8051系列單片機的原理和結構介紹

單片機是一種控制芯片，一個微型的計算機，而加上晶振，存儲器，地址鎖存器，邏輯門，七段譯碼器（顯示器），按鈕（類似鍵盤），擴展芯片，接口等那是單片機系統，以下是8051系列單片機原理和內部結構基礎介紹

?外部引腳功能

?存儲空間配置和功能

? 片內RAM結構和功能

? 特殊功能寄存器的用途和功能

? 程序計數器PC的作用和基本工作方式

? I/O端口結構、工作原理及功能

? 時鐘和時序

? 復位電路、復位條件和復位后狀態

? 低功耗工作方式的作用和進入退出的方法

§2-1 單片機原理簡介和引腳功能

一、內部結構

二、引腳功能

40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。

⒈ 電源： ⑴ VCC - 芯片電源，接+5V；

⑵ VSS - 接地端；

⒉ 時鐘：XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。

⒊ 控制線：控制線共有4根，

⑴ ALE/PROG：地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖

① ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址

② PROG功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。

⑵ PSEN：外ROM讀選通信號。

⑶ RST/VPD：復位/備用電源。

① RST（Reset）功能：復位信號輸入端。

② VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。

⑷ EA/Vpp：內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。

① EA功能：內外ROM選擇端。

② Vpp功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。

⒋ I/O線

80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。

§2-1 存儲空間配置和功能

80C51的存儲器組織結構可以分為三個不同的存儲空間，分別是：

⑴ 64KB程序存儲器（ROM），包括片內ROM和片外ROM；

⑵ 64KB外部數據存儲器（外RAM）；

⑶ 256B內部數據存儲器（內RAM）

（包括特殊功能寄存器） 。

8051單片機存儲空間配置原理

一、程序存儲器（ROM）

地址范圍：0000H～FFFFH，共64KB。其中：

低段4KB：0000H～0FFFH

80C51和87C51在片內，80C31在片外。

高段60KB：1000H～FFFFH。在片外。

讀寫ROM用MOVC指令，控制信號是PSEN和EA。

讀ROM是以程序計數器PC作為16位地址指針，依次讀相應地址ROM中的指令和數據，每讀一個字節，PC+1→PC，這是CPU自動形成的。

但是有些指令有修改PC的功能，例如轉移類指令和MOVC指令，CPU將按修改后PC的16位地址讀ROM。

讀外ROM的過程：

CPU從PC中取出當前ROM的16位地址，分別由P0口（低8位）和P2口（高8位）同時輸出，ALE信號有效時由地址鎖存器鎖存低8位地址信號，地址鎖存器輸出的低8位地址信號和P2口輸出的高8位地址信號同時加到外ROM 16位地址輸入端，當PSEN信號有效時，外ROM將相應地址存儲單元中的數據送至數據總線（P0口），CPU讀入后存入指定單元。

二、外部數據存儲器（外RAM）

? 地址范圍：0000H～FFFFH 共64KB。

? 讀外RAM的過程：

外RAM 16位地址分別由P0口（低8位）和P2口（高8位）同時輸出，ALE信號有效時由地址鎖存器鎖存低8位地址信號，地址鎖存器輸出的低8位地址信號和P2口輸出的高8位地址信號同時加到外RAM 16位地址輸入端，當RD信號有效時，外RAM將相應地址存儲單元中的數據送至數據總線（P0口），CPU讀入后存入指定單元。

三、單片機內部數據存儲器原理（內RAM）

從廣義上講，8051內RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均屬于片內RAM空間，讀寫指令均用MOV指令。但為加以區別，內RAM通常指00H～7FH的低128B空間。

8051內RAM又可分成三個物理空間：工作寄存器區、位尋址區和數據緩沖區。

作用：

有專用于工作寄存器操作的指令，讀寫速度比一般內RAM要快，指令字節比一般直接尋址指令要短，還具有間址功能，能給編程和應用帶來方便。

工作寄存器區分為4個區：0區、1區、2區、3區。每區有8個寄存器：R0～R7，寄存器名稱相同。但是，當前工作的寄存器區只能有一個，由PSW中的D4、D3位決定。

⒉ 位尋址區

⑴地址：

從20H～2FH共16字節（Byte，縮寫為英文大寫字母B）。每B有8位（bit，縮寫為小寫b），共128位，每一位均有一個位地址，可位尋址、位操作。即按位地址對該位進行置1、清0、求反或判轉。

⑵用途：

存放各種標志位信息和位數據。

⑶注意事項：

位地址與字節地址編址相同，容易混淆。

區分方法：位操作指令中的地址是位地址;

字節操作指令中的地址是字節地址。

位尋址區的位地址映象表

⒊ 數據緩沖區

內RAM中30H～7FH為數據緩沖區，用于存放各種數據和中間結果，起到數據緩沖的作用。

四、特殊功能寄存器（SFR）

特殊功能寄存器地址映象表（一）

特殊功能寄存器地址映象表（二）

特殊功能寄存器地址映象表（三）

⑶ 程序狀態字寄存器PSW

PSW也稱為標志寄存器，了解這個對于了解單片機原理非常的重要，存放各有關標志。其結構和定義如下：

① Cy — 進位標志。

用于表示Acc.7有否向更高位進位。

② AC — 輔助進位標志。

用于表示Acc.3有否向Acc.4進位。

③ RS1、RS0 — 工作寄存器區選擇控制位。

RS1、RS0 = 00 —— 0區（00H～07H）

RS1、RS0 = 01 —— 1區（08H～0FH）

RS1、RS0 = 10 —— 2區（10H～17H）

RS1、RS0 = 11 —— 3區（18H～1FH）

④ OV — 溢出標志。

表示Acc在有符號數算術運算中的溢出。

⑤ P — 奇偶標志。 表示Acc中“1”的個數的奇偶性。

⑥ F0 、F1 — 用戶標志。

⑷ 數據指針DPTR

16位，由兩個8位寄存器DPH、DPL組成。主要用于存放一個16位地址，作為訪問外部存儲器（外RAM和ROM）的地址指針。

⑸ 堆棧指針SP

專用于指出堆棧頂部數據的地址。

§2-3 I/O端口結構及工作原理

※ 有4個8位并行I/O口，共32條端線：

P0、P1、P2和P3口。

每一個I/O口都能用作輸入或輸出。

※ 用作輸入時，均須先寫入“1”；

用作輸出時，P0口應外接上拉電阻。

※ P0口的負載能力為8個LSTTL門電路；

P1～P3口的負載能力為4個LSTTL門電路。

※ 在并行擴展外存儲器或I/O口情況下，

P0口用于低8位地址總線和數據總線（分時傳送）

P2口用于高8位地址總線，

P3口常用于第二功能，

用戶能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能

的部分P3口端線。

§2-4 時鐘和時序原理

一、時鐘電路

二、時鐘周期和機器周期

⑴ 時鐘周期。

80C51振蕩器產生的時鐘脈沖頻率的倒數，是最基本最小的定時信號。

⑵ 機器周期。

80C51單片機工作的基本定時單位，簡稱機周。

§2-5 復位和低功耗工作方式

80C51單片機的工作方式共有四種：

⑴ 復位方式；

⑵ 程序執行方式；

⑶ 低功耗方式；

⑷ 片內ROM編程（包括校驗）方式。

一、復位方式

⒈ 復位條件

RST引腳保持2個機器周期以上的高電平。

⒉ 復位電路

⒊ 復位后CPU狀態

PC： 0000H TMOD： 00H

Acc： 00H TCON： 00H

B： 00H TH0： 00H

PSW： 00H TL0： 00H

SP： 07H TH1： 00H

DPTR：0000H TL1： 00H

P0～P3：FFH SCON： 00H

IP：×××00000B SBUF： 不定

IE：0××00000B PCON： 0×××0000B

二、低功耗工作方式

⑴ 待機（休閑）方式（Idle）

⑵ 掉電保護方式（Power Down）。

兩種低功耗工作方式由電源控制寄存器PCON確定。

其中：

SMOD：波特率倍增位（在串行通信中使用）

GF1、GF0：通用標志位

PD：掉電方式控制位，

PD=1，進入掉電工作方式；

IDL：待機（休閑）方式控制位，

IDL=1，進入待機工作方式。

（1） 待機（休閑）方式

（2） 待機（休閑）狀態進入

只要使PCON中IDL位置1。

⑶ 待機（休閑）狀態退出

①產生中斷；

②復位。

⒉ 掉電保護方式

⑴ 掉電保護方式狀態

●片內振蕩器停振，所有功能部件停止工作；

●片內RAM數據信息保存不變；

● ALE、PSEN為低電平；

● Vcc可降至2V，但不能真正掉電。

⑵ 掉電保護狀態進入

只要使PCON中PD位置1。

⑶ 掉電保護狀態退出

唯一方法是硬件復位，復位后片內RAM數據不變，特殊功能寄存器內容按復位狀態初始化。

工業種常用的PLC實際就是單片機系統，一般在家用電器（比如微波爐洗衣機彩電等），手機等 ，都是單片機系統，當然有8，16，和32位之分了。單片機叫“中介機”嗎？這種說法準確嗎？單片因為資源有限，自身沒有開發能力，必須借助開發工具來開發應用它，以上是單片機原理的基礎介紹，這個東西還是需要進行大量的試驗才能真正的理解，學好