MCS-51单片机的组成
第02章 MCS-51单片机的结构
CY
AC
F0
RS1 RS0
OV
/
P
PSW位地址
D7H D6H D5H D4H CY AC F0 RS1
D3H RS0
D2H D1H OV
D0H 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
ALU
定时与控制 程序地址寄存器AR
CPU
。
2.2.2 控制器
控制器由程序计数器PC、指令
寄存器和指令译码器、定时和控
制逻辑电路。
相对控制器而言，运算器接受控 制器的命令而进行动作。
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，用于存放下一字节指令的地址， 可寻址64KB的程序存储器空间。 ※ PC的基本工作方式有：
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。
用示波器检测该引脚来判断单片机是否损坏。
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）作为片外ROM的
MCS-51单片机系统结构
*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。
MCS-51系列单片机的结构与原理
３.2.2 MCS-51系列单片机的结构与原理1．51系列单片机总体基本结构51系列单片机主要由8个基本部件组成，即微处理器（CPU ）、数据存储器（RAM ）、程序存储器（ROM/EPROM ）、I/O 口（P0口、P1口、P2口、P3口）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR ）。
它们都是通过片内单一总线连接而成。
MCS-51是Intel 公司的较早推出的51系列单片机，其代表产品主要有8051和8052系列，其中以8051系列单片机最为经典。
因此，以后所有兼容8051的单片机一般简称为51系列单片机。
51系列单片机总体基本结构如图3-1所示：CPU微处理器ROM RAM定时/计数器并行接口串行接口中断系统SFR特殊功能寄存器P0P1P2P3TXD RXDINT0INT1T0T1内部总线图3-1 51系列单片机总体基本结构MCS-51系列单片机主要功能部件8051/8052系列单片机主要包括以下功能部件： ● 8位CPU ；● 4K/8K 片内程序存储器(ROM/EPROM)； ● 128/256字节的片内RAM ；● 32条双向I/O 口(4个8位口)；● 可寻址外部程序存储器和数据存储器各64K ； ● 2/3个16位定时器/计数器 ● 1个全双工异步串行口；● 5/6个中断源，2个中断优先级； ● 具有位寻址能力；● 片内振荡器和时钟电路；以ATMEL 公司的AT89C51为例对8051单片机的引脚功能加以说明，AT89C51与Intel 公司的8051的唯一区别是AT89C51程序存储器为可擦写的FLASH ，而Intel 公司的8051为ROM 或EPROM ，其它如引脚及功能都完全一致。
AT89C51有PDIP 、PQFP 、TQFP 、 PLCC 、LCC 等多种封装形式，图3-3 为AT89C51双列直插式封装PDIP 的引脚图。
RST P3.1P3.2P3.3P3.5P3.4P3.6P3.7P3.0XTAL1GNDXTAL223465781911121315141617101819203938373536343340323029282627252431232221P1.1P1.2P1.3P1.5P1.4P1.6P1.7P1.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.4P0.6P0.7P0.0P2.6P2.5P2.4P2.2P2.3P2.1P2.0P2.7VCCALE/PROG PSENEA/VPP (TXD)(INT0)(INT1)(T1)(T0)(WR)(RD)(RXD)(AD1)(AD2)(AD3)(AD5)(AD4)(AD6)(AD7)(AD0)(A14)(A13)(A12)(A10)(A11)(A9)(A8)(A15)P0口P2口P1口P3口8051图3-2 AT89C51双列直插式封装PDIP 的引脚图● GND （20）：接地。
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单片机是由哪些部分组成的
mcs-51单片机是由哪些部分组成的
学习的内部结构之前，我们先了解下我们现在正在使用的计算机的几大组
成部份：
计算机的五个组成部份：
运算器：用于实现算术和逻辑运算。
计算机的运算和处理都在这里进行;
控制器：是计算机的控制指挥部件，使计算机各部份能自动协调的工作;
存储器：用于存放程序和数据;(又分为内存储器和外存储器，内存储器就如
我们电脑的硬盘，外存储器就如我们的U 盘)
输入设备：用于将程序和数据输入到计算机(例如我们电脑的键盘、扫描仪);
输出设备：输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果以用户需要的形式
显示或保存(例如我们的打印机)。
注：1、通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器(Central Processing Unit),简称CPU。
2、通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称之为计算机的外部设
备。
51 单片机的内部又有些什么部件组成呢?
下图就是我们要研究学习的对象，51 单片机结构图了。
大家看看图，中间的
一条双横线就是51 单片机的内部总线了。
其它的部件都是通过内部的总线与CPU 相联接的，在第一节课时我们已跟大家讲述过，8051 单片机是总线结构的。
下面我们就51 单片机内部的单个部件与大家进行讲解。
图片1
中央处理器(CPU)：
刚跟大家讲过，需要提醒的是的CPU 能处理8 位二进制数或代码。
CPU 是。
MCS-51单片机资料
MCS-51单⽚机资料⼀、概述MCS-51单⽚机是把那些作为控制应⽤所必需的基本内容都集成在⼀个尺⼨有限的集成电路芯⽚上。
如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并⾏I/O⼝、串⾏⼝、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。
它们都是通过⽚内单⼀总线连接⽽成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯⽚的传统结构模式。
但对各种功能部件的控制是采⽤特殊功能寄存器（SFR）的集中控制⽅式。
（⼀）控制器控制器是单⽚机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单⽚机各功能部件，从⽽保证单⽚机各部分能⾃动⽽协调地⼯作。
单⽚机执⾏指令是在控制器的控制下进⾏的。
⾸先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存，然后送⾄指令译码器进⾏译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产⽣各种定时信号和控制信号，再送到单⽚机的各个部件去进⾏相应的操作。
这就是执⾏⼀条指令的全过程，执⾏程序就是不断重复这⼀过程。
控制器主要包括程序计数器、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时序控制逻辑电路。
（⼆）存储器的结构MCS-51单⽚机存储器采⽤的是哈佛结构,即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开,程序存储器和数据存储器各有⾃⼰的寻址⽅式,寻址空间和控制系统。
这种结构对于单⽚机⾯向控制的实际应⽤极为⽅便,有利。
在8051/8751弹⽚击中,不仅在⽚内集成了⼀定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器,⽽且还具有极强的外存储器的扩展能⼒,寻址能⼒分别可达64KB,寻址和操作简单⽅便.MCS-51的存储器空间可划分为如下⼏类:1.程序存储器单⽚机系统之所以能够按照⼀定的次序进⾏⼯作,主要是程序存储器中存放了经调试正确的应⽤程序和表格之类的固定常数。
程序实际上是⼀串⼆进制码,程序存储器可以分为⽚内和⽚外两部分。
51单片机的内部结构
51单片机的内部结构MCS-51单片机内部结构8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。
8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：·中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
·数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
·程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
·定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
·并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。
·全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
·中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
·时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。
MCS-51单片机的硬件结构
MCS-51单⽚机的硬件结构MCS-51单⽚机的基本组成MCS-51是Intel公司⽣产的⼀个单⽚机系列的总称.在功能上,该系列单⽚机有基本型和增强型两⼤类,通常以芯⽚型号的末位数字来区别。
末位数字位“1”的型号是基本型，为“2”的信号是增强型。
MCS-51单⽚机的内部结构如图所⽰，基本结构包括：⼀个8位的CPU及⽚内振荡器；4KB掩膜ROM（8051），4KB EPROM（8751），⽆ROM（8031）；128B RAM，21个特殊功能寄存器SFK；4个（P0~P3）8位并⾏I/O接⼝，⼀个可编程全双⼯通⽤异步串⾏接⼝（UART）；具有5个中断源，2个优先级；可寻址64KB 的⽚外ROM和64KB的⽚外RAM；两个16位的定时/计数器;具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能。
MCS-51单⽚机的引脚及其功能MCS-51单⽚机的引脚封装MCS-51单⽚机有普通的HMOS芯⽚和CMOS低功耗芯⽚。
HMOS芯⽚采⽤双列直插封装⽅式，⽽CMOS芯⽚采⽤的封装⽅式有双列直插也有⽅形封装的。
尽管封装的⽅式不同，但是它们的结构完全⼀样。
输⼊/输出接⼝MCS-51单⽚机有4个双向8位I/O接⼝，它们是P0、P1、P2、P3。
在⽆外接存储器时，这4个I/O接⼝均可以作为通⽤I/O接⼝使⽤，CPU既可以对它们进⾏字节操作也可以进⾏位操作。
当外接程序存储器或数据存储器时，P0⼝和P2⼝不再作为通⽤I/O⼝使⽤。
此时，P0⼝传送存储器地址的低8位以及双向的8位数据，P2⼝传送存储器地址的⾼8位。
P0⼝和P2共同组成MCS-51单⽚机的16位地址总线，⽽低8位地址总线与8位双向数据总线分时复⽤。
P0⼝P0⼝有8位，每⼀位由⼀个锁存器、两个三态输⼊缓冲器、控制电路和驱动电路组成。
P0⼝有两种功能，⼀是作为通⽤I/O⼝；⼆是当外接存储器时，作为低8位地址总线和8位双向数据总线。
P0 ⼝作为通⽤I/O ⼝作为通⽤I/O ⼝时，P0 ⼝既可以做输⼊⼝，也可以做输出⼝，并且每⼀位都可以设定为输⼊或输出。
mcs-51单片机的组成
8051输入／输出端口结构
80 51单片机有四个8位并行I/O端口，记作P0、P1、P2 和P3。每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每 一 条I/O线都能独立地用作输入或输出。 每个端口都包括一个锁存器(即特殊功能寄存器P0—P3)， 一个输出驱动器和输入缓冲器，作为输出时数据可以锁 存，作输入时数据可以缓冲，但这四个通道的功能不完 全相同。
P0口的输出级与P1—P3口的输出级在结构上是不同 的！因此，其负载能力与接口要求也各不相同。 ①P0口与其它口不同，它的输出级无上拉电阻。 当把它用作通用I／O口使用时，输出级是开漏电路， 输入时需外接上拉电阻； 用作输入时，应先向口锁存器(80H)写1； 把它当作地址／数据总线时则无需外接上拉电阻。 P0口的每一位输出可驱动8个LS型TTL负载。
MCS-51单片机的组成及结构分析 1 ， 8051 由 CPU 、内部程序存贮器 ROM 、内部 寄存器RAM、I/O接口控制单元、定时器／计数器、 串行通信接口、内部总线等部分构成。 2 ， 8051 的存贮空间分为 64K 程序存贮器、 64K 数据存贮器、 256 字节内部寄存器 RAM 三个部 分。 程序存贮器中低端的4K可用/EA脚来选择使 用内部或外部的程序存贮器。
MCS-51单片机的组成及结构分析 5，四个并行I/O接口有着不同的电路结构。 I/O口的每一位基本上都是由口锁存器、功能转 换开关和驱动电路三部分组成。对I/O口的操作 分为锁存器操作和管脚操作两种类型，由“读— 修改—写”指令和直接操作指令来分别进行。使 用接口时应注意读入管脚状态前要先输出“1”， 还应注意P0口的外部上拉和各个口的驱动能力。
8051输入／输出端口结构
在无片外扩展存储器的系统中，这四个端口的每一位都 可以作为准双向通用I／O端口使用。在具有片外扩展存 储器系统中，P2口送出高8位地址．P0口为双向总线， 分时送出低8位地址和数据的输入／输出。 8051单片机四个I／()端口的电路设计非常巧妙，熟悉I ／O端口逻辑电路，不但有利于正确合理地使用端口。 而且会对设计单片机外围逻辑电路有所启发。
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。
MCS-51单片机的硬件结构
XTAL1 19
VSS
20
8031 8051 8751
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
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
RXD/P3.0
10
TXD/P3.1
11
INT0/P3.2
12
INT1/P3.3
13
T0/P3.4
14
T1/P3.5
15
WR/P3.6
16
RD/P3.7
17
XTAL2 18
17
RD（外部数据存储器读脉
P3.7
冲）
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2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构
2.2.1 MCS-51单片机芯片引脚描述 2.2.2 MCS-51单片机的片外总线结构
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2.2.1 MCS-51单片机芯片引脚描述
图2-7为MCS-51单片机的引脚配置图。 1．主电源引脚VCC和VSS 2．外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 3．控制或其他电源复用引脚RST/ VPD、ALE/、 和/VPP 4．输入/输出引脚P0、P1、P2、P3（共32根）
VCC
P2.7 PP22..56 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 PPP000...756
P0.3 P0.2 P0.1 P0.0
ALE
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。
MCS-51单片机内部包含哪些主要逻辑功能部件？
MCS-51 单片机内部包含哪些主要逻辑功能部件？
MCS-51 单片机内部包含哪些主要逻辑功能部件有：
(1)1 个8 位的微处理器CPU。
(2)8KB 的片内程序存储器Flash ROM(51 子系列的Flash ROM 为4KB)，用于烧录运行的程序、常数数据。
(3)256B 的片内数据存储器RAM(51 子系列的RAM 为128B)，在程序运行时可以随时写入数据和读出，用于存放函数相互传递的数据、接收的外部数据、中间结果、最后结果以及显示的数据等。
(4)3 个16 位的定时器/计数器(51 子系列仅有2 个定时器)，每个定时器/计
数器可以设置为计数方式，用于对外部事件信号进行计数，也可以设置为定
时方式，满足各种定时要求。
(5)有一个管理6 个中断源(51 子系列1 是5 个中断源)、两个优先级的中断控制器。
(6)4 个8 位并行I/O 端，每个端口既可以用作输入，也可以用于输出。
(7)一个全双工的UART(通用异步接收发送器)串行I/O 口，用于单片机之
间的串行通信，或者单片机与PC 机、其它设备、其它芯片之间的串行通。
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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微型计算机系统
输 入 设 备
输 入 接 口 电 路
CPU 运 算 器 控 制 器
输 出 接 口 电 路
输 出 设 备
软 件 ＋ 系 统
存 储 器 硬件系统
图1-1 微型计算机硬件系统组成示意图
• 下面把组成计算机的5个基本部件作简单说明。 • 1) 运算器 • 运算器是计算机的运算部件，用于实现算术和逻辑 运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行。 • 2) 控制器 • 控制器是计算机的指挥控制部件，它控制计算机各 部分自动、协调地工作。运算器和控制器是计算机的核 心部分，常把它们合在一起称之为中央处理器，简称 CPU。
2.6.4 P3口
第二输出功能 读锁存器 内部上拉电阻 内部总线 写锁存器 D P3.n 锁存器 Q Q T P3.n VCC
读引脚 第二输入功能
图 2-8 P3口的口线逻辑电路图
2．7 MCS-51单片机的时序
2.7.1 时钟电路与时序
S
机器周期1 取指令、译码
机器周期2 取操作数、执行
指令周期
T
INT
定时器 / 计数器
中断系统
P0 ～ P3
并 行 I/O 接 口
CPU
存储器
并 行 I/O 接 口
TXD RXD
图1-2 单片机内部结构示意图
1.2.2 单片机的软件系统 • 软件系统是微机系统所使用的各种程序的总 称。人们通过它对整机进行控制并与微机系统进 行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任 务。 • 软件系统与硬件系统共同构成完整的微机系 统，两者辅相成，缺一不可。 • 微型计算机系统组成示意图如图所示。
I/O特性
中断源
8031 51 子 系 列
8051
8751
4 KB
128 B
2×64 KB
2×16
4×8
1
5
80C31
80C51
87C51
4 KB
128 B
2×64 KB
2×16
4×8
1
5
8032 52 子 系 统 80C32
8052
8752
8 KB
256 B
2×64 KB
3×16
4×816源自80C5287C52
8 KB
256 B
2×64 KB
3×16
4×8
1
6
2.2.1 51子系列和52子系列
•
• • • •
MCS-51系列又分为51和52两个子系列，并 以芯片型号的最末位数字作为标志。其中，51 子系列是基本型，而52子系列则属增强型。52 子系列功能增强的具体方面，从表 1-1 所列内 容中可以看出： (1) 片内ROM从4 KB增加到8 KB。 (2) 片内RAM从128 B增加到256 B。 (3) 定时/计数器从2个增加到3个。 (4) 中断源从5个增加到6个。
图2-2 MCS-51引脚图
8031 8051 8751
2) 信号引脚介绍
表2-1 P3口的第二功能表
2.6 并行输入/输出口电路结构
2.6.1 P0口
地址/数据
VCC
控制
读锁存器 T1 内部总线 写锁存器 D P0.n 锁存器 Q
MUX
Q T2
P0.n
读引脚
图 2-5 P0口的口线逻辑电路图
2.6.2 P1口
3.4.1 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚 8051单片机的基本组成
•
MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、 8751。8051内部有4KB ROM，8751内部有4KB EPROM，8031内部无ROM；除此之外，三者的 内部结构及引脚完全相同。因此，以8051为例， 说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。 • 8051单片机的基本组成请参见图2-1。下面介 绍各部分的基本情况。
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3) 内部程序存储器（内部ROM） 8051 共有 4KB 掩膜 ROM ，用于存放程序、 原始数据或表格，因此，称之为程序存储器， 简称内部ROM。 4) 定时/计数器 8051 共有两个 16 位的定时 / 计数器，以实 现定时或计数功能，并以其定时或计数结果 对计算机进行控制。 5) 并行I/O口 MCS-51 共有 4 个 8 位的 I/O 口（ P0 、 P1 、 P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。
• 3) 存储器 • 存储器是计算机的记忆部件，用于存放程序和数 据。存储器又分为内存储器和外存储器。实训中使 用的EPROM2764便是存贮器。 • 4) 输入设备 • 输入设备用于将程序和数据输入到计算机中，如 键盘等。 • 5) 输出设备 • 输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果， 以用户需要的形式显示或打印出来，如显示器、打 印机等。 • 通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起 称之为计算机的外部设备，简称“外设”。
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6) 串行口 MCS-51 单片机有一个全双工的串行口，以实现单片 机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强， 既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移 位器使用。 7) 中断控制系统 MCS-51 单片机的中断功能较强，以满足控制应用的 需要。8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中 断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两 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。系 统允许的晶振频率一般为6 MHz和12 MHz。
2.1 单片机概述
2.2 MCS-51系列单片机
• 尽管各类单片机很多，但无论是从世界 范围或是从全国范围来看，使用最为广泛 的应属MCS-51单片机。 • MCS-51 单片机系列共有十几种芯片， 如表1-1所示。
表1-1 MCS-51系列单片机分类表
片内ROM形式
子 系 列 无 ROM EPROM 片内 ROM 容量 片内 RAM 容量 寻址 范围 计数器 并行口 串行口
VCC 读锁存器 内部上拉电阻 内部总线 写锁存器 D P1.n 锁存器 Q T Q P1.n
读引脚
图 2-6 P1口的口线逻辑电路图
2.6.3 P2口
读锁存器 地址 控制 VCC
内部上拉电阻 内部总线 写锁存器 D P2.n 锁存器 Q Q P2.n T
MUX
读引脚
图 2-7 P2口的口线逻辑电路图
2.2.2 单片机芯片半导体工艺
•
MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产。 一种是HMOS工艺，即高速度、高密度、短沟道 MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺，即互补金 属氧化物的 HMOS 工艺。表 1.1 中，芯片型号中 带有字母“C”的，为CHMOS芯片，其余均为一 般的HMOS芯片。 • CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了 HMOS 高 速 度 和 高 密 度 的 特 点 之 外 ， 还 具 有 CMOS低功耗的特点。在便携式、手提式或野外 作业仪器设备上，低功耗是非常有意义的，因此， 在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。
VCC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21
•
单片微型计算机是指集成在一个芯片上的 微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种 功能部件，包括CPU（Central Processing Unit）、 随 机 存 取 存 储 器 RAM （ Random Access Memory ） 、 只 读 存 储 器 ROM （ Read-only Memory）、基本输入/输出(Input/Output)接口电 路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯 片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现 微型计算机的基本功能。单片机内部结构示意 图如图1-2所示。
2.5 MCS-51的信号引脚
•
MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路 芯片，引脚排列请参见图2-2。 1) 信号引脚介绍 • P0.0 ～ P0.7： P0口8位双向口线。 • P1.0 ～ P1.7 ：P1口8位双向口线。 • P2.0 ～ P2.7 ：P2口8位双向口线。 • P3.0 ～ P3.7 ：P3口8位双向口线。
图2-1 MCS-51 单片机结构框图
• •
1) 中央处理器（CPU） 中央处理器是单片机的核心，完成运算和控 制功能。 MCS-51 的 CPU 能处理 8 位二进制数或 代码。 • 2) 内部数据存储器（内部RAM） • 8051 芯片中共有 256 个 RAM 单元，但其中后 128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用 户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数 据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前 128单元，简称内部RAM。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD 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
基本定时时序关系
1.时钟信号的产生
VCC XTAL1 XTAL2 外 部 振 荡 器 R 8051 XTAL2 TTL XTAL1 VSS C1 C2 外 部 振 荡 器 NC
3．3 单片机的软硬件系统
1.2.1 单片机的硬件系统 • 硬件系统是指构成微机系统的实体和装置，通 常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和 输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。 • 其中，运算器和控制器一般做在一个集成芯片 上，统称中央处理单元（Central Processing Unit）， 简称 CPU ，是微机的核心部件。 CPU 配上存放程 序和数据的存储器、输入/输出（Input/Output，简 称I/O ）接口电路以及外部设备即构成微机的硬件 系统。