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1.3.28051处理器....................................................................................................14
1.3.3片内外设资源.................................................................................................17
1.48051的指令集............................................................................................................17
1.4.1寻址模式.........................................................................................................18
1.4.2指令集.............................................................................................................20
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第1章8051体系结构
1.18051单片机概述
1.1.1嵌入式系统与单片机
国内普遍认同的嵌入式系统(EmbeddedSystem)定义为:
以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。
可以这样认为,嵌入式系统是一种专用的计算机系统,作为装置或设备的一部分。
通常,嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。
在嵌入式系统里硬件和软件是高度融合在一起的。
单片机,即微控制器(Microcontroller),是指集成在一颗芯片上以嵌入式应用为目的的完整计算机系统。
单片机属于嵌入式处理器的一大类(另外还有DSP、FPGA等)。
在历史上,有一种被称作单板机的嵌入式系统,在同一块电路板上集成CPU(中央处理器)、ROM(只读的程序存储器)、RAM(随机访问的数据存储器)、时钟及各类外部设备。
后来人们把CPU、ROM、RAM和一些基本外部设备集成在一颗硅片内,成为相对于单板机概念的单片机,具有高度集成、体积小、功耗低、降低成本等诸多优点。
单片机在智能仪器仪表、工业控制、家用电器、汽车电子、网络与通信、医疗设备以及军事等各行各业里都有着越来越广泛的重要应用。
1.1.28051单片机及发展历史
在上世纪80年代初,Intel在MCS-48的基础上推出新的MCS-51系列单片机,而8051是MCS-51系列的第一个产品。
由于8051具有一系列其它型号8位单片机难以比拟的优点,逐渐成为事实上的单片机工业标准。
图1.18051单片机框架
如图1.1所示,8051单片机由中央处理器(CPU)、时钟振荡器(OSC)、中断控制(Interrupt
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Control)、ROM、RAM、I/O端口、串行口(SerialPort)和2个定时器(Timer)等组成。
图中除外部晶振之外所有功能部件都集成在同一颗硅片里。
8051是基本型号,其它类似的型号还有8052、8031、8032、8751和8752等。
8052单片机是8051的增强型号,ROM容量从4KB增加到8KB、RAM容量从128B增加到256B,并新增一个Timer2定时器。
8031和8032与8051和8052相比,内部没有ROM存储器(ROM-less)。
8051和8052的ROM存储器内容在芯片出厂时已经固化,用户不能再修改,而8751和8752是EPROM版本。
EPROM也属于ROM存储器的一类,可以用紫外线擦除内容,因此用户可以反复修改保存在其中的程序。
早期的8051采用HMOS(高速金属氧化物半导体)制造工艺,速度虽快但功耗很高。
后来采用更先进的CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺,一般称为80C51系列,使得功耗大大降低。
采用ROM或EPROM的单片机在应用上都不太方便。
ROM存储器是只读的,用户根本无法进行修改。
EPROM存储器带有一个石英玻璃窗,平时用黑胶布贴起来遮光保护,擦除时揭去黑胶布,用专门的紫外线灯照射几十分钟就能抹掉EPROM原来保存的内容,改写时采用专门的烧录器。
EPROM擦写循环寿命仅有数十到数百次,并且价格高昂,不适合大规模应用。
在80年代,工程师们的主要开发手段是仅用少数几片EPROM型号进行产品研发和试制,待应用程序稳定可靠以后,再把程序代码交给生产厂家掩膜。
一次掩膜过程本身也需要很大投入,但如果是大批量制造,则平摊在每一颗上就会比较便宜,远低于制造一颗EPROM版本的芯片。
到了90年代,出现了采用Flash(闪速存储器)技术的89C51/52单片机。
Flash存储技术是一个划时代的革命性发明,具有ROM的只读性质又具有EPROM的可擦写功能,擦除时速度极快,并且可以直接在5V供电情况下进行而不需要专门的紫外线灯具,擦写循环寿命高达1~10万次(最新的技术已达100~1000万次以上),更重要的是成本比EPROM便宜许多适合规模应用(但还是比ROM贵一些)。
还有一类采用OTPROM(一次性可编程ROM)技术的单片机。
芯片在出厂时,存储器内容是空白的,允许用户编程一次。
OTPROM源于EPROM,EPROM之所以昂贵主要是因为那个石英玻璃窗,在去掉石英玻璃窗之后就成为OTPROM。
OTPROM型单片机由厂商大规模制造,因此成本很低,接近于ROM。
现代的开发生产方式是:
对于中小规模应用通常直接采用Flash单片机,对于大规模应用或者对成本比较敏感的场合则采用OTPROM单片机(开发阶段仍然采用Flash型号)。
到现在,Flash和OTPROM联手已经基本上完全淘汰了落后的EPROM技术。
至今,8051系列单片机已经有走过了30年的风风雨雨,经历了多次技术革新,一直保持长盛不衰。
1.1.38051封装和管脚功能
如图1.2所示,8051单片机有3种常见的封装形式:
DIP-40:
DoubleIn-linePackage(双列直插式封装),40管脚
PLCC-44:
PlasticLeadedChipCarrier(塑料有引线芯片载体),44管脚
QFP-44:
QuadFlatPackage(方形扁平封装),44管脚
在DIP-40封装里,所有管脚都是有用的,但在PLCC-44和QFP-44封装里多出的几个管脚都是NC(NoConnection,内部无连接)。
8051管脚名称和功能如下:
VCC:
电源,接+5V正极。
GND:
地线,接电源负极(0V)。
XTAL1和XTAL2:
接石英晶体或陶瓷谐振器。
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图1.28051常见的3种封装:
DIP-40(左),PLCC-44(右),QFP-44(下)
P0.0~P0.7:
P0端口,双向I/O,也作为外部并行总线的数据D0~D7和地址A0~A7。
P1.0~P1.7:
P1端口,双向I/O。
P2.0~P2.7:
P2端口,双向I/O,也作为外部并行总线的地址A8~15。
P3.0~P3.7:
P3端口,双向I/O,每根管脚都拥有第二功能,这些复用功能为:
P3.0(RXD):
串行口数据接收
P3.1(TXD):
串行口数据发送
P3.2(/INT0):
外部中断0输入,低电平或下降沿有效
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P3.3(/INT1):
外部中断1输入,低电平或下降沿有效
P3.4(T0):
定时器0外部脉冲输入
P3.5(T1):
定时器1外部脉冲输入
P3.6(/WR):
外部并行总线数据写选通信号,低电平有效
P3.7(/RD):
外部并行总线数据读选通信号,低电平有效
ALE(/PROG):
ALE为地址锁存信号输出,/PROG是对8751片内EPROM编程时的编程脉冲输入端。
因为并行总线的数据D0~D7和地址A0~A7是都是在P0端口上复用的,如果8051单片机要外扩ROM或RAM,则首先要解决数据总线与地址总线分离的问题,一般会采用74HC573,而控制信号就是ALE(参见图1.8)。
RST:
复位信号输入,高电平有效。
/EA(VPP):
/EA是内部或外部程序存储器选择,接低电平时访问外部ROM空间0000H~FFFFH,而内部ROM无效(相当于8031),接高电平时访问内部ROM,如果地址范围超过内部ROM大小则自动访问外部ROM。
VPP的作用是,在对8751的EPROM编程时接高压编程电源12.5V(现今的Flash型号不需要高压)。
/PSEN:
外部并行总线程序存储器读选通信号,低电平有效。
NC:
内部无连接,实际设计电路时应当悬空处理。
1.1.48051最小系统电路
图1.38051最小系统电路
如图1.3所示,为8051单片机的最小系统电路原理图。
所谓最小系统是指能够使单片机工作起来的最基本的电路形式。
一个实际的应用电路都是以最小系统为基础建立起来的。
设计8051的最小系统需要注意以下几方面的要点:
供电:
提供稳定可靠的DC+5V电源,正极接在VCC管脚,负极接GND
振荡:
一般采用石英晶体振荡器电路,为CPU内核及片内外设提供时钟信号
复位:
RST为复位输入信号,高电平有效,复位能够使内部各个功能部件初始化
/EA:
该管脚一般应接高电平(上拉到VCC或直接连到VCC),以使内部ROM起作用,如果/EA悬空则可能带来无法启动或运行不可靠等异常情况
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如图1.4所示,8051正常工作所必须的时钟信号也可以不使用晶振而由外部振荡信号提供,此时XTAL2管脚应当悬空不连接(NC,no-connection),外部振荡信号从XTAL1管脚输入。
要注意:
振荡信号应当为占空比50%的方波,幅度介于0~VCC之间。
图1.4外部振荡信号输入
图1.5手动RC复位电路
在图1.3当中,采用的是RC上电复位。
上电瞬间电容E1可视为短路,RST管脚初始电压为VCC,接着是RC充电过程,RST电压逐渐下降到0V。
在8051内部,会把曲线形式的充电信号转换成边沿陡峭的复位脉冲。
如图1.5所示,为带手动复位的RC电路。
上电时,S1是断开的,等效于图1.3当中的纯RC复位;
8051正在运行期间,如果按下S1则会把储存在E1内的电荷释放掉,RST会变成高电平,当松开S1时,RC充电过程重新开始,从而形成复位脉冲。
读者可能注意到,S1并没有直接并联在E1上,而是还串接了一个小电阻R2。
如果没有R2则按下S1瞬间E1的正负极直接短路会形成很大的冲击电流(有可能会冒火花),所以R2起着限制冲击电流的缓冲作用。
图1.6采用二极管加速放电的RC复位电路
RC复位电路怕快速上下电,由此可能带来复位不可靠等问题。
如图1.6所示,为改进的RC复位电路,增加了一个起加速放电作用的二极管D1。
我们先来分析没有二极管D1的情况。
8051正在运行时如果电源开关SW1断开然后再闭合,那么8051能否重新复位呢?
这要看SW1断开与闭合之间的时间间隔。
SW1断开时,E1开始放电,放电通道为“E1正极→8051-VCC→8051-GND→R1→E1负极”。
如果间隔时间较长则E1基本放电完毕,再次闭合SW1时能够正常上电复位;
如果间隔时间很短则E1
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还没有来得及充分放电,再次闭合SW1时又可能导致复位失败,8051会陷入死机状态。
我们再来分析添加二极管D1后的情况。
在上电复位过程中,D1反向偏置,是不导通的,因此无任何影响。
当断开SW1时,放电通道增加一条“E1正极→8051-VCC→8051-GND→D1→E1负极”。
二极管D1在导通时等效电阻很小,一般只有几Ω到几十Ω,远远小于与其并联的电阻R1,因此主要的放电通道是包含D1的这一条。
结果,在添加二极管D1后SW1断开时放电时间大大加快,SW1迅速再闭合时一般也能正常复位(当然过快时仍会存在问题)。
但是,添加二极管D1的方法是治标不治本,虽然改善了复位可靠性但还是不能解决根本性问题,尤其是8051工作时的等效电阻远大于D1等效电阻时。
要彻底解决可靠性问题,应当采用集成复位电路。
图1.7可靠性IC复位
如图1.7所示,为以CAT812为核心的可靠性IC复位电路。
CAT811和CAT812是Catalyst半导体公司(现已并入ON-Semi安森美半导体公司)推出的4管脚MCU复位管理IC,拥有上电复位、欠压复位和手动复位等功能,工作非常可靠。
其中CAT811的复位输出是低电平有效,而CAT812是高电平有效,对于8051系列单片机应当选用CAT812。
依据复位监控阈值电压的不同,CAT812又分为多个子型号,以不同的字母后缀作为区分,如表1.1所示。
对于5V供电的8051应当选择L或M后缀(对3.3V工作的MCU多选择T或S后缀)。
表1.1CAT812后缀选择监控阈值电压
后缀
4.63V
L
4.38V
M
4.00V
J
3.08V
T
2.93V
S
2.63V
R
2.32V
Z
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