C51單片機(jī)技術(shù)教程

第1章

C51單片機(jī)的組成及結(jié)構(gòu)

重點(diǎn)與難點(diǎn) 本章重點(diǎn)是掌握C51單片機(jī)引腳功能、單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和單片機(jī)工作方式。難點(diǎn)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及專用存儲(chǔ)器（SFR）的工作原理和方式。

基本要求1．熟悉C51單片機(jī)40個(gè)引腳（DIP封裝）及其功能

2．掌握數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，熟悉專用存儲(chǔ)器（SFR）的工作原理和方式

3．理解C51單片機(jī)工作時(shí)序及其基本概念，時(shí)鐘電路的結(jié)構(gòu)和單片機(jī)的工作過程

4．對(duì)C51單片機(jī)復(fù)位、程序執(zhí)行、單步執(zhí)行、掉電保護(hù)、低功耗以及EPROM編程和校驗(yàn)6種工作方式有所了解，為以后學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)和編寫程序打下基礎(chǔ)

本章內(nèi)容1．C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2．C51單片機(jī)的CPU結(jié)構(gòu)3．C51單片機(jī)的存儲(chǔ)器空間

4．C51單片機(jī)的并行輸入/輸出端口5．C51單片機(jī)的引腳信號(hào)和CPU時(shí)序6．C51單片機(jī)的工作方式

C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.1C51單片機(jī)的CPU結(jié)構(gòu)1.2C51單片機(jī)的存儲(chǔ)器空間1.3C51單片機(jī)的并行輸入/輸出端口1.4C51單片機(jī)的引腳信號(hào)和CPU時(shí)序1.5C51單片機(jī)的工作方式1.6

1.1C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 所謂單片機(jī)，即把組成微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件，如中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、輸入/輸出接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通信接口等集成在一塊芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。

因此，單片機(jī)早期的含義為單片微型計(jì)算機(jī)（singlechipmicrocomputer），直接譯為單片機(jī)，并一直沿用至今。

C51單片機(jī)和微型計(jì)算機(jī)（以下稱作微機(jī)）一樣，是由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備5個(gè)基本部分組成，如圖1-1所示。

圖1-1C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

C51單片機(jī)的主要資源如下。（1）8位CPU。（2）片內(nèi)振蕩器。（3）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。

（4）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ROM）。

（5）程序存儲(chǔ)器的尋址范圍為64KB。（6）片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）尋址范圍為64KB。（7）2l個(gè)特殊功能寄存器（SFR）。

（8）4個(gè)8位并行雙向I/O接口：P0，Pl，P2，P3。（9）l個(gè)全雙工作串行I/O接口（UART），可多機(jī)通信。

（10）2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0/Tl，C52還多1個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2。

（11）中斷系統(tǒng)有5個(gè)中斷源，即外中斷源2個(gè)，內(nèi)部中斷源3個(gè)，內(nèi)部中斷中分2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷和1個(gè)串行中斷，全部中斷分高級(jí)和低級(jí)共2個(gè)優(yōu)先級(jí)別。

（12）111條指令，含乘法、除法指令。（13）位操作功能強(qiáng)（位操作指令17條）。（14）片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)。（15）使用+5V單一電源。1.2C51單片機(jī)的CPU結(jié)構(gòu)

CPU是單片機(jī)的核心部件，它由運(yùn)算器和控制器等部件組成。運(yùn)算器還包含一個(gè)專門進(jìn)行位數(shù)據(jù)操作的布爾處理機(jī)。

1.2.1運(yùn)算器 運(yùn)算部件以算術(shù)邏輯單元（ALU）為核心，包括累加器（ACC）、寄存器B、暫存器、程序狀態(tài)字（PSW）等部件。它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳輸操作。

1．算術(shù)邏輯單元（ALU）與累加器（ACC）、寄存器B

2．程序狀態(tài)字 程序狀態(tài)字（PSW）是一個(gè)8位的標(biāo)志寄存器，它保存指令執(zhí)行結(jié)果的特征信息，以供程序查詢和判別。其各位的功能、標(biāo)志符號(hào)和位地址如表1-1所示。

算術(shù)邏輯單元（ALU）主要完成下列功能。（1）算術(shù)運(yùn)算（2）邏輯運(yùn)算（3）移位功能

1.2.2布爾處理機(jī) 布爾處理（即位處理）機(jī)是C51單片機(jī)ALU所具有的一種功能。

1.2.3控制部件及振蕩器 控制部件是單片機(jī)的神經(jīng)中樞，它包括定時(shí)和控制電路、指令寄存器、譯碼器數(shù)據(jù)地址指針（DPTR），程序計(jì)數(shù)器（PC），堆棧指針（SP），以及RAM地址寄存器，16位地址緩沖器等部件。

單片機(jī)以主振頻率為基準(zhǔn)發(fā)出CPU的時(shí)序，對(duì)指令進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)，完成一系列定時(shí)控制的微操作，用來協(xié)調(diào)單片機(jī)內(nèi)部各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)運(yùn)算等操作。

并對(duì)外發(fā)出地址鎖存ALE、外部程序存儲(chǔ)器選通PSEN，以及通過P3.6和P3.7發(fā)出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀（RD）、寫（WR）等控制信號(hào)，并且接收處理外接的復(fù)位和外部程序存儲(chǔ)器訪問控制EA信號(hào)。

單片機(jī)的定時(shí)控制功能是用片內(nèi)的時(shí)鐘電路和定時(shí)電路來完成的，而片內(nèi)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方式，即內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。

圖1-2單片機(jī)內(nèi)部振蕩方式接法

圖1-3單片機(jī)外部振蕩方式接法

圖1-4C51單片機(jī)堆棧1.3C51單片機(jī)的存儲(chǔ)器空間

1.3.1存儲(chǔ)器的基本知識(shí)

1．位的含義

2．字節(jié)（byte）的含義

3．字（word）

4．字長(zhǎng)

1.3.2C51單片機(jī)的存儲(chǔ)器 計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)有兩種：一種結(jié)構(gòu)稱為哈佛結(jié)構(gòu)，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開，相互獨(dú)立；另一種結(jié)構(gòu)稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是統(tǒng)一的，地址空間統(tǒng)一編址。

C51單片機(jī)屬于哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開。

圖1-5C51單片機(jī)的存儲(chǔ)空間分布圖

從用戶使用的角度看，C51單片機(jī)的存儲(chǔ)器地址空間分為3類：（1）片內(nèi)片外統(tǒng)一編址0000H～FFFFH的64KB程序存儲(chǔ)器地址空間（用16位地址）；

（2）64KB片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間，地址0000H～FFFFH（用16位地址）；（3）256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間（用8位地址）。

1.3.2.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

1．編址與訪問

C51單片機(jī)片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)獨(dú)立的地址空間，應(yīng)分別單獨(dú)編址。

2．片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

圖1-6C51片內(nèi)RAM地址空間

（1）工作寄存器區(qū)

（2）位尋址區(qū)（3）數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（4）堆棧和堆棧指針

堆棧具有如下特點(diǎn)。 ①堆棧是一個(gè)符合“先進(jìn)后出、后進(jìn)先出”的RAM區(qū)域； ②SP總是指向堆棧的頂部（保存有數(shù)據(jù)）； ③堆棧可以設(shè)在內(nèi)部RAM中的任意區(qū)域，一般開辟在30H～7FH中。

堆棧的功能如下。 ①保護(hù)斷點(diǎn) ②保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) ③數(shù)據(jù)的臨時(shí)存放

（5）專用寄存器 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的高128單元是為專用寄存器提供的，因此稱為專用寄存器區(qū)，其單元地址為80H～FFH，用于存放相應(yīng)功能部件的控制命令、狀態(tài)或數(shù)據(jù)。

因?yàn)檫@些寄存器的功能已作專門的規(guī)定，故而稱為專用寄存器（SFR），有時(shí)也稱為特殊功能寄存器。

①程序計(jì)數(shù)器（PC） ②累加器（ACC）

③

B寄存器 ④程序狀態(tài)字（PSW）

進(jìn)位標(biāo)志CY或C（PSW.7） 輔助進(jìn)位標(biāo)志AC（PSW.6） 軟件標(biāo)志位F0（PSW.5） 工作寄存器組選擇位RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）

溢出標(biāo)志位OV（PSW.2） 奇偶標(biāo)志P（PSW.0） 堆棧指針（SP） 數(shù)據(jù)指針（DPTR）

端口P0～P3

串行數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF） 串行口控制與狀態(tài)寄存器（SCON） 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

定時(shí)器工作方式寄存器（TMOD）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器（TCON）中斷允許寄存器（IE）C51有5個(gè)中斷源，中斷允許寄存器的中斷優(yōu)先級(jí)寄存器（IP）

3．片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)

1.3.2.2程序存儲(chǔ)器

1．編址與訪問

2．程序的特殊入口地址

1.4C51單片機(jī)的并行輸入/輸出端口

C51單片機(jī)有4個(gè)8位并行I/O口，P0～P3，共32根端口線。每個(gè)端口都包括鎖存器（即SFR：P0～P3）、輸出驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)三態(tài)緩沖器以及控制電路。4個(gè)I/O端口都是準(zhǔn)雙向的并行I/O端口。

1.4.1P0口

1．P0口結(jié)構(gòu)

圖1-7P0口結(jié)構(gòu)圖

2．地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用功能 當(dāng)P0口作為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線時(shí)，可分為兩種情況：一種是從P0口輸出地址或數(shù)據(jù)，另一種是從P0口輸入數(shù)據(jù)。

3．通用I/O接口功能（1）在輸出數(shù)據(jù)時(shí)，由于V2截止，輸出級(jí)是漏極開路電路，要使“1”信號(hào)正常輸出，必須外接上拉電阻。（2）P0口作為通用I/O口使用時(shí)，是準(zhǔn)雙向口。

4．端口操作

C51單片機(jī)有不少指令可直接進(jìn)行端口操作，例如：

1.4.2P1口

P1口為準(zhǔn)雙向口，其1位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。

圖1-8P1口內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

P1口只有通用I/O接口一種功能，其輸入輸出原理特性與P0口作為通用I/O接口使用時(shí)一樣。

1.4.3P2口

P2口為準(zhǔn)雙向口，其1位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。

圖1-9P2口內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.4.4P3口 圖1-10所示為P3口的１位內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它具有第二輸出功能，既可作為輸入/輸出口使用，又能涉及串口、外部中斷、定時(shí)器等。擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，WR和RD作為控制線使用。

圖1-10P3口內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.4.5四個(gè)并行口使用的注意事項(xiàng)（1）如果單片機(jī)內(nèi)部有程序存儲(chǔ)器，不需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器和I/O接口，單片機(jī)的4個(gè)口均可作I/O口使用。（2）四個(gè)口在作為輸入口使用時(shí)，均應(yīng)先對(duì)其寫“1”，以避免誤讀。

（3）P0口作為I/O口使用時(shí)，應(yīng)外接10k的上拉電阻，其他口則可不必。（4）P2口的某幾根線作為地址使用時(shí)，剩下的線不能作為I/O口線使用。（5）P3口的某些口線作為第二功能時(shí)，剩下的口線可以單獨(dú)作為I/O口線使用。1.5C51單片機(jī)的引腳信號(hào)和CPU時(shí)序

C51單片機(jī)有44個(gè)引腳的方形封裝形式和40個(gè)引腳的雙列直插式封裝形式，其中最常用的是40個(gè)引腳封裝，如圖1-11所示。

圖1-11C51單片機(jī)引腳圖

1.5.1C51單片機(jī)引腳功能說明

1．主電源引腳

VCC（40腳）：接+5V電源正端。

VSS（20腳）：接+5V電源地端。

2．外接石英晶體引腳

XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）：使用內(nèi)部振蕩電路時(shí)，用來接石英晶體和電容；使用外部時(shí)鐘時(shí)，用來輸入時(shí)鐘脈沖。

3．輸入/輸出引腳（1）P0口（39～32腳）（2）P1口（1～8腳）（3）P2口（21～28腳）（4）P3口（10～17腳）

4．控制線（1）ALE/（30腳）（2）（29腳）（3）RST/VPD（9腳）（4）/VPP（31腳）

綜上所述，C51系列單片機(jī)的引腳特點(diǎn)，可歸納為以下兩點(diǎn)。

（1）單片機(jī)功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳都具有第二功能。

（2）單片機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)3總線形式，由P2口，P0口組成16位地址總線；由P0口分時(shí)復(fù)用為數(shù)據(jù)總線；由ALE，，RST，與P3口中的，，,T0，T1，，共10個(gè)引腳組成控制總線。由于是16位地址線，因此可使片外存儲(chǔ)器的尋址范圍達(dá)到64KB。

1.5.2復(fù)位電路

1．復(fù)位狀態(tài) 復(fù)位操作使單片機(jī)的片內(nèi)電路初始化，使單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開始運(yùn)行。

復(fù)位操作通常有如下2種基本形式： 上電復(fù)位 開關(guān)復(fù)位

2．復(fù)位電路

圖1-12C51單片機(jī)復(fù)位電路

圖1-13C51單片機(jī)上電復(fù)位及按鈕復(fù)位的一種實(shí)用電路

1.5.3CPU