第二章 单片机硬件结构 2-1 单片机的基本结构
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第二章 单片机硬件结构
2-1 单片机的基本结构 2-2 MCS-51单片机引脚 2-3 MCS-51存储器配置
2-1 单片机的基本结构
2-1-1 MCS-51单片机的基本组成
时钟源
T0 T1
时钟电路
SFR和RAM
ROM
定时/计数器
CPU
系统总线
并行端口
串行端口
中断系统
P0 P1 P2 P3
TXD RXD
2-2 MCS-51单片机引脚
2-2-1MCS-51单片机引脚描述 1．I/O口线功能 4个8位并行 I/O 接口引脚
P0.0～P0.7 、P1.0～P1.7 、P2.0～P2.7和
P3.02为～．P多3控.7 功制能线引脚，可自动切换 用A作LE数：据地总址锁线存、允地许址信总号线端、控 制P总SE线N：和外或部I/程O序接存口储外器部读选引通脚信。
作输入用。
读锁存器
P1端口是单 片机中唯一仅 有单功能的I/O 端口，输出信 号锁存在端口 上，故又称为 通用静态端口。
内部总线 D P1.x
Q
写锁存器
锁存器 CL
Q
内部上拉电阻
T
读引脚
三、P2口的结构
和P1口比较，P2口多了转换控制部分。当P2口作通用I/O口 使用时，多路开关MUX连接锁存器的Q端，构成一个准双向口。 当系统扩展片外程序存储器时，P2端口就用来周期性地输出从 外存中取指令的高8位地址（A8-A15），此时MUX在CPU的控 制下切换到与内部地址总线相连。因地址信号是不间断的，此 时P2口就不能用作I/O端口使用了。
内部总线 D
Q
P0.x
写锁存器
锁存器
CL
Q
不在动直锁上接存拉读器场端D效端口应，引管当角TC1上，L的端又数的通
MUX
T1 T2
据写过，脉反而冲向是出器读现驱锁后动存，T器2与。Q内端的部数总
据线，相作Q连输端的与入D引端数角数据上据口的取时数反，据后是出当 读引脚
一现“致在读的端引。，脚经”场信效号应有管效T时2 反，
硬件基本存 配储器 置类 ：型 1单 .片8机位系列 CPU
掩膜ROM
2. 片内ROM/E8P03R1OM、R/ AM 3. 片内5并1子行系列I/O80接51口 4KB 4M.CS片-51内16位定时887053器12 /计数器// 5. 片内5中2子断系列 处理805系2 统 8KB 6. 片内全双工串875行2 I/O口/
EPROM
/ / 4KB / / 8KB
RAM
128B 128B 128B 256B 256B 256B
2-1-4 输入/输出（I/O）端口结构
MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0～P3。 一、P0口的结构
它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动 及控制电路组成。
（1）P0口作为I/O口。
INT0 INT1
（1） 一个8位微处理器CPU； （5） 四个８位的I/O并行端口；
（2） RAM和特殊功能寄存器SFR（6） 一个串行端口；
（3） 内部程序存储器（ROM） （7） 中断控制系统；
（4） 两个定时/计数器；
（8） 内部时钟电路。
2-1-2 MCS-51硬件结构特点 MCS-51系列基本产品型号： 8051、8031、8751称为 51子系列。 不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全 兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。
2-3 MCS-51存储器配置
一、程序存储器 64KB 程序存储器空间 EA不同电平，选择片内或片外低位存储单元
特殊存储单元： 复位入口: 0000H 中断入口: 0003H～0023H
二、数据存储器 1．64KB片外数据存储器空间(与扩展I/O接口共用) 2. 256B片内数据存储器: 1) 片内RAM 2) 特殊功能寄存器 SFR
读锁存器
地址/数据 控制
VCC
（当作2）作为作输为入出地口口址时使/数，用据读时总脉，线冲内。
将冲数部出此将反为图据器控时控向C0制中经多打P，制器U端路下缓开场与端内发开方 冲，效T高部0关2的器这应电电接地M三送样管平平通址U态至端T使，1X/1，输内口数与与截与M入 部上据锁门止门U缓总的，输存经开X 线器锁。的。图端输中接出上通信方。号的内通缓部过冲数与器据门并加驱
微型计算机中的 总线通常分为地 址总线（AB）、 数据总线（DB） 和控制总线 （CB）。MCS51单片机按引脚 功能分类的片外 总线结构示意图 如右。
2-3 MCS-51存储器配置
物理上4个存储器地址空间： 片内/片外程序存储器空间 片内/片外数据存储器空间
逻辑上3个存储器地址空间： 64KB 程序存储器 256B 片内数据存储器 64KB 片外数据存储器
号端
EA/VPP：程序存储器选择信号端 和编程电源输入端
RST/VPD：复位信号端和后备电 源输入端。
2-2-2 MCS-51单片机的片外总线结构
和所有微机一样，MCS-51单片机是通过总线来传输各种信息的。 所谓总线，是微机中的一组公用导线，是传输信息的公共通道。 各种器件都须通过三态门隔离再连接到总线上。
读锁存器
地址 控制
VCC
内部上拉电阻
内部总线 D P2.x Q
MUX
写锁存器CL 锁存器 Q
T
读引脚ห้องสมุดไป่ตู้
四、P3口的结构
和P1口比较，P3口增加了一个与非门和一个缓冲器，使其各
端口线有两种功能选择。当处于第一功能时，第二输出功能线
为1，此时输出与P1口相同，内部总线信号经锁存器和场效应管
输出。当作输入时，“读引角”信号有效，下面的三态缓冲器
2．外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。
2-4-2 振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期 1.振荡周期：是指为单片机提供时钟信号的振荡源的
周期。
2.时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉 冲信号。
3.机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。 一个机器周期由6个时钟周期组成。 4.指令周期：一条指令的执行时间。 以机器周期为单位：指令可分为单周期、双周期和四 周期指令。
××××××××B 00H
0×××××××B
向数出据现进在入P内0的部引总脚线上。。
二、P1口的结构
P1口是通用I/O准双向静态端口，输出的信息有锁存。P1端口
与P0端口的主要区别在于，P1端口用内部上拉电阻代替了场效
应管T1，且输出信息仅来自内部总线。若输出时D端的数据为1，
T截止输出为1；若D端数据为0，则T导通，引脚输出为低电平。
当作输入使用时，必须向锁存器写1，使场效应VC管C 截止，才可以
定，当有奇数个１时P=1，否则P=0。
SP 堆栈指针。 DPTR 数据地址指针寄存器。它由DPL（低8位）和DPH（高8 位）两个寄存器组成，字节地址分别为82H、83H，用来存放16 位地址值，以便对外部RAM进行读写操作，它们既可整体赋值， 也可分开赋值。
2.4 MCS-51的时序及辅助电路
2-4-1 单片机的时钟电路。 1．内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片 外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。 晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。
PSW SP DPL DPH P0-P3 IP IE
初始状态 00H 00H 00H 07H 00H 00H FFH
×××00000B 0××00000B
特殊功能寄存器 TMOD TCON TH0 TL0 TH1 TL1 SBUF SCON PCON
初始状态 00H 00H 00H 00H 00H 00H
1)片内RAM 工作寄存器区：
字节地址：00H～1FH 位寻址区：
字节地址：20H～2FH 位地址为：00H～7FH 数据缓冲区/堆栈区： 字节地址：00H～7FH 一般使用30H～7FH
2)特殊功能寄存器SFR 占用字节地址：80H～FFH 位寻址寄存器：
其字节地址可被8整除。 专用寄存器： A、B、PSW、DPTR、SP I/O接口寄存器： P0、P1、P2、P3、SBUF、 TMOD、TCON、SCON …
几个常用的SFR
A 累加器。是一个最常用的专用寄存器，其自身带有全零标志Z， 若A=0则Z=1；若A≠0则Z＝0。
PSW 程序状态字寄存器。其格式如下：
C y A C F 0 R S 1 R S 0 O V — P
CY：进借位标志。在运算时有进、借位时，CY=1；否则CY=0。 AC：辅助进借位标志。当D3向D4有进、借时，AC =1；否则AC =0。 F0： 用户标志。可由用户根据需要自行设定其含义。 RS1、RS0：工作寄存器组选择。 OV：溢出标志。当运算结果超出-128－+127的范围时为1；否则为=0。 P：奇偶校验标志。每条指令执行完后，根据累加器A中１的个数来决
思考题：设应用单片机晶振频率为6MHz，问机器周 期为多少？指令周期分别为多少？
2-4-3 单片机复位电路及复位状态 单片机常采用上电复位和按键复位两种方式。 上电复位电路，在通电瞬间，在RC电路充电过程中， RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。
按键复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位，按键 电平复位是将复位端通过电阻与VCC相连，按键脉冲复 位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位目的。
打开（增加的一个为常开），数据通过缓冲器送到CPU内部总
线。当处于 第 二功能 时 ， 锁 存 器 由 硬 件 读锁存器
第二输出功能
VCC
自动置1，使与非门
内部上拉电阻
对第二功能信号畅
通 。 此 时 ， “ 读 引 内部总线 D P3.x Q
脚”信号无效，左 下的三态缓冲器不
写锁存器 CL 锁存器
T
通，引脚上的第二
输入功能信号经右 下 的 的 缓 冲 器 送 入 读引脚 “第二功能输入
第二输入功能
P3口的第二功能表
位 线 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7
引 脚 10 11 12 13 14 15 16 17
第 二 功 能 RXD（ 串 行 输 入 口 ） TXD（ 串 行 输 出 口 ） INT0（ 外 部 中 断 ０ ） INT1（ 外 部 中 断 １ ） T0（ 定 时 器 ０ 的 计 数 输 入 ） T1（ 定 时 器 １ 的 计 数 输 入 ） W R（ 外 部 数 据 存 储 器 写 脉 冲 ） RD（ 外 部 数 据 存 储 器 读 脉 冲 ）
单片机复位后的状态
复位使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数 器PC的内容为0000H，这表明单片机从0000H地址单元 开始执行程序。单片机冷启动后，片内RAM的内容为 随机值，运行中的复位不改变片内RAM的内容。21个 特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表所示。
特殊功能寄存器 A B
2-1 单片机的基本结构 2-2 MCS-51单片机引脚 2-3 MCS-51存储器配置
2-1 单片机的基本结构
2-1-1 MCS-51单片机的基本组成
时钟源
T0 T1
时钟电路
SFR和RAM
ROM
定时/计数器
CPU
系统总线
并行端口
串行端口
中断系统
P0 P1 P2 P3
TXD RXD
2-2 MCS-51单片机引脚
2-2-1MCS-51单片机引脚描述 1．I/O口线功能 4个8位并行 I/O 接口引脚
P0.0～P0.7 、P1.0～P1.7 、P2.0～P2.7和
P3.02为～．P多3控.7 功制能线引脚，可自动切换 用A作LE数：据地总址锁线存、允地许址信总号线端、控 制P总SE线N：和外或部I/程O序接存口储外器部读选引通脚信。
作输入用。
读锁存器
P1端口是单 片机中唯一仅 有单功能的I/O 端口，输出信 号锁存在端口 上，故又称为 通用静态端口。
内部总线 D P1.x
Q
写锁存器
锁存器 CL
Q
内部上拉电阻
T
读引脚
三、P2口的结构
和P1口比较，P2口多了转换控制部分。当P2口作通用I/O口 使用时，多路开关MUX连接锁存器的Q端，构成一个准双向口。 当系统扩展片外程序存储器时，P2端口就用来周期性地输出从 外存中取指令的高8位地址（A8-A15），此时MUX在CPU的控 制下切换到与内部地址总线相连。因地址信号是不间断的，此 时P2口就不能用作I/O端口使用了。
内部总线 D
Q
P0.x
写锁存器
锁存器
CL
Q
不在动直锁上接存拉读器场端D效端口应，引管当角TC1上，L的端又数的通
MUX
T1 T2
据写过，脉反而冲向是出器读现驱锁后动存，T器2与。Q内端的部数总
据线，相作Q连输端的与入D引端数角数据上据口的取时数反，据后是出当 读引脚
一现“致在读的端引。，脚经”场信效号应有管效T时2 反，
硬件基本存 配储器 置类 ：型 1单 .片8机位系列 CPU
掩膜ROM
2. 片内ROM/E8P03R1OM、R/ AM 3. 片内5并1子行系列I/O80接51口 4KB 4M.CS片-51内16位定时887053器12 /计数器// 5. 片内5中2子断系列 处理805系2 统 8KB 6. 片内全双工串875行2 I/O口/
EPROM
/ / 4KB / / 8KB
RAM
128B 128B 128B 256B 256B 256B
2-1-4 输入/输出（I/O）端口结构
MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0～P3。 一、P0口的结构
它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动 及控制电路组成。
（1）P0口作为I/O口。
INT0 INT1
（1） 一个8位微处理器CPU； （5） 四个８位的I/O并行端口；
（2） RAM和特殊功能寄存器SFR（6） 一个串行端口；
（3） 内部程序存储器（ROM） （7） 中断控制系统；
（4） 两个定时/计数器；
（8） 内部时钟电路。
2-1-2 MCS-51硬件结构特点 MCS-51系列基本产品型号： 8051、8031、8751称为 51子系列。 不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全 兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。
2-3 MCS-51存储器配置
一、程序存储器 64KB 程序存储器空间 EA不同电平，选择片内或片外低位存储单元
特殊存储单元： 复位入口: 0000H 中断入口: 0003H～0023H
二、数据存储器 1．64KB片外数据存储器空间(与扩展I/O接口共用) 2. 256B片内数据存储器: 1) 片内RAM 2) 特殊功能寄存器 SFR
读锁存器
地址/数据 控制
VCC
（当作2）作为作输为入出地口口址时使/数，用据读时总脉，线冲内。
将冲数部出此将反为图据器控时控向C0制中经多打P，制器U端路下缓开场与端内发开方 冲，效T高部0关2的器这应电电接地M三送样管平平通址U态至端T使，1X/1，输内口数与与截与M入 部上据锁门止门U缓总的，输存经开X 线器锁。的。图端输中接出上通信方。号的内通缓部过冲数与器据门并加驱
微型计算机中的 总线通常分为地 址总线（AB）、 数据总线（DB） 和控制总线 （CB）。MCS51单片机按引脚 功能分类的片外 总线结构示意图 如右。
2-3 MCS-51存储器配置
物理上4个存储器地址空间： 片内/片外程序存储器空间 片内/片外数据存储器空间
逻辑上3个存储器地址空间： 64KB 程序存储器 256B 片内数据存储器 64KB 片外数据存储器
号端
EA/VPP：程序存储器选择信号端 和编程电源输入端
RST/VPD：复位信号端和后备电 源输入端。
2-2-2 MCS-51单片机的片外总线结构
和所有微机一样，MCS-51单片机是通过总线来传输各种信息的。 所谓总线，是微机中的一组公用导线，是传输信息的公共通道。 各种器件都须通过三态门隔离再连接到总线上。
读锁存器
地址 控制
VCC
内部上拉电阻
内部总线 D P2.x Q
MUX
写锁存器CL 锁存器 Q
T
读引脚ห้องสมุดไป่ตู้
四、P3口的结构
和P1口比较，P3口增加了一个与非门和一个缓冲器，使其各
端口线有两种功能选择。当处于第一功能时，第二输出功能线
为1，此时输出与P1口相同，内部总线信号经锁存器和场效应管
输出。当作输入时，“读引角”信号有效，下面的三态缓冲器
2．外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。
2-4-2 振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期 1.振荡周期：是指为单片机提供时钟信号的振荡源的
周期。
2.时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉 冲信号。
3.机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。 一个机器周期由6个时钟周期组成。 4.指令周期：一条指令的执行时间。 以机器周期为单位：指令可分为单周期、双周期和四 周期指令。
××××××××B 00H
0×××××××B
向数出据现进在入P内0的部引总脚线上。。
二、P1口的结构
P1口是通用I/O准双向静态端口，输出的信息有锁存。P1端口
与P0端口的主要区别在于，P1端口用内部上拉电阻代替了场效
应管T1，且输出信息仅来自内部总线。若输出时D端的数据为1，
T截止输出为1；若D端数据为0，则T导通，引脚输出为低电平。
当作输入使用时，必须向锁存器写1，使场效应VC管C 截止，才可以
定，当有奇数个１时P=1，否则P=0。
SP 堆栈指针。 DPTR 数据地址指针寄存器。它由DPL（低8位）和DPH（高8 位）两个寄存器组成，字节地址分别为82H、83H，用来存放16 位地址值，以便对外部RAM进行读写操作，它们既可整体赋值， 也可分开赋值。
2.4 MCS-51的时序及辅助电路
2-4-1 单片机的时钟电路。 1．内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片 外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。 晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。
PSW SP DPL DPH P0-P3 IP IE
初始状态 00H 00H 00H 07H 00H 00H FFH
×××00000B 0××00000B
特殊功能寄存器 TMOD TCON TH0 TL0 TH1 TL1 SBUF SCON PCON
初始状态 00H 00H 00H 00H 00H 00H
1)片内RAM 工作寄存器区：
字节地址：00H～1FH 位寻址区：
字节地址：20H～2FH 位地址为：00H～7FH 数据缓冲区/堆栈区： 字节地址：00H～7FH 一般使用30H～7FH
2)特殊功能寄存器SFR 占用字节地址：80H～FFH 位寻址寄存器：
其字节地址可被8整除。 专用寄存器： A、B、PSW、DPTR、SP I/O接口寄存器： P0、P1、P2、P3、SBUF、 TMOD、TCON、SCON …
几个常用的SFR
A 累加器。是一个最常用的专用寄存器，其自身带有全零标志Z， 若A=0则Z=1；若A≠0则Z＝0。
PSW 程序状态字寄存器。其格式如下：
C y A C F 0 R S 1 R S 0 O V — P
CY：进借位标志。在运算时有进、借位时，CY=1；否则CY=0。 AC：辅助进借位标志。当D3向D4有进、借时，AC =1；否则AC =0。 F0： 用户标志。可由用户根据需要自行设定其含义。 RS1、RS0：工作寄存器组选择。 OV：溢出标志。当运算结果超出-128－+127的范围时为1；否则为=0。 P：奇偶校验标志。每条指令执行完后，根据累加器A中１的个数来决
思考题：设应用单片机晶振频率为6MHz，问机器周 期为多少？指令周期分别为多少？
2-4-3 单片机复位电路及复位状态 单片机常采用上电复位和按键复位两种方式。 上电复位电路，在通电瞬间，在RC电路充电过程中， RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。
按键复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位，按键 电平复位是将复位端通过电阻与VCC相连，按键脉冲复 位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位目的。
打开（增加的一个为常开），数据通过缓冲器送到CPU内部总
线。当处于 第 二功能 时 ， 锁 存 器 由 硬 件 读锁存器
第二输出功能
VCC
自动置1，使与非门
内部上拉电阻
对第二功能信号畅
通 。 此 时 ， “ 读 引 内部总线 D P3.x Q
脚”信号无效，左 下的三态缓冲器不
写锁存器 CL 锁存器
T
通，引脚上的第二
输入功能信号经右 下 的 的 缓 冲 器 送 入 读引脚 “第二功能输入
第二输入功能
P3口的第二功能表
位 线 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7
引 脚 10 11 12 13 14 15 16 17
第 二 功 能 RXD（ 串 行 输 入 口 ） TXD（ 串 行 输 出 口 ） INT0（ 外 部 中 断 ０ ） INT1（ 外 部 中 断 １ ） T0（ 定 时 器 ０ 的 计 数 输 入 ） T1（ 定 时 器 １ 的 计 数 输 入 ） W R（ 外 部 数 据 存 储 器 写 脉 冲 ） RD（ 外 部 数 据 存 储 器 读 脉 冲 ）
单片机复位后的状态
复位使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数 器PC的内容为0000H，这表明单片机从0000H地址单元 开始执行程序。单片机冷启动后，片内RAM的内容为 随机值，运行中的复位不改变片内RAM的内容。21个 特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表所示。
特殊功能寄存器 A B