器应为“1”
地 址 锁 存 器
ALE ERAESET PSEN VSS
MCS-51片外总线结构示意图
AAAAAAAAAAAAAAADDDDDDDDA111111987654210765432103543210
AB DB
返回
单片机 8031
WR
P2. 0.P:2. 4
P0.0 :
P0.7
ALE RD
PP3P4P0PP2222222......1
8051单片机的体系结构
主讲 朱兆优
学习要点：
(1) 8051单片机内部结构、功能部件； (2) 8051单片机引脚名称、功能和三总线信号； (3) 单片机的存储结构、编址、特殊功能寄存器； (4) 单片机工作时序、时钟电路、复位电路； (5) 单片机I/O的结构功能特点； (6) 单片机的工作模式。
1 8051单片机内部结构
八大功能部件： （1）微处理器（8位CPU） （2）程序存储器（ROM、EPROM或Flash等） （3）数据存储器（RAM、E2PROM） （4）四个8位并行可编程I/O端口（P0、P1、P2、P3） （5）一个串行口（UART） （6）两个16位定时器/计数器（T0/T1） （7）中断系统（含５～8个中断源、2个优先级）
4.4 特殊功能寄存器 单片机是通过特殊功能寄存器（SFR）对各种功 能部件进行集中控制。如下表：
4.5 外部数据存储器 单片机一般的内部RAM只有128 B或256B。 现在有大RAM容量单片机或集成了Data Flash
的单片机。 系统需要海量存储器必须扩展外部存储器。 扩展外部存储器方式： （1）并行方式扩展（最大64KB）
MCS-51单片机片外总线
I/O CB
PPPPPPPP11111111........01234567 PPPPPPPP33333333........01345672
VCC
PPPPPPPPPPPP022002022222.....4...6...2.704635571 PPPP0000....0231
A5
A4
A3
A2
A1 AO00
A8 A9 A10 A11 A12
O1 O2
6264
O3
O4 O5
CE
O6 OE WE
O7
返回
5.4 P3口内部结构
P3R1
输读D出0I/OI/O口口 D
P3W
C
变异输出 11
Q 1
Q
Vcc R*
P3R2
变异输入 图3、P3口内部结构
说明： 1、做普通端口使用时，第二
P2R1 D0 P2W
地址 控制 Vcc
D
Q
C
Q
R* P20
P2R2
图3、P2口内部结构
说明：
1、P2可以作为通用的I/O，也可以作 为高8位地址输出。
2、当控制信号为1时
P2口输出地址信息， 此时单片机完成外部的
取指操作或对外部数据 存储器16位地址的读写 操作。
3、当P2口作为普通I/O口 使用时
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00～7FH
特殊功能寄存器块有128字节编址为为80～FFH 52子系列片内RAM有256字节
低128字节编址为00～7FH （直接寻址）
2、内部数据存储器的划分 片内RAM编址为00～7FH，分工作寄存器区、位
寻址区、数据缓冲区和堆栈数据区三个部分。结 构如下图：
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口功能
3 8051中央处理器
单片机的CPU是完整的1位微计算机。这 个1位微计算机包含CPU、位寄存器、I/O口 和指令集。
CPU内部包含： 1、运算器 2、控制器
3.1 运算器
运算器包含： 1.算术逻辑运算单元ALU---算术运算、逻辑运算 2.累加器A---相当于数据加工厂 3.位处理器---位运算 4.BCD码修正电路---十进制数的运算处理 5.PSW---记录程序运行状态
务，按照执行步骤用计算机指令编写的指令集合。 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。
3.3 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：
PROG为编程信号，第二功能，低电平有效。 （3）PSEN：片外ROM选通信号输出端，低电平有效。 （4）EA／VPP：EA为内部和外部ROM控制端
当EA＝1时，从内ROM开始访问 当EA＝0时，只访问外部ROM
4．并行输入/输出引脚 （1）P0口：P0.0～P0.7统称为P0口 （2）P1口：P1.0～P1.7统称为P1口 （3）P2口：P2.0～P2.7统称为P2口 （4）P3口：P3.0～P3.7统称为P3口
单片机 7 P0.
8031
0 P0.1
P0.
2
WR RD P0.
ALE
3 P0.
4
P0.
D
Q0
0 74LS.
. 3G73 .
.
Q7
D7
D0
Q0
D1 D2
74LS
Q1 Q2
D3 D4
373
Q3 Q4
D5 G
Q5
D6
Q6
D7
Q7
A7
. .
A. 8
D.A076264
A1. 2
CE
. OE
D 0
WE
A7
A6
3、堆栈和堆栈指针 堆栈的概念：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器 区称为堆栈。
堆栈指针总是指向栈顶。 堆栈就好比水桶或手枪中的弹匣，更象一个装 兵乓球的小圆筒。 堆栈的几个名词：
堆栈特点：后进先出
堆栈有3个具体功能： (1) 保护断点 (2) 现场保护 (3) 临时暂存数据
3.2 控制器
单片机的指挥部件，主要任务是识别指令， 控制各功能部件，保证各部分有序工作。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、 时序控制逻辑电路。
1、指令、指令译码及控制器
指令---就是完成某项操作的命令。 指令译码---对指令进行解析和翻译 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。
5.2 P1口内部结构
• P1口内部结构如图2所示
• 输出部分有内部上拉电阻R*约为20K。
• 其他部分与P0端口使用相类似（读引脚时先写入1）。
Vcc
P1R1
Vcc
写数据
D0
P1W
D
Q
C
Q
R* P10
8051
R1
D1
P10
K1
读端口
P1R2 图2、P1口内部结构
P11 图2.1、P1口应用
5.3 P2口内部结构
程序指令取指执行过程
1、复位PC=0000 2、从PC取指，PC+1 3、取数据 4、执行指令 5、取下一条指令 ……
4 8051单片机的存储结构
8051单片机存储器采用哈佛结构： 1、有一根地址和数据总线。 2、程序存储器空间和数据存储器空间采用独
立编址。 3、拥有各自的寻址方式和寻址空间。
4.1 8051单片机的存储器结构
功能应为“1”。 2、使用第二功能时，输出端
P30
口锁存器应为“1”。 3、变异功能（）
P3.0 TXD P3.4 T0 P3.1 RXD P3.5 T1 P3.2 INT0 P3.6 WR P3.3 INT1 P3.7 RD
5.5 P0～P3端口功能总结
使用中应注意的问题： （1）P0～P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口还可
从功能作用上可五种： 程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存
器、位地址空间存储器和外部数据存储器。
4.1 8051单片机的存储器结构图
4.2 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
8051单片机存储器从物理结构上分四种： 1、片内程序存储器（只读存储器ROM） （类型：ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash） 2、片外程序存储器 (类型同上) 3、片内数据存储器（读写存储器RAM） (类型：SRAM、DRAM、E2PROM、F储器、内部数据存储器外部数据存储器。
(1) 工作寄存器区 从上图中可以看到，单片机内部RAM的00～ 1FH区是R工作寄存器区，分为四个组，由RS1、 RS0配置选择：
(2) 位寻址区
内部RAM的20H～2FH为位寻址区域(见表2-4)。 这16个单元(共128位)的位地址编址范围为00H～7FH。
(3)数据缓冲区
内部RAM的30H～7FH是数据缓冲区，也称为用户RAM区，共80个单元。 52子系列内部有256个单元的数据存储器，用户RAM区范围为30H～FFH，共208个单元。 工作寄存器区和位寻址区的地址及单元数与上述一致。
还包含： 时钟振荡器、总线控制器和供电电源
此外，有的还有其它功能部件，如： A/D、D/A PWM、PCA WDT SPI、I2C、ISP、IAP
8051单片机内部结构图
2 8051单片机芯片引脚功能
单片机芯片双列直插封装方式引脚图
2 8051单片机芯片引脚功能
单片机芯片方形封装方式引脚图
2 8051单片机芯片引脚功能
例如：下面是单片机的一条指令： 00100101 00110000 (A)+(30H)
2、指令集和指令助记符 指令译码器所能解析系统在设计时规定的。 为直观表达，用指令助记符表示。 例如，上面的加法指令的助记符为： ADD A，30H
3、程序及程序计数器PC 什么叫计算机程序：为完成一个完整的运算任
0000～0FFFH，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
中断向量： 单片机至少有5个中断地址，在0000～002FH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：
4.3 片内数据存储器 1、片内RAM编址 片内数据存储器(RAM)，128B/256B)，用来存放程序
用来构建数据总线和地址总线，所以电路中有一 个MUX，进行转换。 （2）而P1口和P3口无构建系统的数据总线和地址总
（3）只有P0口是一个真正的双向口，P1～P3口都是 准双向口。 原因:P0口作数据总线使用时，为保证数据正确传 送，需解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传 送时芯片内外才接通；否则应处于隔离状态。为此， P0口的输出缓冲器应为三态门。
存储器使用总结如下： (1) 地址有重叠性，用不同的控制命令分开。 (2) (RAM)和 (ROM)在操作使用上是严格区分
的，不同的操作指令不能混用。 (3) 位地址空间有两个区域： 20H～2FH区和SFR区 (4) 片外数据存储器区中，RAM存储单元与单
5 并行I/O端口
共有4个8位双向I/O口，共32口线。每位 均有自己的锁存器(SFR)，输出驱动器和输入 缓冲器。