851单片机的基本结构与工作原理全解

在低128B的RAM存储单元中又可划分为：工作寄存器区、 可位寻址区、通用寄存器区。
高128B的专用寄存器区中仅仅使用了21寄存器（51系列）， 其它单元未定义不能使用。
存储器配置（片内RAM）
片内RAM 128字节（00H—7FH）
FFH FFH
SFR分布在 80H-FFH
80H 7FH
80H
普通RAM区
存储器配置
可寻址片外RAM 64K字节 （0000H—FFFFH）； 可寻址片外ROM 64K字节 （0000H—FFFFH）；
FFFFH FFFFH
片内 RAM
FFH 80H 7FH 00H
64K 字节
可寻址 片外 RAM
0FFFH
4K 字节
64K 字节
片内
ROM
可寻址 片外 ROM
128字节
0000H
0000H
0000H
第三节 特殊功能寄存器 SFR
特殊功能寄存器(SFR)
▼特殊功能寄存器SFR（专用寄存器） 特殊用途寄存器的集合。专用于控制、选择、管 理、存放单片机内部各部分的工作方式、条件、状 态、结果的寄存器。 ▼不同的SFR管理不同的硬件模块，负责不同的功 能——各司其职 换言之：要让单片机实现预订的功能，必须有相应 的硬件和软件，而软件中最重要的一项工作就是对 SFR写命令（要求）。

(二)控制器
组成：由程序计数器 PC、指令寄存器、指令译码器、数据 指针DPTR、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。 功能：对来自存储器中的指令进行译码，通过定时控制电 路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部控制 信号，协调各功能元件的工作，完成指令所规定的功能。
1．程序计数器Biblioteka BaiduC(Program Counter)
留用于初始化。
从0003H～0023H单元被保留用于6个中断源的中 断服务程序的入口地址，故以下6个特定地址应 被保留。
0000H： 复位地址 0003H： 外部中断0入口地址 000BH： 定时器0中断入口地址 0013H： 外部中断1入口地址
00lBH： 定时器1中断入口地址
0023H： 串行口中断入口地址
单元地址
位寻址区内的地址是位地址。共有00-7FH（共128个位）； 要区分字节地址和位地址这两个不同的地址概念： 从物理的角度，每一个字节地址内包含了8个位，即： D7，D6，D5，D4，D3，D2，D1，D0 在一般情况，我们提到的RAM地址都是字节地址。 从逻辑的角度讲，字节地址和位地址是靠不同类型的指令来 区分的。如： MOV A， 20h ；将RAM的20单元内容送累加器A； MOV C ，20h ；将RAM位寻址区中20H位送CY中。 在这二个例子中，第一条指令为字节传送指令，所以20H为 字节地址；第二个例子中的指令为位操作指令，所以20H为 位地址。有关详细内容将在第2章中描述。 字节＋位数的表示位地址： 如：位地址00H可以表示成20H.0，1AH表示成23H.2

从功能上分，MCS-51分为5个地址空间
·程序存储器 ROM
·片内数据存储器 RAM
·特殊功能寄存器区 SFR
·位寻址区
·外部扩展的数据存储器 RAM（I/O）区
一、程序存储器
8031 / 8032内部没有ROM / EPROM 需要片外扩展，使用 EA 时接成低电平 接地 地址：0000H ~ FFFFH 8051 / 8751内部有4KB ROM / EPROM 地址：0000H ~ 0FFFH 8051 / 8751外部的ROM / EPROM
30H 2FH 20H 1FH 00H
位寻址区 工作寄存器区
所有的RAM区(包括位 寻址区、工作寄存器 区）都可以用于存放 数据，故也称为数据 缓存寄存器
存储器配置（片内RAM）
片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H—1FH)
FFH 1FH 18H 17H 10H 0FH 08H 07H 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H
二、数据存储器
数据存储器无论在物理上还是逻辑上都分为两个地址空间，
即一个内部和一个外部的数据存储空间。
访问内部数据存储单元时，使用 MOV 指令； 而访问外部数据存储器时，使用 MOVX 指令。
内部数据存储器从功能上又将256B空间分为二个不同的块： 1）低128B的RAM块；
2）高128B的SFR (Special Function Register）块。
4. 无论是使用片内还是使用片外的ROM（即 /EA=1或
/EA=0），其起始地址都是从0000H单元开始。
MCS-51单片机片内、外程序存储器的使用示意图
FFFFH
片外程序存储器 （最大64K）
1000H 0FFFH 0FFFH
单片机内部 程序存储器 （4K）
0000H
0000H
/EA=1时，ROM的使用
24H 27 26 25 24 23 22 21 20
总共 128 个可 按位 寻址 的位
普通RAM区
30H 2FH 20H 1FH 00H
23H 1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18 22H 17 16 15 14 13 12 11 10
位寻址区 工作寄存器区
21H 0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 08 20H 07 06 05 04 03 02 01 00
有21个SFR 已知的P0、P1、P2、P3四个8位I/O口分别由名为 P0、P1、P2、P3四个SFR代表。 堆栈指针寄存器 SP（Stack Pointer): 总是指向栈 顶,压栈时先 (SP)+1 然后数据进栈；弹栈时数据 先出栈 然后(SP)-1。
工作寄存器区3
工作寄存器区2
工作寄存器区1
R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 R0
80H 7FH
普通RAM区
30H 2FH 20H 1FH 00H
位寻址区 工作寄存器区
工 作 寄 存 器 区 0
存储器配置（片内RAM）
片内RAM中有128个 可按位寻址的位。 位地址:00H—7FH 分布在:20H—2FH单元
时钟电路提供一个工作频率。
第二节 存储器
单片机的存储器——几个有关的概念：
数据存储器——RAM（Random Access Memory） 程序存储器——ROM（Read Only Memory） EPROM——（UV）Erazible Programmable ROM EEPROM/E2PROM——Electrical Erasable
FFH 2FH 7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78
位地址
28H 47 46 45 44 43 42 41 40 27H 3F 3E 3D 3C 3B 3A 39 38 26H 37 36 35 34 33 32 31 30 25H 2F 2E 2D 2C 2B 2A 29 28
80H 7FH
地址：1000H ~ FFFFH
程序存储器(片内与片外)
1.
2. 3.
程序存储器是用来存放编好的程序、常数和表格的。
不同型号的机型，片内的程序存储器结构和空间也不同。 MCS-5l的片外最多能扩展64k字节。片内外的ROM是统一 编址的。 如果/EA端保持高电平，805l的程序计数器PC在 0000H～0FFFH地址范围内(即前4kB地址)是执行片内 ROM中的程序；当PC在1000H～FFFFH地址范围时，即 当PC值超过0FFFH（4K），自动执行片外程序存储器中 的程序。 如果/EA保持低电平时，只能寻址外部程序存储器，片 外存储器可以从0000H开始编址，地址范围为0000H～ FFFFH（片外存储器）。
· 片外程序存储器 ROM
片内固有 需要扩展
· 片外数据存储器 RAM（I/O）
从逻辑上讲（既用户编程的角度讲）51单片机的存储系统 又可分为三个存储空间。即片内RAM，片外RAM和片内、 外的程序存储器ROM。 片内、外统一编址的存储器地址空间

256B片内数据存储器地址空间 64KB片外数据存储器或I/O地址空间 需要扩展
/EA=0时ROM的使用
注意： 6个单元被保留用于特定的程序入口地址 （中断服务程序入口地址）。编程者是不能随便 使用的。 由于系统复位后的 PC 内容为 0000H，故系统
从0000H单元开始取指令，执行程序。它是系统的
启动地址。一般在该单元设置转移指令，使之转 向用户主程序处。因此， 0000H～0002H单元被保
8751 87C51
(4K字节)
128 字节
2*16
4*8位
1
5
(4K字节)
8752 87C52
(8K字节)
256 字节
3*16
4*8位
1
6
(8K字节)
1051(1K)/ 2051(2K)/ 4051(4K) （20条引脚DIP封装） 89C51(4K)/ 89C52(8K) （40条引脚DIP封装）
程序存储器 ROM、 EPROM E2ROM或FLASH
PSEN
WR 数据存储器 RAM RD 对单片机来讲，ROM和RAM的寻址机构和 寻址方式是分开的。
从物理结构的角度讲，51单片机的存储系统可以分为四个 存储空间：即片内ROM，RAM和片外ROM、RAM。
· 片内程序存储器 ROM
· 片内数据存储器 RAM
Programmable ROM 静态存储器 SRAM——Static RAM （动态存储器 DRAM——Dynamic RAM） 按字节寻址：每个字节(8个位)占一个地址 按位寻址：有的存储空间每一个位就有一个地址
MCS-51单片机的存储器结构
MCS-51单片机的存储器空间分布
特点： 在MCS-51单片机的内部集成了4K的程序存储器 和256B的数据存储器，同时还可以使用片外的程 序存储器和数据存储器，其扩展能力都是64K。 单片机 存储器
▼尽管特殊功能寄存器与RAM在同一个单元
中，但不能作为普通的RAM存储单元来使用。
只有在编程中根据需要，进行一些特定功能
的设定，或者是从中查寻相关部件的状态时，
才能进行读、写操作。如中断方式的设定、
定时器工作模式的设定，查询串行口发送或 接收是否结束等等。
特殊功能寄存器(P0—P3,SP,A,B)
MCS-51系列单片机配置一览表
片内存储器（字节） 系列 片内ROM 有 EPROM 片内 RA M 定时器 计数器 并行 I/O 串行 I/O
无
Intel MCS-51 子系列 Intel MCS-52 子系列 ATEML 89C系列 (常用型)
有ROM
中 断 源
8051 8031 80C51 80C31 8052 8032 80C52 80C32
4．数据指针DPTR 是一个 16 位的专用地址指针寄存器。它主要用来 存放 16位地址，作间址寄存器使用。 DPTR也可以拆 成两个独立8位寄存器，即DPH(高8位字节)和DPL(低 8位字节)，分别占据83H和82H两个地址。
5.定时控制部件与时序
功能：在规定的时刻发出各种操作所需的全
部内部和外部的控制信号，协调各功能元件工作， 完成指令所规定的功能。 主要任务：产生一个工作时序，其工作需要
第一章 MCS-51单片机的基本结构 及工作原理

本章要点： 1） MCS-51单片机的基本结构：CPU（运算器和控制器以
及定时控制部件和时序）、输入／输出端口结构及负载能力 和接口要求 、MCS-5l引脚及功能 。
2） MCS-51的存储器结构 ：程序存储器、数据存储器的分
布和使用。 3）专用功能寄存器SFR ：重点掌握程序状态寄存器的使用。
128 128/ 256
2 2/3
15 32
1 1
5 5/6
一、MCS-51内部结构
外部时钟
时钟电路
计数器/定时器 2/3 ROM4/8KB RAM128/256
8051 CPU 控制逻辑 可编程 并行口 并行口 可编程全 双工串行口 串行通信
8051的功能部件图
二 CPU
主要功能：产生各种控制信号，去控制存储器、输入／输出 端口的数据传送、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处 理等。 (一)运算器 组成：运算器由算逻运算部件ALU、累加器Acc、暂存器、程 序状态字寄存器PSW、BCD码运算调整电路等组成 。实现+、–、 ×、÷算术运算，与、或、非、异或 逻辑运算、循环移位、位 处理。
一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令 的地址。它具有自动加1的功能。 特点：
▼它是16位的按机器周期自动增1计数器 ▼总指向下一条指令所在首地址(当前PC值)
▼一切分支/跳转/调用/中断/复位 等操作的本质就 是:改变 PC 值
2．指令寄存器IR 一个 8 位的寄存器，用于暂存待执行的指令，等 待译码。 3．指令译码器 ID 对指令寄存器中的指令进行译码，分析它的功能 ，并根据功能产生相应的电信号。