51单片机的硬件结构
单片机第二章MCS-51系列单片机硬件结构
3. P1口（P1.0~P1.7，1脚~8脚）
P1口仅用作I/O使用，它也是自带上拉电阻的8 位准双向I/O接口，每一位可驱动4个LSTTL负载。 当P1口作为输入接口时，应先向口锁存器写“1”。 4. P3口（P3.0~P3.7，10脚~17脚）
除了和P1口的功能一样外， P3口的每一引脚还具有第二功能。
第二章 单片机的硬件结构
2.1 MCS-51单片机的总体结构
2.2 微处理器 2.3 MCS-51存储器 2.4 MCS-51基本电路及引脚电路 2.5 实例演练
2.1MCS-51单片机的总体结构
一，8031芯片实照
二，MCS-51单片机外形是一个40脚的双列直插式集成块：
P10 P1.1 P12 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 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 23 22 21 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
ALE地址锁存使能信号输出端。存取 片外存储器时，用于锁存低8位地址。 PROG是对于EPROM型单片机，在 EPROM编程期间，此引脚用于输入编 程脉冲。
ALE/ PROG (30脚)
控制 引脚
2 51系列单片机硬件结构和功能
30H 2FH 20H 1FH
用户RAM区 位寻址区 第3寄存器组(RB3) 第2寄存器组(RB2) 第1寄存器组(RB1) 第0寄存器组(RB0) RS1=1 RS0=1 RS1=1 RS0=0 RS1=0 RS0=1 RS1=0 RS0=0
00H
存贮器的组织结构及功能
2.2.2 内部数据存贮器 1、低128字节的RAM块（00H～7FH） ①工作寄存器区：00H～1FH
寄存器和RAM地址映照表 0区 地址 寄存器 00H R0 01H R1 1区 地址 寄存器 08H R0 09H R1 2区 地址 寄存器 10H R0 11H R1 3区 地址 寄存器 18H R0 19H R1
02H
03H 04H 05H 06H 07H
R2
R3 R4 R5 R6 R7
0AH
0BH 0CH 0DH 0EH 0FH
D1 79H 71H 69H 61H 59H 51H 49H 41H 39H 31H 29H 21H 19H 11H 09H 01H
D0 78H 70H 68H 60H 58H 50H 48H 40H 38H 30H 28H 20H 18H 10H 08H 00H
存贮器的组织结构及功能
2.2.2 内部数据存贮器
2.2.1 程序存贮器
0FFFFH
0FFFFH
片 外 ROM
片 外 ROM
PC值 >0FFFH 0FFFH 片 内 ROM 4K （ /EA=1） 0000H
1000H 0FFFH 片 外 ROM （ /EA=0） 0000H /PSEN
PC值 >1FFFH 1FFFH 片 内 ROM 8K （ /EA=1） 0000H
CPU当前使用的工作寄存器区是由程序状态字 PSW的第3位（RS0）和第4位（RS1）指示的 PSW.4 PSW.3 当前使用的工作寄存器区 R0~R7 （RS1） （RS0） 0 0 0区（00H~07H） 0 1 1区（08H~0FH） 1 0 2区（10H~17H） 1 1 3区（18H~1FH）
C51单片机的硬件结构
输入/输出(I/O)接口
通用I/O端口
用于连接外部设备和输入/输出 信号。
定时器/计数器
用于产生定时信号和控制外部 事件。
A/D转换器
用于模拟信号转换为数字信号 。
D/A转换器
用于数字信号转换为模拟信号 。
时钟电路
时钟源
提供单片机工作所需的时钟信号。
振荡器
产生原始时钟信号。
定时器
用于产生各种定时/计数功能。
计数等功能。
定时器/计数器通常由一个或多 个计数器组成，可以配置为定时 模式或计数模式，以实现不同的
应用需求。
串行通信接口
串行通信接口是C51单片机中 用于与其他设备进行通信的硬 件设备。
它支持异步和同步两种通信方 式，可以与其他单片机、计算 机或其他设备进行数据传输。
串行通信接口通常包括一个发 送器和接收器，可以配置为不 同的波特率和数据格式，以满 足不同的通信需求。
04
C51单片机的硬件编程与开发
C51单片机的编程语言
C语言
C51单片机主要使用C语言进行编程， 因为C语言具有高效、易读、易维护 的特点，并且能够直接操作硬件。
汇编语言
在一些特殊情况下，如优化性能或访 问特定硬件功能时，以使用汇编语 言进行编程。
C51单片机的开发环境
Keil uVision
THANK YOU
存储容量
C51单片机内部集成了较大容量的Flash存储器，可存储更多的程序 代码和数据，同时支持外部扩展，满足大容量存储需求。
功耗
C51单片机采用低功耗设计，在保证性能的同时降低功耗，延长了产 品的使用寿命。
与其他微控制器的功能比较
定时器/计数器
C51单片机内置多个定时器/计数 器，支持定时/计数功能，适用于 各种时间控制和事件计数应用。
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。
51单片机自学笔记(基础部分)
一、51单片机的硬件结构1. 硬件结构框图说明：○1微处理器(CPU)：51单片机含一个8位CPU，与通用的CPU功能基本相同，含运算器和控制器，不仅可以字节处理，还可以位处理。
例如：未处理、查表、状态检测、中断处理等。
○2数据存储器(RAM)：51为128B，52为256B；片外最大可扩展到64K。
○3程序存储器(ROM/EPROM)：8031没有，8051有4K的ROM，8751有4K的EPROM；片外可扩展至64K。
○4中断系统：5个中断源，2级优先权。
○5定时器/计数器：2个16位定时/计数器，四种工作方式。
○6串行口：1个全双工串行口，四种工作方式。
可进行串口通信，扩展并行I/O口，多机通信等。
○7P1、P2、P3、P0口：四个8位并行I/O口。
○8特殊功能寄存器(SFR):共21个，对片内部件进行管理、控制、监视；实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
2. 引脚排列(1)电源及时钟引脚○1电源引脚：Vcc(40脚)解5V电源、Vss(20脚)接地。
○2时钟引脚：两个始终引脚XTAL1、XTAL2外接晶振，或接晶体与片内反相放大器构成振荡器。
XTAL1(19脚)：内部反相放大器的输入端。
若接晶振则应接地；XTAL2(18脚)：内部反相放大器的输出端。
若采用外部时钟振荡器，该引脚接收时钟振荡信号。
(2)控制引脚○1RST/Vpd(9脚)：复位信号输入，高电平有效。
单片机运行时，此脚持续2个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平，就可复位。
平时应为0.5V低电平；Vpd为第二功能，备用电源输入端。
○2:ALE为地址锁存允许，正常工作时，ALE不断输出正脉冲信号。
当访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳变沿用作低8位地址的锁存信号；PROG’为编程脉冲输入端。
○3PSEN’(Program Strobe Enable,29脚)：程序存储器允许输出控制端。
低电平是外部程序存储器选通。
第2章 MCS-51单片机的内部结构
当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”， 个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“ I/O口作输入口使用时 P3.5 T1 计数器1外部输入 计数器 外部输入 P3.6 WR 外部数据存储器 另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。 I/O口无高阻的 另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。
2.4.2 内部数据存储器 共128个字节， 128个字节， 128个字节 字节地址为00H 7FH。 00H～ 字节地址为00H～7FH 00H～1FH：32个单 00H～1FH：32个单 元，是4组通用工作 寄存器区 20H～2FH：16个单 20H～2FH：16个单 可进行128 128位的 元，可进行128位的 位寻址 30H FH： 用户RAM 30H ～ 7FH ： 用户 RAM 区 ， 只能进行字节寻 址 ， 用作数据缓冲区 以及堆栈区。 以及堆栈区。
I/O口引脚 2.2.3 I/O口引脚 P0口 双向8位三态I/O I/O口 地址总线（ (1) P0口：双向8位三态I/O口，地址总线（低8位）及 数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。 数据总线分时复用口，可驱动8 LS型TTL负载。 负载 P1口 准双向I/O I/O口 可驱动4 LS型TTL负载 负载。 (2) P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。 转义引 引脚 与地址总线 （ 高 8 位 ） 复 功能说明 准双向I/O I/O口 (3) P2口：8位 准双向I/O 口， 与地址总线（ 脚 可驱动4 LS型TTL负载 负载。 用，可驱动4个LS型TTL负载。RXD 串行数据接收端 P3.0 准双向I/O I/O口 双功能复用口，可驱动4 (4) P3口：8位 准双向I/O 口， 双功能复用口 ，可驱动 4 P3.1 TXD 串行数据发送端 P3.2 INT0 外部中断0请求 外部中断 请求 LS型TTL负载 负载。 个LS型TTL负载。 注意:准双向口与双向三态口的差别。 注意:准双向口与双向三态口的差别。
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。
简述51系列单片机的内部组成结构
简述51系列单片机的内部组成结构51系列单片机是一种非常常见的单片机产品，被广泛应用于各种电子设备中。
它具有强大的功能和灵活的可编程性，能够满足不同应用场景的需求。
那么，究竟51系列单片机的内部是如何组成的呢？我们来了解一下51系列单片机的基本结构。
51系列单片机由中央处理器、存储器、输入输出端口、定时器、中断系统等多个部分组成。
其中，中央处理器是51系列单片机的核心部件，负责执行指令和进行数据处理。
存储器用于存储程序代码和数据，包括ROM、RAM 和特殊功能寄存器等。
输入输出端口用于与外部设备进行数据交互，可以实现数据输入、输出和控制功能。
定时器可以生成指定时间间隔的定时信号，用于定时操作和计时功能。
中断系统可以在特定条件下中断正常的程序执行，执行相应的中断服务程序。
接下来，我们详细介绍一下51系列单片机的内部组成结构。
首先是中央处理器部分，它由一个8位的CPU核心组成，具有丰富的指令集和寄存器。
这些指令可以执行各种算术和逻辑操作，以及数据传输、位操作等功能。
CPU核心还包括时钟发生器和系统控制逻辑，用于产生时钟信号和控制系统的运行。
其次是存储器部分，51系列单片机的存储器主要包括ROM和RAM。
ROM是只读存储器，用于存储程序代码和常量数据。
RAM是随机存储器，用于存储变量和临时数据。
此外，51系列单片机还具有一些特殊功能寄存器，用于存储各种控制和状态信息。
再次是输入输出端口部分，51系列单片机有多个I/O口，用于与外部设备进行数据交互。
每个I/O口都有一个特定的地址和控制寄存器，可以设置输入输出方向和电平状态。
通过读写这些寄存器，可以实现数据输入、输出和控制功能。
51系列单片机还具有定时器部分，用于生成精确的定时信号。
定时器可以根据设定的参数生成不同频率和周期的定时信号，用于各种定时操作和计时功能。
此外，定时器还可以用于产生脉冲信号、PWM 信号等。
最后是中断系统部分，51系列单片机具有多个中断源和中断向量。
第2章MCS-51系列单片机的基本硬件结构
1000H 0FFFH
片外程序存储器 最大64K） （最大 ）
0000H
1. 需要注意几点： 需要注意几点：
程序存储器是用来存放编好的程序、 程序存储器是用来存放编好的程序、常数 和表格的。 和表格的。 当引脚EA=1时，系统使用片内的4KROM 时 系统使用片内的 当引脚 来存储程序。 来存储程序。EA=0时，系统使用片外的 时 ROM。 。 无论是使用片内还是使用片外的ROM（既 （ 无论是使用片内还是使用片外的 EA=1或EA=0），其起始地址都是从 ），其 或 ）， 起始地址都是从 0000H单元开始。 单元开始。 单元开始
控制器
运算器
时钟电路
4KROM 程序存储器
256BRAM 数据存储器
2X16位 位 定时/计数器 定时 计数器
CPU 处理器
64KB总线 总线 扩展控制器
可编程I/O 可编程 端口P0-3 端口
可编程 串行口
2.1.2 MCS-51单片机的引脚定义 单片机的引脚定义
1. MCS-51单片机有两种封装形式： MCS-51单片机有两种封装形式： 单片机有两种封装形式
P3.2 INT0 P3.3 INT1
2.2 MCS-51单片机的存储器的配置 单片机的存储器的配置
2.2.0 MCS-51单片机存储器的 MCS-51单片机 单片机存储器的 配置特点 2.2.1 程序存储器(片内与片外) 程序存储器 片内与片外) 存储器( 2.2.2 内部数据存储器RAM 内部数据存储器 存储器RAM 2.2.3 外部数据存储器
RST/Vpd（9脚）： （ 脚 在系统上电震荡器开始工作时， 在系统上电震荡器开始工作时， 在内部加 在此引脚上有一个两个时钟周期的高电平 两个时钟周期的高电平使单 在此引脚上有一个两个时钟周期的高电平使单 片机复位。但为了使系统复位可靠，建议外加 片机复位。但为了使系统复位可靠， 一个上电复位电路，延长复位的时间。 一个上电复位电路，延长复位的时间。当单片 机掉点时， 机掉点时，此引脚可以接入备用电源向单片机 内部的RAM供电，以防止 供电， 中的数据丢失。 内部的 供电 以防止RAM中的数据丢失。 中的数据丢失 注意：在复位状态下：所有SFR的内容全 注意：在复位状态下：所有 的内容全 变为“ ，端口输出“ 。 内容不变。 变为“0”，端口输出“1”。RAM内容不变。 内容不变
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
51单片机的基本结构及其主要组成部分
51单片机的基本结构及其主要组成部分51单片机是一种非常常见的嵌入式微控制器芯片，其被广泛应用于各种电子设备中。
其基本结构及其主要组成部分既是设计开发嵌入式系统的基础，也是学习51单片机的关键。
一、51单片机基本结构51单片机的基本结构主要包括存储器、CPU、输入输出接口以及时钟电路四个部分。
1. 存储器存储器是51单片机系统的一个重要组成部分。
其中包括的存储器主要有ROM、RAM和EEPROM，ROM用来存储程序代码，RAM用来存储变量和中间结果，EEPROM则可实现数据的存储。
2. CPUCPU是整个51单片机系统的核心部分，其主要功能是执行指令，负责程序的控制和各种数据的处理。
在51单片机中，CPU主要通过时钟信号不断地获取并执行程序指令。
3. 输入输出接口输入输出接口是将51单片机与外界连接的一个重要部分，也是实现嵌入式系统功能的关键。
其中包括并口、串口、SPI接口、I2C接口等等，用于处理外设的输入和输出信号。
4. 时钟电路51单片机的时钟电路用来提供时钟信号给CPU，并且用于控制各种外围设备和CPU执行指令的同步。
二、51单片机主要组成部分1. 程序存储器程序存储器是指ROM，其存储了单片机的程序代码。
在51单片机中，程序存储器可以分为两种类型：OTP（一次可编程）ROM和Flash ROM （可被反复擦写）。
在OTP ROM中，编程后的程序无法修改，而Flash ROM则可被反复擦写。
2. 数据存储器数据存储器是指RAM和EEPROM，用来存储程序中的变量和中间结果。
其中RAM用来存储临时数据，EEPROM则用于数据的存储，这些数据在掉电情况下也不会丢失。
3. 中央处理器中央处理器（CPU）是单片机最核心的部分，它负责执行程序中的指令并且控制其它硬件设备的工作。
4. 输入输出接口输入输出接口是将单片机与外部设备相互连接的途径。
在这些接口中，包括并口、串口、SPI、I2C等。
这些接口是为特定的设备开发的，包括LCD显示器、键盘及调制解调器等。
51单片机的结构
51单片机的结构51单片机是一种广泛应用于嵌入式系统中的微控制器，其结构十分复杂而精致。
在实际的嵌入式系统设计中，了解对于程序员和硬件工程师来说至关重要。
首先，51单片机的结构主要由CPU、存储器、I/O口、定时器/计数器和串行通信接口等几个主要部分组成。
其中，CPU是整个单片机的核心部分，负责执行各种指令和控制整个系统的运行。
51单片机采用的是哈佛结构，即指令存储器与数据存储器分开，这样可以提高指令的执行效率。
其次，51单片机的存储器方面包括ROM和RAM两部分。
ROM主要用来存储程序代码和常量数据，而RAM则用来存储运行时产生的数据和临时变量。
在实际应用中，程序员需要合理地利用ROM和RAM的空间，以保证程序的运行效率和稳定性。
此外，51单片机还具有丰富的I/O口资源，可以用来连接各种外部设备和传感器。
通过I/O口，单片机可以与外部世界进行数据交换和通信，从而实现各种功能。
在实际的嵌入式系统设计中，工程师需要根据具体的需求选择合适的I/O口配置，以实现系统的功能。
定时器/计数器是51单片机中的重要模块之一，用来产生各种定时和计数功能。
通过定时器/计数器，单片机可以实现精确的时间控制和周期性任务处理，例如PWM波形产生、脉冲计数等。
工程师可以根据具体的需求配置定时器/计数器的参数，以满足系统的要求。
最后，51单片机还包含串行通信接口，可以用来与外部设备进行数据传输和通信。
通过串行通信接口，单片机可以与PC机、传感器等设备进行数据交换，从而实现系统的功能。
在实际应用中，工程师需要根据通信协议选择合适的串行通信接口，并合理地设计通信协议，以保证数据的可靠传输。
让我们总结一下本文的重点，我们可以发现，51单片机的结构复杂而精致，包含了CPU、存储器、I/O口、定时器/计数器和串行通信接口等多个部分。
了解51单片机的结构对于嵌入式系统设计和开发至关重要，只有深入理解其结构和原理，才能更好地应用在实际项目中，实现系统的稳定运行和功能实现。
MCS51单片机的硬件结构
S3 S4 S5 S6 S1
例：MOV A,#09H
3、指令周期 是执行一条指令所需时间. 指令分为：单字节、双字节、三字节指令. 执行一条指令的时间：简单的1个机器周期,复杂的需2个或多
个机器周期.〔单、双字节指令为单机器周期；三字节都是双机器 周期；乘、除为4个机器周期〕
4、指令时序 执行指令,分为取指阶段和执行指令阶段.
2拍P1、P2,一个时钟周期时钟脉冲可表示为：S1P1,…S6P2〕 〔fosc=6MHz时,Tcy=2μs； fosc=12MHz时,Tcy=1μs 〕
一个机器周期
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6
P1 P2
P1 P2
ALE
读操作码 S1 S2
读下一个操作码（丢弃 ） 单字节单周期指令
*输出电路有上拉电阻〔输出不是三态的,为准双向口〕,在输入数据时, 应先向其锁存器写入1,使输出驱动电路的FET截止.
P2口的位结构电路原理图
四、P3端口 字节地址B0H,位地址B0H~B7H. 作用：通用I/O口；第二功能口.
P3口的位结构电路原理图
2.6 时钟电路与时序
时钟电路→产生时钟控制信号→ 控制单片机严格地按照时序执 行指令.
一、P0端口 字节地址80H,位地址80H~87H. 结构：锁存器,输出驱动电路,输入缓冲器 工作过程： *地址/数据线；
*通用I/O口〔输入时,应先向锁存器写入1；输入分有读引脚、读端口； 输出时须外接上拉电阻〕；
读锁存器
地址/数据 控制 &
内部总线 写入
D锁存器Q CP Q
MUX
VCC P0.x
时序：单片机内的各种操作都是在一系列脉冲〔控制信号〕 控制下进行的,而各个脉冲〔控制信号〕在时间上是有先后顺序的, 这种顺序就称为时序.
MCS-51系列单片机的硬件结构
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பைடு நூலகம்
四、定时器计数器： 定时器计数器： 8031有两个 位的定时器计数器。 有两个16位的定时器计数器 有两个 位的定时器计数器。 五、串行口 8031有一个全双工的串行口。 有一个全双工的串行口。 有一个全双工的串行口 六、中断系统 8031有5个中断源。 有 个中断源 个中断源。 接口， 、 、 、 它们是 七、有四个输入输出(I/O)接口，P0、P1、P2、P3它们是 有四个输入输出 接口 构成计算机系统与外部接口的部件。 构成计算机系统与外部接口的部件。 七部份后面都有章节专门介绍。 四~七部份后面都有章节专门介绍。 七部份后面都有章节专门介绍
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二、控制器： 控制器： 1.定时控制逻辑： 定时控制逻辑： 定时控制逻辑 （1）时钟 XTAL1 、XTAL2：时钟电路产生计算机工作的统一 ） ： 节拍，计算机的每一步动作都由这个节拍控制。 节拍，计算机的每一步动作都由这个节拍控制。时钟电路的构成见 书上P11页所示。 页所示。 书上 页所示 （2）复位信号 ）复位信号RESET：当RESET引脚保持两个机器周期以上 ： 引脚保持两个机器周期以上 高电平时，单片机内部复位，此时各部份电路均为一个固定的初始 高电平时，单片机内部复位， 状态。复位电路的构成见P29页。复位后各寄存器的初始状态见书 状态。复位电路的构成见 页 上表2-3。 上表 。 （3）地址锁存信号 ALE： ） ： （4）外部存储器选通信号 PSEN： ） ： (5) 内外存储器选择线 EA： ： （6）电源 +5V VCC、接地端 VSS ） 、
(3)30H~7FH字节地址，共80字节，只能字节寻址。 字节地址， 字节， 字节地址 字节 只能字节寻址。 3.片内特殊功能寄存器 片内特殊功能寄存器(SFR) 片内特殊功能寄存器 8031单片机片内 单片机片内SFR共有 个，它们离散地分布在字节地址为 共有21个 单片机片内 共有 80H~FFH之间，见P17页表。每个 之间， 页表。 都有其特殊的用途， 之间 页表 每个SFR都有其特殊的用途，将在后 都有其特殊的用途 续章节中陆续讲到。注意： 续章节中陆续讲到。注意： 之间地址范围有128字节 字节， 只有21个 ★80H~FFH之间地址范围有 字节，而SFR只有 个，其中许 之间地址范围有 只有 空地址无定义，不可操作。 多 空地址无定义，不可操作。 ★SFR中可位寻址的是字节地址可被 除尽的，即地址末位为 或 中可位寻址的是字节地址可被8除尽的 中可位寻址的是字节地址可被 除尽的，即地址末位为0或 8的那些 的那些SFR。 的那些 。 操作时指令中出现的常不是它们的地址而是它们的名字， ★对SFR操作时指令中出现的常不是它们的地址而是它们的名字， 操作时指令中出现的常不是它们的地址而是它们的名字 例如MOV A ,#01H，其中的 就是 就是SFR的名字，其地址是 的名字， 例如 ，其中的A就是 的名字 其地址是E0H。 。 4.片外数据存储器 片外 片外数据存储器(片外 片外数据存储器 片外RAM)： ： 8031片外数据存储器可扩充 片外数据存储器可扩充64K字节，地址范围是 字节， 片外数据存储器可扩充 字节 地址范围是0000H~FFFFH。 。 见存储器总体结构映象图： 见存储器总体结构映象图：
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
51单片机专业名词解释
51单片机专业名词解释51单片机是指一种常用的单片机型号，其指令集和硬件结构由Intel 公司于20世纪80年代初设计。
由于其在市场上占有率高、功能强大且易于编程的特点，成为了嵌入式开发中最常用的单片机之一。
1. 单片机（Microcontroller）单片机是一种集成电路芯片，具备存储器、处理器和输入输出设备等主要功能。
它的设计目的是为了在特定的应用领域中实现控制、计算和通讯等任务，常见的有8位、16位和32位的单片机。
2. 硬件结构（Hardware Architecture）单片机的硬件结构包括中央处理器（CPU），存储器（存储程序和数据），输入输出端口（与外部设备连接的接口）和时钟电路等组成。
其中，CPU负责处理各种指令，存储器用于存储程序和数据，输入输出端口用于连接外部设备，时钟电路则提供处理器的时序信号。
3. 指令集（Instruction Set）指令集是一组机器指令的集合，用于控制和操作单片机的各种功能。
51单片机的指令集包括基本的算术、逻辑运算，以及控制程序的跳转、分支和循环等指令。
通过编写相应的指令序列，可以实现各种不同的功能需求。
4. 编程工具（Programming Tools）编程工具是用于开发和调试单片机程序的软件工具。
常见的编程工具包括集成开发环境（IDE）、编译器、调试器、仿真器等。
通过这些工具，开发人员可以编写、调试和烧录程序到单片机中，并进行功能验证和性能优化。
5. 输入输出（Input/Output）输入输出是单片机与外部世界通信的方式，通过输入输出端口与外部设备连接。
输入可以接收外部传感器或其他信号的输入，而输出则可以控制外部执行器或显示设备。
例如，通过输入输出接口可以控制LED灯的亮灭、LCD显示屏的显示内容等。
6. 中断（Interrupt）中断是一种特殊的程序执行方式，在单片机处理过程中，当发生特定事件时，中断会打断正常的程序执行，转而执行事先定义好的中断子程序。
详解51单片机基本硬件结构
详解51单片机基本硬件结构51单片机是一种非常常见的单片机，其基本硬件结构包括中央处理器、存储器、输入/输出端口、定时器/计数器和串行通信接口等几个主要部分。
首先是中央处理器，它是整个单片机的核心部分，负责控制和执行指令。
51单片机采用的是基于哈佛结构的架构，具有8位宽的数据总线和16位宽的地址总线。
它包括一个累加器和一组通用寄存器，用于存储临时数据和运算结果。
中央处理器还包括指令寄存器和程序计数器，用于存储当前执行的指令和指向下一条指令的地址。
其次是存储器部分，51单片机包括程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储程序的指令，通常是只读存储器，常见的是闪存。
数据存储器则用于存储程序执行过程中的数据，可以是随机存取存储器（RAM）或者只读存储器（ROM）。
接下来是输入/输出端口，它是单片机与外部设备进行数据交换的接口。
51单片机通常有多个输入/输出端口，每个端口包含8个引脚，可以通过编程控制这些引脚的电平状态。
输入/输出端口可以连接各种外设，如按键、LED灯和液晶显示屏等。
定时器/计数器是51单片机中非常重要的功能模块之一。
它可以用来生成精确的时间延迟和周期性的定时信号。
定时器/计数器可以由中央处理器编程控制，通常用于实现各种定时、计数和脉冲宽度调制等功能。
最后是串行通信接口，它是51单片机与外部设备进行串行数据传输的接口。
常见的串行通信接口有UART（通用异步收发器）和SPI （串行外设接口），它们可以实现单片机与计算机、传感器、显示器等设备之间的数据通信。
除了以上几个主要部分之外，51单片机还包括一些辅助功能模块，如时钟电路、复位电路和电源管理电路等。
时钟电路用于提供单片机的时钟信号，控制指令的执行速度。
复位电路用于将单片机恢复到初始状态，以便重新启动程序。
电源管理电路则用于提供稳定的电源电压，保证单片机正常工作。
51单片机的基本硬件结构包括中央处理器、存储器、输入/输出端口、定时器/计数器和串行通信接口等几个主要部分。
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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资源的简单说明
3．中断系统：具有5个中断源，分为2个中 断优先级。 4．定时器/计数器：2个16位定时器/计数器， 具有四种工作方式。 5．串行口：1个全双工的串行口，具有四种 工作方式。 6．P0~P3口：为4个并行8位I/O口。
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资源的简单说明
7．特殊功能寄存器（SFR）：共有21个， 用于对片内各功能模块进行管理、控制、 监视。实际上是一些控制寄存器和状态 寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。 8．微处理器（CPU）：为8位的CPU，且 内含一个1位的位处理器，不仅可处理字 节数据，还可以进行位变量的处理。
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SFR
• 数据指针DPTR
数据指针DPTR是一个16位的SFR，其高位 字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用 DPL表示。DPTR即可以作为一个16位寄存器 来用，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH 和DPL来用。
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SFR
• 端口P0~P3
特殊功能寄存器P0～P3分别为I/O端口 P0~P3的锁存器。即每一个8位I/O口都为RAM 的一个单元（8位）。 在MCS51中，I/O口和RAM统一编址，所 有访问RAM的指令，都可用来访问I/O口。对 于片外数据存储器和扩展的I/O口，也是统一编 址的。
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51的中央处理器（CPU）
• 运算部件：运算部件包括算术逻辑部件ALU、 位处理器、累加器A、寄存器B、暂存器以及 程序状态字PSW寄存器等。该模块的功能是实 现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据 传送等操作。 • 控制部件：控制部件是单片机的神经中枢，以 主振频率为基准（每个主振周期称为振荡周 期），控制器控制CPU的时序，对指令进行译 码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环 节组织在一起。
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引脚功能分类
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1 电源及时钟引脚
• 电源引脚： Vcc（40）+5V、 Vss（20）GND • 时钟引脚： XTAL1、XTAL2. 采用片内振荡器时，这两个引脚接 晶振；采用外部振荡器时， XTAL1接地， XTAL2接外部振荡器的输出端。
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2 控制引脚
• RST／VPD（9脚）：当振荡器启振后， 在此引脚加上两个机器周期以上的高电 平将使单片机复位。在单片机正常工作 时，此脚应为<0.5V低电平。 另外，此引脚可接上备用电源，系统掉 电时向内部RAM供电，使其保持数据。 什么是机器周期？
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程序状态寄存器：PSW
• PSW.1是保留位，未用。 • Cy（PSW.7）进位标志位，在执行算术和逻辑指令时，可 以被硬件或软件置位或清除，在位处理器中，它是位累加 器。 • Ac（PSW.6）辅助进位标志位。 • F0（PSW.5）标志位，它是由用户使用的一个状态标志位。 • RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器区选择控制位 • OV（PSW.2）：溢出标志位。 • P（PSW.0）奇偶标志位。每个指令周期都由硬件来置位 或清除，以表示累加器A中值为1的位数的奇偶数。
• 程序状态字寄存器PSW
PSW是一个8位寄存器，它包含了程序状态信息。
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SFR
• 栈指针SP
栈指针SP是一个8位专用寄存器，它指示出堆栈顶部在 内部RAM块中的位置，51单片机栈向上生成，且后入先出。 系统复位后，SP初始化为07H，使得堆栈事实上由08H单元 开始，考虑到08H～1FH单元分别属于工作寄存器区1～3， 若在程序设计中要用到这些区，则最好把SP值改置为1FH 或更大的值。例如SP＝60H，CPU执行一条A累加器进栈指 令， push a; 执行后寄存器状态： (61H)=A，（sp）＝61H。
• 时序图
每2个振荡周期作为1个状态周期，每个状态周期分 为2个时相P1、P2，每6个状态周期作为1个机器周期。
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51的存储器结构
• • • • • 程序存储器 内部数据存储器 特殊功能寄存器（SFR） 位地址空间 外部数据存储器
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存储器简单介绍
• 程序存储器 用来存放程序的存储器，存储器中 存放的实际上是由用户程序形成的二进 制码（机器码），该存储器必须具有非 易失性。外部可扩展64k字节。
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运算部件：PSW
• 工作寄存器的选择： RS1 RS0 软件写入 0 0 区0（选择内部RAM寄存器地址00H～07H） 0 1 区1（选择内部RAM寄存器地址08H~0FH） 1 0 区2（选择内部RAM寄存器地址10H～17H） 1 1 区3（选择内部RAM寄存器地址18H～1FH）
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控制部件
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内部数据存储器
• MCS51内部数据存储器（RAM）共有128个字 节，地址00H~7FH。51对内部数据存储器有丰 富的操作指令。
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特殊功能寄存器（SFR）
• SFR共21个，存在于单片机中的一部分RAM单元中， 地址范围80H~FFH，呈离散分布。
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特殊功能寄存器（SFR）
• SFR简介
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SFR
• 串行数据缓冲器SBUF
串行数据缓冲器SBUF用于存放欲发或已接收的 数据，它在SFR块中只有一个字节地址，但是物理上 由两个独立的寄存器组成，一个发送一个接收。
• 定时器/计数器
51单片机有2个16位定时/计数器T0、T1，他们各 由两个独立的8位寄存器组成，分别是TH0、TL0； TH1，TL1。不能把T0、T1作为16位寄存器操作。
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3 I/O口引脚
• P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址 总线（低8位）及数据总线分时复用口可 带8个LSTTL负载。 • P1口：8位准双向I/O口，可带4个LSTTL 负载。 • P2口：8位准双向I/O口，与地址总线 （高8位）复用，可带4个LSTTL负载。 • P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口。
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P3口的第二功能
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I/O口的内部结构
• 每一位引脚由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。
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MCS51存储器结构的特点
• • • • • 地址重叠性
程序存储器与数据存储器操作指令不同
位地址空间共有两个区域 堆栈区可自由设定 片外数据存储器与I/O口统一编址
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MCS51存储器结构示意
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I/O端口
• 简介
MCS51单片机具有4个双向8位I/O口，每个口都有 一个锁存器。 P0口是三态双向口，作为数据和低8位地址的分时 复用口，由ALE信号作为地址锁存。 P1口准双向口，供用户使用。 P2口准双向口，作为高8位地址使用，当扩展的外 部存储器小于64k时，即有未用到的P2口线，可作为一 般I/O口使用。 P3口准双向口，即可作为一般I/O口使用，也可作 为第二功能口使用。
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位地址空间
• MCS51中共有可 寻址的位211个， 构成了8051的位地 址空间。在RAM 区，有可寻址128 位，其位地址为 00~7FH。可位寻 址RAM的字节地 址为20H~2FH。
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位地址空间
• 可位寻址的SFR。 共83位
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外部数据存储器
• 当内部RAM不够使用时，可以外扩数据 存储器，最多64k。
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程序存储器
• 程序存储器中存放程序和表格，最多外 扩64k。由程序计数器（PC）控制程序的 执行，PC中存放的是将要执行的下一条 指令的地址，是由单片机内部硬件自动 生成的，且自动加一。复位后PC值为 0000H，因而程序总是从程序存储器的 0000H处开始执行。
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程序存储器
• 一些指令会影响到PC的连续性，例如跳转类，中断响 应等。 • 例如中断，单片机响应不同的中断后，PC被硬件赋予 不同的值。称为单片机的中断入口地址： 外部中断0（INT0） 0003H 定 时 器0（T0） 000BH 外部中断1（INT1） 0013H 定 时 器1（T1） 001BH 串 行 口 0023H 由于程序存储器的起始部分具有特殊意义，在编 制程序时主程序中最好有跳转指令，在中断程序中也 要有跳转指令。
MCS-51 单 片 机 原 理 及 设 计
第2讲：MCS-51的硬件结构
电气工程系 赵志衡 TEL:86413623 E-mail:zhzhhe@
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MCS-51程主要内容
（1）51的资源 （2）51的外观及引脚简介 （3）51的CPU （4）51的存储器结构 （5）51的I/O端口 （6）复位电路 （7）时钟电路
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存储器简单介绍
• 内部数据存储器 MCS51单片机内部有128个字节的随 机存取存储器RAM，作为用户的数据寄 存器、它能满足大多数控制型应用场合 的需要，用作处理问题的数据缓冲器。 52系列具有256字节的内部RAM。
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存储器简单介绍
• 特殊功能寄存器（SFR） 特殊功能寄存器反映了MCS51的状态，实 际上是MCS51的状态字及控制字寄存器。51单 片机通过写SFR来控制相应功能部件（定时器、 串口、中断等）的工作方式，同时SFR也综合 的、实际的反映了整个单片机基本系统内部的 工作状态。例如，前面提到的PSW程序状态字 寄存器，就是一个特殊功能寄存器。
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存储器简单介绍
• 位地址空间 MCS51单片机内部具有211个可寻址 的位，他们存在于内部RAM（128个）、 和SFR（83个）中。用来存放一些位变量。 有相应的位操作指令来控制其读写。
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存储器简单介绍
• 外部数据存储器 当片内的RAM不够用时，MCS51可 在片外扩展64k的数据存储器。
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特殊功能寄存器（SFR）
• 可位寻址的SFR位地址
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SFR
• 累加器A
累加器A是一个最常用的专用的寄存器，大部分单操作数指 令的操作数取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数取自累 加器，加、减、乘、除算术运算指令的运算结果都存放在累加器 A或B寄存器中。