逻辑结构

  • 8位处理器
  • 哈佛结构
  • 复杂指令集
  • 128B RAM + 特殊功能寄存器SFR
  • 4KB ROM
  • 16位定时/计数器*2：T0和T1
  • 8位双向可编程GPIO ，并行端口P0~P3
  • 1个UART串行端口
  • 中断控制系统
  • 内部时钟电路

内部逻辑

数据指针DPTR

16位特殊功能寄存器，用于数据存储器和I/O寻址，（DPH+DPL）

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; 访问片外数据存储器或I/O的指令
MOVX  A，＠DPTR    ; 读
MOVX  ＠DPTR，A    ; 写
; 作为访问程序存储器时的基址寄存器,访问程序存储器中的表格、常数
MOVC  A，＠A＋DPTR  ; 作为基址寄存器
JMP   ＠A＋DPTR

累加器A

它是一个使用最频繁的专用寄存器，这导致了累加器的瓶颈，它用来存放操作数，是ALU单元的输入之一并且也是ALU运算结果的暂存单元，ALU的运算结果会通过内部总线送回到累加器中得以保存

程序状态字（PSW）：

CY，AC，OV，P都是ALU在运算后的标志位直接输入的

  • CY：进位标志位
  • AC：辅助进位标志位
  • OV：溢出标志位
  • P：奇偶标志位，通常添加在串行通信时的帧中来保证数据传输的可靠性
  • F0：用户标志
  • RS1&RS0：工作寄存器组选择控制位

ALU

产生两个结果

  • 运算结果送入累加器中
  • 标志位送入PSW中

条件转移逻辑电路

  • 内部条件：通过判断PSW（程序状态标志位）的状态，这和x86汇编中的jz，ja之类的指令很相似；以及累加器是否是结果为0（零状态）来决定是否进行分支转移
  • 外部条件：通过F0的值，以及位寻址（8051单片机内部有1个可位寻址区，地址为20H~2FH）空间中的各个位的状态来判断是否进行分支转移

定时器/计数器

定时器/计数器时嵌入式芯片的核心部件，定时、技术、捕获、PWM是由它实现的，51中有两个16位的定时器/计数器

中断系统

外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。优先级分为高/低两种

振荡器

  • 内部振荡器：误差1%-5%不精确
  • 外部振荡器
    • 晶体振荡器
    • 陶瓷振荡器
    • RC振荡器：廉价

由PD位（电源控制寄存器PCON中的一位）控制。当PD=1时，停止工作，系统进入低功耗工作状态

程序存储器

介质类型分类

  • 片内不带程序存储器而使用片外只读存储器的称80C31

  • 内部带ROM的称80C51

  • 内部以EPROM代替ROM的称87C51

  • 内部以FLASH代替ROM的称89C51

容量

采用16位的地址总线，可直接扩展的地址空间位64KB，片内、片外均为64KB

保密及攻击方法

复位及中断入口

复位方式见后文工作方式的内容

中断入口地址：

和x86的中断向量工作方式类似，通过这个入口地址跳转到实际程序的执行地址

  • 复位 0000H~0002H（3个单元）

  • 外部中断0 0003H~000AH（8个单元）

  • 计时器T0溢出 000BH~0012H （8个单元）

  • 外部中断1 0013H~001AH （8个单元）

  • 计时器T1溢出 001BH~0022H （8个单元）

  • 串行口中断 0023H~002AH （8个单元）

  • 计时器 T2/T2EX 002BH~0032H （8个单元，80C52）

数据存储器

容量

片内256B数据存储器地址空间，片外64KB的数据存储器地址空间

寻址

地址只有8位=256B的寻址范围

低128B一定为片内数据RAM区

高128B为特殊功能寄存器SFR区/RAM区：高128B的RAM区和SFR区的地址空间是重叠的。究竟访问哪一个区是通过不同的寻址方式来加以区别的，访问高128B RAM区时，选用间接寻址方式；访问SFR区，选用直接寻址方式（eg: MOV AX [2000H]，[]中为常数）

片外数据存储器只能用寄存器间接寻址的方法访问，这里使用的寄存器为DPTR、R1、R0

工作寄存器区

片内数据 RAM区的 0～31（00H～1FH），共 32个单元，是 4个通用工作寄存器组，每个组包含8个8位寄存器，编号为 R0～R7

单片机的信号引脚

  • 40引脚双列直插（DIP, Dual In-line Package）
  • 44引脚（PLCC, plastic leaded chip carrier）
  • 44引脚（PQFP/TQFP, plastic quad flat pack / Thin Quad Flat Package）封装形式

ALE(PROG:编程脉冲)：地址所存允许信号

/PSEN：片外程序存储器读选通信号，‘/’表示低电平有效

时钟电路

内部时钟发生器实质上是一个2分频的触发器，讲震荡信号2分频

时序定时单位：震荡周期/节拍、时钟周期/状态周期、机器周期（机器周期是单片机的最小时间单位）、指令周期（由于使用复杂指令集，因此根据指令的不同，可能包含n个机器周期）

工作方式

复位

PC:arrow_right:0000H，对特殊功能寄存器又影响，ALE=0，/PSEN = 1

程序运行出错或者操作错误而使得系统处于死锁状态时，可以使用复位键或WDT看门狗定时器来复位。

复位实现方式：

需要使用RST引脚，该引脚为复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应该持续2个机器周期以上才能进行复位

  • 上电自动复位
  • 按键复位：
    • 电平方式（复位端经过电阻和Vcc电源接通实现）
    • 脉冲方式（通过RC微分电路产生正脉冲）

程序执行

一般在0000H处有一个跳转指令用来跳转到实际的程序入口

低功耗

由电源控制寄存器（PCON）的有关位来控制

低功耗模式下内部振荡器不工作，因此不产生内部时钟信号

  • 待机/空闲（IDLE）方式
  • 掉电（POWER DOWN）保护方式

编程和校验

这里有点晕，感觉特别繁琐，先放个图吧

控制线

注：/ 表示低电平有效，没有这个标志标识高电平有效

RST

在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。

VPD：备用电源引入端，当电源发生故障，电源降到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的数据不丢失

/EA

片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。/EA=1，选择片内程序存储器；/EA=0，则程序存储器全部在片外而不管片内是否有程序存储器。

Vpp：编程电压,具体电压值视芯片而定

ALE(PROG: 编程脉冲)

该信号每6个震荡周期出现一次，是地址锁存允许信号。例如在读取指令的时候需要它为1才可以读取。

/PSEN

片外程序存储器读选通信号，低电平有效

指令系统

  • 单字节或双字节指令可能是单机器周期或双机器周期的

  • 三字节指令是双机器周期的

  • 乘除指令是四个机器周期的

总线

地址、数据、控制三总线：地址总线是单向的、数据总线是双向的、控制总线是单向的

位寻址

RAM（20H-2FH）16*8=128位、特殊功能寄存器被8整除的位、I/O口中可以位寻址的位

电源

种类：TYPE A: 5V、 TYPE B: 3.3V、 TYPE C: 1.8V

误差：\(\pm10\%\)，少数芯片可以达到\(\pm5\%\)

宽电源芯片

可以同时支持TYPE A/B

芯片工作电压范围很宽，比如工作电压\(3V-5V\)，使用\(3V\)工作功耗比使用\(5V\)低。因为逻辑高电平大于等于\(0.7*Vcc\)，逻辑低电平小于等于\(0.3*Vcc\)，当使用高\(Vcc\)时，高逻辑和低逻辑的电压差大，所以抗干扰能力强

内部方式

XTAL1——片内振荡器的反相放大器输入端

XTAL2——片内振荡器的反相放大器输出端。

外部方式

使用外部振荡器时，外部信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。根据频率微调电容取15-30P左右。

这老师的ppt就乱得离谱，感觉还是没理顺