第2章80C51存儲器結構2025/3/2011.單片機的工作原理：取一條指令、譯碼、進行微操作，再取一條指令、譯碼、進行微操作，這樣自動地、—步一步地由微操作按次序完成相應指令規定的功能。單片機的時鐘信號用來為單片機芯片內部的各種微操作提供時間基準，機器啟動后，指令的執行順序如下圖2.10所示：

一、時鐘的基本概念取指分析執行2.概念

⑴時序：各指令的微操作在時間上有嚴格的次序，這種微操作的時間次序稱作時序。

⑵

時鐘電路：用于產生單片機工作所需要時鐘信號的電路成為時鐘電路。2025/3/202二、振蕩器和時鐘電路時鐘信號有兩種方式：內部振蕩器方式；外部引入方式1.內部振蕩器方式MCS-51單片機內部有一個高增益的反相放大器，其輸入端為引腳XTAL1（19），輸出端為引腳XTAL2（18），用于外接石英晶體振蕩器或陶瓷諧振器和微調電容，構成穩定的自激振蕩器，其發出的脈沖直接送入內部的時鐘電路。如圖2.11或2.12（a）所示。2025/3/203圖2.12MCS-51振蕩電路及外部時鐘源的連接2025/3/204⑴電容C1，C2對頻率有微調作用，電容一般取值5～30pF，典型值為30pF；⑵晶振CYS選擇范圍為1.2～12MHz，典型值為6MHz和12MHz。（注：一般情況下，選用6MHz的石英晶體，而在串行通信情況下選用12MHz。）參數選擇：2025/3/205外部引入方式常用于多片單片機組成的系統中，以便各單元之間的時鐘信號同步運行。對于HMOS型單片機（如8051），可用來輸入外部脈沖信號，如圖2.12（b）所示，XTAL1（19）接地，XTAL2（18）接外部時鐘，由于XTAL2（18）的邏輯電平與TTL電平不兼容，所以應接一個上拉電阻。對于CHMOS單片機（如80C51），外部時鐘要由XTAL1引入，而XTAL2引腳應懸空。如圖2.11（c）所示。2.外部引入方式2025/3/206三、時序單位基本概念：MCS-51時序的定時單位共有4個，從小到大依次是：時鐘周期（拍節）、狀態周期、機器周期和指令周期。⒈時鐘周期（拍節，振蕩周期）：是指振蕩器產生一個振蕩脈沖信號所用的時間，是振蕩頻率的倒數，稱為節拍，為最小的時序單位。2025/3/2072.狀態周期：指振蕩器脈沖信號經過時鐘電路二分頻之后產生的單片機時鐘信號的周期（用S表示）稱為狀態周期。故1個狀態周期S包含2個節拍，前一時鐘周期稱為P1拍，后一個時鐘周期稱為P2拍。如圖2.13所示：圖2.1380C51單片機時鐘信號2025/3/2083.機器周期：是指CPU完成某一個規定操作所需的時間。MCS-51單片機的一個機器周期包含6個狀態，并依次表示為：S1～S6，每個狀態分為2個拍。故一個機器周期包含12個節拍（時鐘周期），依次表示為：S1P1、S1P2、S2P1、…S6P1、S6P2。若采用12MHz的晶振時，則一個機器周期為1μs；若采用晶振6MHz時，則一個機器周期為2μs。2025/3/2094.指令周期

是CPU執行一條指令所需要的時間為指令周期。MCS-51單片機包含1個或2個或4個機器周期。若采用6MHz晶振，則振蕩周期為1/6μs，機器周期為2μs、4μs或8μs。2025/3/2010MCS-51系列單片機的指令按其長度可分為：單字節指令，雙字節指令和三字節指令。四、取指令和執行指令時序由圖2.14所示，ALE信號在一個機器周期內兩次有效，第一次在S1P2和S2P1期間，第二次在S4P2和S5P1期間，ALE信號的有效寬度為一個S狀態。每出現一個ALE信號，CPU就可進行一次取指操作。2025/3/2011圖2.14MCS-51單片機的去取指/執行時序a）單字節單周期；b）雙字節單周期指令；c）單字節雙周期字節；d）雙字節雙周期指令2025/3/2012圖2-14（a）與（b）分別為單字節單周期和雙字節單周期指令的時序。對于單周期指令，在把指令碼讀入指令寄存器時，從S1P2開始執行指令。如果它為雙字節指今，則在同一機器周期的S4讀入第二字節；如果它為單字節指令，則在S4仍舊進行讀操作，但讀入的字節(它應是下一個指令碼)被忽略，而且程序計數據不加1。在任何情況下，在S6P2結束指令操作。2025/3/2013圖2.14（c）為雙字節單周期指令的時序，在兩個機器周期內發生4次讀操作碼的操作，由于是單字節指令，后3次讀操作都是無效的。圖2.14(d)是訪問外部數據存儲器的指令MOVX的時序，它是一條條單字節雙周期指令。在第—個機器周期S5開始時，送出外部數據存儲器的地址，隨后讀或寫數據，讀寫期間在ALE端不輸出有效信號；在第二個機器周期，即外部數據存儲器被尋址和選通后．也不產生取指操作。2025/3/2014時序的共同點：每一次ALE信號有效，CPU均從ROM中讀取指令碼（包括操作碼和操作數），但不一定有效，讀了之后再丟棄（假讀）。有效時，PC+1→PC不變（程序計數器PC不加1）；無效時不變。其余時間用于執行指令操作功能，但在時序中沒有完全反映出。如雙字節單機器周期，分別在S1、S4讀操作碼和操作數，執行指令就一定在S2、S3、S5、S6中完成。2025/3/2015第4節MCS-51系列單片機的復位與掉電處理

、復位與復位電路1.復位：是單片機的初始化操作，以便使CPU和系統中其他部件都處于一個確定的狀態，并從這個狀態開始工作。當單片機系統在運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖存時，也可按復位鍵重新啟動。單片機復位后，PC內容初始化為0000H，那么單片機就從0000H單元開始執行程序。片內RAM為隨機值，運行中的復位操作不改變片內RAM的內容。2025/3/2016

復位后各寄存器的初態如下表2-7所示，其意義為：⑴

P0~P3=FFH，相當于各口鎖存器已寫入1，此時可用于輸出/輸入；⑵

SP＝07H，堆棧指針指向片內RAM的07H單元（第一個入棧內容將寫入08H中）；⑶

IP、IE和PCON的有效值為0，各中斷源處于低優先級且均被關斷，串行通信的波特率不加倍；⑷

PSW＝00H，當前工作寄存器為0組。表2-7寄存器的復位狀態2025/3/20172.復位電路圖2-108051復位電路內部結構HMOS型8051復位結構如圖2.10所示。復位引腳RST/VPD(它是掉電方式下內部RAM的供電端VPD)通過一個施密特觸發器與復位電路相連。施密特觸發器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的S5P2由復位電路采樣一次。RST引腳時復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效，其有效時間應持續24個時鐘周期（2個機器周期）以上。2025/3/2018CHMOS型的單片機復位結構如圖211所示，此處復位引腳只是單純的稱為RST，而不是RST／VPD，因為CHMOS單片機的備用電源也由VCC引腳提供。2.11CHMOS型單片機的復位結構2025/3/2019無論對HMOS還是CHMOS型，當振蕩器正在運行的情況下，復位是靠在RST／VPD或RST引腳至少保持兩個機器周期的高電平而實現的。在RST端出現高電平后的第2個周期，執行內部復位，以后每個周期重復—次，直至RST端變低。RST端的外部復位電路有兩種操作方式：上電復位和按鍵手動復位（人工復位）2025/3/20202.12上電復位電路如圖2.12所示，上電復位電路是利用電容器充電實現的。上電瞬間，RST端的電位與VCC相同，隨著電容的逐步充電，充電電流減小。RST電位逐漸下降。上電復位所需的最短時間是振蕩器建立時間加上兩個機器周期。在這段時間內，RST端口的電平應維持高于斯密特觸發器的下閾值。—般VCC的上升時間不超過1ms，振蕩器建立時間不超過10ms。復位電路的典型值：

電容C取10μF，R取8.2KΩ。故時間常數足以滿足要求。（1）上電復位2025/3/20212.13外部復位電路外部復位電路如圖2.13所示，按下按鈕時，電源對外接電容器充電，使RST為高電平，復位按鈕松開后，電容通過內部下拉電阻放電，逐漸使RST端恢復低電平。（2）外部復位電路2025/3/2022⑶程序計數器指針PC典型的復位電路既具有上電復位又具有外部的復位電路如圖2.14所示，上電瞬間，C與Rx構成充電電路，RST引腳出現正脈沖，只要RST保持足夠的高電平，就能使單片機復位。參數選擇：一般取C＝22μF，R＝200Ω,Rx＝1KΩ，此時，當按下按鈕時，RST端電位：（1000/1200）×5=4.2V，使單片機復位。2.14上電外部復位電路2025/3/2023（4）抗干擾復位電路2.15兩種實用復位電路上面幾種復位電路，干擾信號易串入復位端。一般情況不會造成單片機的錯誤復位，但有可能引起內部某些寄存錯誤復位。在應用系統中，為了保證復位電路可靠地工作，常將RC電路在接施密特電路后再接入單片機復位端及外圍電路復位端。圖2.15給出了兩種實用電路。2025/3/2024二、掉電處理掉電保護方式掉電保護：單片機如遇到掉電，將導致片內RAM和SFR中的信息丟失。為避免發生此種情況，把HMOS型的8051單片機RST/VPD引腳作為備用電源，只要VCC上的電壓低于VPD上的電壓時，備用電源就通過VPD端給內部RAM供電，以低功耗保持內部RAM中的數據，這種方式稱為掉電保護。掉電保護電路如圖2.16所示：2.16掉電保護電路2025/3/2025如圖2.16所示，當電源電壓VCC降到CPU工作電源電壓所允許的最低下限之前，通過中斷服務程序，把一些必須保護信息轉存到片內RAM中，然后向P1.0寫入“0”，由P1.0輸出的低電平觸發單穩態電路555。在主電源恢復之前，片內振蕩器被封鎖，一切功能停止，并依靠VPD引腳提供的電源來保護片內RAM中的數據。當電源恢復時，VPD上的電壓應保持足夠的時間（約10ms），以完成復位操作，然后開始正常的工作。2025/3/20262.節電工作方式對于CHMOS型單片機（如80C51）才有節電方式。有兩種：待機（空閑）方式；掉電保護（停機）方式。⑴持機(空閑)方式：可使功耗減小，電流約為1.7～5mA；⑵掉電(停機)方式：備用電源直接由VCC端輸入，可僅功耗減到最小，電流一般為5～50uA。因此，CHMOS型單片機特別適用于低功耗應用的場合。2025/3/2027待機(空閑)方式和掉電(停機)方式都是由專用寄存器PCON(電源控制寄存器)中的有關位來控制的，其格式及各位的作用如下：(1)SMOD：波特率倍增位。在串行口工作方式1、2或3下，SMOD＝1使波特率加倍。(2)GFl和GF2：通用標志位。由軟件置位、復位。2025/3/2028(3)PD：掉電方式位。若PD＝1，進入掉電工作方式。(4)IDL：待機方式位。各IDL＝1，進入持機工作萬式。當PD扣IDL同時為l，則先進入掉電工作方式。復位后，PSON中所有定義位均為“0”。2025/3/2029（1）待機方式用指令使PCON中的IDL位置1，80C51就進入待機方式。在待機方式下，振蕩器繼續運行，時鐘信號繼續提供給中斷邏輯。串行口