《单片机原理与应用》课件1第2章.ppt

第二章80C51单片机结构与工作原理

2.180C51单片机系统结构组成

2.2存储器结构

2.3I/O口结构分析

2.480C51时序

2.580C51的工作方式

2.6引脚功能和电气指标

思考练习题

2.180C51单片机系统结构组成

单片机与通用微机相比较，在结构组成、指令设置上均

有独特之处，其主要特点如下：

(1)单片机的存储器采用哈佛结构，即程序存储器和数

据存储器是严格区分、独立寻址的。这种结构主要考虑到单

片机的应用是面向控制的，通常有大量的控制程序和少量的

随机数据。程序存储器采用ROM方式，程序、常数及数据

表格固化在ROM中，不易被破坏；数据存储器采用RAM，

用作工作区和存放数据，而单片机数据计算量相对较小，这

样小容量的数据存储器以高速RAM的形式集成在单片机内，

可以加快单片机的运行速度。

(2)采用面向控制的指令系统。为了满足工业控制的要

求，单片机的指令系统中有极其丰富的输入输出控制指令、

转移指令、逻辑判断指令、位操作指令等。

(3) I/O引脚具有一线多功能的特点。I/O端口引脚在程

序控制下都可有第二功能，使得有限的引脚能够满足大量的

输入输出功能需求。

(4)具有完善的外围扩展总线，可方便地扩展各种外围

电路(如ROM、RAM、I/O接口、定时器/计数器、中断等)。

(5)通用寄存器和操作管理寄存器大多以片内RAM的形

式出现，易实现CPU的直接存取，数量也较一般通用CPU中

的多。单片机中普遍将操作管理寄存器统一成特殊功能寄存

器SFR，通过对SFR的读写来实现对片内各单元电路的操作

管理，这使得单片机各种功能单元的管理和扩展都变得十分

容易。

2.1.180C51的基本结构组成

80C51系列单片机具有典型的单片机结构，其基本结构

框图如图2-1所示。它由CPU系统、CPU外围单元、基本功

能单元和外部扩展单元组成，各部分通过内部总线相连。

图2-180C51单片机基本结构框图

CPU系统和CPU外围单元组成了单片机的最小系统；最

小系统与基本功能单元构成了一个单片机的基本结构；在单

片机基本结构的基础上，根据不同的嵌入式应用要求可扩展

各种外部功能单元电路，如数据采集ADC、伺服驱动控制

PWM、监视定时器WDT等，形成兼容的各种型号系列单片

机。

1．CPU系统

80C51的CPU系统包括CPU、时钟系统和总线控制逻辑。

(1)中央处理器CPU。80C51的CPU是专门为面向测控对

象、嵌入式应用等特点而设计的，具有突出控制功能的指令

系统。它是单片机的核心，由运算器和控制器组成。运算器

以ALU为核心，用于实现对数据的算术逻辑运算。控制器

是CPU的大脑中枢，它在时钟信号的作用下对指令进行译码，

使单片机系统的各部件按时序协调有序地工作。

(2)时钟系统。时钟系统主要产生时钟信号，为CPU及

片内各单元电路提供工作时钟，包含振荡电路、外接的谐振

器(石英振子或陶瓷振子)及振荡电容和可关断控制等部分。

(3)总线控制逻辑。总线控制逻辑主要用于管理外部并

行总线的时序以及系统复位控制，外部控制总线有RST、

ALE、EA和PSEN等。RST为复位控制引脚，高电平有效，

当RST有复位信号输入时，系统进入复位状态。ALE、EA、

PSEN为外部总线控制引脚，ALE用于数据总线复用管理，

EA用于外部与内部程序存储器选择，PSEN用于外部程序存

储器的读取控制。

2．CPU外围单元

CPU外围单元是与CPU运行直接相关的单元电路，与

CPU系统构成单片机的最小系统。CPU外围单元包括程序存

储器ROM、数据存储器RAM、输入输出(I/O)口和特殊功能

寄存器SFR。

(1)程序存储器ROM。80C51片内有4 KB掩膜ROM，主

要用于存放程序、原始数据和表格内容，被称之为程序存储

器，有时也被称为片内ROM。

(2)数据存储器RAM。80C51内部共有256个字节的

RAM单元，其中低128个单元是数据RAM区，包括通用寄

存器区、位寻址区和用户RAM区，这些单元主要用于存放

随机存取的数据及运算的中间结果。高128个单元是特殊功

能寄存器(SFR)区。

(3)输入输出口。80C51有4个8位并行I/O口，即P0、P1、

P2和P3口。这些端口可以用作一般输入或输出口，而且具

有复用功能。通常P0口作为8位数据总线/低8位地址总线复

用口，P1口作为通用I/O口，P2口常用作高8位地址总线，而

P3口的各个管脚多以第二功能输入或输出形式出现