MCS-51单片机的逻辑结构及
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2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及 信号引脚
MCS-51单片机结构框图 MCS-51芯片内部逻辑结构 MCS-51的信号引脚
MCS-51单片机结构框图
MCS-51芯片内部逻辑结构
1.中央处理器（CPU ） 中央处理器CPU是单片机的核心，完成运算和控 制操作。它包括运算器和控制器电路。 1 ）运算器电路 运算器主要用来实现对操作数的算术、逻辑运算 和位操作的。 主要包括算术逻辑运算单元ALU、累加器ACC （A ）、暂存寄存器、B 寄存器、程序状态字PSW、 两个暂存器以及BCD码运算修正电路。
其地址为0003h0023h是五个中断源的中断地址区0003h000ah外部中断0中断地址区000bh0012h定时器计数器0中断地址区0013h001ah外部中断1中断地址区001bh0022h定时器计数器1中断地址区0023h002ah串行中断地址区中断服务程序超过8个字节时在中断地址区的首地址存放一条无条件转移指令转移到中断服务程序
专用寄存器地址表
MCS-51的堆栈操作
后进先出 入栈PUSH 出栈POP 1.堆栈的功用 保护断点 保护现场
2.堆栈的开辟 MCS-51的堆栈只能开辟在芯片内部的数据存储器中。 3.堆栈指示器SP 专用寄存器地址81H SP的内容是堆栈栈顶的地址 系统复位后SP的内容是07H 4.堆栈类型
5.堆栈的使用方法 自动方式 调用子程序或中断时 指令方式 使用堆栈操作指令 PUSH、POP
PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0
CY AC F0 RS1 RS0 OV 未用 P
进位标志 辅助进位标志 用户标志 寄存器组选择 寄存器组选择 溢出标志 带符号数加减运算 溢出; 乘法积超过8位；除数为0 奇偶标志
数据指针 DPTR DPH 地址83H DPTR高字节 DPL 地址82H DPTR低字节 2.专用寄存器的字节寻址 21个可以字节寻址的专用寄存器分散在内部RAM高128 个单元中 PC不占据RAM单元,不可寻址 对专用寄存器只能使用直接寻址 3.专用寄存器的位寻址
P0 口
P0口既可以作为通 用的I/O口进行数据的 输入输出，也可作为 单片机系统的地址/数 据线使用。 当作为地址/数据线 使用时，外接74LS373 锁存器进行地址/数据 分离。用ALE控制线作 地址锁存信号。
当P0口作为通用的I/O口使用时，必须外接上拉电阻。 当P0口作为输入口使用时，应区分读引脚和读端口两 种情况。 当P0口作I/O输入时，必须先向电路中的锁存器写入 “1”，使输出驱动电路的FET截止，以避免锁存器为 “0”状态时对引脚读入的干扰。
时钟电路 时序定时单位 典型指令时序
时序定时单位
1.拍节
2.状态
振荡脉冲周期P
时钟周期S
3.机器周期
4.指令周期
6个状态
执行一条指令的时间，1～4个机器周期
典型指令时序 1. 2. 3. 4. 单字节单周期指令 INC A 双字节单周期指令 ADD A ，#data 单字节双周期指令 INC DPTR 单字节双周期MOVX类指令 MOVX A ，@DPTR
内部数据存储器低128单元 内部数据存储器高128单元 MCS-51的堆栈操作 内部程序存储器 MCS-51单片机系统的存储器构特点
8051内部数据存储器配置图
内部数据存储器低128单元 1.寄存器区 00H～1FH 1 0 组2 1 1 组3 R0～R7地址 00 ～07H 08 ～0FH 10 ～17H 18 ～1FH
P3 口
P3口可以作为通用的I/O口进行数据的输入输出，也可 以用作第二动能。 当P3口作为通用的I/O口使用时，不需要外接上拉电阻。 当P3口作I/O输入时，必须先向电路中的锁存器写入 “1”，使输出驱动电路的FET截止。
P 3 口线的第二功能
80C51并行I/O接口的比较
2.4
MCS-51单片机时钟电路与时序
2）控制器电路 识别指令并根据指令性质控制计算机各组成部 分协调工作的部件。 80C51单片机的控制器包括程序计数器PC、PC加 1寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻 辑电路及定时控制逻辑电路等。
2.内部数据存储器（内部RAM ） 内部数据存储器包括RAM（256 ╳8 ）和RAM地址寄 存器等。低地址的128个 单元可以供用户存取数据用。 高地址的128个单元是专用寄存器。 3.内部程序存储器（内部ROM ） 内部程序存储器包括ROM （4KB ╳8 ）和程序地址 寄存器等。用于存放程序和 原始数据。 4. 定时器/计数器 80C51有两个16位定时器/计数器，实现定时或计数 功能并根据定时或计数结果实现单片机的控制功能。 5. 并行I/O 口 MCS-51有4个8位的I/O 口（P0、P1、 P2、 P3 ）， 实现数据的并行输入输出。
MCS-51单片机系统的存储器结构特点
把数据存储器和程序存储器分开编址，指令和控制信 号都不同。存储器有片内和片外之分。片内存储器使用方 便，但容量有限。在芯片外可以扩展数据存储器和程序存 储器，有控制信号可以供扩展用。
2.3 MCS-51单片机并行I/O 口电路
P0口 P1口 P2口 P3口
内部程序存储器
80C51芯片内部有4KB ROM存储单元， 其地址为 0000H～0FFFH。 系统复位后PC的内容为0000H，单片机从0000H单元 开始取指令执行程序。如果程序不从0000H单元开始存 放，应在0000H开始的三个单元中存放一条无条件转移 指令，转移到程序起始的单元。
0003H～0023H是五个中断源的中断地址区 0003H～000AH 外部中断0中断地址区 000BH～0012H 定时器/计数器0中断地址区 0013H～001AH 外部中断1中断地址区 001BH～0022H 定时器/计数器1中断地址区 0023H～002AH 串行中断地址区 中断服务程序超过8个字节时，在中断地址区的首地址 存放一条无条件转移指令，转移到中断服务程序。
P1口
P1口是通用的I/O 口。 电路内部有上拉电阻。 当P1口作I/O输入时，必须先向电路中的锁存器写入 “1”，使输出驱动电路的FET截止。
P2 口
P2口既可以作为通用的I/O 口进行数据的输入输出，也 可以作为单片机系统的高8位地址线使用。
当P2口作为通用的I/O 口使用时，不需要外接上拉电阻。 当P2口作I/O输入时，必须先向电路中的锁存器写入 “1”，使输出驱动电路的FET截止。
2.5 MCS-51单片机工作方式
复位方式 程序执行方式 掉电保护方式 80C51的低功耗方式
思考题与习题
10.总线 上述部件都是通 过总线连接的。 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， 提高了可靠性。
MCS-51的信号引脚
1.信号引脚介绍 1) P0口 2) P1 口 5) ALE 6) /PSEN 9) XTAL1、XTAL2 2.信号引脚的第二功能 1)P3 口的第二功能
6.串行口 MCS-51有一个全双工的串行口，以实现单片机和 其它数据设备之间的串行数据传递。该串行口也可以作 为同步移位寄存器使用。 7.中断控制系统 80C51有5个中断源:外中断2个，定时/计数中断2个， 串行中断1个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。 8. 时钟电路 MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微 调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列， 典型的晶振频率为12MHz和6MHz。 9. 位处理器 位处理器也称布尔处理器，可对PSW中的进位标志 位C进行置位、复位、取反、判1或0转移等操作，还可 以将C与可寻址位之间进行数据传送和逻辑运算等操作。 位处理器使单片机的控制功能增强。
2.位寻址区 3.用户RAM 区
20H～2FH 30H～7FH
位寻址区
内部数据存储器高128单元 专用寄存器区地址 80H～FFH 1.专用寄存器简介 程序计数器PC 不可寻址 累加器ACC 地址E0H B寄存器 地址F0H 程序状态字PSW 地址D0H
位序 PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 位标志 CY AC F0 RS1 RS0 PSW.2 PSW.1 OV / PSW.0 P
3) P2 口 7）/EA 10) VSS
4) P3 口 8) RST 11) VCC
2) EPROM存储器程序固化所需要的信号 编程脉冲PROG:ALE/PROG 编程电源VPP(25V):EA/VPP 3) 备用电源引入 备用电源VPD: RST/VPD
2.2 MCS-51单片机的内部存储器
2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及 信号引脚
MCS-51单片机结构框图 MCS-51芯片内部逻辑结构 MCS-51的信号引脚
MCS-51单片机结构框图
MCS-51芯片内部逻辑结构
1.中央处理器（CPU ） 中央处理器CPU是单片机的核心，完成运算和控 制操作。它包括运算器和控制器电路。 1 ）运算器电路 运算器主要用来实现对操作数的算术、逻辑运算 和位操作的。 主要包括算术逻辑运算单元ALU、累加器ACC （A ）、暂存寄存器、B 寄存器、程序状态字PSW、 两个暂存器以及BCD码运算修正电路。
其地址为0003h0023h是五个中断源的中断地址区0003h000ah外部中断0中断地址区000bh0012h定时器计数器0中断地址区0013h001ah外部中断1中断地址区001bh0022h定时器计数器1中断地址区0023h002ah串行中断地址区中断服务程序超过8个字节时在中断地址区的首地址存放一条无条件转移指令转移到中断服务程序
专用寄存器地址表
MCS-51的堆栈操作
后进先出 入栈PUSH 出栈POP 1.堆栈的功用 保护断点 保护现场
2.堆栈的开辟 MCS-51的堆栈只能开辟在芯片内部的数据存储器中。 3.堆栈指示器SP 专用寄存器地址81H SP的内容是堆栈栈顶的地址 系统复位后SP的内容是07H 4.堆栈类型
5.堆栈的使用方法 自动方式 调用子程序或中断时 指令方式 使用堆栈操作指令 PUSH、POP
PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0
CY AC F0 RS1 RS0 OV 未用 P
进位标志 辅助进位标志 用户标志 寄存器组选择 寄存器组选择 溢出标志 带符号数加减运算 溢出; 乘法积超过8位；除数为0 奇偶标志
数据指针 DPTR DPH 地址83H DPTR高字节 DPL 地址82H DPTR低字节 2.专用寄存器的字节寻址 21个可以字节寻址的专用寄存器分散在内部RAM高128 个单元中 PC不占据RAM单元,不可寻址 对专用寄存器只能使用直接寻址 3.专用寄存器的位寻址
P0 口
P0口既可以作为通 用的I/O口进行数据的 输入输出，也可作为 单片机系统的地址/数 据线使用。 当作为地址/数据线 使用时，外接74LS373 锁存器进行地址/数据 分离。用ALE控制线作 地址锁存信号。
当P0口作为通用的I/O口使用时，必须外接上拉电阻。 当P0口作为输入口使用时，应区分读引脚和读端口两 种情况。 当P0口作I/O输入时，必须先向电路中的锁存器写入 “1”，使输出驱动电路的FET截止，以避免锁存器为 “0”状态时对引脚读入的干扰。
时钟电路 时序定时单位 典型指令时序
时序定时单位
1.拍节
2.状态
振荡脉冲周期P
时钟周期S
3.机器周期
4.指令周期
6个状态
执行一条指令的时间，1～4个机器周期
典型指令时序 1. 2. 3. 4. 单字节单周期指令 INC A 双字节单周期指令 ADD A ，#data 单字节双周期指令 INC DPTR 单字节双周期MOVX类指令 MOVX A ，@DPTR
内部数据存储器低128单元 内部数据存储器高128单元 MCS-51的堆栈操作 内部程序存储器 MCS-51单片机系统的存储器构特点
8051内部数据存储器配置图
内部数据存储器低128单元 1.寄存器区 00H～1FH 1 0 组2 1 1 组3 R0～R7地址 00 ～07H 08 ～0FH 10 ～17H 18 ～1FH
P3 口
P3口可以作为通用的I/O口进行数据的输入输出，也可 以用作第二动能。 当P3口作为通用的I/O口使用时，不需要外接上拉电阻。 当P3口作I/O输入时，必须先向电路中的锁存器写入 “1”，使输出驱动电路的FET截止。
P 3 口线的第二功能
80C51并行I/O接口的比较
2.4
MCS-51单片机时钟电路与时序
2）控制器电路 识别指令并根据指令性质控制计算机各组成部 分协调工作的部件。 80C51单片机的控制器包括程序计数器PC、PC加 1寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻 辑电路及定时控制逻辑电路等。
2.内部数据存储器（内部RAM ） 内部数据存储器包括RAM（256 ╳8 ）和RAM地址寄 存器等。低地址的128个 单元可以供用户存取数据用。 高地址的128个单元是专用寄存器。 3.内部程序存储器（内部ROM ） 内部程序存储器包括ROM （4KB ╳8 ）和程序地址 寄存器等。用于存放程序和 原始数据。 4. 定时器/计数器 80C51有两个16位定时器/计数器，实现定时或计数 功能并根据定时或计数结果实现单片机的控制功能。 5. 并行I/O 口 MCS-51有4个8位的I/O 口（P0、P1、 P2、 P3 ）， 实现数据的并行输入输出。
MCS-51单片机系统的存储器结构特点
把数据存储器和程序存储器分开编址，指令和控制信 号都不同。存储器有片内和片外之分。片内存储器使用方 便，但容量有限。在芯片外可以扩展数据存储器和程序存 储器，有控制信号可以供扩展用。
2.3 MCS-51单片机并行I/O 口电路
P0口 P1口 P2口 P3口
内部程序存储器
80C51芯片内部有4KB ROM存储单元， 其地址为 0000H～0FFFH。 系统复位后PC的内容为0000H，单片机从0000H单元 开始取指令执行程序。如果程序不从0000H单元开始存 放，应在0000H开始的三个单元中存放一条无条件转移 指令，转移到程序起始的单元。
0003H～0023H是五个中断源的中断地址区 0003H～000AH 外部中断0中断地址区 000BH～0012H 定时器/计数器0中断地址区 0013H～001AH 外部中断1中断地址区 001BH～0022H 定时器/计数器1中断地址区 0023H～002AH 串行中断地址区 中断服务程序超过8个字节时，在中断地址区的首地址 存放一条无条件转移指令，转移到中断服务程序。
P1口
P1口是通用的I/O 口。 电路内部有上拉电阻。 当P1口作I/O输入时，必须先向电路中的锁存器写入 “1”，使输出驱动电路的FET截止。
P2 口
P2口既可以作为通用的I/O 口进行数据的输入输出，也 可以作为单片机系统的高8位地址线使用。
当P2口作为通用的I/O 口使用时，不需要外接上拉电阻。 当P2口作I/O输入时，必须先向电路中的锁存器写入 “1”，使输出驱动电路的FET截止。
2.5 MCS-51单片机工作方式
复位方式 程序执行方式 掉电保护方式 80C51的低功耗方式
思考题与习题
10.总线 上述部件都是通 过总线连接的。 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， 提高了可靠性。
MCS-51的信号引脚
1.信号引脚介绍 1) P0口 2) P1 口 5) ALE 6) /PSEN 9) XTAL1、XTAL2 2.信号引脚的第二功能 1)P3 口的第二功能
6.串行口 MCS-51有一个全双工的串行口，以实现单片机和 其它数据设备之间的串行数据传递。该串行口也可以作 为同步移位寄存器使用。 7.中断控制系统 80C51有5个中断源:外中断2个，定时/计数中断2个， 串行中断1个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。 8. 时钟电路 MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微 调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列， 典型的晶振频率为12MHz和6MHz。 9. 位处理器 位处理器也称布尔处理器，可对PSW中的进位标志 位C进行置位、复位、取反、判1或0转移等操作，还可 以将C与可寻址位之间进行数据传送和逻辑运算等操作。 位处理器使单片机的控制功能增强。
2.位寻址区 3.用户RAM 区
20H～2FH 30H～7FH
位寻址区
内部数据存储器高128单元 专用寄存器区地址 80H～FFH 1.专用寄存器简介 程序计数器PC 不可寻址 累加器ACC 地址E0H B寄存器 地址F0H 程序状态字PSW 地址D0H
位序 PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 位标志 CY AC F0 RS1 RS0 PSW.2 PSW.1 OV / PSW.0 P
3) P2 口 7）/EA 10) VSS
4) P3 口 8) RST 11) VCC
2) EPROM存储器程序固化所需要的信号 编程脉冲PROG:ALE/PROG 编程电源VPP(25V):EA/VPP 3) 备用电源引入 备用电源VPD: RST/VPD
2.2 MCS-51单片机的内部存储器