80C51

80C51簡介

　　80C51單片機屬于MCS-51系列單片機，由Intel公司開發(fā)，其結(jié)構(gòu)是8048的延伸，改進了8048的缺點，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、減（SUBB）、比較（CMP）、16位數(shù)據(jù)指針、布爾代數(shù)運算等指令，以及串行通信能力和5個中斷源。采用40引腳雙列直插式DIP（Dual In Line Package），內(nèi)有128Byte的RAM單元及4K的ROM。

　　80C51有兩個16位定時計數(shù)器，兩個外中斷，兩個定時計數(shù)中斷，及一個串行中斷，并有4個8位并行輸入口。80C51內(nèi)部有時鐘電路，但需要石英晶體和微調(diào)電容外接，本系統(tǒng)中采用12MHz的晶振頻率。由于80C51的系統(tǒng)性能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時間精度的要求，而且產(chǎn)品產(chǎn)量豐富來源廣，應用也很成熟，故采用來作為控制核心。

80C51百科

　　80C51單片機屬于MCS-51系列單片機，由Intel公司開發(fā)，其結(jié)構(gòu)是8048的延伸，改進了8048的缺點，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、減（SUBB）、比較（CMP）、16位數(shù)據(jù)指針、布爾代數(shù)運算等指令，以及串行通信能力和5個中斷源。采用40引腳雙列直插式DIP（Dual In Line Package），內(nèi)有128Byte的RAM單元及4K的ROM。

　　80C51有兩個16位定時計數(shù)器，兩個外中斷，兩個定時計數(shù)中斷，及一個串行中斷，并有4個8位并行輸入口。80C51內(nèi)部有時鐘電路，但需要石英晶體和微調(diào)電容外接，本系統(tǒng)中采用12MHz的晶振頻率。由于80C51的系統(tǒng)性能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時間精度的要求，而且產(chǎn)品產(chǎn)量豐富來源廣，應用也很成熟，故采用來作為控制核心。

　　選型表

　　特性y 80C51 核心處理單元4k 字節(jié)FLASH 89C51X28k 字節(jié)FLASH 89C52X216k 字節(jié)FLASH 89C54X232k 字節(jié)FLASH 89C58X2128 字節(jié)RAM 89C51X2256 字節(jié)RAM 89C52X2/54X2/58X2布爾處理器全靜態(tài)操作y 12 時鐘操作 可選6 個時鐘 通過軟件或并行編程器y 存儲器尋址范圍64K 字節(jié)ROM 和64K 字節(jié)RAMy 電源控制模式―時鐘可停止和恢復―空閑模式―掉電模式y(tǒng) 兩個工作頻率范圍6 時鐘模式時為0 到20MHz12 時鐘模式時為0 到33MHzy LQFP， PLCC 或DIP 封裝y 擴展溫度范圍y 雙數(shù)據(jù)指針y 3 個加密位1y 4 個中斷優(yōu)先級y 6 個中斷源y 4 個8 位I/O 口y 全雙工增強型UART―幀數(shù)據(jù)錯誤檢測―自動地址識別y 3 個16 位定時/計數(shù)器T0 T1 標準80C51 和增加的T2 捕獲和比較y 可編程時鐘輸出y 異步端口復位y 低EMI （禁止ALE 以及6 時鐘模式）y 掉電模式可通過外部中斷喚醒

　　訂購信息

　　P89C51X2 4K 字節(jié)FLASH類型編號 封裝 溫度范圍（ ）P89C51X2BA PLCC44 0~+70P89C51X2BN DIP40 0~+70P89C51X2BBD LQFP44 0~+70P89C51X2FA PLCC44 -40~+85P89C52X2 8K 字節(jié)FLASH類型編號 封裝 溫度范圍（ ）P89C52X2BA PLCC44 0~+70P89C52X2BN DIP40 0~+70P89C52X2BBD LQFP44 0~+70P89C52X2FA PLCC44 -40~+85P89C52X2FN DIP40 -40~+85P89C52X2FBD LQFP44 -40~+85P89C54X2 16K 字節(jié)FLASH類型編號 封裝 溫度范圍（ ）P89C54X2BA PLCC44 0~+70P89C54X2BN DIP40 0~+70P89C54X2BBD LQFP44 0~+70P89C54X2FA PLCC44 -40~+85P89C58X2 32K 字節(jié)FLASH類型編號 封裝 溫度范圍（ ）P89C58X2BA PLCC44 0~+70P89C58X2BN DIP40 0~+70P89C58X2BBD LQFP44 0~+70P89C58X2FA PLCC44 -40~+85

　　80C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　單片機按存儲結(jié)構(gòu)可分為二類：一類是哈佛結(jié)構(gòu)，另一類是普林斯頓結(jié)構(gòu)。

　?、俟鸾Y(jié)構(gòu)

　　所謂哈佛結(jié)構(gòu)是指程序存儲器地址空間與數(shù)據(jù)存儲器地址空間分開的單片機結(jié)構(gòu)，如80C51單片機采用哈佛結(jié)構(gòu)，所以80C51單片機的程序存儲器地址空間與數(shù)據(jù)存

　　儲器地址空間是分開的，各有64K存儲空間。

　　②普林斯頓結(jié)構(gòu)

　　所謂普林斯頓結(jié)構(gòu)是指程序存儲器地址空間與數(shù)據(jù)存儲器地址空間合并的單片機結(jié)構(gòu)，如MCS-96單片機采用普林斯頓結(jié)構(gòu)，所以MCS-96單片機的程序存儲器地址空

　　間與數(shù)據(jù)存儲器地址空間是合并的，共有64K存儲空間。

　　1．單片機的CPU

　　圖1是80C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。若除去圖中的存儲器電路和I/O部件，剩下的便是CPU。它可以分為運算器和控制器兩部分。運算器功能部件包括算術邏輯運

　　算單元ALU、累加器ACC、寄存器B、暫存寄存器TMP1、TMP2、程序狀態(tài)字寄存器PSW等?？刂破鞴δ懿考ǔ绦蛴嫈?shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、定時控制邏輯

　　電路CU、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR、堆棧指針SP及時鐘電路等。

　?。?）運算器

　?、偎阈g邏輯運算單元ALU（Arithmetic Logical Unit）

　　ALU可以進行算術、邏輯運算。算術運算有：加、減、乘、除，邏輯運算有：與、或、異或等。

　　②累加器ACC

　　累加器ACC的主要功能是在運算前存放一個操作數(shù)，運算后存放一個操作結(jié)果。80C51系列單片機雖然在結(jié)構(gòu)上仍然以累加器A作為重要部件。但由于內(nèi)部電路采取

　　了措施，使得累加器A在數(shù)據(jù)傳送、邏輯操作等方面的核心作用有所削弱。數(shù)據(jù)可以在片內(nèi)直接/間接地址的存儲器之間直接傳送，而不必經(jīng)過累加器A。但，加、減、乘、

　　除算術運算指令的運算結(jié)果都存放在累加器A或AB寄存器對中。

　?、蹠捍嫫鱐MP1、TMP2

　　由圖1可知，ALU進行算術邏輯運算前的兩個操作數(shù)來自暫存器TMP1、TMP2，所以暫存器TMP1、TMP2用于存放運算前的兩個操作數(shù)。

　?、艹绦驙顟B(tài)字寄存器PSW

　　程序狀態(tài)字寄存器PSW用來存放運算結(jié)果的狀態(tài)標志。PSW寄存器各位的含義如下，其中PSW.1未定義，其它各位說明如下：

　　CYACF0RS1RS0OV/P

　　CY：進位標志。它是累加器A的進位位，如果操作結(jié)果在最高位有進位（加法）或借位（減法）時置1，否則清0。

　　AC：半進位標志。它是低半字節(jié)的進位位（累加器A中A3位向A4位的進位），主要用于BCD碼調(diào)整。低4位有進位（加法時）或向高4位有借位時（減法時），AC是

　　1，否則，AC清0。

　　F0：用戶定義的狀態(tài)標志位?？赏ㄟ^軟件對它置位、復位或測試，以控制程序的流向。

　　RS1、RS0：工作寄存器區(qū)選擇控制位，用于選擇4組工作寄存器之一?？梢杂密浖碇梦换蚯辶悖源_定工作寄存器區(qū)。RS1、RS0與寄存器區(qū)的對應關系如下：

　　RS1、RS0=00——0區(qū)（地址00H~07H）

　　RS1、RS0=01——1區(qū)（地址08H~0FH）

　　RS1、RS0=10——2區(qū)（地址10H~17H）

　　RS1、RS0=11——3區(qū)（地址18H~1FH）

　　OV：溢出標志位，用于表示有符號數(shù)算術運算的溢出。溢出時OV為1，否則OV為0。

　　P：奇偶標志位。每個指令周期都由硬件來置位或清零，以表示累加器A中1的個數(shù)的奇偶性。若1的個數(shù)為奇數(shù)，則P置位；若1的個數(shù)為偶數(shù)，則清零。

　?、菁拇嫫鰾

　　在乘除指令中，用到了寄存器B。

　?。?）控制器

　　控制器是控制單片機各種操作的部件，用于完成指令規(guī)定的操作。它包括程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、定時控制邏輯、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR、時

　　鐘發(fā)生器、復位電路、堆棧指針SP等。

　?、俪绦蛴嫈?shù)器 PC

　　程序計數(shù)器PC為16位寄存器，用于存放下一條要執(zhí)行指令地址，具有自動加1功能。

　　②指令寄存器IR、指令譯碼器ID、定時控制邏輯電路

　　指令寄存器IR用來暫時存放當前取出的指令，并由指令譯碼器ID譯碼，產(chǎn)生相應的譯碼信號，并傳送給定時控制電路，定時控制電路發(fā)出各種控制信號控制各器件

　　完成指令規(guī)定的操作。

　?、蹟?shù)據(jù)指針DPTR

　　DPTR為16位寄存器。由于80C51單片機采用哈佛結(jié)構(gòu)，因此，其程序存儲器與地址存儲器是分開的，程序存儲器的地址是由程序計數(shù)器PC提供，而數(shù)據(jù)存儲器的地址是由數(shù)據(jù)指針DPTR提供的，所以DPTR用于存放片外數(shù)據(jù)存儲器及I/O口的地址。

　?、軙r鐘電路

　　時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。

　　⑤復位和復位電路

　　計算機在啟動運行時都需要復位，復位就是使CPU和系統(tǒng)中的其它部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。

　?、薅褩Ｖ羔楽P

　　堆棧指針SP用于存放棧頂單元的地址。

　　2．單片機的存儲器配置

　　由于80C51單片機采用哈佛結(jié)構(gòu)，所以其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開的，各有自身的尋址系統(tǒng)、控制信號和功能。程序存儲器用來存放程序和表格常數(shù)；數(shù)據(jù)存儲器通常用來存放程序運行所需要的給定參數(shù)和運行結(jié)果。

　　從實際的物理存儲介質(zhì)來看，80C51有4種存儲空間，它們是片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（含特殊功能寄存器）和片外數(shù)據(jù)存儲器。80C51的存儲器配置情況如圖2所示。

　　邏輯地址空間來看，80C51單片機可分為三部分，即：程序存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。這3部分分別使用不同的地址指針，不同的訪問指令。因此，下面按邏輯結(jié)構(gòu)介紹80C51的存儲器結(jié)構(gòu)。

　?。?）程序存儲器

　　由圖3可知，程序存儲器以程序計數(shù)器PC作地址指針，通過16位地址總線，可尋址的地址空間為0000H~0FFFFH共64K（216=64K）字節(jié)，其訪問指令為MOVC。用于存放程序指令碼與固定的數(shù)據(jù)表格等。

　　80C51單片機中內(nèi)部和外部共64K字節(jié)程序存儲器的地址空間是統(tǒng)一的。對于有內(nèi)部ROM的單片機，在正常運行時，應把引腳接高電平，使程序從內(nèi)部ROM開始執(zhí)行。當PC值超出內(nèi)部ROM的容量時，會自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器空間。

　?。?）片外數(shù)據(jù)存儲器

　　由圖可知，片外數(shù)據(jù)存儲器以DPTR作為地址指針，通過16位地址總線，可尋址的地址空間為0000H~0FFFFH共64K（216=64K）字節(jié)，其訪問指令為MOVX。用于存放數(shù)據(jù)與運算結(jié)果。

　　（3）片內(nèi)據(jù)存儲器

　　片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的地址空間從00H~FFH共256字節(jié)，其訪問指令為MOV。其地址可由R0、R1寄存器提供。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器是最靈活的地址空間，它分成物理上獨立且性質(zhì)上不同的2個區(qū)：00H~7FH單元組成的128字節(jié)RAM區(qū)，地址為80H~FFH的特殊功能寄存器區(qū)（簡稱SFR區(qū)）。

　　1）RAM區(qū)（00H~7FH）

　　由圖2-3可知，RAM區(qū)又分為3個區(qū)：工作寄存器區(qū)、位地址區(qū)與數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

　?、俟ぷ骷拇嫫鲄^(qū)（00H~1FH）

　　80C51單片機的內(nèi)部RAM區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。

　?、谖坏刂穮^(qū)（20H~2FH）

　　內(nèi)部RAM的20H~2FH為位尋址區(qū)域，見表1所示。這16個單元的每一位都有一個位地址，位地址范圍為00H~7FH。通常把各種程序狀態(tài)標志、位控制變量設在位尋址區(qū)內(nèi)。位尋址區(qū)的RAM單元也可以作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用。

　　表1 內(nèi)部RAM區(qū)的位地址映像表

　?、蹟?shù)據(jù)緩沖區(qū)

　　數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的地址空間從30H~7FH共80個字節(jié)單元，用于存放數(shù)據(jù)與運算結(jié)果，如加法運算時，存放加數(shù)、被加數(shù)及運算和。通常堆棧區(qū)也設置在該區(qū)內(nèi)。有些單片機將顯示緩沖區(qū)設置在該區(qū)內(nèi)。

　　2）特殊功能寄存器SFR（80H~FFH）

　　80C51單片機內(nèi)的I/O口鎖存器、狀態(tài)標志寄存器、定時器、串行口、數(shù)據(jù)緩沖器以及各種控制寄存器統(tǒng)稱為特殊功能寄存器，它們離散地分布在內(nèi)部RAM地址空間（80H~0FFH）內(nèi)，表2列出了這些特殊功能寄存器的標識符、名稱及地址。由表2-2可知累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)字PSW、I/O口P0~P3等均為特殊功能寄存器。

　　表2 特殊功能寄存器SFR

　　注：帶“·”號的寄存器可按字節(jié)和按位尋址，其特征是直接地址能被8整除。帶“*”號的寄存器是與定時器/計數(shù)器2有關的寄存器，僅在80C52系列中存在。下面以一個實例說明單片機的內(nèi)部存儲器。

　　3．80C51單片機并行輸入/輸出口

　　80C51單片機含有4 個8位并行I/O口P0、P1、P2和P3。每個口有8個引腳，如圖2-1所示，共有32個I/O引腳，每一個并行I/O口都能用作輸入或輸出。各口的第

　　一、第二功能如下：

　　I/O口 &nbnbsp; 引腳 第一功能 第二功能

　　P0口 P0.0~P0.7 輸入與輸出 分時的傳送地址低8位與數(shù)據(jù)線

　　P1口 P1.0~P0.7 輸入與輸出 無第二功能

　　P2口 P2.0~P2.7 輸入與輸出 傳送地址的高8位

　　P3口 P3.0~P3.7 輸入與輸出 P3.0——RXD：串行口輸入端

　　P3.1——TXD：串行口輸出端

　　P3.2—— ：外部中斷0中斷請求輸入端

　　P3.3—— ：外部中斷1中斷請求輸入端

　　P3.4——T0：定時器/計數(shù)器0外部輸入端

　　P3.5——T1：定時器/計數(shù)器1外部輸入端

　　P3.6—— ：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號

　　P3.7—— ：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號

　　四個通道口都有一種特殊的線路結(jié)構(gòu)，每個口都包含一個鎖存器，即特殊功能寄存器P0~P3，一個輸出驅(qū)動器和兩個（P3口有三個）三態(tài)緩沖器。這種結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)

　　輸出時，可以鎖存，即在重新輸出新的數(shù)據(jù)之前，口上的數(shù)據(jù)一直保持不變。但對于輸入信號是不鎖存的，所以外設欲輸入的數(shù)據(jù)必須保持到取數(shù)指令執(zhí)行（把數(shù)據(jù)讀取

　　后）為止。

　　下面分別敘述各個端口的結(jié)構(gòu)、功能和使用方法。

　?。?）P0口的組成與功能

　　1）位結(jié)構(gòu)

　　在訪問外部存儲器時，P0口是一個真正的雙向數(shù)據(jù)總線口，并分時送出地址的低8位。圖2-4所示的是P0口的一位結(jié)構(gòu)圖。它包含兩個輸入緩沖器、一個輸出鎖存器以及輸出驅(qū)動電路、輸出控制電路。輸出驅(qū)動電路由兩只場效應管V1和V2組成，其工作狀態(tài)受輸出控制電路的控制。輸出控制電路包括與門、反相器和多路模擬開關MUX。P0口既能用作通用I/O口，又能用作地址/數(shù)據(jù)總線。

　　2）作為通用I/O口

　　P0口作為通用I/O口使用時，CPU令控制信號為低電平。這時多路開關MUX接通B端即輸出鎖存器的 端，同時使與門輸出低電平，場效應管V1截止，因而輸出級為開漏輸出電路。

　?、僮鳛檩敵隹?/p>

　　當用P0口輸出數(shù)據(jù)時，寫信號加在鎖存器的時鐘端CL上，此時與內(nèi)部總線相連的D端其數(shù)據(jù)經(jīng)反相后出現(xiàn)的 端上，再經(jīng)V2管反相，于是在P0口引腳上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)正好是內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)。由于輸出級為開漏電路，所以用作輸出口時應外接上拉電阻。

　　②作為輸入口

　　當P0口用于輸入數(shù)據(jù)時，要使用端口中的兩個三態(tài)輸入緩沖器之一。這時有兩種工作方式：讀引腳和讀鎖存器。

　　當CPU執(zhí)行一般的端口輸入指令時，“讀引腳”信號使圖2-4中下面一個緩沖器開通，于是端口引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖器輸入到內(nèi)部總線上。

　　當CPU執(zhí)行“讀一修改一寫”一類指令時，“讀鎖存器”信號使圖2-4上面一個緩沖器開通，鎖存器Ｑ端的數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖器輸入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。

　　在P0口作為輸入口使用時，必須首先向端口鎖存器寫入“1”。這是因為當進行讀引腳操作時，如果V2是導通的，那么不論引腳上的輸入狀態(tài)如何，都會變?yōu)榈碗娖健榱苏_讀入引腳上的邏輯電平，先要向鎖存器寫1，使其 端為0，V2截止。該引腳成為高阻抗的輸入端。

　　3）作為地址/數(shù)據(jù)總線

　　P0口還能作為地址總線低8位或數(shù)據(jù)總線，供系統(tǒng)擴展時使用。這時控制信號為高電平，多路開關MUX接通A端。有兩種工作情況：一種是總線輸出，另一種是外部

　　數(shù)據(jù)輸入。作為總線輸出時，從“地址/數(shù)據(jù)”端輸入的地址或數(shù)據(jù)信號通過與門驅(qū)動V2，同時通過非門驅(qū)動V2，結(jié)果在引腳上得到地址或數(shù)據(jù)輸出信號。

　　作為數(shù)據(jù)總線輸入數(shù)據(jù)時，從引腳上輸入的外部數(shù)據(jù)經(jīng)過讀引腳緩沖器進入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。對于80C51、87C51單片機，P0口能作為I/O口或地址/數(shù)據(jù)總線使用。對于80C31單片機，P0口只能用作地址/數(shù)據(jù)總線。

　　綜上所述，P0口既可以作為地址/數(shù)據(jù)總線口，這時它是真正的雙向口，也可作通用的I/O口，但只是一個準雙向口。準雙向口的特點是：復位時，口鎖存器均置“1”，8根引腳可當一般輸入線使用，而在某引腳由原輸出狀態(tài)變成輸入狀態(tài)時，則應先寫入“1”，以免錯讀引腳上的信息。一般情況下，P0口已當作地址/數(shù)據(jù)總線口使用時，就不能再作通用I/O口使用。

　　（2）P1口組成與功能

　　P1口只用作通用I/O口，其一位結(jié)構(gòu)圖如圖所示。與P0口相比，P1口的位結(jié)構(gòu)圖中少了地址/數(shù)據(jù)的傳送電路和多路開關，上面一只MOS管改為上拉電阻。

　　P1口作為一般I/O的功能和使用方法與P0口相似。當輸入數(shù)據(jù)時，應先向端口寫“1”。它也有讀引腳和讀鎖存器兩種方式。所不同的是當輸出數(shù)據(jù)時，由于內(nèi)部有了上拉電阻，所以不需要再外接上拉電阻。

　　（3）P2口的組成與功能

　　當系統(tǒng)中接有外部存儲器時，P2口可用于輸出高8位地址，若當作通用I/O口用，P2口則是一個準雙向口。因此說P2口能用作通用I/O口或地址總線，其一位的結(jié)構(gòu)如圖所示。

　?、僮鳛橥ㄓ肐/O口

　　當控制信號為低電平時，多路開關接到B端，P2口作為通用I/O口使用，其功能和使用方法與P1口相同。

　　②作為地址總線

　　當控制端輸出高電平時，多路開關接到A端，地址信號經(jīng)反相器、V從引腳輸出。這時P2口輸出地址總線高8位，供系統(tǒng)擴展使用。

　　對80C51、87C51單片機，P2口能作為I/O口或地址總線作用。對于80C31單片機，P2口只能用作地址總線。

　　（4）P3口組成與功能

　　P3口能作通用I/O口，同時每一引腳還有第二功能。P3口的一位結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。

　　作為通用I/O口：當“第二功能輸出”端為高電平時，P3口用作通用I/O口。這時與非門對于輸入端Q來說相當于非門，位結(jié)構(gòu)與P2口完全相同，因此P3口用作通用I/O口時的功能和使用方法與P2口、P1口相同。

　　用作第二功能： 當P3口的某一位作為第二功能輸出使用時，應將該位的鎖存器置“1”，使與非門的輸出狀態(tài)只受“第二功能輸出”端的控制。“第二功能輸出”端的狀態(tài)經(jīng)與非門和驅(qū)動管V輸出到該位引腳上。

　　當P3口的某一位作為第二功能輸入使用時，該位的鎖存器和“第二功能輸出”端都應為“1”，這樣，該位引腳上的輸入信號經(jīng)緩沖器送入“第二功能輸入”端。

　　至此，可以對組成一般單片機應用系統(tǒng)時各個并行口的分工小結(jié)如下：

　　P0口：分時的用作地址低8位與數(shù)據(jù)線，低8位地址由PC低8位或DPL提供。

　　P1口：按位可編址的輸入輸出口。

　　P2口：地址線的高8位，高8位地址由PC高8位或DPH提供。

　　P3口：雙功能口，若不用第二功能，可作為一般的I/O口。