第2章 经典80C51的片内结构和片外封装.doc

经典80C51的片内架构和片外封装 学习一种单片机，为什么需要学习该单片机芯片的内部结构和外部封装等硬件知识呢?因为学习单片机的主要目的是，为了把这种单片机芯片应用到我们的科研项目或电子产品中来，把单片机现有的引脚资源和内部一切可以利用的硬件资源充分开发出来和调动起来，以便实现项目或产品的性自旨价格比的最大化。 提示:由于(高速CMOS) CHMOS和HCMOS均属于CMOS工艺，因此，人们在描述此类单片机时，就经常简称为CMOS单片机。 注意:对于NMOS工艺的8051和CMOS工艺的80C51，在硬件系统结构上是不完全相同的，不过差异很小。由于NMOS(包含HMOS)工艺的单片机趋于淘汰，因此本章将以目前流行的80C51（或89C51）产品型号作为描述和学习的样板。 2.1 经典80C51芯片的内部架构 80C51内部结构的功能框图如图2.1所示。该方框图是从Intel公司公布的CHMOS单片机数据手册(DATA SHEET)中经过翻译、整理而得来的.作者认为该图属于一个示意图，并不一定十分准确和全面，例如，布尔处理器、复位功能等电路就没有表现出来。因此，仅供读者参考或用来查看80C51单片机内部的组成部件和组成关系，笔者建议初学者不必花费太多的精力去推敲它。况且对于单片机应用开发者来说，全部搞清内部结构中的每一个部件的细节和原理也并不是十分必要的。 为了便于学习和掌握，不妨把80C51单片机的内部结构图进行重新归整和简化处理。经过归整和简化之后，如图2.2所示。这也是参照Intel公司发布的《MCS-51系列微控制器用户手册》(MCS-51MICROCONTROLLER FAMILY USERS MANUAL)中提供的方框图稍加招理得到的。 图2.1和图2.2是制造厂商在编写产品说明书时，主要从产品角度出发进行描述的。在此基础上，笔者试图以读者为中心，从初学者逐步认识单片机的视角出发，为了便于讲解和理解，不妨把整个框图再次调整并且按重要程度划分为核心区域、功能部件和外围模块3个范畴，如图2.3所示。 图2.3是经过精心整理归纳之后更能够表达和分析单片机组成关系的方框图.为了便于循序渐进地讲解，不妨把整个框图按重要程度逐层划分，以便分析它的组织关系:对于一款单片机芯片，最复杂也最关键的部分是CPU内核”:以此向周边扩展，将程序存储器ROM、数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR (Special Function Register)包含进来，就构成了单片机芯片的“核心区域”;再向周边扩展，首先就是单片机芯片通常都会配置的一些“功能部件”，最后才是一些“外围模块”。80C51结构层次关系如图2.4所示。 图2.1 80C51内部功能方框图 对于80C51系列中的任何一款单片机来说，其“核心区域”是最重要的，“功能部件”也是普遍配置的，而“外围模块”的种类和数量则完全可以由厂家根据单片机的设计目标和用途灵活变通和增减。以下先对标准80C51的核心区域所包含的单元电路，以及它们的功能进行简要介绍，尽快使读者对单片机的核心硬件建立一个宏观认识。而对于周边各种功能部件和外围模块，由于功能相对独立也比较复杂，准备在以后的章节中再作专题讲解。 图2.2 80C51内部结构简化图 图2.3 8051内部结构分区图 下面结合图2.1、图2.2和图2.3来分析80C51单片机内部的结构关系和组成关系。 图2.4 80C51结构层次关系 2.1.1 核心区单元电路及去功能 核心区域包含的单元电路及其功能简介如下。 (1)中央处理单元CPU (Central Processing Unit):是整个单片机芯片的大脑和指挥中心，其内部结构与组织在后面将作深入讲解。 (2)程序存储器ROM(或EPROM或Flash):固化由用户预先编制好的程序和一些固定不变的表格常量数据。 (3)数据存储器RAM:用于存储CPU在执行程序过程中所产生的中间数据或变量.普通的RAM存储器一般只能实现数据的读出操作和写入操作，而80C51中的RAM存储器的部分存储单元功能要强大得多，除了具备普通存储器功能之外，还能实现位传送、置位、清位、移位、按位与、按位或等一系列复杂操作。 (4)特殊功能寄存器SFR (Special Function Register):是用于专门目的的寄存器，每个寄存器单元，甚至其中的姆一个比特，都有它自己固定的用途和名称(所以又可以把特殊功能寄存器称为专用寄存器)。主要用于存放一些专用的控制信息或状态信息。 (5)内部数据总线:8比特宽，作为数据传输的高速通道。负责将各个外围模块以及核心区域的A, ALU, PC. PSW, DPTR, ROM, RAM等功能部件联系起来。 电子计算机工作的过程就是按规定顺序逐条执行程序的过程，大致