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8051单片机基础知识.pdf
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8051 单片机基础知识
一. 8051 单片机的特点
·8 位 CPU
·片内振荡器及时钟电路
·32 根 I/O 线
·外部存储器寻址范围 ROM 、RAM 各 64K
·2 个 16 位的定时器 /计数器
·5 个中断源, 2 个中断优先级
·全双工串行口
·布尔处理器
二. MCS-51 系列单片机性能表
ROM 形式 片内
ROM
(字节)
片内
RAM
(字节)
寻址
范围
I/O
中
断
源
计数器 并行口 串行口片内
ROM
片内
EPROM
外接
EPROM
8051 8751 8031 4K 128
2×64K 2×16 4×8
1 5
80C51 87C51 80C31 4K 128
2×64K 2×16 4×8
1 5
8052 8752 8032 8K 256
2×64K 2×16 4×8
1 6
80C52 87C52 80C32 8K 256
2×64K 2×16 4×8
1 7
三.中央处理器
中央处理器( CPU)由运算器和控制逻辑构成,其中包括若干 SFR(特殊功能寄存
器)。
以 ALU 为中心的运算器: ALU (算术逻辑单元)能对数据进行加、减、乘、除等
算术运算;“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以及位操作运算。
程序状态字 PSW:
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
CY AC F0 RS1 RS0 OV P
CY—进位标志。有进位 /借位时 CY=1 ,否则 CY=0
AC—半进位标志。当 D3 位向 D4 位产生进位 /借位时 AC =1,否则 AC =0,常用于
十进制调整运算中。
F0—用户可设定的标志位,可置位 /复位,也可供测试。
RS1,RS0—四个通用寄存器组的选择位, 该两位的四种组合状态用来选择 0 3 寄存
器组。
RS1,RS0 与工作寄存器组的关系
RS1 RS0
工作寄存器组
0 0
0 组( 00 07H)
0 1
1 组( 08 0FH)
1 0
2 组( 10 17H)
1 1
3 组( 18 1FH)
OV —溢出标志。当带符号数运算结果超出 -128 +127 范围时 OV=1,否则 OV=0 。
2
当无符号数乘法结果超过 255 时,或当无符号数除法的除数为 0 时 OV=1 ,否则 OV=0 。
P—奇偶校验标志。每条指令执行完,若 A 中 1 的个数为奇数时 P=1,否则 P=0,
即偶校验方式。
四.控制器、时钟电路和基本时序周期
·控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器、译码器以及地址指针 DPTR和程序
计数器 PC等。
1. 8051 的时钟
时钟是时序的基础, 8051 片内由一个反相放大器构成振荡器,可以由它产生时钟。
时钟可以由两种方式产生:内部方式和外部方式
XTAL1 XTAL2 外部时钟
XTAL2
1.2M 12MHz
XTAL1
10 30PF 10 30PF VSS
(a) 内部方式 (b) 外部方式
2. 8051 的基本时序周期
·振荡周期:指振荡源的周期,若为内部产生方式时,为石英晶体的振荡周期。
·时钟周期: (称 S 周期)为振荡周期的两倍,时钟周期 =振荡周期 P1+振荡周期 P2。
·机器周期:一个机器周期含 6 个时钟周期( S周期)。
·指令周期:完成一条指令占用的全部时间。 8051 的指令周期含 1 4 个机器周期,其
中多数为单周期指令,还有 2 周期指令和 4 周期指令。
3.指令部件
·程序计数器 PC:8051 的 PC是 16 位的计数器,其内容为下一条待执行指令的地址,
可寻址范围 64K。
·指令寄存器 IR:IR 用来存放当前正在执行的指令。
·指令译码器 ID:ID 对 IR 中指令操作码进行分析解释,产生相应的控制信号。
·数据指针 DPTR:DPTR是 16 位地址寄存器,既可以用于寻址外部数据存储器,也可
以寻址外部程序存储器中的表格数据。 DPTR也可以寻址 64K 地址空间。
五.存贮器组织
8051 单片机物理上有四个存贮空间:片内程序存贮器和片外程序存贮器、片内数
据存贮器和片外数据存贮器。 FF FFFF
FFFF
80
1000
30
00FF 20
0000 00 0000
外部
ROM
内 部
ROM
EA=1
外 部
ROM
EA=0
SFR
RAM
位寻址
工 作 寄
存 器 组
(0 3)
外部
RAM
RAM
3
六.片内并行接口
8051 的芯片引脚中没有专门的地址总线和数据总线,在向外扩展存贮器和接口
时,由 P2 口输出地址总线的高 8 位 A15 A8 ,由 P0 口输出地址总线的低 8 位 A7 A0 ,
同时对 P0 口采用总线复用技术, P0 口兼作 8 位双向数据总线 D7 D0,即由 P0 口分
时输出低 8 位地址或输入 /输出 8 位数据,在不作总线扩展时, P0 口和 P2 口可以作为
普通 I/O 口使用。
P1 口只能用作 I/O 口。
P3 口的每一位都有各自的第二功能,见下表:
通道位 第二功能 注释
P3.0 RXD
串行输入口
P3.1 TXD
串行输出口
P3.2 INT0
外部中断 0 输入
P3.3 INT1
外部中断 1 输入
P3.4 T0
计数器 0 计数输入
P3.5 T1
计数器 1 计数输入
P3.6 WR
外部数据 RAM 写选通信号
P3.7 RD
外部数据 RAM 读选通信号
七. 8051 内部资源
1.串行口
8051 单片机内部有一个可编程的、全双工的串行接口,串行收发存贮在特殊功能
寄存器 SFR 中的串行数据缓冲器 SBUF 中的数据, SBUF 占用内部 RAM 地址 99H。
但在机器内部,实际上有两个数据缓冲器:发送缓冲器和接收缓冲器,因此,可以同
时保留收 /发数据,进行收 /发操作,但收 /发操作都是对同一地址 99H 进行的。
2.定时器 /计数器
8051 内部有两个 16 位可编程定时器 /计数器,记为 T0 和 T1,最大计数值为 2
16
-
1;可编程是指它们的工作方式由指令来设定,或者当计数器用,或者当定时器用,并
且计数 (定时) 的范围也可以由指令来设置。 这种控制功能是通过定时器方式控制寄存
器 TMOD 来完成的。
定时器在计到规定的定时值时可以向 CPU 发出中断申请,从而完成某种定时控制
功能。在计数状态下同样也可以申请中断,定时器控制寄存器 TCON 用来负责定时器
的启动、停止以及中断管理。
在定时工作时,时钟由单片机内部提供,即系统时钟经过 12 分频后作为定时器的
时钟。计数工作时,时钟脉冲(计数脉冲)由 T0 和 T1(即 P3.4,P3.5)输入。
3.中断系统
8051 的中断系统允许接受 5 个独立的中断源,即两个外部中断申请,两个定时器 /
计数器中断以及一个串行口中断。
外部中断申请通过 INT0 和 INT1 (即 P3.2 和 P3.3)输入 ,输入方式可以是电平触
发(低电平有效 ),也可以是边沿触发(下降沿有效) 。两个定时器中断请求是定时器溢
出时向 CPU 提出的,即当定时器由状态全 1 转为全 0 时发出的。第五个中断请求是
4
由串行口发出的,串行口每发送完一个数据或接收完一个数据,就可提出一次中断申
请。
8051 单片机可以设置两个中断优先级,即高优先级和低优先级,由中断优先控制
寄存器 IP 来控制。
八. 8051 的芯片引脚
8051 单片机是采用 40 引脚双列直插封装的芯片,有些引脚具有两种功能,引脚功
能如下:
(T2)P1.0 1 40 V CC
(T2EX)P1.1 2 39 P0.0(AD0)
P1.2 3 38 P0.1(AD1)
P1.3 4 37 P0.2(AD2)
P1.4 5 36 P0.3(AD3)
P1.5 6 35 P0.4(AD4)
P1.6 7 34 P0.5(AD5)
P1.7 8 33 P0.6(AD6)
RST/V
PD
9 32 P0.7(AD7)
(RXD)P3.0 10 31 EA/V PP
(TXD)P3.1 11 30 ALE/PROG
(INT0)P3.2 12 29 PSEN
(INT1)P3.3 13 28 P2.7(A15)
(T0)P3.4 14 27 P2.6(A14)
(T1)P3.5 15 26 P2.5(A13)
(WR)P3.6 16 25 P2.4(A12)
(RD)P3.7 17 24 P2.3(A11)
XTAL2 18 23 P2.2(A10)
XTAL1 19 22 P2.1(A9)
VSS 20 21 P2.0(A8)
VCC(40) 电源 +5V
VSS(20) 接地
XTAL1(19) 和 XTAL2(18) 使用内部振荡电路时,用来接石英晶体和电容;使用外部
时钟时,用来输入时钟脉冲。
P0 口(39 32) 双向 I/O 口,既可以作地址 /数据总线口,也可以作为普通 I/O 口用。
P1 口(1 8) 准双向通用 I/O 口。
P2 口(21 28) 准双向口,既可以作地址总线口输出地址高 8 位,也可以作普通 I/O
口用。
P3 口(10 17) 多用途端口,既可以作普通 I/O 口用,也可以按每位定义的第二功能
操作。
ALE/PROG(30) 地址锁存信号输出端。 在访问片外存贮器时, ALE 为有效高电平时,
P0 口输出地址低 8 位,可以用 ALE 信号做外部地址锁存信号。
f
ALE
=1/6f
OSC
,可以作系统中其它芯片的时钟源。第二功能 PROG 是
对 8751 的 EPROM 编程时的编程脉冲输入端。
RST/V
PD
(9) 复位信号输入端。 8051 接通电源后,在时钟电路作用下,该脚上出现
两个机器周期( 24 个振荡周期)以上的高电平,使内部复位。第二功
能是 VPD
,即备用电源输入端,当主电源 V
CC
发生故障,降低到低电
5
平规定值时, VPD
将为 RAM 提供备用电源,以保证存贮在 RAM 中
的信号不丢失。
EA/V
PP
(31) 内部和外部程序存贮器选择线。 EA=0 时访问外部 ROM(0000H FFFFH );
EA=1 时,地址 0000H 0FFFH 空间访问内部 ROM ,地址 1000H FFFFH
空间访问外部 ROM 。
PSEN(29) 片外程序存贮器选通信号,低电平有效。对 8052 单片机,由于内部多一
个定时器,还需要附加别的输入端,为此,又借用 P1.0 和 P1.7 作为定
时器 2 的输入 T2 和 T2EX 。
九.单片机的工作方式
单片机的工作方式包括:复位方式、单步执行方式、低功耗操作方式以及 EPROM
编程和校验方式。
1.复位方式
RST 引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效,高电平有效的持续时间
应为 24 个振荡周期以上,若时钟频率为 6MHZ ,则复位信号至少应持续 4 微秒以上,
才可以使单片机复位, 复位以后, 07H 写入栈指针 SP,P0 口 P3 口均置 1(允许输入) ,
程序计数器 PC 和其它特殊功能寄存器 SFR 全部请“ 0”。只要该脚保持高电平, 8051
便循环复位。当 RST 端由高变低后, 8051 由 ROM 的 0000H 开始执行程序。 8051 的
复位操作不影响内部 RAM 的内容。当 V CC
加电后, RAM 的内容是随机的。
单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种:上电复位电路和按钮复位电
路。 22μF
+5V +5V RST
200K IN4148
200
1K
RESET
22μF
(a)上电复位电路 ( b)按钮复位电路
只要 VCC 上升时间不超过 1ms,通过在 VCC 和 RST 引脚之间加一个 10μf 的电
容,就可以实现自动上电复位,即打开电源就可以自动复位。
2.程序执行方式
程序执行方式是单片机的基本工作方式。所执行的程序可以在内部 ROM 、外部
ROM 或者同时放在内外 ROM 中,若程序放在外部 ROM 中(如对 8031),则应使 EA=0 ;
否则可令 EA=1 。由于复位之后 PC=0000H ,所以程序总是从地址 0000H 开始的,通
常在 0000H 单元开始存放一条转移指令,从而使程序跳转到真正的程序入口地址。
3.单步执行方式
单步执行方式是使程序的执行处于外加脉冲(通常用一个按键产生)的控制下,
一条指令一条指令地执行,即按一次键,执行一条指令。
单步执行方式可以利用 8051 的中断控制来实现。其中断系统规定:从中断服务程
序返回以后至少要执行一条指令后才能重新进入中断。将外加脉冲加到 INT0 输入,
平时为低电平,通过编程规定 INT0 信号是低电平有效,因此不来脉冲时总是处于响
应中断的状态,在中断服务程序中要安排这样的指令:
JNB P3.2 $ ;若 INT0=0 ,不往下执行
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