单片机原理与应用第二章-MCS51单片机体系结构-8031系统结构
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MCS-51单片机中有两个16位的定时器/计数器T0和T1，它 们由4个8位寄存器（TL0, TH0, TL1和TH1）组成，2个16位定时 器/计数器是完全独立的。可以单独对这4个寄存器进行寻址，但 不能把T0和T1当做16位寄存器来使用。
（10）串行数据缓冲器（SBUF）
串行数据缓冲器SBUF用于存放需要发送和接收的数据，它 由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要发 送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器SBUF进行的。
1051(1K)/2051(2K)/4051(4K) 128 （20条引脚DIP封装）
2
15
1
5
89C系列
(常用型)
89C51(4K)/89C52(8K) （40条引脚DIP封装）
128/ 256
2/3
32
1 5/6
8051的存储器结构
1.特点：8051的存储器结构与常见的微型计算机的配置方式不 同，它把程序存储器和数据存储器分开，有各自的寻址系 统、控制信号和功能。
0FFFH 4KB ROM
EA 1
0000H
1000H 0FFFH
EA 0
0000H
0000H
片内存储器
片外扩展存储器
三个逻辑空间：
片内外统一寻址的64KB程序存储器空间，地址范围为0000H～ FFFFH。
64KB的片外数据存储器空间，地址范围也为0000H～FFFFH。
256B的片内数据存储器空间，地址范围为00H～FFH。
（2）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。
（3）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。
（4）工作寄存器 内部RAM的工作寄存器区00H～1FH共32个字节被均匀地分
一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空间为 64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。
片外RAM：
最大范围：0000H～FFFFH， 64KB；用指令MOVX访问。
片内RAM：
最大范围：00H～FFH， 256B；用指令MOV访问。又分 为两部分：低128B（00～7FH） 为真正的RAM区，高128B （80～FFH）为特殊功能寄存器 （SFR）区。如右图所示。
（1）运算器
组成：8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、 8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄 存器PSW（Program Status Word）、8位暂存寄存器TMP1 和TMP2等。
功能：完成算术运算和逻辑运算。
（2）控制器
组成：程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR （Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻辑 和振荡器OSC等电路。
其中C6为D6向D7的进位标志。
分析：1.若将数据当作无符号数进行运算，则CY=1表示 结果大于255。
2.若将数据当作带符号数进行运算，则OV=1表示 溢出，结果出错；OV=0，结果正确。
（6）数据指针DPTR（Data Pointer）
数据指针DPTR是16位的专用寄存器，即可作为16位寄存器 使用，也可作为两个独立的8位寄存器DPH （高8位） 、DPL （低8位）使用。 DPTR主要用作16位间址寄存器，访问程序存 储器和片外数据寄存器。 （7）堆栈指针SP（Stack Pointer）
8031最小应用系统
P0口作为地址/数据总线；P2口 作为地址总线（高8位）
外接程序 存储器
在程序存储器中，以下6个单元具有特殊含义 0000H：单片机复位后的程序入口地址。 0003H：外部中断0的中断服务程序入口地址。 000BH：定时器0的中断服务程序入口地址。 0013H：外部中断1的中断服务程序入口地址。 001BH：定时器1的中断服务程序入口地址。 0023H：串行口的中断服务程序入口地址。
成四个组（区），每个组（区）有8个寄存器，分别用R0～R7表 示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1还经常用于 间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器（PSW） 第3、4位设置工作寄存器区。
（5）程序状态字PSW （Program Status Word） 程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信
中 断 源
Intel 51
子系列
8031 8051 80C31 80C51
百度文库
8751 128 87C51 字节
(4K字节) (4K字节)
2x16
4x8位
1
5
Intel 52
子系列
8032 8052
8752
256
80C32 80C52 87C52 字节
(8K字节) (8K字节)
3x16
4x8位
1
6
ATEML
2.配置：8051的存储器在结构上分为片内数据存储器、片内程 序存储器、片外数据存储器和片外程序存储器4个存储空间。 但从用户使用的角度看，8051的存储器分为3个逻辑空间。
存储空间分布图
FFFFH
64KB ROM
FFFFH 64KB RAM
（I/O）RAM
FFH SFR
80H 7FH RAM 00H
功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中 取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制 逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行 本条指令所需的全部信号。
系列
无
片内存储器（字节） 片内ROM 有ROM 有EPROM
片内 RAM
定时器 计数器
并行 串行 I/O I/O
1.2.1 MCS-51单片机的内部结构
MCS-51单片机的组成： CPU(进行运算、控制)、RAM(数 据存储器)、ROM(程序存储器）、I/O口(串口、并口）、 内部总线和中断系统等。组成框图如下：
1. 中央处理器（CPU）
组成：运算器、控制器。8051的CPU包含以下功能部件： （1）8位CPU。 （2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。 （3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。 （4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。 （5）2个16位可编程定时器/计数器。 （6）32个（4×8位）双向可独立寻址的I/O口。 （7）1个全双工UART（异步串行通信口）。 （8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。 （9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz～12 MHz的时钟频率。 （10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。 （11）111条指令，大部分为单字节指令。 （12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。
5．定时器/计数器
8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器，均为 二进制加1计数器，分别命名为T0和T1。
（1）程序计数器PC（Program Counter）
程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于SFR存储器块。 PC是一个16位的计数器，专门用于存放CPU将要执行的指令 地址（即下一条指令的地址），寻址范围为64KB，PC有自动 加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过 转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。
SP
74H 73H
72H 34H 71H 12H 70H
（8）I/O口专用寄存器（P0, P1, P2, P3）
8051片内有4个8位并行I/O接口P0, P1, P2和P3，在SFR中相 应有4个I/O口寄存器P0, P1, P2和P3。
（9）定时器/计数器（TL0, TH0, TL1和TH1）
注意：上述存储区的划分不是绝对的。
存储器的访问
FFFFH
64KB ROM
FFFFH 64KB RAM
（I/O）RAM
FFH SFR
80H 7FH RAM 00H
0FFFH 4KB ROM
EA 1
0000H
1000H 0FFFH
EA 0
0000H
0000H
MOV指令
片内存储器
MOVC指令 PSEN（-）信号
（11）其他控制寄存器
除上述外，还有IP, IE, TCON, SCON和PCON等几个寄存器， 主要用于中断、定时和串行口的控制，
I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的 必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负 载能力。
8051内部有4个8位并行接口P0, P1, P2, P3，有1个全双 工的可编程串行I/O接口。
息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的， 但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其定义格式 如下页表所示。
其中：Cy：进借位标志；
AC：辅助进借位标志；
F0 ：用户标志； RS1、RS0：工作寄存器组（区）选择（如下表所示）； OV：溢出标志位，两个带符号数运算，若有溢出（结果超 出-128~+127时）置1；
MCS-51的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又 有片内和片外之分。 （1）程序存储器
一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。可寻址 空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。
MCS-51单片机按程序存 储器可分为内部无ROM型 （如8031）和内部有ROM型 （如8051）两种，连接时 EA 引脚有区别。程序存储器结 构如右图所示：
片外扩展存储器
MOVX指令 RD（-） WR（-）
MCS-51有21个特殊功
能寄存器（也称为专用寄 存器），包括算术运算寄 存器、指针寄存器、I/O口 锁存器、定时器/计数器、 串行口、中断、状态、控 制寄存器等，它们被离散 地分布在内部RAM的 80H～FFH地址单元中（不 包括PC） ，共占据了128 个存储单元，构成了SFR存 储块。其字节地址可被8整 除的SFR可位寻址。SFR反 映了MCS-51单片机的运行 状态。特殊功能寄存器分 布如右表所示。
内部RAM的 20H～2FH单元为 位寻址区，既可 作为一般单元用 字节寻址，也可 对它们的位进行 寻址。位地址为 00H～7FH。 CPU 能直接寻址这些 位（称MCS-51具 有布尔处理功 能），位地址分 配如右表所示。
数据缓冲 与堆栈区
位地址（二进制 位的地址）
单元地址
工作寄存器区共有32个单 元，地址00H~1FH，分为4 组，每组有8个工作寄存器 （R0~R7）。
堆栈是一种数据结构，是内部RAM的一段区域。堆栈存取 数据的原则是“后进先出”。堆栈指针SP是一个8位寄存器，用 于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。
MCS-51单片机的堆栈地址向大的方向变化（与微机堆栈地 址向小的方向变化相反）。系统复位后，SP初值为07H，实际应 用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针SP进行初始化， 一般设置SP为60H。
P：奇偶标志位。A中有奇数个1时置1，否则P=0。
例：
1100 1011 +）1 1 1 1 1 0 0 0
1 1100 0011 CY=1 AC=1 P=0 OV= CY C6 =0
0101 0100 +）0 1 1 0 1 0 0 1
1011 1101 CY=0 AC=0 P=0
OV= CY C6 =1
SP自动加1，SP=72H；将数据34H压入SP所指的堆栈单元（72H ）。
如图所示：
初始状态
反之，现在要将堆栈单元的内容弹出的话，过程如下： 将SP所指堆栈单元（72H）的内容34H弹出；SP自动减1，SP=71H； 将SP所指堆栈单元（71H）的内容12H弹出；SP自动减1，SP=70H。
初始状态
设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时 断点和现场的保护与恢复。
堆栈 什么是堆栈？
是RAM中一个 专用的连续存 储区，是一种 单端读写操作 的存储结构。 51单片机的堆 栈在片内RAM 开辟。
例：假设SP=70H，将数据12H、34H依次压入堆栈的过程 如下。
SP自动加1，SP=71H；将数据12H压入SP所指的堆栈单元（71H ）；
2.1 MCS51单片机硬件结构及引脚 2.2 MCS51单片机外部引脚 2.3 MCS51单片机的工作方式 2.4 单片机的时序 2.5 中断系统
MCS-51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品8051 为核心，增加了一定的功能部件后构成的，因此，本章以 8051为主介绍MCS-51系列单片机 。
（10）串行数据缓冲器（SBUF）
串行数据缓冲器SBUF用于存放需要发送和接收的数据，它 由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要发 送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器SBUF进行的。
1051(1K)/2051(2K)/4051(4K) 128 （20条引脚DIP封装）
2
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1
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89C系列
(常用型)
89C51(4K)/89C52(8K) （40条引脚DIP封装）
128/ 256
2/3
32
1 5/6
8051的存储器结构
1.特点：8051的存储器结构与常见的微型计算机的配置方式不 同，它把程序存储器和数据存储器分开，有各自的寻址系 统、控制信号和功能。
0FFFH 4KB ROM
EA 1
0000H
1000H 0FFFH
EA 0
0000H
0000H
片内存储器
片外扩展存储器
三个逻辑空间：
片内外统一寻址的64KB程序存储器空间，地址范围为0000H～ FFFFH。
64KB的片外数据存储器空间，地址范围也为0000H～FFFFH。
256B的片内数据存储器空间，地址范围为00H～FFH。
（2）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。
（3）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。
（4）工作寄存器 内部RAM的工作寄存器区00H～1FH共32个字节被均匀地分
一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空间为 64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。
片外RAM：
最大范围：0000H～FFFFH， 64KB；用指令MOVX访问。
片内RAM：
最大范围：00H～FFH， 256B；用指令MOV访问。又分 为两部分：低128B（00～7FH） 为真正的RAM区，高128B （80～FFH）为特殊功能寄存器 （SFR）区。如右图所示。
（1）运算器
组成：8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、 8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄 存器PSW（Program Status Word）、8位暂存寄存器TMP1 和TMP2等。
功能：完成算术运算和逻辑运算。
（2）控制器
组成：程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR （Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻辑 和振荡器OSC等电路。
其中C6为D6向D7的进位标志。
分析：1.若将数据当作无符号数进行运算，则CY=1表示 结果大于255。
2.若将数据当作带符号数进行运算，则OV=1表示 溢出，结果出错；OV=0，结果正确。
（6）数据指针DPTR（Data Pointer）
数据指针DPTR是16位的专用寄存器，即可作为16位寄存器 使用，也可作为两个独立的8位寄存器DPH （高8位） 、DPL （低8位）使用。 DPTR主要用作16位间址寄存器，访问程序存 储器和片外数据寄存器。 （7）堆栈指针SP（Stack Pointer）
8031最小应用系统
P0口作为地址/数据总线；P2口 作为地址总线（高8位）
外接程序 存储器
在程序存储器中，以下6个单元具有特殊含义 0000H：单片机复位后的程序入口地址。 0003H：外部中断0的中断服务程序入口地址。 000BH：定时器0的中断服务程序入口地址。 0013H：外部中断1的中断服务程序入口地址。 001BH：定时器1的中断服务程序入口地址。 0023H：串行口的中断服务程序入口地址。
成四个组（区），每个组（区）有8个寄存器，分别用R0～R7表 示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1还经常用于 间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器（PSW） 第3、4位设置工作寄存器区。
（5）程序状态字PSW （Program Status Word） 程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信
中 断 源
Intel 51
子系列
8031 8051 80C31 80C51
百度文库
8751 128 87C51 字节
(4K字节) (4K字节)
2x16
4x8位
1
5
Intel 52
子系列
8032 8052
8752
256
80C32 80C52 87C52 字节
(8K字节) (8K字节)
3x16
4x8位
1
6
ATEML
2.配置：8051的存储器在结构上分为片内数据存储器、片内程 序存储器、片外数据存储器和片外程序存储器4个存储空间。 但从用户使用的角度看，8051的存储器分为3个逻辑空间。
存储空间分布图
FFFFH
64KB ROM
FFFFH 64KB RAM
（I/O）RAM
FFH SFR
80H 7FH RAM 00H
功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中 取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制 逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行 本条指令所需的全部信号。
系列
无
片内存储器（字节） 片内ROM 有ROM 有EPROM
片内 RAM
定时器 计数器
并行 串行 I/O I/O
1.2.1 MCS-51单片机的内部结构
MCS-51单片机的组成： CPU(进行运算、控制)、RAM(数 据存储器)、ROM(程序存储器）、I/O口(串口、并口）、 内部总线和中断系统等。组成框图如下：
1. 中央处理器（CPU）
组成：运算器、控制器。8051的CPU包含以下功能部件： （1）8位CPU。 （2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。 （3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。 （4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。 （5）2个16位可编程定时器/计数器。 （6）32个（4×8位）双向可独立寻址的I/O口。 （7）1个全双工UART（异步串行通信口）。 （8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。 （9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz～12 MHz的时钟频率。 （10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。 （11）111条指令，大部分为单字节指令。 （12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。
5．定时器/计数器
8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器，均为 二进制加1计数器，分别命名为T0和T1。
（1）程序计数器PC（Program Counter）
程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于SFR存储器块。 PC是一个16位的计数器，专门用于存放CPU将要执行的指令 地址（即下一条指令的地址），寻址范围为64KB，PC有自动 加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过 转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。
SP
74H 73H
72H 34H 71H 12H 70H
（8）I/O口专用寄存器（P0, P1, P2, P3）
8051片内有4个8位并行I/O接口P0, P1, P2和P3，在SFR中相 应有4个I/O口寄存器P0, P1, P2和P3。
（9）定时器/计数器（TL0, TH0, TL1和TH1）
注意：上述存储区的划分不是绝对的。
存储器的访问
FFFFH
64KB ROM
FFFFH 64KB RAM
（I/O）RAM
FFH SFR
80H 7FH RAM 00H
0FFFH 4KB ROM
EA 1
0000H
1000H 0FFFH
EA 0
0000H
0000H
MOV指令
片内存储器
MOVC指令 PSEN（-）信号
（11）其他控制寄存器
除上述外，还有IP, IE, TCON, SCON和PCON等几个寄存器， 主要用于中断、定时和串行口的控制，
I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的 必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负 载能力。
8051内部有4个8位并行接口P0, P1, P2, P3，有1个全双 工的可编程串行I/O接口。
息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的， 但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其定义格式 如下页表所示。
其中：Cy：进借位标志；
AC：辅助进借位标志；
F0 ：用户标志； RS1、RS0：工作寄存器组（区）选择（如下表所示）； OV：溢出标志位，两个带符号数运算，若有溢出（结果超 出-128~+127时）置1；
MCS-51的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又 有片内和片外之分。 （1）程序存储器
一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。可寻址 空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。
MCS-51单片机按程序存 储器可分为内部无ROM型 （如8031）和内部有ROM型 （如8051）两种，连接时 EA 引脚有区别。程序存储器结 构如右图所示：
片外扩展存储器
MOVX指令 RD（-） WR（-）
MCS-51有21个特殊功
能寄存器（也称为专用寄 存器），包括算术运算寄 存器、指针寄存器、I/O口 锁存器、定时器/计数器、 串行口、中断、状态、控 制寄存器等，它们被离散 地分布在内部RAM的 80H～FFH地址单元中（不 包括PC） ，共占据了128 个存储单元，构成了SFR存 储块。其字节地址可被8整 除的SFR可位寻址。SFR反 映了MCS-51单片机的运行 状态。特殊功能寄存器分 布如右表所示。
内部RAM的 20H～2FH单元为 位寻址区，既可 作为一般单元用 字节寻址，也可 对它们的位进行 寻址。位地址为 00H～7FH。 CPU 能直接寻址这些 位（称MCS-51具 有布尔处理功 能），位地址分 配如右表所示。
数据缓冲 与堆栈区
位地址（二进制 位的地址）
单元地址
工作寄存器区共有32个单 元，地址00H~1FH，分为4 组，每组有8个工作寄存器 （R0~R7）。
堆栈是一种数据结构，是内部RAM的一段区域。堆栈存取 数据的原则是“后进先出”。堆栈指针SP是一个8位寄存器，用 于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。
MCS-51单片机的堆栈地址向大的方向变化（与微机堆栈地 址向小的方向变化相反）。系统复位后，SP初值为07H，实际应 用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针SP进行初始化， 一般设置SP为60H。
P：奇偶标志位。A中有奇数个1时置1，否则P=0。
例：
1100 1011 +）1 1 1 1 1 0 0 0
1 1100 0011 CY=1 AC=1 P=0 OV= CY C6 =0
0101 0100 +）0 1 1 0 1 0 0 1
1011 1101 CY=0 AC=0 P=0
OV= CY C6 =1
SP自动加1，SP=72H；将数据34H压入SP所指的堆栈单元（72H ）。
如图所示：
初始状态
反之，现在要将堆栈单元的内容弹出的话，过程如下： 将SP所指堆栈单元（72H）的内容34H弹出；SP自动减1，SP=71H； 将SP所指堆栈单元（71H）的内容12H弹出；SP自动减1，SP=70H。
初始状态
设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时 断点和现场的保护与恢复。
堆栈 什么是堆栈？
是RAM中一个 专用的连续存 储区，是一种 单端读写操作 的存储结构。 51单片机的堆 栈在片内RAM 开辟。
例：假设SP=70H，将数据12H、34H依次压入堆栈的过程 如下。
SP自动加1，SP=71H；将数据12H压入SP所指的堆栈单元（71H ）；
2.1 MCS51单片机硬件结构及引脚 2.2 MCS51单片机外部引脚 2.3 MCS51单片机的工作方式 2.4 单片机的时序 2.5 中断系统
MCS-51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品8051 为核心，增加了一定的功能部件后构成的，因此，本章以 8051为主介绍MCS-51系列单片机 。