8051系列单片机的原理和结构介绍

单片机是一种控制芯片，一个微型的计算机，而加上晶振，存储器，地址锁存器，逻辑门，七段译码器（显示器），按钮（类似键盘），扩展芯片，接口等那是单片机系统，以下是8051系列单片机原理和内部结构基础介绍

外部引脚功能

存储空间配置和功能

 片内RAM结构和功能

 特殊功能寄存器的用途和功能

 程序计数器PC的作用和基本工作方式

 I/O端口结构、工作原理及功能

 时钟和时序

 复位电路、复位条件和复位后状态

 低功耗工作方式的作用和进入退出的方法

§2-1 单片机原理简介和引脚功能

一、内部结构

二、引脚功能

40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。

⒈ 电源： ⑴ VCC - 芯片电源，接+5V；

⑵ VSS - 接地端；

⒉ 时钟：XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。

⒊ 控制线：控制线共有4根，

⑴ ALE/PROG：地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

① ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址

② PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵ PSEN：外ROM读选通信号。

⑶ RST/VPD：复位/备用电源。

① RST（Reset）功能：复位信号输入端。

② VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。

⑷ EA/Vpp：内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

① EA功能：内外ROM选择端。

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

⒋ I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

§2-1 存储空间配置和功能

80C51的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是：

⑴ 64KB程序存储器（ROM），包括片内ROM和片外ROM；

⑵ 64KB外部数据存储器（外RAM）；

⑶ 256B内部数据存储器（内RAM）

（包括特殊功能寄存器） 。

8051单片机存储空间配置原理

一、程序存储器（ROM）

地址范围：0000H～FFFFH，共64KB。其中：

低段4KB：0000H～0FFFH

80C51和87C51在片内，80C31在片外。

高段60KB：1000H～FFFFH。在片外。

读写ROM用MOVC指令，控制信号是PSEN和EA。

读ROM是以程序计数器PC作为16位地址指针，依次读相应地址ROM中的指令和数据，每读一个字节，PC+1→PC，这是CPU自动形成的。

但是有些指令有修改PC的功能，例如转移类指令和MOVC指令，CPU将按修改后PC的16位地址读ROM。

读外ROM的过程：

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

二、外部数据存储器（外RAM）

 地址范围：0000H～FFFFH 共64KB。

 读外RAM的过程：

外RAM 16位地址分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外RAM 16位地址输入端，当RD信号有效时，外RAM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。

三、单片机内部数据存储器原理（内RAM）

从广义上讲，8051内RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均属于片内RAM空间，读写指令均用MOV指令。但为加以区别，内RAM通常指00H～7FH的低128B空间。

8051内RAM又可分成三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。

作用：

有专用于工作寄存器操作的指令，读写速度比一般内RAM要快，指令字节比一般直接寻址指令要短，还具有间址功能，能给编程和应用带来方便。

工作寄存器区分为4个区：0区、1区、2区、3区。每区有8个寄存器：R0～R7，寄存器名称相同。但是，当前工作的寄存器区只能有一个，由PSW中的D4、D3位决定。

⒉ 位寻址区

⑴地址：

从20H～2FH共16字节（Byte，缩写为英文大写字母B）。每B有8位（bit，缩写为小写b），共128位，每一位均有一个位地址，可位寻址、位操作。即按位地址对该位进行置1、清0、求反或判转。

⑵用途：

存放各种标志位信息和位数据。

⑶注意事项：

位地址与字节地址编址相同，容易混淆。

区分方法：位操作指令中的地址是位地址;

字节操作指令中的地址是字节地址。

位寻址区的位地址映象表

⒊ 数据缓冲区

内RAM中30H～7FH为数据缓冲区，用于存放各种数据和中间结果，起到数据缓冲的作用。

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 程序状态字寄存器PSW

PSW也称为标志寄存器，了解这个对于了解单片机原理非常的重要，存放各有关标志。其结构和定义如下：

① Cy — 进位标志。

用于表示Acc.7有否向更高位进位。

② AC — 辅助进位标志。

用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。

③ RS1、RS0 — 工作寄存器区选择控制位。

RS1、RS0 = 00 —— 0区（00H～07H）

RS1、RS0 = 01 —— 1区（08H～0FH）

RS1、RS0 = 10 —— 2区（10H～17H）

RS1、RS0 = 11 —— 3区（18H～1FH）

④ OV — 溢出标志。

表示Acc在有符号数算术运算中的溢出。

⑤ P — 奇偶标志。 表示Acc中“1”的个数的奇偶性。

⑥ F0 、F1 — 用户标志。

⑷ 数据指针DPTR

16位，由两个8位寄存器DPH、DPL组成。主要用于存放一个16位地址，作为访问外部存储器（外RAM和ROM）的地址指针。

⑸ 堆栈指针SP

专用于指出堆栈顶部数据的地址。

§2-3 I/O端口结构及工作原理

※ 有4个8位并行I/O口，共32条端线：

P0、P1、P2和P3口。

每一个I/O口都能用作输入或输出。

※ 用作输入时，均须先写入“1”；

用作输出时，P0口应外接上拉电阻。

※ P0口的负载能力为8个LSTTL门电路；

P1～P3口的负载能力为4个LSTTL门电路。

※ 在并行扩展外存储器或I/O口情况下，

P0口用于低8位地址总线和数据总线（分时传送）

P2口用于高8位地址总线，

P3口常用于第二功能，

用户能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能

的部分P3口端线。

§2-4 时钟和时序原理

一、时钟电路

二、时钟周期和机器周期

⑴ 时钟周期。

80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。

⑵ 机器周期。

80C51单片机工作的基本定时单位，简称机周。

§2-5 复位和低功耗工作方式

80C51单片机的工作方式共有四种：

⑴ 复位方式；

⑵ 程序执行方式；

⑶ 低功耗方式；

⑷ 片内ROM编程（包括校验）方式。

一、复位方式

⒈ 复位条件

RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。

⒉ 复位电路

⒊ 复位后CPU状态

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 待机（休闲）方式（Idle）

⑵ 掉电保护方式（Power Down）。

两种低功耗工作方式由电源控制寄存器PCON确定。

其中：

SMOD：波特率倍增位（在串行通信中使用）

GF1、GF0：通用标志位

PD：掉电方式控制位，

PD=1，进入掉电工作方式；

IDL：待机（休闲）方式控制位，

IDL=1，进入待机工作方式。

（1） 待机（休闲）方式

（2） 待机（休闲）状态进入

只要使PCON中IDL位置1。

⑶ 待机（休闲）状态退出

①产生中断；

②复位。

⒉ 掉电保护方式

⑴ 掉电保护方式状态

●片内振荡器停振，所有功能部件停止工作；

●片内RAM数据信息保存不变；

● ALE、PSEN为低电平；

● Vcc可降至2V，但不能真正掉电。

⑵ 掉电保护状态进入

只要使PCON中PD位置1。

⑶ 掉电保护状态退出

唯一方法是硬件复位，复位后片内RAM数据不变，特殊功能寄存器内容按复位状态初始化。

工业种常用的PLC实际就是单片机系统，一般在家用电器（比如微波炉洗衣机彩电等），手机等 ，都是单片机系统，当然有8，16，和32位之分了。单片机叫“中介机”吗？这种说法准确吗？单片因为资源有限，自身没有开发能力，必须借助开发工具来开发应用它，以上是单片机原理的基础介绍，这个东西还是需要进行大量的试验才能真正的理解，学好