第二章 单片机结构和时序

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第二章 单片机内部结构和工作原理

本章主要内容1、 80C51系列单片机内部结构 、 系列单片机内部结构 2、外部引脚功能 、 3、存储空间配置和功能 、 4、片内 、片内RAM结构和功能 结构和功能 5、特殊功能寄存器的用途和功能 、 6、程序计数器 的作用和基本工作方式 、程序计数器PC的作用和基本工作方式 7、I/O端口结构、工作原理及功能 端口结构、 、 端口结构 8、时钟和时序 、 9、复位电路、复位条件和复位后状态 、复位电路、 10、低功耗工作方式的作用和进入退出的方法 、单片机原理及应用》 《单片机原理及应用》1

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第二章单片机内部结构和工作原理 第二章单片机内部结构和工作原理2.1 内部结构和引脚功能 2.2 存储空间配置和功能 2.3 I/O端口结构及工作原理 端口结构及工作原理 2.4 时钟和时序 2.5 复位和低功耗工作方式2

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2.1 内部结构和引脚功能 2.1.1 内部结构

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MCS-51单片机基本特性 单片机基本特性8 位的 CPU,片内有振荡器和时钟电路，工作频率 ，片内有振荡器和时钟电路， 为 1~12MHz(Atmel 89Cxx为0~24MHz) ~ ( 为 ~ ) 片内有 128/256字节 RAM 字节 片内有 0K/4K/8K字节 程序存储器 字节 程序存储器ROM 可寻址片外 可寻址片外 64K字节 数据存储器 字节 数据存储器RAM 可寻址片外 64K字节 程序存储器ROM 可寻址片外 64K字节 程序存储器ROM 片内 21/26个 特殊功能寄存器(SFR) 个 特殊功能寄存器( ) 4个8位 的并行 口(PIO) 个 位 并行I/O口 ) 1个 全双工串行口(SIO/UART) 串行口( 个 全双工串行口 ) 2/3个16位 定时器/计数器(TIMER/COUNTER) 个 位 定时器 计数器( ) 计数器 个中断源， 可处理 5/6个中断源，两级中断优先级 个中断源 内置1个布尔处理器和 个布尔累加器( ) 个布尔处理器和1个布尔累加器 内置 个布尔处理器和 个布尔累加器(Cy) MCS-51指令集含 111条指令 指令集含 条指令 4

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MCS-51系列单片机配置一览表 系列单片机配置一览表片内存储器(字节) 片内存储器(字节) 系列 无 Intel MCS-51 子系列 Intel MCS-52 子系列 ATEML 89C系列 系列 (常用型 常用型) 常用型 8031 80C31 片内ROM 片内 有ROM 8051 80C51 (4K字节 字节) 字节 8052 80C52 (8K字节 字节) 字节 有 EPROM 8751 87C51 (4K字节 字节) 字节 8752 87C52 (8K字节 字节) 字节 片内 RAM 128 字节 定时器 计数器 并行 I/O 串行 I/O 中 断 源

2x16

4x8位 位

1

5

8032 80C32

256 字节

3x16

4x8位 位

1

6

1051(1K)/ 2051(2K)/ 4051(4K) 条引脚DIP封装) 封装) (20条引脚 条引脚 封装 89C51(4K)/ 89C52(8K) 条引脚DIP封装) 封装) (40条引脚 条引脚 封装

128 128/2 56

2

15

1

5

2/3

32

1

5/6

注意：今后将会经常提到 注意：今后将会经常提到ATMEL

的 的 AT89C2051/51/52等MCU! 等 ！

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单片机的引脚定义从一片集成电路的角度去认识单片机

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2.1.2 引脚功能40个引脚双排直插 个引脚双排直插DIP封装，大致可分为 类： 封装， 个引脚双排直插 封装 大致可分为4类 电源、时钟、控制和 引脚 引脚。 电源、时钟、控制和I/O引脚。

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单片机的引脚1、电源：1)VCC — 芯片电源，接5V/3.3V/2.7V; 、电源： ) 芯片电源， ; 2)VSS — 接地端； 接地端； ) 2、时钟：XTAL1、XTAL2 — 晶体振荡电路反相 、时钟： 、 输入端和输出端。 输入端和输出端。通常外接一个晶 通常外接一个晶 振两个电容XTAL1

也可以由 XTAL1端 端 接入外部时钟， 接入外部时钟，此 时应将 XTAL2接地 接地外部时钟 XTAL1 XTAL2 XTAL2

15~45pfx2 ~

1~12MHz(MCS-51) ~ ( ) 0~24MHz(Atmel-89C) ~ ( )

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3、控制线：4根 、控制线： 根1)ALE/PROG:地址锁存允许/片内 ) :地址锁存允许 片内EPROM编程脉 编程脉 片内 冲 功能： 口送出的低8位地址 ① ALE功能：用来锁存 口送出的低 位地址 功能 用来锁存P0口送出的低 功能： 的芯片， ② PROG功能：片内有 功能 片内有EPROM的芯片，在 的芯片 EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 编程期间，此引脚输入编程脉冲。 编程期间 2)PSEN:外ROM读选通信号。 ) 读选通信号。 外 读选通信号 3)RST/VPD:复位 备用电源。 ) 复位/备用电源 复位 备用电源。 ① RST(Reset)功能：复位信号输入端。 ( )功能：复位信号输入端。 功能： 掉电情况下， 功能 掉电情况下 接备用电源。 ② VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。9

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单片机的引脚( 单片机的引脚(PSEN端) 端PSEN:寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控 ：寻址外部程序存储器时选通外部 的读控 制端( )低有效。 制端(OE)低有效。

单片机 P0.0-P0.7 ALE EA PSEN P2.0-P2.4

锁存器 74LS373 8D G OE 8Q

D0-D7 A0-A7 EPROM OE A8-A12 CE

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4)EA/Vpp:内外 ) 内外ROM选择 片内 选择/片内 编程电源。 内外 选择 片内EPROM编程电源。 编程电源 ① EA功能：内外 功能： 选择端。 功能 内外ROM选择端。 选择端80C51单片机 单片机ROM寻址范围为 寻址范围为64KB,其中 在片内， 单片机 寻址范围为 ，其中4KB在片内， 在片内 60KB在片外 在片外(80C31芯片无内 芯片无内ROM,全部在片外 。 在片外 芯片无内 ，全部在片外)。 保持高电平时， 当EA保持高电平时，先访问内 保持高电平时 先访问内ROM,但当 (程序计数 ，但当PC( 器)值超过4KB(0FFFH)时，将自动转向执行外 将自动转向执行外ROM中 值超过 ( ) 中 的程序。 的程序。 保持低电平时， 当EA保持低电平时，则只访问外 保持低电平

时 则只访问外ROM,不管芯片内有否 ， 芯片， 必须接地。 内ROM。对80C31芯片，片内无 。 芯片 片内无ROM,因此 必须接地。 ,因此EA必须接地

② Vpp功能：片内有 功能： 的芯片， 功能 片内有EPROM的芯片，在EPROM 的芯片 编程期间，施加编程电源Vpp。 编程期间，施加编程电源 。11

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4. I/O线 线80C51共有 个8位并行 端口：P0、P1、P2、 共有4个 位并行I/O端口 端口： 、 、 、 共有 P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特 个引脚。 口还具有第二功能 第二功能， 口 个引脚 殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。 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； 输入端； :串行口输入端 P3.1 —— TXD:串行口输出端； TXD:串行口输出端 输出端； P3.2 —— INT0:外部中断 请求输入端； 请求输入端； :外部中断0请求输入端 P3.3 —— INT1:外部中断 请求输入端； 请求输入端； :外部中断1请求输入端 P3.4 —— T0:定时 计数器 外部信号输入端； 计数器0外部信号输入端 ：定时/计数器 外部信号输入端； P3.5 —— T1:定时 计数器 外部信号输入端； 计数器1外部信号输入端 ：定时/计数器 外部信号输入端； P3.6 —— WR:外RAM写选通信号输出端； : 写选通信号输出端； P3.7 —— RD:外RAM读选通信号输出端。 返 回 ： 读选通信号输出端。12

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2.2 存储空间配置和功能

80C51的存储器配置方式与其他常用的微机系 的存储器配置方式与其他常用的微机系 统不同， 哈佛结构 注意 什么是哈佛结构?), 注意:什么是哈佛结构 统不同，属哈佛结构(注意 什么是哈佛结构 ，它 把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址 程序存储器和数据存储器分开， 分开 系统、控制信号和功能。 系统、控制信号和功能。程序存储器用于存放程序 和表格常数； 和表格常数；数据存储器用于存放程序运行数据和 结果。 结果。

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80C51的存储器组织结构可以分为三个 的存储器组织结构可以分为三个 的存储器组织结构可以分为 不同的存储空间，分别是： 不同的存储空间，分别是： 1)64KB程序存储器(ROM),包括 ) 程序存储器( ),包括 程序存储器 ), 片内ROM和片外 和片外ROM; 片内 和片外 ； 2)64KB外部数据存储器(外RAM); ) 外部数据存储器( 外部数据存储器 ); 3)256B内部数据存储器(内RAM) ) 内部数据存储器( 内部数据存储器 ) 包括特殊功能寄存器) (包括特殊功能寄存器) 。

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80C51存储空间配置图 存储空间配置图

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2.2.1 程序存储器(ROM) 程序存储器( )地址范围： 地址范围：0000H~FFFFH,共64KB。其中 ~ , 。

其中: 低段4KB:0000H~0FFFH : 低段 ~ 80C51和87C51在片内(或片外), 和 在片内(或片外),80C31在片外。 在片外。 在片内 ), 在片外 高段60KB:1000H~FFFFH。在片外。 : 高段 ~ 。在片外。 读写ROM用MOVC指令，控制信号是 用 指令， 读写 指令 控制信号是PSEN和EA。 和 。 是以程序计数器PC作为 位地址指针， 读ROM是以程序计数器 作为 位地址指针，依 是以程序计数器 作为16位地址指针 次读相应地址ROM中的指令和数据，每读一个字节， 中的指令和数据， 次读相应地址 中的指令和数据 每读一个字节， PC+1→PC,这是 自动形成的。 ,这是CPU自动形成的。 自动形成的 但是有些指令有修改 的功能，例如转移类指令 修改PC的功能 但是有些指令有修改 的功能，例如转移类指令 指令， 将按修改后PC的 位地址读 位地址读ROM。 和MOVC指令，CPU将按修改后 的16位地址读 指令 将按修改后 。16

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读外ROM的过程 的过程 读外CPU从PC(程序计数器 中取出当前 从 程序计数器)中取出当前 程序计数器 中取出当前ROM的16位 的 位 地址，分别由P0口 地址，分别由 口(低8位)和P2口(高8位)同时 位 口 位 输出， 信号有效时由地址锁存器锁存低 输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低 位地址 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 位地址信号和P2口 输出的低 信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和 口输出 位地址输入端， 的高8位地址信号同时加到外 位地址信号同时加到外ROM 16位地址输入端， 位地址输入端 信号有效时 当PSEN信号有效时，外ROM将相应地址存储单元中 信号有效时， 将相应地址存储单元中 的数据送至数据总线( 口),CPU读入后存入指 的数据送至数据总线(P0口), 读入后存入指 定单元。 定单元。

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注意

64KB中有一小段范围是 中有一小段范围是80C51系统专用 中有一小段范围是 系统专用 单元， 个中断源中断服务程 单元，0003H~0023H是5个中断源中断服务程 是 个中断源 序入口地址(详见第 详见第5章 ， 序入口地址 详见第 章),用户不能安排其他 内容。 内容。

80C51复位后，PC=0000H,CPU从地址 复位后 复位 ， 从地址 单元中读取指令和数据。 为0000H的ROM单元中读取指令和数据。从 的 单元中读取指令和数据 0000H到0003H只有 ，根本不可能安排一个 只有3B, 到 只有 完整的系统程序， 又是依次读ROM 完整的系统程序，而80C51又是依次读 又是依次读 字节的。因此， 只能用来安排一条跳转 字节的。因此，这3B只能用来安排一条跳转 只能用来 指令， 指令，跳转到其他合适的地址范围去执行真正 的主程序。 的主程序。

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2.2.2 外部数据

存储器(外RAM) 外部数据存储器( )地址范围：0000H~FFFFH,共64KB 地址范围： ~ , 读写外RAM用MOVX指令，控制信号是 用 指令， 读写外 指令 P3口中的 和WR。 口中的RD和 口中的 。 注意 一般情况下，只有在内 一般情况下，只有在内RAM不能 不能 满足应用要求时， 外接RAM。 。 满足应用要求时，才外接

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读外RAM的过程： 的过程： 的过程 外RAM 16位地址分别由 口(低8位)和P2口(高8 位地址分别由P0口 位 口 位地址分别由 同时输出， 信号有效时由地址锁存器锁存低8位 位)同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低 位 信号有效时由地址锁存器锁存低 地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和 位地址信号和P2口 地址信号，地址锁存器输出的低 位地址信号和 口输出 位地址输入端， 的高8位地址信号同时加到外 位地址信号同时加到外RAM 16位地址输入端，当 位地址输入端 RD信号有效时，外RAM将相应地址存储单元中的数据送 信号有效时， 将相应地址存储单元中的数据送 信号有效时 将相应地址存储单元中的 至数据总线( 口),CPU读入后存入指定单元。 读入后存入指定单元。 至数据总线(P0口), 读入后存入指定单元 写外RAM的过程： 的过程： 的过程 写外RAM的过程与读外 写外 的过程与读外RAM的过程相同。只是控 的过程相同。 的过程与读外 的过程相同 制信号不同，信号换成WR信号。当WR信号有效时，外 信号。 信号有效时， 制信号不同，信号换成 信号 信号有效时 RAM将数据总线(P0口分时传送)上的数据写入相应地 将数据总线( 口分时传送 口分时传送) 将数据总线 址存储单元中。 址存储单元中。20

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2.2.3 内部数据存储器(内RAM) 内部数据存储器( )

从广义上讲， 从广义上讲，80C51内RAM和特 内 和 殊功能寄存器均属于片内 均属于片内RAM空间， 空间， 殊功能寄存器均属于片内 空间 地址范围为00H-7FH(00H内RAM地址范围为 ( FFH),特殊功能寄存器地址范围为 ),特殊功能寄存器 ),特殊功能寄存器地址范围为 80H-FFH(与高 (与高128BRAM地址范围 地址范围 相同),通常用寻址方式加以区别。 ),通常用寻址方式加以区别 相同),通常用寻址方式加以区别。

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