第2章 80C51单片机的结构及原理

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[学习目的] (1)了解80C51的内部结构 。 (2)掌握80C51引脚信号功能定义。 (3)掌握80C51的存储器空间分配及各I/O口的特点。 (4)掌握80C51的复位电路、时钟电路及指令时序。

[学习重点和难点](1)80C51的结构特点。 (2)80C51存储器配置与空间的分布。 (3)80C51程序状态寄存器(PSW)。 (4)80C51的指令时序。

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2.1 80C51单片机的结构与原理2.1.1 80C51单片机系列 Intel公司推出的80C51是MCS-51系列单片机中以CHMOS为生产 工艺的一个典型产品；其它厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺 单片机产品统称为80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要 产品有： 1、Intel公司的：80C31、80C51、87C51、80C32、80C52、 87C52等。 2、ATMEL公司的：89C51、89C52、89C2051、89S51等。 3、Philips公司的80C51、80C550、80C552系列。 4、Motorola公司M68HC05系列。 5、华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列。 6、Maxim公司的DS89C420高速(50MIPS)系列。 7、Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。 8、ADI公司的ADμ C8xx高精度ADC系列。 9、LG公司的GMS90/97低压高速系列。

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2.1.2 80C51单片机的结构80C51单片机的结构框图如图2-1所示，可以看出，在一块芯 片上集成了一个微型计算机的主要部件，它包括以下几部分： (1)8位 CPU 1个 。 (2)时钟电路(振荡电路和时序OSC)。 (3)4KB程序存储器(ROM/EPROM/Flsh),可外扩展到64KB。 (4)128B数据存储器RAM,可外扩展到64KB。 (5)2个16位定时/计数器。 (6)64KB总线扩展控制电路。 (7)4个8位并行I/O接口P0~P3。 (8)1个全双工异步串行I/O接口。 (9)中断系统：5个中断源，其中包括2个优先级嵌套中断。

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2.1.3 80C51单片机的内部结构80C51单片机的内部结构如图2-2所示，它由CPU、存储器、I/O 口及SFR(特殊功能寄存器)等组成。具体说明如下： 1、80C51 CPU 80C51 CPU即微处理器，是一8位CPU,是单片机的核心部件， 是计算机的控制指挥中心。同微型计算机CPU类似，80C51内部 CPU由运算器和控制器两部分组成。 (1)运算器 组成:由算术运算/逻辑运算单元ALU(Arithmetic Logic Unit) 为核心，由暂存器1、暂存器2、累加器ACC(Accumulator)、寄存 器B及程序状态寄存器PSW (Program Status Word)组成。 主要任务：是完成算术运算、逻辑运算、位运算和数据传送 等操作，运算结果的状态由程序状态寄存器(PSW)保存。

第2章 80C51单片机的结构及原理P0.0~P0.7 P2.0~P2.7

VCC VSS RAM 地址寄存器 RAM 128B

P0 驱动器

P2 驱动器

P0 锁存器

P2 锁存器

4KB ROM

程序地址 寄存器寄存器

B 寄存器

暂存器 1 RAM

暂存器 2

ACC

SP 缓冲器

ALU

PC 增 1 中断、串行口及定时器 PC DPTR

PSEN ALE EA RST

定 时 控 制

指 令 译 码 器

指 令 寄 存 器

PSW

P1 锁存器 P1 驱动器

P3 锁存器 P3 驱动器

OSC XTAL1 XTAL2

P1.0~P1.7

P3.0~P3.7

图2-2 80C51单片机的内部结构

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(2)控制器 组成：由程序计数器(PC)、PC增1寄存器、指令寄存器(IR)、 指令译码器(ID)、数据指针(DPTR)、堆栈指针(SP)、缓冲器及定 时控制电路等组成。 主要任务：完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。 2、80C51的片内存储器 80C51的片内存储器与一般微机的存储器的配置不同。一般 微机的ROM和RAM安排在同一空间的不同范围(称为普林斯顿结 构)。而80C51单片机的存储器在物理上设计成程序存储器和数 据存储器两个独立的空间(称为哈佛结构)。

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2.1.4 80C51单片机的引脚及功能80C51单片机的封装是采用双列直插式(DIP)封装，引脚图如图2-3(a)所 示。80C51的40个引脚及功能描述如下： 1、电源引脚(2根) (1)VCC(40脚):电源端，接+5V电源。 (2)VSS(20脚):接地端。 2、时钟引脚(2根) (1)XTAL1(19脚):晶体振荡器接入的一个引脚。采用外部时钟电路时， 此引脚应接地。 (2)XTAL2(18脚):晶体振荡器接入的另一个引脚。使用外部时钟时， 此引脚应接外部时钟的输入端。 3、控制引脚(4根) (1) RST/VPD(9脚):复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。 说明：当RST引脚保持两个机器周期的高电平后，就可以使80C51完成 复位操作。该引脚的第二功能是VPD,即备用电源的输入端，具有掉电保护 功能。若在该引脚接+5V备用电源，在使用中若主电源VCC掉电，可保护片 内RAM中的信息不丢失。

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(2)ALE/PROG(30脚):地址锁存允许信号输出引脚/编程 脉冲输入引脚。 说明：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地 址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是 以晶振fosc/6的固定频率输出的正脉冲(fosc代表振荡器的频率), 因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。 该引脚的第二功能是对8751内部4KB EPROM编程写入时， 作为编程脉冲的输入端。 (3)EA /VPP(31脚):外部程序存储器地址允许输入信号引 脚/编程电压输入信号引脚。 说明：当EA接高电平时，CPU执行片内ROM指令，当PC值 超过0FFFH时，将自动转去执行片外ROM指令；当EA接低电平 时，CPU只执行片外ROM指令。 该引脚的第二功能VPP是对8751片内EPROM编程写入时， 作为21V编程电压的输

入端。 (4)PSEN(29脚):片外ROM读选通信号。 说明：在读片外ROM时，为低电平(有效),以实现对片 外ROM的读操作。

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4、并行I/O引脚(32根，由4个8位口构成)其中： (1)P0.0~P0.7(39~32脚):一般的8位双向I/O口引脚或数 据/地址总线低8位复用引脚。 说明：P0口即可作数据/地址总线使用，又可作一般的I/O口 使用。当CPU访问片外存储器时，P0口分时先作低8位地址总线， 后作双向数据总线，此时，P0口就不能再作一般I/O口使用。 (2)P1.0~P1.7(1~8脚):P1口作为一般的8位准双向I/O口 使用。 (3)P2.0~P2.7(21~28脚):一般8位准双向I/O口引脚或高8 位地址总线引脚。 说明：P2口即可作为一般的I/O口使用，也可作为片外存储 器的高8位地址总线，与P0口配合，组成16位片外存储器单元地 址，可访问64KB的存储空间。 (4)P3.0~P3.7(10~17脚):一般8位准双向I/O口引脚或第 二功能引脚。 说明：P3口除了作为一般的I/O口使用之外，每个引脚还具 有第二功能，P3的8条口线都定义有第二功能，详见表2-1(a)

第2章 80C51单片机的结构及原理表2-1 P3口各引脚与第二功能表

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2.2 80C51单片机的存储器组织80C51的存储器在物理结构为哈佛结构，它将程序 存储器和数据存储器分开，如图2-4所示。 从物理地址空间看，80C51单片机有四个存储器地 址空间，即片内数据存储器(简称片内RAM)、片内程 序存储器(片内ROM)、片外数据存储器(片外RAM) 和片外程序存储器(片外ROM)。

第2章 80C51单片机的结构及原理但从使用的角度来看，80C51的存储器又分为三个逻辑空间，如图2-5所示。 1、片内外统一寻址的64KB程序存储器空间，地址范围为0000H~FFFFH (访问用指令MOVC)。 2、64KB的片外数据存储器空间，地址范围也为0000H~FFFFH(访问用指 令MOVX)。 3、80C51的片内数据存储器RAM只有128B,地址范围为00H~7FH;80C52 的片内数据存储器RAM为256B,地址范围为00H~FFH(访问用指令MOV)。

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2.2.1 80C51单片机的程序存储器ROM 80C51程序存储器ROM用来存放程序、常数或表格等。 80C51内部有4KB的掩膜ROM,87C51内部有4KB的EPROM, 而80C31内部没有程序存储器。80C51的片外最多能扩 展64 KB程序存储器，片内外的ROM是统一编址的。 80C51程序存储器ROM空间地址分布图如图2-6(a)所 示。 80C51的引脚为选择内部或外部ROM控制端，当接高 电平时，80C51的程序计数器PC在0000H~0FFFH地址范 围内(即前4 KB地址) 是执行片内ROM中的程序，当PC 值超过0FFFH时，PC将自动转去执行片外1000H~FFFFH 地址范围ROM中的程序；当接低电平时，只能寻址外部 RO

M程序存储器，片外存储器可以从0000H开始编址。

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对图2-6(a) ROM空间地址分布图作如下说明： 1、80C51片内有4KB的ROM存储单元，地址为0000H~0FFFH。 2、80C51片外最多可扩60KB的ROM,地址为1000H~FFFFH。

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2.2.2 80C51ROM低地址特殊单元80C51的程序存储器低地址单元中有6个单元具有特殊功 能，见图2-6(b)所示,使用时应予以注意其含义。 1、0000H~0002H:单片机复位后的程序入口地址 (3个单元)。 2、0003H~000AH:外部中断0的中断服务程序入口地址 (8个单元)。 3、000BH~0012H:定时器0的中断服务程序入口地址 (8个单元)。 4、0013H~001AH:外部中断1的中断服务程序入口地址 (8个单元)。 5、001BH~0022H:定时器1的中断服务程序入口地址 (8个单元)。 6、0023H~002AH:串行口的中断服务程序入口地址 (8个单元)。

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具体应用时注意：第一组特殊单元是0000H~0002H,3个单元不可能安排长程 序，因此，系统复位后(PC)=0000H,80C51单片机从0000H单元 开始取指令执行程序。如果程序不从0000H单元开始，应在这3 个单元中存放一条无条件转移指令，以便直接转去执行指定的 程序。 第二组特殊单元是0003H~002AH,共40个单元。这40个单 元被均匀地分为5段，作为5个中断源的中断地址区。中断响应 后，按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序，因 此在中断地址区中应存放中断服务程序。但通常情况下，8个 单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此通常也是从中断 地址区首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后， 通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址。

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