MCS51系列单片机系统结构
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单片机原理 第2章 MCS-51单片机体系结构
8051单片机的内RAM共有128个单元，应用最为灵活，用于 存放变量的值、运算结果和标志位等信息。按其用途可分为三个 区域。
2.4.2 MCS-51单片机数据存储器
2.4.2 MCS-51单片机数据存储器
1. 工作寄存器区
字节地址为00H~1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区，每组占用8个 字节，都标记为R0~R7。在某一时刻，CPU只能使用其中的一组工作寄存 器，工作寄存器的选择由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0两位来确定 ，如表2-3所示。
2. 数据总线DB 数据总线宽度为8位（D0~D7），由P0提供。
3. 控制总线CB 控制总线由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、 和ALE组成。
2.3 MCS-51单片机的中央处理器
• 8051系列单片机的中央处理器CPU是单片机 的指挥中心和执行机构，它的作用是产生合适的 时序，读入和分析每条指令代码，根据每条指令 代码的功能要求，指挥并控制单片机的有关部件 和器件，具体执行指定的操作。
2.2.3 并行I/O引脚
3. P2口
P2口，为准双向I/O口，具有内部上拉电阻。一共8位，有P2.0～P2.7共8 条引脚。当8051系列单片机扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P2口作为 地址总线（高8位），和P0输出的低8位地址一起构成16位地址，可以寻址 64KB的地址空间。
P2口位结构图如图2-3 （c）所示，它比P1口多了 一个转换控制部分，当P2 与P0配合作为“地址/数据总 线”方式下的高8位数据线 （A8~A15）时，CPU将写 控制信号“1”使MUX切换到 右边，在“地址/数据总线” 方式下，无论P2口剩余多 少地址线，均不能被用于 普通I/O操作。
（2）控制引脚—— 、
2.4.2 MCS-51单片机数据存储器
2.4.2 MCS-51单片机数据存储器
1. 工作寄存器区
字节地址为00H~1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区，每组占用8个 字节，都标记为R0~R7。在某一时刻，CPU只能使用其中的一组工作寄存 器，工作寄存器的选择由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0两位来确定 ，如表2-3所示。
2. 数据总线DB 数据总线宽度为8位（D0~D7），由P0提供。
3. 控制总线CB 控制总线由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、 和ALE组成。
2.3 MCS-51单片机的中央处理器
• 8051系列单片机的中央处理器CPU是单片机 的指挥中心和执行机构，它的作用是产生合适的 时序，读入和分析每条指令代码，根据每条指令 代码的功能要求，指挥并控制单片机的有关部件 和器件，具体执行指定的操作。
2.2.3 并行I/O引脚
3. P2口
P2口，为准双向I/O口，具有内部上拉电阻。一共8位，有P2.0～P2.7共8 条引脚。当8051系列单片机扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P2口作为 地址总线（高8位），和P0输出的低8位地址一起构成16位地址，可以寻址 64KB的地址空间。
P2口位结构图如图2-3 （c）所示，它比P1口多了 一个转换控制部分，当P2 与P0配合作为“地址/数据总 线”方式下的高8位数据线 （A8~A15）时，CPU将写 控制信号“1”使MUX切换到 右边，在“地址/数据总线” 方式下，无论P2口剩余多 少地址线，均不能被用于 普通I/O操作。
（2）控制引脚—— 、
第2章MCS-51单片机基本结构
令和四周期指令。
2.1.4
复位和复位电路
单片机在重新启动时都需要复位，MCS-51 系列单片机有一个复位引脚输入端RST。 1. MCS-51系列的单片机复位方法为：在RST上加
一个维持两个机器周期（24个时钟周期）以上
的高电平，则单片机被复位。 2. 复位时单片机各部分将处于一个固定的状态。
复位后单片机各单元的初始状态
R2 2 00
2 2u F
R S T/VP D
R1 1K
V ss
GND
未稳压电源
WDI R1 PFI MR R2 MAX813L P1.0
RESET
WDO
﹠
RST MCS-51
“看门狗”复位电路
2.1.5 MCS-51单片机的引脚功能
MCS-51单片机采用40脚双列直插式封装形式，主要包括以 下几个部分： 1. 电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端，为十5V； Vss(20脚)：接地端 ，GND。 2. 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1为内部振荡电路反相放大器的输入端 。 XTAL2为内部振荡电路反相放大器的输出端 。 3. 控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA 4. I／O(输入／输出)端口P0、P1、P2和P3 5. MCS-51单片机P3口的第二功能
单片机各种周期的关系图
机器周期 S1 S2 S3 S4 S5 S6 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
时钟周期 状态周期
1个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期
4、指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部
时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周
期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指
2.1.4
复位和复位电路
单片机在重新启动时都需要复位，MCS-51 系列单片机有一个复位引脚输入端RST。 1. MCS-51系列的单片机复位方法为：在RST上加
一个维持两个机器周期（24个时钟周期）以上
的高电平，则单片机被复位。 2. 复位时单片机各部分将处于一个固定的状态。
复位后单片机各单元的初始状态
R2 2 00
2 2u F
R S T/VP D
R1 1K
V ss
GND
未稳压电源
WDI R1 PFI MR R2 MAX813L P1.0
RESET
WDO
﹠
RST MCS-51
“看门狗”复位电路
2.1.5 MCS-51单片机的引脚功能
MCS-51单片机采用40脚双列直插式封装形式，主要包括以 下几个部分： 1. 电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端，为十5V； Vss(20脚)：接地端 ，GND。 2. 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1为内部振荡电路反相放大器的输入端 。 XTAL2为内部振荡电路反相放大器的输出端 。 3. 控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA 4. I／O(输入／输出)端口P0、P1、P2和P3 5. MCS-51单片机P3口的第二功能
单片机各种周期的关系图
机器周期 S1 S2 S3 S4 S5 S6 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
时钟周期 状态周期
1个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期
4、指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部
时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周
期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指
MCS-51单片机系统结构
*缓存发给外设的数据、控制命令和外设提供 的运行状态信息；
*提供驱动外设的电压或电流； *DMA（直接存储器存取）控制和中断控制。
16
1.1 单片微型计算机
一、单片机的发展历史
第一阶段（1976-1978）：单片机的探索阶段。探索
计算机的单芯片集成，单片机（Single Chip Microcomputer） 的定名即缘于此。产品以Intel公司的MCS-48为代表。
9
➢数据总线 DB：CPU与存储器、I/O接口之间 (双向)传送数据的公共通路。 * 数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的
数据宽度（位数）。 如：8位机的DB有8条，CPU一次可读写8位数据
16位机的DB有16条，CPU一次可读写16位
➢控制总线 CB：用来传送各种控制或状态信号 * CPU送出和接受的对存储器、I/O接口读写
运算器 控制器 寄存器组
内存储器
输入输出 接口电路
总线
外部设备
软件
7
二、微型计算机的结构
AB: Address Bus DB: Data Bus CB: Control Bus
微
处
内
存
理
储
器
器
CPU
地址总线 AB
I/O
输
I/O
接
入
接
口
设口备源自输 出 设 备I/O 接 口
数据总线 DB
控制总线 CB
特点： • 以微处理器（CPU）为核心 • CPU与其他部件间通过三总线连接
BUS
I/O接口
C/T
4
系统级——微型计算机系统
• 以微型计算机为中心，配以相应的外围设 备以及控制微型计算机工作的软件，就构 成了完整的微型计算机系统。
*提供驱动外设的电压或电流； *DMA（直接存储器存取）控制和中断控制。
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1.1 单片微型计算机
一、单片机的发展历史
第一阶段（1976-1978）：单片机的探索阶段。探索
计算机的单芯片集成，单片机（Single Chip Microcomputer） 的定名即缘于此。产品以Intel公司的MCS-48为代表。
9
➢数据总线 DB：CPU与存储器、I/O接口之间 (双向)传送数据的公共通路。 * 数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的
数据宽度（位数）。 如：8位机的DB有8条，CPU一次可读写8位数据
16位机的DB有16条，CPU一次可读写16位
➢控制总线 CB：用来传送各种控制或状态信号 * CPU送出和接受的对存储器、I/O接口读写
运算器 控制器 寄存器组
内存储器
输入输出 接口电路
总线
外部设备
软件
7
二、微型计算机的结构
AB: Address Bus DB: Data Bus CB: Control Bus
微
处
内
存
理
储
器
器
CPU
地址总线 AB
I/O
输
I/O
接
入
接
口
设口备源自输 出 设 备I/O 接 口
数据总线 DB
控制总线 CB
特点： • 以微处理器（CPU）为核心 • CPU与其他部件间通过三总线连接
BUS
I/O接口
C/T
4
系统级——微型计算机系统
• 以微型计算机为中心，配以相应的外围设 备以及控制微型计算机工作的软件，就构 成了完整的微型计算机系统。
第1章 MCS-51单片机结构
一个8位的CPU。 程序存储器：4KBROM。
128字节RAM。
两个16位可编程定时器/计数器。 可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。
32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）。
一个可编程全双工串行口。 具有两个优先级嵌套的中断结构。
★ 掌握51系列单片机各存储空间的地址分配、使用特点。
位名称
1.3 特殊功能寄存器
CY：进/借位标志,反映最高位的进位借位情况，加法为进位、 减法为借位。CY=1，有进/借位 ； CY=0，无进/借位。 AC：辅助进/借位标志,反映高半字节与低半字节之间的进/借 位，AC=1有进/借位； AC=0无进/借位 。 FO：用户标志位,可由用户设定其含义。 RS1，RS0：工作寄存器组选择位。 OV：溢出标志,反映补码运算的运算结果有无溢出 有溢出 OV=1，无溢出OV=0。 -：无效位。 P：奇偶标志,运算结果有奇个“1”，P=1；运算结果有偶个“1”， P=0。
1.5 引脚功能
8XX51单片机有44引脚的方形 封装和40个引脚的双列直插式封 装形式，最常用的40个引脚DIP 封装。
各个引脚的功能如下： Vss:接地端。 Vcc:电源端，接+5V。 XTAL1，XTAL2: 接外部晶体或外部时 钟。 RST/VPD：①复位信号输入。 ②接备用电源，当VCC掉电
在中断入口地址中通常用一条无条件转移指令，转到 中断处理子程序。
1.2.2 外部数据储存器
用于存放随机读写的数据；
外部数据存储器和外部I/O口统一编址。 控制信号相同，使用相同的MOVX指令访问。 最多可扩展64KB外部数据存储器
1.2.3 内部数据储存器
MCS51单片机的结构
MCS51单片机的结构MCS-51单片机是Intel公司设计开发的一种高度集成的8位微控制器（microcontroller），主要应用于嵌入式系统中。
它采用了Harvard 架构，包含一个CPU核心、片内存储器、外围接口和定时器/计数器等功能模块。
在本文中，我将详细介绍MCS-51单片机的结构。
MCS-51单片机的结构主要分为以下几个部分：1.中央处理器（CPU）核心：MCS-51单片机的CPU核心采用了8位的数据总线和地址总线，以及一组功能强大的指令集。
该CPU支持多种指令，包括数据传送指令、算术逻辑指令、位操作指令和条件跳转指令等。
它还包括一个累加寄存器和标志寄存器，用于存储操作数和标志位信息。
2.存储器部分：MCS-51单片机包含片内存储器和片外存储器。
片内存储器主要用于存储程序代码和数据，包括ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）。
ROM用于存储程序代码，RAM用于存储数据和临时变量。
片外存储器通过地址线和数据线与单片机连接，可以扩展存储器容量。
3.输入输出（I/O）接口：MCS-51单片机通过多个I/O口与外部世界进行数据交互。
每个I/O 口包含一组引脚，可以用作输入或输出。
这些引脚可以通过配置寄存器来选择其功能。
MCS-51单片机还支持中断输入，可以用于实现外部设备的中断功能。
4.定时器/计数器（Timer/Counter）：MCS-51单片机内置了多个定时器/计数器模块，用于生成精确的时间延迟或测量外部事件的时间间隔。
定时器可以产生周期性的中断信号，用于实现定时任务。
计数器可以计数外部事件的脉冲数量，用于测量时间间隔。
5.串行通信接口：MCS-51单片机内置了一个串行通信接口，可以用于与其他设备进行数据传输。
该接口支持异步串行通信协议，如UART（通用异步收发器）或SPI（串行外围接口）等。
它可以通过配置寄存器来设置通信参数，如波特率和数据格式等。
6.时钟电路：MCS-51单片机需要一个精确的时钟源来驱动内部运算和外设操作。
MCS-51系列单片机的结构
石英晶体振荡器产生的振荡信号送至内部时钟电路产生时钟 脉冲信号。
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
3.控制总线
(1)
：ALE为地址锁存允许信号。在访问外部
存储器时，ALE用来把扩展地址低8位锁存到外部锁存器。在
不访问外部存储器时，ALE引脚以不变的频率(时钟振荡器频
率的1/6)周期性地发出正脉冲信号，因而它又可用作外部定
品有8031和87510 8031是一个无ROM的8051，它从外部ROM 获取所用的指令，8751是一个用EPROM代替ROM的8051， 除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。今后，除特另 11说明外，用8051这个名称来代表8031、8051和87510
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
二功能是在访问外部存储器时，它分时作为低8位地址线和8 位双向数据线。当P0口作为普通输入口使用时，应先向口锁 存器写“1”。 (2) P1口(P1. 0~P1. 7)是一个内部带上拉电阻的准双向I/O口。 当P1口作为普通输入口使用时，应先向口锁存器写“1” 。
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
(1)带进位和不带进位的加法。 (2)带借位减法。 (3) 8位无符号数乘法和除法。 (4)逻辑与、或、异或操作。 (5)加1、减1操作。 (6)按位求反操作。 (7)循环左、右移位操作。 (8)半字节交换。 (9)二一十进制调整。 (10)比较和条件转移的判断等操作。
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
2)指令寄存器IR (Instruction Register) 指令寄存器是一个8位寄存器，用于暂存待执行的指令，等
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
3.控制总线
(1)
：ALE为地址锁存允许信号。在访问外部
存储器时，ALE用来把扩展地址低8位锁存到外部锁存器。在
不访问外部存储器时，ALE引脚以不变的频率(时钟振荡器频
率的1/6)周期性地发出正脉冲信号，因而它又可用作外部定
品有8031和87510 8031是一个无ROM的8051，它从外部ROM 获取所用的指令，8751是一个用EPROM代替ROM的8051， 除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。今后，除特另 11说明外，用8051这个名称来代表8031、8051和87510
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
二功能是在访问外部存储器时，它分时作为低8位地址线和8 位双向数据线。当P0口作为普通输入口使用时，应先向口锁 存器写“1”。 (2) P1口(P1. 0~P1. 7)是一个内部带上拉电阻的准双向I/O口。 当P1口作为普通输入口使用时，应先向口锁存器写“1” 。
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
(1)带进位和不带进位的加法。 (2)带借位减法。 (3) 8位无符号数乘法和除法。 (4)逻辑与、或、异或操作。 (5)加1、减1操作。 (6)按位求反操作。 (7)循环左、右移位操作。 (8)半字节交换。 (9)二一十进制调整。 (10)比较和条件转移的判断等操作。
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
2)指令寄存器IR (Instruction Register) 指令寄存器是一个8位寄存器，用于暂存待执行的指令，等
第2章 MCS-51单片机的硬件结构
CPU访问片外存储器时，模拟开关打向右边。P2 口上送出PC高8位地址或DPTR高8位地址信息。再不作 I/O口使用。
(2)通用I/O接口功能
P2口作准双向口使用，与P1口相同，也有输入、 输出、端口操作三种工作方式。
3.P2口负载能力
4个LSTTL负载，输出电流≥ 400uA
三、P3口
1. P3口1位结构原理图如图所示
P 奇偶标志
A中1的个数若为奇数P=1,否则P=0
例如：MOV A, #7FH ADD A, #4FH 0111,1111B + 0100,1111B 1100,0110B
结果:(A)=C6H, C=0,AC=1,OV=1,P=0
2.控制器 3.片内存储器
4.4个I/O接口
5.串行接口
6.定时/计数器
先片内、后片外，片内片外连续，二者 一般不作重叠。 EA＝0，只访问片外程序存储器 EA＝1，先访问片内程序存储器。当PC >0FFFH（51子系统）或PC>1FFFH(52子系统) ，再去访问片外程序存储器。
存储器编址图如下图所示
0000H
片内ROM /EA=1 0FFFH 0FFFH 1000H 片外ROM 0000H 片外ROM /EA=0 00H 7FH 80H FFH 片外RAM 片内RAM 0000H
有5个中断源
11.111条指令，含乘、除法，有很强
的位处理能力 12.片内采用单总线结构，单一＋5V
电源
52系列主要有8032、8052两种机型。 与51系列不同在于：片内数据存储器增 至256个字节，3个16位定时/计数器，6 个中断源。
二、内部结构
MCS-51系列单片机的内部结构如 下图所示：
1 2 . . .
(2)通用I/O接口功能
P2口作准双向口使用，与P1口相同，也有输入、 输出、端口操作三种工作方式。
3.P2口负载能力
4个LSTTL负载，输出电流≥ 400uA
三、P3口
1. P3口1位结构原理图如图所示
P 奇偶标志
A中1的个数若为奇数P=1,否则P=0
例如：MOV A, #7FH ADD A, #4FH 0111,1111B + 0100,1111B 1100,0110B
结果:(A)=C6H, C=0,AC=1,OV=1,P=0
2.控制器 3.片内存储器
4.4个I/O接口
5.串行接口
6.定时/计数器
先片内、后片外，片内片外连续，二者 一般不作重叠。 EA＝0，只访问片外程序存储器 EA＝1，先访问片内程序存储器。当PC >0FFFH（51子系统）或PC>1FFFH(52子系统) ，再去访问片外程序存储器。
存储器编址图如下图所示
0000H
片内ROM /EA=1 0FFFH 0FFFH 1000H 片外ROM 0000H 片外ROM /EA=0 00H 7FH 80H FFH 片外RAM 片内RAM 0000H
有5个中断源
11.111条指令，含乘、除法，有很强
的位处理能力 12.片内采用单总线结构，单一＋5V
电源
52系列主要有8032、8052两种机型。 与51系列不同在于：片内数据存储器增 至256个字节，3个16位定时/计数器，6 个中断源。
二、内部结构
MCS-51系列单片机的内部结构如 下图所示：
1 2 . . .
第2章 MCS-51单片机基本结构
第2章 MCS-51单片机基本结构
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1 MCS-51单片机内部结构 2.2 MCS-51单片机引脚功能 2.3 MCS-51单片机时序 2.4 单片机复位与复位电路 2.5 单片机最小应用系统 2.6 单片机低功耗运行
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1 MCS-51单片机内部结构
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1.2存储器
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1.2存储器
存储器小结：
第2章 MCS-51单片机基本结构
（1）地址的重叠性。数据存储器与程序存储器全 部64K地址重叠；程序存储器中的片内和片外低 4K地址重叠；数据存储器片内和片外最低的128 个字节地址重叠。虽然有这些重叠，但是由于采 取了不同的操作指令和外部引脚电平的控制，是 不会产生操作混乱的。 （2）程序存储器和数据存储器在使用上是严格区 分的，不同的操作指令不能混用。 （3）片外数据存储器中，数据区与用户外部扩展 的I/O口统一编址。因此，应用系统中所有外围接 口的地址均占用RAM地址单元。与外围接口进行 数据传送时，使用与访问外部数据存储器相同的 传送指令。
①CY（Carry Flag）
进位标志位。在执行运算过程中，如果结果的最高位 在加法运算时有进位或减法运算时有借位，Cy=1；否则， Cy=0。在进行位操作时，CY作为位累加器，作用相当于 CPU中的累加器A。
②AC（Auxiliary Carry Flag）
辅助进位标志位。进行加法或减法运算中，若低4位向 高4位有进位或借位，AC将被硬件置1，否则清0。AC位 常用于进行十进制调整指令和压缩BCD码运算。
第2章 MCS-51单片机基本结构
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1 MCS-51单片机内部结构 2.2 MCS-51单片机引脚功能 2.3 MCS-51单片机时序 2.4 单片机复位与复位电路 2.5 单片机最小应用系统 2.6 单片机低功耗运行
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1 MCS-51单片机内部结构
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1.2存储器
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1.2存储器
存储器小结：
第2章 MCS-51单片机基本结构
（1）地址的重叠性。数据存储器与程序存储器全 部64K地址重叠；程序存储器中的片内和片外低 4K地址重叠；数据存储器片内和片外最低的128 个字节地址重叠。虽然有这些重叠，但是由于采 取了不同的操作指令和外部引脚电平的控制，是 不会产生操作混乱的。 （2）程序存储器和数据存储器在使用上是严格区 分的，不同的操作指令不能混用。 （3）片外数据存储器中，数据区与用户外部扩展 的I/O口统一编址。因此，应用系统中所有外围接 口的地址均占用RAM地址单元。与外围接口进行 数据传送时，使用与访问外部数据存储器相同的 传送指令。
①CY（Carry Flag）
进位标志位。在执行运算过程中，如果结果的最高位 在加法运算时有进位或减法运算时有借位，Cy=1；否则， Cy=0。在进行位操作时，CY作为位累加器，作用相当于 CPU中的累加器A。
②AC（Auxiliary Carry Flag）
辅助进位标志位。进行加法或减法运算中，若低4位向 高4位有进位或借位，AC将被硬件置1，否则清0。AC位 常用于进行十进制调整指令和压缩BCD码运算。
第2章 MCS-51单片机基本结构
第1章 MCS-51单片机结构
第1章 MCS-51单片机结构
1.2.2
外部数据存储器
用于存放随机读写的数据。 外部I/O口地址影像区。 MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口实行统一编址 ， 并使用相同的RD WR作选通控制信号，均使用 MOVX 指令访 问。 MCS-51 单片机最多可扩展64KB外部数据存储器
1.2.3 内部数据储存器
MCS-51仅能实现两个8位二进 制数的算术逻辑运算！
第1章 MCS-51单片机结构
2. 控制器
（1）组成： 定时与控制部件，复位电路，程序计数器 （PC），指令寄存器、指令译码器，数据指针 （DPTR）,堆栈指针（SP）等 （2）作用：产生计算机所需的时序，控制程序自动执行。
外RAM, EPROM, 外I/O CPU
第1章 MCS-51单片机结构
程序存储器中的几个特殊地址的使用：
地址
0000H 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H
用途
复位操作后的程序入口 外部中断0服务程序入口 定时器0中断服务程序入口 外部中断1服务程序入口 定时器1中断服务程序入口 串行口中断服务程序入口
串行口中断入口 T1中断入口 T0中断入口 中断入口 INT1
在8051/8751/89C51 片内，分别内置最低地 址空间的4KB ROM/EPROM程序储存器（内部程序储 存器），而在8031片内，则无内部程序储存器， 必须外部扩展EPROM。MCS-51单片机中64KB内、外 程序储存器的地址是统一编排的。
第1章 MCS-51单片机结构
8031单片机无内部程序存储器，地址从0000H～ EA 应始终接地， FFFFH都是外部程序存储空间。 对于内部有ROM的单片机（51、52系列） ， EA 引脚接高电平，使程序从内部ROM开始执行。当PC 值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存 储器空间。外部程序存储器地址空间为1000H～ FFFFH。 访问程序存储器使用MOVC指令。 单片机执行程序时由PC 指示地址, 复位时PC内 容为0000H, 由此, 程序必须从0号单元开始存放.
MCS51系列单片机芯片结构
MCS51系列单片机芯片结构MCS51系列单片机是Intel〔英特尔〕于1980年推出的一种8位微控制器，由Intel公司设计并于1981年开始生产。
MCS51系列单片机由几个根本局部组成，包括CPU、内存、IO口、时钟和定时器等，这些组件相互协作来完成微控制器的各种功能。
1. CPU〔中央处理单元〕MCS51系列单片机的CPU是其核心局部，负责整个系统的指令执行和数据处理。
CPU采用哈佛结构，由指令存储器和数据存储器独立组成。
MCS51单片机采用8位体系结构，支持指令级别的并行处理。
CPU在工作时，可以通过片内总线与其他部件进行数据和指令的传输。
2. 内存MCS51系列单片机的内存包括RAM〔随机存取存储器〕和ROM〔只读存储器〕。
2.1. RAMMCS51单片机的RAM主要用于临时存储数据和变量，其容量从几十字节到几百字节不等，取决于具体型号。
RAM通常被分为多个片段，例如通用存放器、特殊功能存放器和堆栈等。
2.2. ROMMCS51单片机的ROM主要用于存储程序和常量数据。
ROM可以是内部ROM或外部ROM。
内部ROM通常具有较小的存储容量，例如2KB或4KB，而外部ROM可以扩展到几十KB或更大。
3. IO口MCS51系列单片机的IO口用于与外部设备进行通信，包括输入和输出操作。
常见的IO口类型包括GPIO〔通用输入/输出口〕、UART 〔通用异步收发器〕和SPI〔串行外设接口〕等。
通过配置相关存放器，可以设置IO口的工作模式和功能。
4. 时钟和定时器MCS51系列单片机需要一个时钟源来同时其操作。
时钟通常由外部晶体振荡器提供，也可以通过内部RC振荡器或外部时钟信号源。
通过配置定时器存放器，可以实现精确的计时和定时功能。
MCS51系列单片机通常有多个定时器，如定时器0和定时器1，用于生成时序信号、延时操作和计数等功能。
这些定时器可以用于测量时间、触发中断和产生PWM〔脉宽调制〕信号。
总结MCS51系列单片机芯片结构由CPU、内存、IO口、时钟和定时器等根本局部组成。
第2章 MCS-51系列单片机的结构及原理
2.3 引脚功能——封装形式
40P6-PDIP
单 片 机 技 术
2.3 引脚功能——引脚含义
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST RXD/ P3. 0 TXD/ P3.1 INT0/ P3.2 INT1/ P3.3 T0/ P3.4 T1/ P3.5 WR/ P3.6 RD/ P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 24 22 21 VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
2mcs51系列单片机的内部总体结构88微处理器运算部件b数据存储器ramp0口p2口程序存储器特殊功特殊功能寄存器sfrromepromvccvss图21mcs51单片机的基本结构控制部件p1口p3口串行口定时计数器中断系统88xtal1xtal2psenaleeareset端口0驱动器端口2驱动器ram地址锁存器ram1288端口0锁存器端口2锁存器rom4k8b寄存器程序地址寄存器缓冲器寄存器vcc5vvss堆栈指针spacctmp2tmp1p00p07p20p27图22mcs51片内总体结构框图rstpc1寄存器pcdptr指针p10p17psw端口3锁存器端口1锁存器端口1驱动器端口3驱动器scontl0tmodth1iepconth0sbuftxrx中断串行口和定时器逻辑tcontl1iposcp30p37alepsenxtal2xtal1alu指令寄存器定时与控制指令译码器返回本节2
第2章 MCS-51单片机系统结构
寄存器 PC ACC B PSW SP DPTR P0～P3 IP IE 内容 0000H 00H 00H 00H 07H 0000H 0FFH XXX00000B 0XX00000B 寄存器 TMOD TCON TH0 TL0 TH1 TL1 SCON SBUF PCON 内容 00H 00H 00H 00H 00H 00H 00H 不定 0XXXXXXXB
对外部时钟的占空比要求不高，但要有一定的幅度.
2.3.2
时钟电路
C1
XTAL1
NC
XTAL1
MCS-51单片机
MCS-51单片机 外部振荡信号
XTAL2
C2
XTAL2
内部振荡方式Biblioteka 外部振荡方式2.3.3
复位电路
所有单片机在启动运行时都需要复位，以使CPU和系统中的其 它部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
2.4.1
程序存储器
ISP技术（下载）：在单片机上固化一些用户看不到的程序，单片 机上电后自动运行这些程序，并检查单片机的工作模式。当单片机处 于下载模式时，这些程序就控制单片机经由串口从PC机接收用户应用 程序，并将之写入程序存储器，这个过程称为下载；若单片机处于正 常工作模式，就按普通方式从程序存储器中取出指令来运行。
2.3.3
复位电路
典型的复位电路：
（1）上电自动复位电路 （2）人工复位电路
（3）看门狗复位电路
2.3.3
复位电路
+5V Vcc
+5V Vcc
C
MCS-51单片机 RST
R2 MCS-51单片机 RST
R1
GND
GND
RC上电自动复位电路
人工复位电路
对外部时钟的占空比要求不高，但要有一定的幅度.
2.3.2
时钟电路
C1
XTAL1
NC
XTAL1
MCS-51单片机
MCS-51单片机 外部振荡信号
XTAL2
C2
XTAL2
内部振荡方式Biblioteka 外部振荡方式2.3.3
复位电路
所有单片机在启动运行时都需要复位，以使CPU和系统中的其 它部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
2.4.1
程序存储器
ISP技术（下载）：在单片机上固化一些用户看不到的程序，单片 机上电后自动运行这些程序，并检查单片机的工作模式。当单片机处 于下载模式时，这些程序就控制单片机经由串口从PC机接收用户应用 程序，并将之写入程序存储器，这个过程称为下载；若单片机处于正 常工作模式，就按普通方式从程序存储器中取出指令来运行。
2.3.3
复位电路
典型的复位电路：
（1）上电自动复位电路 （2）人工复位电路
（3）看门狗复位电路
2.3.3
复位电路
+5V Vcc
+5V Vcc
C
MCS-51单片机 RST
R2 MCS-51单片机 RST
R1
GND
GND
RC上电自动复位电路
人工复位电路
MCS-51单片机结构
振荡周期
时钟周期
二、CPU执行指令时序
XTAL2 (OSC)
S1
S2
S3
S4
S5
S6
P1
P2
P1
P2
P1
P2
P1
P2
P1
P2
P1
S1
P2
P1
S2
P2 P1
S3
P2
P1
S4
P2
P1
S5
P2
P1
S6
P2
P1
S1
P2
P1
S2
P2
P1
ALE 读操作码
读下一个操作码（丢弃）
P1
P2
P1
P2
P1
P2
P1
P2
S1
S2
P1
P2
S3
（d）单字节，双周期指令，如MOVX
P1P2Biblioteka S4P1P2
S5
地址
P1
P2
P1
P2
P1
P2
S6
S1
S2
数据（DATA）
访问外部存储器
P1
P2
S3
P1
P2
S4
P1
P2
S5
P1
P2
S6
P1
P2
S1
P1
P2
S2
单片机原理及应用技术
P2. 0--P2. 7(21-28）：双向I/O口P2。P2口可以驱动（吸收或输出电流 ）4个LS型TTL负载。
第二功能是在访问外部存储器时，输出高8位地址。在对EPROM编 程P3和．校0-验-P时3.，7(1它0-接17收）高：位双地向址I/O。口P3。P3口能驱动（吸收或输出 电流）4个LS型TTL负载。
2 MCS-51系列单片机的结构和原理
0023H~002AH
地址去执行程序
串行中断地址区
中断响应后，系统能按中断种类，自动转到各中断区的首
但8个单元难以存下一个完整的中断服务程序， 故一般在中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令
JMP、 AJMP以便中断响应后，通过中断地址区，转到
中断服务程序的实际入口地址去
2.3.4 堆栈操作 堆栈只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表 数据写入堆栈称为插入运算（入栈），PUSH 从堆栈中读出数据称为删除运算（出栈），POP
地址：80H~FFH 存放相应功能部件 的控制命令、状态 或数据 21个专用寄存器
（SFR）
（1）累加器A （Accumulator） 累加器A是8位寄存器，又记做ACC，是一个最常用的专用 寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。
（2）寄存器B 寄存器B 是8位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也 作通用寄存器用。
I/O口P0、P1、P2、P3集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁
存等多项功能于一体
• 字节地址为90H，位地址为90H～97H，只作通用I/O口使用. • 由一个数据输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电 路组成。 内有电阻， 输出时无需 外接上拉电 阻 P1口作输出口 使用时: 内部总线 输出数据给输 出数据锁存器 的输入数据线 D.
1. 芯片封装形式
双列直插式DIP（Dual In line Package） 44引脚方形扁平式QFP（Quad Flat Package）
2. 芯片引脚介绍
1）输入/输出口线 4个8位双向口线
2）ALE 地址锁存控制信号 • 在系统扩展时，用于控制把P0口输出的低8位地址
送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分
MCS-51单片机的基本组成
RST/VP D（9脚）
EA/VPP （31脚）
电源端，接＋5 V。
RST即为RESET，VPD为 备用电源。
2）晶体振荡器接入或外部振荡信号输入引脚 （1）XTAL1（19脚）：晶体振荡器接入的一个引脚。采用外部
振荡器时，此引脚接地。 （2）XTAL2（18脚）：晶体振荡器接入的另一个引脚。采用外
方式可以分成两大类：一类是随机存取存储器（random access memory， RAM），主要用于存放暂存数据及调试程序,所以又称为数据存储器；另 一类是只读存储器（read only memory，ROM），主要用于存放常数及固 定程序，又称为程序存储器。
存储器内部结构
Hale Waihona Puke 3.定时器/计数器 8051单片机有两个16位的可编程定时器/计数器T0和T1，用于精
部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端。 3）地址锁存及外部程序存储器编程脉冲信号输入引脚
ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引 脚。ALE为地址锁存允许信号输出引脚，当8051单片机上电正常工 作时，自动在该引脚上输出六分之一晶振频率（fOSC/6）的脉冲序 列。当CPU访问外部存储器时，此信号作为锁存低8位地址的控制信 号。PROG为编程脉冲输入引脚，在对片内ROM编程写入时，作为编 程脉冲输入端。
1.2 单片机的片外总线与引脚功能
1.MCS-51单片机的引脚分布
MCS-51系列单片机引脚图和逻辑图
2.MCS-51单片机的引脚功能 1）电源及复位引脚
接地端。
VCC（40 脚）
VSS（20 脚）
EA为片内外程序存储器选用端。 该引脚为低电平时，只选用片外 程序存储器；该引脚为高电平 时，先选用片内程序存储器，然 后选用片外程序存储器。
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地址 地址 地址
20H 00~07H21H
22H 10~17H23H
位 地址 08~0FH 18~1FH
序标志、位控制变量。此寻 24H 20~27H25H 28~2FH
址区也可存放数据CPU可 26H
按字节操作，也可按位操作。
28H 2AH
30~37H27H 40~47H29H 50~57H2BH
PSW.4 （RS1）
0 0 1 1
PSW.3 (RS0）
0 1 0 1
当前使用的工件寄存器R0~R7
0区（00～07H） 1区（08～0FH） 2区（10～17H） 3区（18～1F）
二、位寻址区
❖ 内部RAM的20H~2FH为位 寻址区域，共128位， （0~7FH）用于存放各种程
字节 位
字节
❖ MCS-51单片机的外部引脚与逻辑符号
8位准双向 I/O口
双向8位三 态I/O口
I/O
8位准双向
8位准双I/O向
I/O口
I/O口
I/O
复位输入线地，址高锁存控制I/输O
电平有效 入线
外部程序存储器读 选通信号输出线
访问程序存储器控 制信号输入线
2.2 时钟和时钟电路
内部时钟方式的时钟电路
MCS-51 XTAL1
程序存贮器与数据存贮器
程序存贮器(只读)
FFFFH
外部
1000H EA=0
外部
0FFFH
EA=1 内部
0000H
数据存贮器或I/O(读写)
FFFFH
外部
或I/O FF
80 7F
00
0000
PSEN
WR
RD
MCS-51单片机内部RAM功能划分
FFH
堆栈或数据缓冲区
80H 7FH
堆栈或数据缓冲区
30H
CPU
数据存储器 RAM128B
8
P0口
XTAL1 XTAL2
控制部件
P1口
8
PSEN EA ALE RESET
串行 定时器0 口 定时器1
8
VCC
P2口
程序存储器 ROM 4KB
VSS
P3口
8
特殊功能
中断
寄存器
系统 (SFR)
外部中断
❖ 运算器
乘法指令时存
储一操作数
ACC
B寄存器
暂存寄存器1
暂存寄存器2
XTAL2 Vss
外部时钟方式
一、HMOS型单片机外部时钟输入接线图
10K
外部振荡 器信号源
TTL门
VCC
XTAL2 XTAL1
Vss
8051
二、CHMOS型单片机的外部脉冲源接入方法
外部振荡 器信号源
浮空 NC
CMOS门电路
XTAL2 XTAL1 Vss
❖ 指令周期
CPU取出一条指令至该指令执行完所需的时间
一、上电复位与上电按钮复位
VCC Vcc
RST MCS-51 Vss
RST MCS-51
二、系统复位
+5V
RST
CPU
至其它I/O电路复位端
程序执行方式 ❖ 从地址0000H开始
掉电保护方式 ❖ 数据转存 ❖ 接通备用电源
CHMOS工艺的MCS-51单片记得低功耗方式 ❖ 待机方式 ❖ 掉电保护方式
复位后内部寄存器的初始状态：
寄存器
PC ACC B PSW SP DPTR P0~P3 IP IE
复位状态 寄存器00Leabharlann 0HTMOD00H
TCON
00H
TH0
00H
TL0
07H
TH1
0000H
TL1
0FFH
SCON
XXX00000B SBUF
0XX00000B PCON
复位状态
00H 00H 00H 00H 00H 00H 00H 不定 0XXXXXXXB
2.3 MCS-51单片机的工作方式
1.复位和复位电路
❖ 计算机在启动运行时都需要复位，使CPU 和系统中的其它部件都处于一个确定初 始状态，并从这个状态开始工作。
❖ 复位引脚：RST ❖ 复位电平：高电平。振荡器起振后，该
引脚上出现2个机器周期以上的高电平， 使器件复位。 RST变为低电平后，退出 复位。
2FH 位寻址区
20H
1FH 工作寄存器区3
18H
17H 工作寄存器区2
10H
0FH 工作寄存器区1
08H
07H 工作寄存器区0
00H
特殊功能寄存器区
位寻址区 0~7F(计128 位)
工作寄存器区 每区有 R0~R7
实际需要的工 作寄存器区数 目和位标志数 目外,其它作为 数据缓冲区或 堆栈
一、工作寄存器
38~3FH 48~4FH 58~5FH
2CH 60~67H2DH 68~6FH
2EH 70~77H2FH 78~7FH
例： SETB 0H ；20H.0
三、堆栈和数据缓冲器
❖ 在实际应用中，执行子程序调用、中断程序时要先保护 CPU的现场（断点处PC值、ACC值等），需要一个采用 后进先出方式的RAM缓冲器，此RAM称堆栈。
保存运算和操 作结果的状态
ALU PSW
❖ 控制器
PSEN ALE EA RST
定时 与 控制
指指 令令 译寄 码存 器器
PC加1 PC
16位地址 指针
DPTR
❖ 内部数据存储器
RAM 地址 寄存器
RAM (126×8)
❖ 内部程序存储器
ROM (4K×8)
程序地址 寄存器
❖ 定时器/计数器、串行口、中断控制系统
PCO
TCO
TH0 TL0
SBU IE
IP
中断、串行口、定时器/计数器
❖ 并行I/O口
P0.0~P0.7
P2.0~P2.7
P0口驱动器
P2口驱动器
P0口寄存器
P2口寄存器
P1口寄存器
P3口寄存器
P1口驱动器
P3口驱动器
P1.0~P1.7
P3.0~P3.7
❖ 时钟电路
❖ 总线
振荡器
XTAL1
XTAL2
存贮器组织
❖ MCS-51系列单片机有5个独立的存贮器空间 ❖ 64K字节的程序存贮器空间(0~0FFFFH); ❖ 256字节的内部RAM空间(0~0FFH); ❖ 128字节的特殊功能寄存器空间(80~0FFH); ❖ 位寻址空间(0~0FFH); ❖ 64K字节的外部数据存贮器空间(I/O)(0~0FFFFH)；
MCS-51系列 单片机系统结构
2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚
MCS-51是Intel公司于1980年推出的高档系列 8位单片机，主要有8051、8031、8751、 80C51BH等。在本课程中，为了叙述方便，以 8051为例进行讨论。
❖ 8051单片机基本结构框图
微处理器 (运算部件)
，用于衡量指令或程序
❖ 机器周期
执行速度的最小单位
即一个最小的指令周期
❖ 节拍
时钟电路振荡脉冲的周期
❖ 状态
振荡脉冲经过二分频后的时钟信号的周期。
典型指令的时序
❖ 单字节单机器周期指令 ❖ 单字节双机器周期指令 ❖ 双字节单机器周期指令 ❖ 双字节双机器周期指令 ❖ 三字节双机器周期指令 ❖ 单字节四机器周期指令