第02章MCS-51单片机的结构

2.1 MCS-51单片机的组成和总体结构
单片机和一般微型机比较： 共同点：均由CPU(包括运算器和控制器)、存储器、输入设备 、输出设备组成 不同点：单片机是将CPU、RAM、ROM、定时计数器，以及 输入输出（I/O）接口电路等计算机的主要部件集成在一小块 硅片上的单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。 单片机特点：体积小、可靠性高、性价比高等 应用领域：工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、 通讯设备、家用电器、机电一体化产品等领域。
⒊ 控制线:控制线共有4根 ⑴ ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ① ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 ② PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程
期间，此引脚输入编程脉冲。 ⑵ PSEN:片外程序存储器读选通信号输出端。在
向片外程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周 期该信号两次有效（低电平）
荡器周期)的高电平就可实现系统复位。复位期间 不产生ALE及PSEN信号。
② VPD功能：在Vcc掉电时，接备用电源。 VPD:对HMOS芯片为片内RAM掉电保护备用电 源，Vcc掉电期间，该引脚如接备用电源VPD（＋ 5V＋0.5V）
复位后单片机内寄存器的状态
PC： 0000H Acc： 00H B： 00H PSW： 00H SP： 07H DPTR：0000H P0～P3：FFH IP：×××00000B IE：0××00000B
P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST/VPD 9 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19
TMOD： 00H TCON： 00H TH0： 00H TL0： 00H TH1： 00H TL1： 00H SCON： 00H SBUF： 不定 PCON： 0×××0000B
图2-4(a) 加电自动复位电路 图2-4(b) 按键手动复位电路
⑷ EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 ① EA功能：内外ROM选择端。
80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片 内，60KB在片外(80C31芯片无内ROM，全部在片外)。 当EA保持高电平时，先访问内ROM；当PC(程序 计数器)值超过4KB(0FFFH)时，自动转向执行外ROM中 的程序。 当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片 内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，EA接地。
第二，单片机对外呈三总线形式。由P2、 P0组成16位地址总线;由P0分时复用为数据总线 ；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、 INT1、T0、T1、WR、RD共10个引脚组成控制 总线。由于有16位地址线，可使片外存储器的寻 址范围达到64K字节。
2.2 中央处理单元
128×8 RAM
⑴ 自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行 PC+1→PC；
⑵ 执行转移指令时，PC会根据要求修改地址；
⑶ 执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前 PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址装入 PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的 PC值，继续执行原顺序程序指令。
P3.0-P3.7:有两种功能。 第一，做准双向通用I/O口使用； 第二，用于串行口、中断源输入、计数器 、片外RAM选通等功能。 注意：
由于第二功能信号都是单片机的重要控 制信号，因此在实际使用时，总是先按需 要优先选用它的第二功能，剩下不用的才 作为通用I/O接口线使用。
P3口的第二功能:
P3.0 —— RXD：串行口输入端； P3.1 —— TXD：串行口输出端； P3.2 —— INT0：外部中断0请求输入端； P3.3 —— INT1：外部中断1请求输入端； P3.4 —— T0：定时/计数器0外部信号输入端； P3.5 —— T1：定时/计数器1外部信号输入端； P3.6 —— WR：外RAM写选通信号输出端； P3.7 —— RD：外RAM读选通信号输出端。
算术逻辑运算单元ALU
运算器 累加器ACC、 寄存器阵列、PSW
中央处理器CPU
栈指针SP栈区、数据指针DPTR 程序指针PC、、
内
控制器
指令寄存器和指令译码逻辑 内部时钟振荡器及时序控制逻辑
部 组 程序存储器ROM
——内部最多4KB ROM或EPROM
成
数据存储器RAM ——内部128B RAM以及特殊寄存器SFR块
外部时钟源
外部计数脉冲
时钟电路
数据存储器 256B RAM
程序存储器 2个16位的定
4KBROM 时/计数器
CPU
中断控制
64KB总线 扩展控制器
并行I/O 接口
全双工 串行接
口
外部中断源
外部设备
串行通讯
2.1.2 MCS-51单片机引脚功能
40个引脚双排直插DIP封装,分为4类：电源、 时钟、控制和I/O引脚。
2). 指令寄存器和指令译码器
8051 CPU按照程序计数器PC提供的地址 ，依次从程序存储器的相应单元中取出相应 指令后，首先放到指令寄存器中，然后由指 令译码器翻译成各种形式的控制电位。
VSS 20
80C51/89C51
40 VCC 39 P0.0 38 P0.1 37 P0.2 36 P0.3 35 P0.4 34 P0.5 33 P0.6 32 P0.7 31 EA/VPP 30 ALE/PROG 29 PSEN 28 P2.7 27 P2.6 26 P2.5 25 P2.4 24 P2.3 23 P2.2 22 P2.1 21 P2.0
并行输入输出接口：4个8位I/O接口
串行输入输出接口：1个UART
接口控制电路
复位逻辑RST：高电平复位（＞10ms） 中断控制逻辑：2个外部和3个内部中断
内部中断：1个串行口中断、2个计数器中断 外部中断：2个外部中断INT0、INT1
CPU包括运算器和控制器二大部分。
2.2.1运算器
功能：进行算术运算和逻辑运算。可以 对半字节（4位）、单字节（8位）等数据进 行操作。
第二章 MCS-51单片机的结构
MCS-51单片机的组成和总体结构 中央处理单元（CPU） 存多储器 并行I/O接口
单片机最小系统
本章知识点
• MCS-51单片机的组成和总体结构 • 中央处理单元 • MCS-51单片机的存储器 • MCS-51单片机的并行I/O接口 • MCS-51单片机最小系统
② Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编 程期间，施加编程电源Vpp。
4.外接晶体引脚（2条）
XTAL1: 内部振荡电路反相放大器的输入端。 当采用外部振荡器时，此引脚接地。
XTAL2: 内部振荡电路反相放大器的输出端。 当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
小结
第一，单片机功能多，引脚数少，致许多引脚 都具有第二功能。
SP
8051的内部结构展开图
RAM地址寄存器
P3口
P1口
P2口
中断控制 锁存器 定时/计数器 串行I/O口
锁存器
锁存器
P0口 锁存器
寄存器B 累加器A 指令寄存器IR
暂存器1 暂存器2
程序状态
字PSW
ALU
指令译码器ID 定时与控制
CPU
数据指针DPTR 缓冲器
程序计数器
4K×8 ROM
PC增1
程序地址寄存器AR
有进位 CY=1
没有半进位 AY=0
PSW位地址 D7H D6H D5H D4H D3H D2H D1H D0H
CY AC F0 RS1 RS0 OV
P
RS1、RS0：工作寄存器组选择位。
P：奇偶校验位，它用来表示累加器A内容中二进制数 位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则 为0。
单片机的引脚（PSEN端）
PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部 EPROM的
读控制端（OE）低有效。 EPROM
D0-D7
P0.0-P0.7 ALE EA
PSEN P2.0-P2.4
单片机
8D 8Q G OE
锁存器 74LS373
A0-A7
OE CE A8-A12
EPROM
⑶ RST/VPD:复位入端。 当该引脚上至少保持连续两个机器周期(24个振
表2-3 PSW的各位定义
PSW位地址 D7H D6H D5H D4H D3H D2H D1H D0H
CY AC F0 RS1 RS0 OV
P
CY：进位标志。用于表示Acc.7有否向更高位进位。 加减运算时，保存最高位进位、借位状态。
AC：半进位标志。用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。 例：78H+97H 0111 1000 +1001 0111 1 0000 1111
3). 通用寄存器B：8位，主要用于乘除运算。 乘法运算时，B是乘数。乘法操作后，乘积的高8 位存于B中。除法运算时，B是除数;除法操作后 ，余数存于B中。不作乘除用时，可作为一般数 据寄存器使用。
4). PSW：8位寄存器，用于反映程序执行的 状态信息。在状态字中，有些位状态是根据指令 执行结果，由硬件自动完成设置的，而有些状态 位则必须通过软件方法设定。
组成 ： 由8位ALU、两个8位的暂存器 TMP1和TMP2、8位累加器ACC、寄存器B和 PSW组成。
1). ALU:可对4位、8位数据进行操作和处理。 如加、减、乘、除、增量、减量、十进制数 调整、比较、逻辑与、或、异或、求补循环移 位等操作。 2). 累加器A：累加器（Accumulator）是使 用最频繁的寄存器，它既可用于存放操作数， 也可用来存放运算的中间结果。 指令系统中字节操作指令一般用A作为累加器 的助记符，当进行位操作时，一般用ACC表示。
“1”，否则清“0”。
。
2.2.2 控制器 控制器包括程序计数器PC、指 令寄存器和指令译码器、定时和 控制逻辑电路。此外，数据指针 DPTR、堆栈指针SP也包含在控 制器之中
1)．程序计数器PC
※ PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构 上是独立的。 ※ 16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下 一字节指令码的地址，可寻址64KB的程序存储器空间。 ※ PC的基本工作方式有：
RS P3.0/RX P3.1/TX
XTAL XTAL P3.2/INT P3.3/INT P3.4/T P3.5/T
GN
注：类似 87LP 8XC7 8X74 8XC7 等等
⒈ 电源: ⑴ VCC - 芯片电源，接+5V/3.3V/2.7V ；
⑵ VSS - 接地端； 2.输入/输出引脚(32条) P.0-P0.7: 在不接片外存储器与不扩展I/O接口时， 作准双向输入/输出接口。在接片外存储器或扩展I/O 接口时，分时复用为低8位地址总线和双向数据总线 。 P1.0-P1.7:作为准双向通用I/O接口使用。 P2.0-P2.7: 作为准双向I/O接口；当接有片外存储器 或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用 作高8位地址总线。
例：某运算结果是78H（01111000），P=0。
PSW位地址 D7H D6H D5H D4H D3H D2H D1H D0H
CY AC F0 RS1 RS0 OV
P
F0：用户标志位。作为软件标志，由编程人员决 定何时使用。 F0 、F1 — 用户标志
OV：溢出标志位。 有符号数运算时，如果发生溢出，OV置
外部计数脉冲
外部中断源
定时器/计数器
中断逻辑
输入
输出
并
设备
行
I/O 口
CPU
存储器
串
发送数据
行
I/O 接收数据 口
MCS-51系列单片机
注意：今后将会经常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！
2.1.1 MCS-51单片机内部结构框图
8051单片机在一块芯片中集成了： ＊一个面向控制的8位CPU ＊ 一个片内振荡器及时钟电路 ＊ 256B片内RAM(低128B作数据存储器，高128位包含2l 个特殊功能寄存器SFR) ＊ 4KB片内程序存储器ROM。 ＊ 4个8位并行I/O接口 ＊ l个全双工作串行I/O接口。 ＊ 2个16位定时器/计数器T0/Tl。 ＊ 为五个中断源配套的两级优先级嵌套的中断结构 ＊ 有位寻址功能、适于布尔处理的位处理机