第二章 MCS-51单片机的结构和工作原理
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是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的 执行部件，由加法器和逻辑电路（移位和 判断电路）组成 能完成加、减、乘、除 和“与”、 “或”、“异或” 以及循环移位等位操 作 有两个输入和两个输出
累加器A
是CPU中使用最频繁的一个八位专用
寄存器 功能：累加器A存放操作数，是ALU 单元的输入之一，也是ALU运算结果 的暂存单元 只有一个累加器A，易产生“瓶颈” 现象 ，指令和多累加器结构
B至384B）的RAM 51系列只有256B，且前128B可用 目的：加快单片机运行的速度 ，降 低功耗
2.4 数据存储器
数据存储器用来存放运算的中间结 果、标志位，及数据的暂存和缓冲等。 分为片内RAM和片外RAM。80C51系 列单片机内数据存储器最大可寻址256 个单元，片外可寻址16位（64kB）的地 址空间。片内数据存储器和片外数据存 储器是单独编址的。
特殊单元：0000H-0002H（开机复位单元） 0003H-000AH（INT0中断地址区） 000BH-0012H（T/C0中断地址区） 0013H-001AH（INT1中断地址区） 001BH-0022H（T/C0中断地址区） 0023H-002AH（串行口中断地址区）
数据存储器（RAM）
一定容量（64
B寄存器
B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU
的输入之一 功能：乘法时，B中放积的高8位 ，除 法时B中存放余数 可以作为内部RAM中的一个单元来使 用 ，地址是0F0H
程序存储器 （ROM）
哈佛结构 四种型号：内部没有程序存储器的称 80C31，内部带ROM的称80C51，内部 以EPROM代替ROM的称87C51 ，内部 以EEPROM代替ROM的称89C51 三种结构形式：片内只读存储器 ，片内 可编程的ROM （三种），片外只读存储 器
2.4 内部数据存储器（低128字）
用户RAM区 （堆栈、数据缓冲） （30H-7FH） 位寻址区 （位地址00H-7FH） （20H-2FH） 第3组通用寄存器 （18H-1FH） 第2组通用寄存器 （10H-17H） 第1组通用寄存器 （08H-0FH） 第0组通用寄存器 （00H-07H）
用于存放用户数据和及 做堆栈用。 可以直接对位进行寻 用于存放操作数及 址。（共16个单元，128 中间结果。由于它们的 个字节） 功能预先不作规定，因 此称为通用寄存器，也 叫工作寄存器。 任一时刻，CPU只 能使用一组工作寄存器。 （由PSW的RS0和RS1决 定）
2.2
80C51单片机的引脚功能
MCS-51系列单片机芯片 绝大多数为40个引脚，HMOS 工艺制造的芯片采用双列直 插式封装（DIP）。 少量采用44个引脚的 QFP或PLCC封装形式。 本节主要介绍DIP引脚 功能和引脚功能的复用。
2.2.1
引脚信号功能介绍
1、电源引脚Vss和Vcc Vss（20）为电压接地端，Vcc（40）为+5V电源端。 2、时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19）和XTAL2（18）是外接晶体引线端。当 芯片使用内部时钟时，用于外接石英晶体和电容；当用 外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。其中HMOS单片 机：XTAL1接地，XTAL2接收信号；CHMOS单片机：XTAL1 接收信号，XTAL2悬空。 3、控制信号引脚 RST（9），PSEN（29）、EA/VPP（31）和 ALE/PROG（30）
第二章
单片机的基本结构和工作原理
MCS-51系列单片机是8位（高档）单片机系列。 本章介绍MCS-51单片机的结构、工作原理及其组成部 分和各部件的功能。 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 单片机的基本组成 80C51单片机的引脚功能和结构框图 80C51CPU的结构和特点 80C51单片机的存储器 80C51单片机的位处理 80C51单片机的工作方式
2.3.2 运算器
运 算 器 控 制 器
算术逻辑单元ALU
(Arithmetic Logic Unit)
累加器ACC
(Accumulator)
C P U
寄存器B
程序状态字PSW
(Program Status Word) Cy AC F0RS1RS0OV -- P
布尔处理器（2.5）
算术逻辑运算单元 ALU
2.3 80C51CPU的结构和特点
中央控制器
运算器
时序电路
工作寄存器
2.3.1
中央控制器
中央控制器是识别指令，并根据指令性质 控制计算机各组成部件进行工作的部件， 与运算器一起构成中央处理器。 在80C51单片机中，控制器包括程序计数 器PC、程序地址寄存器、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。其功能是控制指令的读出、 译码和执行，对指令的执行过程进行定时 控制，并根据执行结果决定是否分支转移。
2.4
内部数据存储器（低128字）
堆栈区及堆栈指示器 堆栈区从08H—7FH起用。用于子程序调 用或中断时保护断点和保护现场。 堆栈指示器SP：默认SP=07H，一般设 SP=2FH。数据入栈 SP+1，数据出栈 SP-1
2.4 内部数据存储器（高128字）
占用字节地址：80H～FFH
返回
2.6.1
复位方式
2、复位信号 RST引脚是复位信号的输入端，复 位信号为高电平有效。当高电平持续24 个震荡脉冲周期（两个时钟周期）以上 时，单片机完成复位。 3、复位方式 复位分为按键手动复位、上电自动 复位和外部脉冲复位。
2.6.2
程序执行方式
程序执行方式是单片机的基本工作方 式。由于复位后PC=0000H，因此程序总是 从地址0000H开始。
位寻址寄存器：其字节地址可被8整除。 专用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SP I/O接口寄存器：P0、P1、P2、P3、SBUF、 TMOD、TCON、SCON „
2.4
外部数据存储器
片外数据存储器，即片外 RAM一般由静态RAM组成。MCS51系列单片机访问外部数据存 储器通过一个特殊寄存器—— DPTR寻址。由于DPTR是16位， 则外部数据存储器可寻址的范 围是64kB。（另外，数据区和 扩展的I/O口统一编址。）
2.6.4 编程方式
自学教材P33-36页 注意应用领域
习题
2-1、2-4、2-6、2-10、2-11、2-12
单片机内部结构
2.6
80C51单片机的工作方式
MCS-51单片机的工作方式有复位 方式、程序执行方式、低功耗方式以 及编程、校验与加密方式等。
2.6.1
复位方式
1、单片机的初始化操作——复位 单片机复位后，程序计数器PC和特殊功能寄 存器的状态（见书P31页表2-7）。 复位后，PC初始化为0000H，使单片机从 0000H开始执行程序。复位后不影响片内RAM。
2.2.2
引脚信号的第二功能
1、P3口线的第二功能 P3.0 RxD 串行数据接受 P3.1 TxD 串行数据发送 P3.2 INT0 外部中断0申请 P3.3 INT1 外部中断1申请 P3.4 T0 定时器/计数器0计数输入 P3.5 T1 定时器/计数器1计数输入 P3.6 WR 外部RAM写选通 P3.7 RD 外部RAM读选通
作，（也可集成到芯片内） 振荡元件一般选用晶体振荡器，或用 价廉的RC振荡器，也可用外部时钟 源
中央处理器CPU
单片机的核心
主要完成运算和控制功能 增设了“面向控制”的处理功能，增
强了实时性 80C51的CPU是一个字长为8位的中央 处理单元。一般对数据的处理是按字 节进行的。
数据指针 DPTR
是一个16位的特殊功能寄存器 存放的是片外数据寄存器的地址（地址范围 64K） ，或是程序存储器基础地址 16位地址可分成两部分即高八位DPH，低 八位DPL分别使用 在CPU内占据83H、82H两个地址 对外通过P2口和P0口连接
指令寄存、译码、控制
定时器/计数器
精确的定时
外部事件进行计数 80C51共有二个16位的定时器/计数
器，80C52则有三个16位的定时器/ 计数器
中断系统
三个内部中断：2个定时/计数，
1个串行口 二个外部中断 二个中断优先级 （二级嵌套）
振荡电路及元件
产生有规律地节拍
内部定时电路需外接振荡元件才能工
2.1
单片机的结构
T0 T1
振荡器 时钟电路
程序存储器 ROM
数据存储器 RAM
定时器/计数器 2×16
中央处理器 CPU 并行接口 内中断 串行接口 中断系统
外中断
P0 P1 P2 P3
TxD
RxDLeabharlann INT0INT1I/O口
并行I/O口
：四个8位输入输出口， 用于检测与控制，可用于DB、 AB、CB，可驱动外设 串行I/O口 ：实现与某些终端设 备进行串行通信 ，构成多机系 统 ，可编程全双工，可设二个串 口
2.2.1
引脚信号功能介绍
4、I/O（输入/输出）端口（Port）P0、P1、P2、P3 P0口是一个漏级开路的8位双向I/O口。在访问外 存储器时，P0分时提供低8位地址线和8位双向数据 线。当不接外存储器或不扩展I/O口时，P0口可作为 一个通用输入输出接口。 P1口是一个带内部上拉电阻的准双向口。P1口只 能做通用输入输出口。 P2口是一个带内部上拉电阻的准双向口。在访问 外部存储器时，输出高8位地址。 P3口为双功能口，除了作为一般的准双向通用接 口外，每个引脚还有特殊的功能。
程序存储器的结构形式
片内掩膜ROM：一次性，厂家定制，便 宜 片内可编程ROM：用户编程，可擦除 （一次或多次（紫外线或电）） 片外ROM
2.4
程序存储器
程序存储器用来存放程序和常数，分为片内 和片外两部分，其中8051内部有4kB的ROM，地址 范围是0000H-0FFFH，片外用16位地址线扩充64kB 的ROM，两者统一编址。（从片内还是从片外取址 取决于EA引脚，注意EA脚高低电平的含义）
单步执行就是通过外来 脉冲控制程序的执行，使之 达到来一个脉冲就执行一条 指令的目的。
2.6.3
低功耗工作方式
低功耗工作分为：待机方式和掉电保护方 式两种。用电源控制寄存器PCON控制。 待机方式：当PCON.0=1进入待机方式，当 PCON.0=0时退出待机方式。 掉电保护方式：当PCON.1=1进入掉电方式， 当PCON.1=0时退出掉电方式。
指令寄存器IR是8位寄存器，用来存放指令操作码 指令译码是把指令转变为对应的电信号 定时控制是根据指令要求对各部件按时序进行工作 执行过程就是在控制器的控制下，将指令从程序存 储器中逐条取出，进行译码，然后由定时控制逻辑 电路发相应的定时控制信号，控制指令的执行 对于运算指令，还要将运算的结果特征送入程序状 态标志寄存器PSW
2.3.1
中央控制器
运 算 器 控 制 器
程序计数器PC
数据指针DPTR 指令译码器 指令寄存器IR 控制逻辑电路
C P U
程序计数器PC
最基本的16位寄存器，是一个独立的计数 器。 存放的是下一条将要从程序存储器中取出的 指令的地址（地址范围64K） 开机时PC=0000H PC值改变方法：自动加1；转移指令赋值； 中断响应赋值 对外通过P2口和P0口连接
2.2.2
引脚信号的第二功能
2、EPROM存储器程序固化所需要的信号 有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序 需要提供专门的编程脉冲和编程电源。这些 信号由引脚第二功能提供，即： 编程脉冲 30脚（ALE/PROG） 编程电压21V 31脚（EA/Vpp） 3、备用电源 MCS-51系列单片机的备用电源是9脚 （RST/Vpd）引入的。当主电源Vcc发生故障 时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以 保护内部RAM中的信息不被丢失。
累加器A
是CPU中使用最频繁的一个八位专用
寄存器 功能：累加器A存放操作数，是ALU 单元的输入之一，也是ALU运算结果 的暂存单元 只有一个累加器A，易产生“瓶颈” 现象 ，指令和多累加器结构
B至384B）的RAM 51系列只有256B，且前128B可用 目的：加快单片机运行的速度 ，降 低功耗
2.4 数据存储器
数据存储器用来存放运算的中间结 果、标志位，及数据的暂存和缓冲等。 分为片内RAM和片外RAM。80C51系 列单片机内数据存储器最大可寻址256 个单元，片外可寻址16位（64kB）的地 址空间。片内数据存储器和片外数据存 储器是单独编址的。
特殊单元：0000H-0002H（开机复位单元） 0003H-000AH（INT0中断地址区） 000BH-0012H（T/C0中断地址区） 0013H-001AH（INT1中断地址区） 001BH-0022H（T/C0中断地址区） 0023H-002AH（串行口中断地址区）
数据存储器（RAM）
一定容量（64
B寄存器
B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU
的输入之一 功能：乘法时，B中放积的高8位 ，除 法时B中存放余数 可以作为内部RAM中的一个单元来使 用 ，地址是0F0H
程序存储器 （ROM）
哈佛结构 四种型号：内部没有程序存储器的称 80C31，内部带ROM的称80C51，内部 以EPROM代替ROM的称87C51 ，内部 以EEPROM代替ROM的称89C51 三种结构形式：片内只读存储器 ，片内 可编程的ROM （三种），片外只读存储 器
2.4 内部数据存储器（低128字）
用户RAM区 （堆栈、数据缓冲） （30H-7FH） 位寻址区 （位地址00H-7FH） （20H-2FH） 第3组通用寄存器 （18H-1FH） 第2组通用寄存器 （10H-17H） 第1组通用寄存器 （08H-0FH） 第0组通用寄存器 （00H-07H）
用于存放用户数据和及 做堆栈用。 可以直接对位进行寻 用于存放操作数及 址。（共16个单元，128 中间结果。由于它们的 个字节） 功能预先不作规定，因 此称为通用寄存器，也 叫工作寄存器。 任一时刻，CPU只 能使用一组工作寄存器。 （由PSW的RS0和RS1决 定）
2.2
80C51单片机的引脚功能
MCS-51系列单片机芯片 绝大多数为40个引脚，HMOS 工艺制造的芯片采用双列直 插式封装（DIP）。 少量采用44个引脚的 QFP或PLCC封装形式。 本节主要介绍DIP引脚 功能和引脚功能的复用。
2.2.1
引脚信号功能介绍
1、电源引脚Vss和Vcc Vss（20）为电压接地端，Vcc（40）为+5V电源端。 2、时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19）和XTAL2（18）是外接晶体引线端。当 芯片使用内部时钟时，用于外接石英晶体和电容；当用 外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。其中HMOS单片 机：XTAL1接地，XTAL2接收信号；CHMOS单片机：XTAL1 接收信号，XTAL2悬空。 3、控制信号引脚 RST（9），PSEN（29）、EA/VPP（31）和 ALE/PROG（30）
第二章
单片机的基本结构和工作原理
MCS-51系列单片机是8位（高档）单片机系列。 本章介绍MCS-51单片机的结构、工作原理及其组成部 分和各部件的功能。 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 单片机的基本组成 80C51单片机的引脚功能和结构框图 80C51CPU的结构和特点 80C51单片机的存储器 80C51单片机的位处理 80C51单片机的工作方式
2.3.2 运算器
运 算 器 控 制 器
算术逻辑单元ALU
(Arithmetic Logic Unit)
累加器ACC
(Accumulator)
C P U
寄存器B
程序状态字PSW
(Program Status Word) Cy AC F0RS1RS0OV -- P
布尔处理器（2.5）
算术逻辑运算单元 ALU
2.3 80C51CPU的结构和特点
中央控制器
运算器
时序电路
工作寄存器
2.3.1
中央控制器
中央控制器是识别指令，并根据指令性质 控制计算机各组成部件进行工作的部件， 与运算器一起构成中央处理器。 在80C51单片机中，控制器包括程序计数 器PC、程序地址寄存器、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。其功能是控制指令的读出、 译码和执行，对指令的执行过程进行定时 控制，并根据执行结果决定是否分支转移。
2.4
内部数据存储器（低128字）
堆栈区及堆栈指示器 堆栈区从08H—7FH起用。用于子程序调 用或中断时保护断点和保护现场。 堆栈指示器SP：默认SP=07H，一般设 SP=2FH。数据入栈 SP+1，数据出栈 SP-1
2.4 内部数据存储器（高128字）
占用字节地址：80H～FFH
返回
2.6.1
复位方式
2、复位信号 RST引脚是复位信号的输入端，复 位信号为高电平有效。当高电平持续24 个震荡脉冲周期（两个时钟周期）以上 时，单片机完成复位。 3、复位方式 复位分为按键手动复位、上电自动 复位和外部脉冲复位。
2.6.2
程序执行方式
程序执行方式是单片机的基本工作方 式。由于复位后PC=0000H，因此程序总是 从地址0000H开始。
位寻址寄存器：其字节地址可被8整除。 专用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SP I/O接口寄存器：P0、P1、P2、P3、SBUF、 TMOD、TCON、SCON „
2.4
外部数据存储器
片外数据存储器，即片外 RAM一般由静态RAM组成。MCS51系列单片机访问外部数据存 储器通过一个特殊寄存器—— DPTR寻址。由于DPTR是16位， 则外部数据存储器可寻址的范 围是64kB。（另外，数据区和 扩展的I/O口统一编址。）
2.6.4 编程方式
自学教材P33-36页 注意应用领域
习题
2-1、2-4、2-6、2-10、2-11、2-12
单片机内部结构
2.6
80C51单片机的工作方式
MCS-51单片机的工作方式有复位 方式、程序执行方式、低功耗方式以 及编程、校验与加密方式等。
2.6.1
复位方式
1、单片机的初始化操作——复位 单片机复位后，程序计数器PC和特殊功能寄 存器的状态（见书P31页表2-7）。 复位后，PC初始化为0000H，使单片机从 0000H开始执行程序。复位后不影响片内RAM。
2.2.2
引脚信号的第二功能
1、P3口线的第二功能 P3.0 RxD 串行数据接受 P3.1 TxD 串行数据发送 P3.2 INT0 外部中断0申请 P3.3 INT1 外部中断1申请 P3.4 T0 定时器/计数器0计数输入 P3.5 T1 定时器/计数器1计数输入 P3.6 WR 外部RAM写选通 P3.7 RD 外部RAM读选通
作，（也可集成到芯片内） 振荡元件一般选用晶体振荡器，或用 价廉的RC振荡器，也可用外部时钟 源
中央处理器CPU
单片机的核心
主要完成运算和控制功能 增设了“面向控制”的处理功能，增
强了实时性 80C51的CPU是一个字长为8位的中央 处理单元。一般对数据的处理是按字 节进行的。
数据指针 DPTR
是一个16位的特殊功能寄存器 存放的是片外数据寄存器的地址（地址范围 64K） ，或是程序存储器基础地址 16位地址可分成两部分即高八位DPH，低 八位DPL分别使用 在CPU内占据83H、82H两个地址 对外通过P2口和P0口连接
指令寄存、译码、控制
定时器/计数器
精确的定时
外部事件进行计数 80C51共有二个16位的定时器/计数
器，80C52则有三个16位的定时器/ 计数器
中断系统
三个内部中断：2个定时/计数，
1个串行口 二个外部中断 二个中断优先级 （二级嵌套）
振荡电路及元件
产生有规律地节拍
内部定时电路需外接振荡元件才能工
2.1
单片机的结构
T0 T1
振荡器 时钟电路
程序存储器 ROM
数据存储器 RAM
定时器/计数器 2×16
中央处理器 CPU 并行接口 内中断 串行接口 中断系统
外中断
P0 P1 P2 P3
TxD
RxDLeabharlann INT0INT1I/O口
并行I/O口
：四个8位输入输出口， 用于检测与控制，可用于DB、 AB、CB，可驱动外设 串行I/O口 ：实现与某些终端设 备进行串行通信 ，构成多机系 统 ，可编程全双工，可设二个串 口
2.2.1
引脚信号功能介绍
4、I/O（输入/输出）端口（Port）P0、P1、P2、P3 P0口是一个漏级开路的8位双向I/O口。在访问外 存储器时，P0分时提供低8位地址线和8位双向数据 线。当不接外存储器或不扩展I/O口时，P0口可作为 一个通用输入输出接口。 P1口是一个带内部上拉电阻的准双向口。P1口只 能做通用输入输出口。 P2口是一个带内部上拉电阻的准双向口。在访问 外部存储器时，输出高8位地址。 P3口为双功能口，除了作为一般的准双向通用接 口外，每个引脚还有特殊的功能。
程序存储器的结构形式
片内掩膜ROM：一次性，厂家定制，便 宜 片内可编程ROM：用户编程，可擦除 （一次或多次（紫外线或电）） 片外ROM
2.4
程序存储器
程序存储器用来存放程序和常数，分为片内 和片外两部分，其中8051内部有4kB的ROM，地址 范围是0000H-0FFFH，片外用16位地址线扩充64kB 的ROM，两者统一编址。（从片内还是从片外取址 取决于EA引脚，注意EA脚高低电平的含义）
单步执行就是通过外来 脉冲控制程序的执行，使之 达到来一个脉冲就执行一条 指令的目的。
2.6.3
低功耗工作方式
低功耗工作分为：待机方式和掉电保护方 式两种。用电源控制寄存器PCON控制。 待机方式：当PCON.0=1进入待机方式，当 PCON.0=0时退出待机方式。 掉电保护方式：当PCON.1=1进入掉电方式， 当PCON.1=0时退出掉电方式。
指令寄存器IR是8位寄存器，用来存放指令操作码 指令译码是把指令转变为对应的电信号 定时控制是根据指令要求对各部件按时序进行工作 执行过程就是在控制器的控制下，将指令从程序存 储器中逐条取出，进行译码，然后由定时控制逻辑 电路发相应的定时控制信号，控制指令的执行 对于运算指令，还要将运算的结果特征送入程序状 态标志寄存器PSW
2.3.1
中央控制器
运 算 器 控 制 器
程序计数器PC
数据指针DPTR 指令译码器 指令寄存器IR 控制逻辑电路
C P U
程序计数器PC
最基本的16位寄存器，是一个独立的计数 器。 存放的是下一条将要从程序存储器中取出的 指令的地址（地址范围64K） 开机时PC=0000H PC值改变方法：自动加1；转移指令赋值； 中断响应赋值 对外通过P2口和P0口连接
2.2.2
引脚信号的第二功能
2、EPROM存储器程序固化所需要的信号 有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序 需要提供专门的编程脉冲和编程电源。这些 信号由引脚第二功能提供，即： 编程脉冲 30脚（ALE/PROG） 编程电压21V 31脚（EA/Vpp） 3、备用电源 MCS-51系列单片机的备用电源是9脚 （RST/Vpd）引入的。当主电源Vcc发生故障 时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以 保护内部RAM中的信息不被丢失。