80C51单片机的总线结构、逻辑结构及内部结构

MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称，该系列生产工艺有HMOS和CHMOS这两种，CHMOS是CMOS和HMOS的结合，既保持了HMOS的高密度和高速度，还具有CMOS低功耗的特点。

在产品型号中，带有字母C的即为CHMOS芯片，如80C51，该类型芯片的电平既与TTL兼容，又与CMOS电平兼容。

在片内程序存储器的配置上，该系列单片机有3种形式，即掩模ROM、EPROM或Flash和ROM Less(无片内程序存储器)。

80C51是MCS-51系列中采用CHMOS工艺的一个典型品种，各厂商以80C51为基核(内核)开发出的CHMOS工艺单片机产品统称为80C51系列。

当前常用的80C51系列单片机主要产品有：

1)Intel产品：80C31、80C51、87C51、80C32、80C52、87C52等;

2)Ateml产品：89C51、89C52、89C2051等;

3)Philips，华邦，Siemens等公司以80C51为基核的许多产品。

80C51按总线结构可分为总线型和非总线型。

如常见到的89C51单片机就是总线结构，89C51单片机内部有数据总线，地址总线和控制总线。

但单片机由于芯片引脚数量的限制，数据总线和地址总线经常采用复用方式，且许多引脚还要与并行I/O口引脚复用。

20引脚的89S2051单片机就是一种非总线型的。其外部引脚很少，可使成本大大降低。

总线型单片机应用模式

1)如下左图为总线型单片机的总线应用模式，可以方便地将单片机配置成典型的三总线结构。

这种应用模式在扩展外围器件比较多的时候接线会比较复杂，系统的可靠性会降低。因此，在设计系统时，应尽量减少扩展器件的数量。

2)如下右图为总线型单片机的非总线应用模式，适用于大量I/O口需求的应用系统。

非总线型单片机应用模式

该模式已经将外部总线扩展用的I/O口线和控制功能线去掉，从而使单片机的引脚数减少，体积减少。对于不需进行并行外围扩展，装置体积要求苛刻且程序量不大的系统及其适用。

80C51典型成品的资源配置和引脚

由上表可见增强型与基本型有以下不同：

1)片内ROM字节数从4KB增加到8KB;

2)片内RAM字节数从128B增加到256B;

3)定时/计数器从2个增加到3个;

4)中断源由5个增加到6个。

下图为80C51系列单片机引脚图和逻辑符号，为标准的40脚DIP封装。

这些引脚的功能描述如下：

1)电源引脚Vcc和VssVcc

是电源端，接+5V;Vss接地端。通常在Vcc和Vss引脚之间接0.1uF高频滤波电容。

2)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟，则该引脚必须接地。

XTAL2：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟，则该引脚为外部时钟的输入。

3)地址锁存允许ALE

在系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。

当单片机上电正常工作以后，ALE端通常以时钟频率的1/6的固定频率向外输出正脉冲信号，ALE的负载能力为8个LS TTL器件。

ale(address lock enable)作用是在访问外部存储器时，p0口做为地址/数据复用口，ale信号用于锁存低8位地址。当ale信号为高电平时，p0口上的信息为低8位地址，在ale信号的下降沿时将p0口上的低8位地址送到地址锁存器锁存起来。 在ale为低电平期间p0口上的信息为指令或数据信息。在ale为低电平期间p0口上的信息为指令或数据信息，以实现低位地址与数据的分离。ale是自动运行的。

4)外部程序存储器读选通信号 ~PSEN

是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。CPU从外部存储器取指令时，它在每个机器周期中两次有效。因此，在一个机器周期内，CPU可以从程序存储器中读取两个字节的指令码。

5)程序存储器地址允许输入端 ~EA

当该引脚为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。

当该引脚为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。对于8031，由于其无片内ROM，故该引脚必须接低电平。

6)复位信号RST

该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。

此外，该引脚还有掉电保护功能，若在该引脚接+5V备用电源，在使用中若Vcc掉电，可保护片内RAM中信息不丢失。

7)输入/输出口引脚P0、P1、P2和P3

P0口(P0.0~P0.7)：该端口为漏极开路的8位准双向口，内部没有上拉电阻，该口在做I/O口使用时务必要外接上拉电阻，驱动能力为8个LS TTL负载，它是低8位地址线和8位数据线的复用端口。

P1口(P1.0~P1.7)：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1的驱动能力为4个LS TTL负载。

P2口(P2.0~P2.7)：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1的驱动能力为4个LS TTL负载。在访问外部程序存储器时，它作为存储器的高8位地址线。

P3口(P3.0~P3.7)：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口外，还具有特殊功能。

80C51单片机的逻辑结构

80C51单片机采用的是冯·诺依曼提出的经典计算机体系结构框架，即一台计算机由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备5个基本部分组成。

80C51单片机在一块芯片上集成了CPU，RAM，ROM，定时/计数器和多功能I/O口等。80C51单片机的系统结构框图如下所示。

由上图可以看出，单片机内部主要包含下列几个部件：

1)一个8位CPU

2)一个时钟电路

3)4KB程序存储器

4)128B数据存储器

5)两个16位定时/计数器

6)4个8位并行I/O端口

7)一个可编程串行接口

8)5个中断源，其中包括两个优先级嵌套中断

80C51单片机的内部结构

80C51单片机的内部结构框图如下所示。

1.CPU

CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。

1)运算器电路

运算器电路包括ALU算术逻辑单元，ACC累加器，B寄存器，状态寄存器，暂存器1和暂存器2等部件。

运算器的功能是进行算术运算，逻辑运算，位变量处理和数据传送。

运算电路以ALU为核心单元，可以完成半字节、单字节及多字节数据的运算操作，其中包括加减乘除，十进制调整等算术运算以及与，或，异或，求补和循环等逻辑操作，同时还具有一般微处理器所不具备的位处理功能，运算结果的状态由状态寄存器保存。

2)控制器电路

控制器电路包括程序计数器PC，PC加1寄存器，指令寄存器，指令译码器，数据指针DPTR，堆栈指针SP，缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。

程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址。数据指针DPTR为16位数据指针，它可以对外部数据存储器和I/O口进行寻址，它的低8位为DPL(地址为82H)，高8位为DPH(地址为83H)，堆栈指针SP随时跟踪栈顶地址，按先进后出的原则存取数据。

2.定时/计数器

80C51单片机片内有两个16位的定时/计数器，可以用于定时控制，延时以及对外部事件的计数和检测等。

3.存储器

80C51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，程序存储器和数据存储器的地址空间是相互独立的，物理结构也不相同。

4.并行I/O口

80C51单片机共有4个8位的I/O口，每条I/O线都能独立地用作输入或输出。

5.串行I/O口

80C51单片机有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口。

6.中断控制系统

80C51共有5个中断源，分为高级和低级两个中断优先级。

7.时钟电路

80C51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。

8.总线

以上所有组成部分都是通过总线连接起来的，系统的地址信号，数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。