51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能

單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

分類：

1、通用型

按單片機(jī)(Microcontrollers)適用范圍來區(qū)分。例如，80C51式通用型單片機(jī)，它不是為某種專門用途設(shè)計(jì)的;專用型單片機(jī)是針對一類產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求，在片內(nèi)集成ADC 接口等功能的溫度測量控制電路。

2、總線型

按單片機(jī)(Microcontrollers)是否提供并行總線來區(qū)分的。總線型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)。

3、控制型

按照單片機(jī)(Microcontrollers)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng);用于家電的單片機(jī)多為專用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。顯然，上述分類并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如，80C51類單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。

51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能

基本功能：

1.8位數(shù)據(jù)總線，16位地址總線的CPU;

2.具有布爾處理能力和位處理能力;

3.采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間各自獨(dú)立，便于程序設(shè)計(jì);

4.相同地址的64KB程序存儲(chǔ)器和64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;

5.0-8KB片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(8031無，8051有4KB，8052有8KB，89C55有20KB);

6.128字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(8051有256字節(jié));

7.32根雙向并可以按位尋址的I/O線;

8.兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器(8052有3個(gè));

9.一個(gè)全雙工的串行I/O接口;

10.多個(gè)中斷源的中斷結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)中斷優(yōu)先級;

11.片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。

特點(diǎn)：

1.以微處理器(CPU)為核心;

2.CPU與其他部件間通過三總線連接。

總線: 指能為多個(gè)部件服務(wù)的信息傳送線。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

單片機(jī)外部結(jié)構(gòu)

一共40根外部引腳如圖：

引腳功能介紹

1、P0口的結(jié)構(gòu)

P0口字節(jié)地址為80H，位地址80H～87H。

如圖，一個(gè)端口由鎖存器、輸入緩沖器、多路開關(guān)、一個(gè)非門、一個(gè)與門及場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

P0位結(jié)構(gòu)：

輸入緩沖器

在P0口中，有兩個(gè)三態(tài)的緩沖器，三態(tài)門有3個(gè)狀態(tài)，即在其輸出端可以是高電平、低電平，同時(shí)還有一種高阻狀態(tài)(或稱為禁止?fàn)顟B(tài))，要讀取D鎖存器輸出端Q的數(shù)據(jù)，需要使讀鎖存器中這個(gè)緩沖器的三態(tài)控制端有效，下面一個(gè)是讀引腳的緩沖器，要讀取P0.X引腳上的數(shù)據(jù)，也要使標(biāo)號為“讀引腳”的三態(tài)緩沖器的控制端有效，引腳上的數(shù)據(jù)才會(huì)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。

D鎖存器

構(gòu)成一個(gè)鎖存器，通常要用一個(gè)時(shí)序電路，一個(gè)觸發(fā)器可以保存一位二進(jìn)制數(shù)(即具有保持功能)，在51單片機(jī)的32根I/O口線中，都是用一個(gè)D觸發(fā)器來構(gòu)成鎖存器的。圖1-4中的D鎖存器，D端是數(shù)據(jù)輸入端，CP是控制端(即時(shí)序控制信號輸入端)，Q是輸出端，Q非是反向輸出端。

對于D鎖存器來講，當(dāng)D輸入端有一個(gè)輸入信號，如果這時(shí)控制端CP沒有信號(即時(shí)序脈沖沒有到來)，這時(shí)輸入端D的數(shù)據(jù)是無法傳輸?shù)捷敵龆薗及反向輸出端的。如果時(shí)序控制端CP的時(shí)序脈沖到達(dá)，這時(shí)D端輸入的數(shù)據(jù)就會(huì)傳輸?shù)絈及Q非端。數(shù)據(jù)傳送過來后，當(dāng)CP時(shí)序控制端的時(shí)序信號消失時(shí)，輸出端還會(huì)保持著上次輸入端D的數(shù)據(jù)(即把上次的數(shù)據(jù)鎖存起來)。如果下一個(gè)時(shí)序控制脈沖信號到來，這時(shí)D端的數(shù)據(jù)才再次傳送到Q端，從而改變Q端的狀態(tài)。

多路開關(guān)

在51單片機(jī)中，當(dāng)內(nèi)部的存儲(chǔ)器夠用時(shí)(即不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，這里講的存儲(chǔ)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及程序存儲(chǔ)器)，P0口可以作為通用的輸入/輸出端口(即I/O)使用，對于8031(內(nèi)部沒有ROM)的單片機(jī)，或者編寫的程序超過了單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口就作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。那么這個(gè)多路選擇開關(guān)就是用于選擇是作為普通I/O口使用還是作為地址/數(shù)據(jù)總線使用的選擇開關(guān)了。從圖1-4可知，當(dāng)多路開關(guān)與下端接通時(shí)，P0口作為普通的I/O口使用;當(dāng)多路開關(guān)是與上端接通時(shí)，P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。

利用P0口進(jìn)行擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器和I/O時(shí)，P0口將作為地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用，CPU發(fā)控制信號，打開與門，使MUX打向上邊，形成推拉式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)信號可直接讀入或輸出到內(nèi)部總線。利用P0作為通用I/O時(shí)，此時(shí)P0口是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，CPU發(fā)控制信號，封鎖與門，使上拉管截止，MUX打向下邊，與D觸發(fā)器Q連接。

2、P1口的結(jié)構(gòu)

P1口字節(jié)地址為90H，位地址為90H～97H。

P1位結(jié)構(gòu)：

與P0不同，P1口只能作為I/O口使用，無MUX，但其內(nèi)部有一個(gè)上拉電阻，所以連接外圍負(fù)載時(shí)不需要外接上拉電阻，這一點(diǎn)P1、P2、P3都一樣。

3、P2口的結(jié)構(gòu)

P2口字節(jié)地址為A0H，位地址為A0H～A7H

P2位結(jié)構(gòu)：

P2口作為I/O口線時(shí)用法與P0口一樣，當(dāng)內(nèi)部開關(guān)撥向另一個(gè)方向，即作地址輸出時(shí)，可以輸出程序存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的高8位地址，并與P0口輸出的低地址一起構(gòu)成16位的地址線。

4、P3口的結(jié)構(gòu)

P3口字節(jié)地址為B0H，位地址為B0H～B7H。

P3口作為I/O口線用時(shí)同其他的端口相同，也是準(zhǔn)雙向口，不同的是，P3口的每一位都有另一種功能，也叫第二功能，具體作用在用到時(shí)將詳細(xì)解釋。當(dāng)P3口作為通用I/O口時(shí)，準(zhǔn)雙向口第二功能端保持高電平。

當(dāng)P3口作為第二功能時(shí)，鎖存器輸出Q=1，如圖為P3口第二功能列表：

5、注意

(1)在無片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，這4個(gè)端口的每一位都可以作為準(zhǔn)雙向通用I/O端口使用。在具有片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，P2口作為高8位地址線，P0口作為雙向總線，分時(shí)作為低8位地址和數(shù)據(jù)的輸入/輸出線。

(2)P0口作為通用雙向I/O口使用時(shí)，必須外接上拉電阻。

(3)P3口除了作通用I/O口使用外，各位還具有第二功能。當(dāng)P3口某一位用于第二功能作輸出時(shí)，則不能再作通用I/O口使用。

(4)當(dāng)P0～P4端口用作輸入時(shí)，為了避免誤讀，都必須先向?qū)?yīng)的輸出鎖存器寫入1，使FET截止，然后再讀端口引腳，例如以下程序：

MOV　P1, #0FFH

MOV　A, P1

51的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是獨(dú)立分開的，數(shù)據(jù)寄存器除內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器外，還可以擴(kuò)展數(shù)據(jù)寄存器，并存但訪問指令不同。

程序寄存器

當(dāng)EA引腳接高電平，CPU將使用內(nèi)部程序寄存器，若程序超過內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間時(shí)，則CPU會(huì)自動(dòng)從外部程序存儲(chǔ)器重讀取超過部分的程序代碼。

數(shù)據(jù)寄存器

0000H ~ 007FH

1、寄存器組區(qū)

0000H~001FH共有32個(gè)地址位寄存器組區(qū)

每組寄存器組都包括R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7等8個(gè)寄存器，任何一個(gè)時(shí)間，都只能使用其中一個(gè)寄存器組。

寄存器組的切換，可由程序狀態(tài)字(PSW)中的RS1、RS0來決定。

RS0 RS1 寄存器組位址

0 0 RB0 0000H~0007H

0 1 RB1 0008H~000FH

1 0 RB2 0010H~0017H

1 1 RB3 0018H~001FH

2、可位尋址區(qū)

0020H~002FH 共16字節(jié)的存儲(chǔ)區(qū)為可位尋址區(qū)

設(shè)置20H存儲(chǔ)器地址的位5設(shè)置為1：SETB 20H.5

設(shè)置20H存儲(chǔ)器地址的位5設(shè)置為0：CLR 20H.5

3、一般數(shù)據(jù)與堆棧區(qū)

0030H~007FH的80字節(jié)為一般數(shù)據(jù)訪問及堆棧區(qū)

0080H~00FFH之間的128B位特殊功能寄存器(SFR)

特殊功能寄存器

P0、P1、P2、P3

它們是51的4個(gè)輸入/輸出端口，其地址分別為80H、90H、A0H及B0H。

P0口：該8位都為漏級開路輸出，每個(gè)引腳可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載;且內(nèi)部沒有上拉電阻，執(zhí)行輸出功能時(shí)，外部必須接上拉電阻(10千歐即可);若要執(zhí)行輸入功能，必須先輸出高電平，方能讀取該端口所連接的外部數(shù)據(jù);若系統(tǒng)連接外部存儲(chǔ)器，則P0可作為地址總線(A0A7)及數(shù)據(jù)總線(D0D7)的多功能引腳。

P1口：內(nèi)部有30千歐上拉電阻，執(zhí)行輸出功能時(shí)，不必連接外部上拉電阻;該8位都為漏級開路輸出，每個(gè)引腳可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載;若要執(zhí)行輸入功能，必須先輸出高電平，方能讀取該端口所連接的外部數(shù)據(jù);

P2口：內(nèi)部有30千歐上拉電阻，執(zhí)行輸出功能時(shí)，不必連接外部上拉電阻;該8位都為漏級開路輸出，每個(gè)引腳可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載;若要執(zhí)行輸入功能，必須先輸出高電平，方能讀取該端口所連接的外部數(shù)據(jù);若系統(tǒng)連接外部存儲(chǔ)器，而外部存儲(chǔ)器的地址線超過8條時(shí)，則P0口可作為地址總線(A8~A15)引腳。

P3口：內(nèi)部有30千歐上拉電阻，執(zhí)行輸出功能時(shí)，不必連接外部上拉電阻;該8位都為漏級開路輸出，每個(gè)引腳可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載;若要執(zhí)行輸入功能，必須先輸出高電平，方能讀取該端口所連接的外部數(shù)據(jù);

P3口其他功能：

P3 其它功能說明

P3.0 RXD 串行口的接收引腳

P3.1 RTD 串行口的傳送引腳

P3.2 INT0 INT0中斷輸入

P3.3 INT1 INT1中斷輸入

P3.4 T0 timer 0輸入

P3.5 T1 Timer 1輸入

P3.6 WR 寫入外部存儲(chǔ)器控制引腳

P3.7 RD 讀取外部存儲(chǔ)器控制引腳

SP為堆棧指針寄存器，其地址為81H。

DPL、DPH

DPL與DPH均為8位的數(shù)據(jù)指針寄存器，其地址分別為82H、83H。若以DPL為低8位、DPH為高8位，即可組成一個(gè)16位的數(shù)據(jù)指針寄存器，簡稱DPTR，如此將可尋址到64KB的數(shù)據(jù)地址。

PCON

PCON作為電源控制寄存器，其地址位87H，其功能是設(shè)定CPU的電源方式。

它是一個(gè)不可位尋址的寄存器。如圖所示：

SMOD ― ― ― GF1 GF0 PD IDL

Bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0

其中各位說明如下：

SMOD位為比特率倍增位。當(dāng)串行端口工作于模式1、模式2、模式3，且使用定時(shí)器1為其比特率產(chǎn)生器時(shí)，若其為1，這比特率加倍，若為0，這比特率正常。

GF1、GF0位為一般用途標(biāo)志位，用戶可自行設(shè)定或清除這兩個(gè)標(biāo)志。通常使用這個(gè)兩個(gè)標(biāo)志作為有中斷喚醒閑置模式中的8051系統(tǒng)。

PD位為功率下降模式位。為1時(shí)，進(jìn)入功率下降模式;為0時(shí)，結(jié)束功率下降模式。

IDL位為閑置模式位。為1時(shí)，進(jìn)入閑置模式;為0時(shí)，結(jié)束閑置模式。

TCON

TCON為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器，其地址為88H

TMOD

TMOD為計(jì)數(shù)器/計(jì)數(shù)方式控制寄存器，其地址為89H，其功能是設(shè)置它的方式

TL0、TL1、TH0、TH1

TL0、TH0為第一組定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的計(jì)量寄存器，其地址為8AH、8CH，將TL0與TH0組合即可進(jìn)行16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)。TL1、TH1為第二組定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的計(jì)量寄存器，其地址為8BH、8DH，將TL1與TH1組合即可進(jìn)行16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)。

SCON

SCON為串行端口控制寄存器，其地址為98H，其功能是設(shè)定串行端口工作方式與標(biāo)志。

SBUF

SBUF為串行端口緩沖器，其地址為99H，這是由使用同一個(gè)地址的兩個(gè)寄存器所構(gòu)成，其中一個(gè)寄存器作為傳送數(shù)據(jù)用的緩沖器，另一個(gè)寄存器作為接收數(shù)據(jù)用的緩沖器。至于如何分辨同一個(gè)地址的兩個(gè)寄存器，則視指令而定，若是數(shù)據(jù)傳送指令，則自動(dòng)定位到傳送數(shù)據(jù)用的緩沖器;若是接受數(shù)據(jù)指令，則自動(dòng)定位到接收數(shù)據(jù)用的緩沖器。詳細(xì)以后再講咯。

? ? ? ?IE

IE為中斷使能寄存器，其地址為A8H。

IP為中斷優(yōu)先級寄存器。

T2CON

T2CON為Timer 2的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器，其地址為C8H，其功能死設(shè)定Timer 2的啟動(dòng)、記錄定時(shí)/計(jì)數(shù)溢出，以及外部中斷觸發(fā)方式等。

RCAP、RCAP2H

RCAP、RCAP2H為捕捉寄存器，其地址為CAH、CBH。當(dāng)Timer 2在捕捉方式時(shí)，若T2EX(P1.1)引腳上的輸入信號有高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，TL2與TH2的內(nèi)容將被載入RCAP與RCAP2H，就像是把Timer 2的內(nèi)容捉進(jìn)RCAP寄存器一樣。

TL2、TH2

TL2、TH2為第三組定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的計(jì)量寄存器，其地址為CCH、CDH，將TL2與TH2組合即可進(jìn)行16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)。

PSW

PSW為CPU的程序狀態(tài)字寄存器，其地址為D0H，其內(nèi)容如下：

7 6 5 4 3 2 1 0

PSW CY AC F0 RS1 RS0 OV P

PSW.7：本位為進(jìn)位位(CY)，加減法時(shí)產(chǎn)生進(jìn)位或錯(cuò)位，將自行設(shè)定為1，否則為0。

PSW.6：本位為輔助進(jìn)位位(AC)，進(jìn)行加減法運(yùn)算產(chǎn)生進(jìn)位或錯(cuò)位，將自行設(shè)定為1，否則為0。

PSW.5：本位為用戶標(biāo)志位，用戶自行設(shè)定。

PSW.4與PSW.3：這兩個(gè)位為寄存器組選擇位(RS1、RS0)，其功能如下表所示。

RS1 RS0 寄存器組

0 0 RB0

0 1 RB1

1 0 RB2

1 1 RB3

PSW.2：本位為溢出標(biāo)志位(OV)，運(yùn)行時(shí)，若發(fā)生溢出，為1，否則為0。

PSW.1：本位為保留位，沒有提供服務(wù)。

PSW.0：本位位奇偶位(P)，8051采用偶同位，若ACC中奇數(shù)個(gè)1，則為1，偶數(shù)個(gè)1，則為0。

ACC

ACC累加器又稱為A寄存器，其地址為E0H。

B寄存器的地址為F0H，主要功能是配合A寄存器進(jìn)行乘法或除法運(yùn)算。進(jìn)行乘法運(yùn)算時(shí)，乘數(shù)放在B寄存器，而運(yùn)算結(jié)果，高8位放在B寄存器;進(jìn)行除法運(yùn)算時(shí)，除數(shù)放在B寄存器，而運(yùn)算的結(jié)果，余數(shù)放在B寄存器。若不進(jìn)行乘/除法運(yùn)算，B寄存器也可當(dāng)成一般寄存器使用。

門電路

與門

或門

非門

同或門

異或門

門間的組合電路