单片机东3-第02章mcs51结构

第二章

MCS-51单片机的结构MCS-51单片机的组成和总体结构处理单元（CPU）存多储器并行I/O接口单片机最小系统MCS-51单片机的组成和总体结构处理单元MCS-51单片机的

器MCS-51单片机的并行I/O接口MCS-51单片机最小系统本章知识点器、输入设备、单片机和一般微型机比较：共同点：均由CPU(包括运算器和控制器)、输出设备组成不同点：单片机是将CPU、RAM、ROM、定时计数器，以及输入输出（I/O）接口电路等计算机的主要部件集成在一小块硅片上的单片微型计算机(Single

Chip

puter)。

单片机特点：体积小、可靠性高、性价比高等应用领域：工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器、机电

产品等领域。2.1

MCS-51单片机的组成和总体结构CPU器并行I/O口串行I/O口定时器/计数器中断逻辑发送数据接收数据外部计数脉冲外部中断源输入输出设备MCS-51系列单片机注意：今后将会经常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！系列片内器（字节）定时器计数器并行I/O串行I/O中断源片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMInMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15InMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位161051(1K)/

2051(2K)/

4051(4K)（20条引脚DIP封装）1282151ATEML89C系列(常用型)589C51(4K)/

89C52(8K)（40条引脚DIP封装）128/2562/33215/62.1.1

MCS-51单片机结构框图器，高128位包含2l8051单片机在一块

中集成了：＊一个面向控制的8位CPU*

256B片内RAM(低128B作数据个特殊功能寄存器SFR)4KB片内程序

器ROM。4个8位并行I/O接口l个全双工作串行I/O接口。2个16位定时器/计数器T0/Tl。为五个中断源配套的两级优先级嵌套的中断结构40个引脚双排直插DIP封装,分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。2.1.2

MCS-51单片机引脚功能12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VssVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.080C51/89C51⒈电源:⑴VCC-

电源，接⑵VSS-接地端；+5V/3.3V/2.7V；2.输入/输出引脚(32条)

P.0-P0.7:在不接片外器与不扩展I/O接口时，作准双向输入/输出接口。在接片外

器或扩展I/O接口时，分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。P1.0-P1.7:作为准双向通用I/O接口使用。P2.0-P2.7:作为准双向I/O接口；当接有片外器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用作高8位地址总线。P3.0-P3.7:有两种功能。第一，做准双向通用I/O口使用；第二，用于串行口、中断源输入、计数器、片外RAM选通等功能。注意：由于第二功能信号都是单片机的重要控制信号，因此在实际使用时，总是先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用的才作为通用I/O接口线使用。⑶RST/VPD:复位/备用电源。①RST（Reset）功能：复位信号输入端。

当该引脚上至少保持连续两个机器周期(24个振荡器周期)的高电平就可实现系统复位。复位期间不产生ALE及PSEN信号。②

VPD功能：在Vcc掉电时，接备用电源。VPD:对HMOS

为片内RAM掉电保护备用电源，Vcc掉电期间，该引脚如接备用电源VPD（＋5V＋0.5V）复位后单片机内寄存器的状态PC：0000HTMOD：00HAcc：00HTCON：00HB：00HTH0：00HPSW：00HTL0：00HSP：07HTH1：00HDPTR：0000HTL1：00HP0～P3：FFHSCON：00HIP：×××00000BSBUF：不定IE：0××00000BPCON：0×××0000B图2-4(a)加电自动复位电路图2-4(b)按键手动复位电路⑷EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。①EA功能：内外ROM选择端。80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外(80C31

无内ROM，全部在片外)。当EA保持高电平时，先

内ROM；当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时，自动转向执行外ROM中的程序。当EA保持低电平时，则只

外ROM，不管内有否内ROM。对80C31

，片内无ROM，EA接地。②

Vpp功能：片内有EPROM的

，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。2.2处理单元8051的结构展开图128×8RAMRAM地址寄存器P3口P1口P2口P0口锁存器锁存器锁存器锁存器中断控制定时/计数器串行I/O口SP寄存器B累加器A暂存器1暂存器2程序状态字PSW指令寄存器IR指令译

ID数据指针DPTR缓冲器程序计数器PC增1程序地址寄存器AR定时与控制4K×8ROMALUCPU处理器CPU程序器ROM数据

器RAM接口控制电路算术逻辑运算单元ALU累加器ACC、寄存器阵列、PSW栈指针SP栈区、数据指针DPTR程序指针PC、、指令寄存器和指令译码逻辑时钟振荡器及时序控制逻辑运算器控制器中断：1个串行口中断、2个计数器中断外部中断：2个外部中断INT0、INT1——

128B

RAM以及特殊寄存器SFR块并行输入输出接口：4个8位I/O接口串行输入输出接口：1个UART复位逻辑RST：高电平复位（＞10ms）中断控制逻辑：2个外部和3个

中断内部组成——最多4KB

ROM或EPROMCPU包括运算器和控制器二大部分。2.2.1运算器功能：进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节（4位）、单字节（8位）等数据进行操作。组成：由8位ALU、两个8位的暂存器

TMP1和TMP2、8位累加器ACC、寄存器B和

PSW组成。ALU:可对4位、8位数据进行操作和处理。如加、减、乘、除、增量、减量、十进制数调整、比较、逻辑与、或、异或、求补循环移位等操作。累加器A：累加器（Accumulator）是使用最频繁的寄存器，它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。指令系统中字节操作指令一般用A作为累加器的助记符，当进行位操作时，一般用ACC表示。通用寄存器B：8位，主要用于乘除运算。乘法运算时，B是乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中。除法运算时，B是除数;除法操作后，余数存于B中。不作乘除用时，可作为一般数据寄存器使用。PSW：8位寄存器，用于反映程序执行的状态信息。在状态字中，有些位状态是根据指令执行结果，由硬件自动完成设置的，而有些状态位则必须通过方法设定。表2-3PSW的各位定义位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/PCY：进位标志。用于表示Acc.7有否向更

进位。加减运算时，保存最

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+97H0111

10001

0000

1111D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVPPSW位地址有进位CY=1没有半进位AY=0P：奇偶校验位，它用来表示累加器A内容中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则为0。例：某运算结果是78H（01111000），P=0。D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVPPSW位地址RS1、RS0：工作寄存器组选择位。RS1

RS0寄存器组片内RAM地址00第0组00H~07H01第1组08H~0FH10第2组10H~17H11第3组18H~1FHF0：用户标志位。作为标志，由编程决定何时使用。F0、F1—用户标志OV：溢出标志位。有符号数运算时，如果发生溢出，OV置“1”，否则清“0”。D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVPSW位地址，在物理结构1)．程序计数器PC※

PC不属于特殊功能寄存器，不可上是独立的。※

16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，可寻址64KB的程序

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，将子程序地址或中断地址装入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。图

2-5(a)

方式时钟电路

图

2-5(b)

外部方式时钟电路外部方式时钟电路如图2-5(b)所示，主要用于多单片机系统。引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时外部的脉冲信号是经XTAL2引脚注入，而将XTAL1接地。②时序时序就是进行某种操作时，各种数据、控制信号先后出现的顺序。时序是用定时单位来描述的，MCS—51系列单片机的时序定时单位共有四个，从小到大依次是振荡周期，状态，机器周期，指令周期。时钟周期:80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。状态周期:它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。状态周期是时钟周期的两倍。状态周期又称S周期。在S周期内有两个时钟周期，即分为两拍，分别称为P1和P2指令周期:指CPU执行一条指令占用的时间(用机器周期表示)。80C51指令可分为三类：单机周指令、双机周指令和四机周指令。MCS-51典型的指令周期为一个机器周期，少数是单字节双周期、双字节双周期指令，只有乘法和除法指令占用4个机器周期。单周期指令：当操作码被送入指令寄存器时，便从S1P2开始执行指令。双字节单机器周期指令，在同一机器周期的S4期间读入第二个字节单字节单机器周期指令，在S4期间仍进行读，但所读的这个字节操作码被忽略，程序计数器也不加1，在S6P2结束时完成指令操作。双字节单机器周期指令，在一个机器周期内从程序

器中读入两个字节，唯有MOVX指令例外。在执行MOVX指令期间，外部数据

器被

且被选通时跳过两次取指操作80C51的哈佛结构：程序

器和数据

器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。普林斯顿结构：程序和数据共用一个

器编址。器配置器4KB（ROM

0000H~0FFFH）逻辑空间，80C51的片内程序片内数据器128B（RAM

00H~7FH）2.3

器器配置方式属哈佛结构8051在物理结构上有四个空间：片内程序片内数据器、片外程序器、片外数据器、器。64KBROMEA=00000H1000H0FFFHFFFFH4KBROMEA=1FFH80H7FH00HSFRRAM0000HFFFFH64KBRAM(I/O)片内片外片外程序器

数据器8051在逻辑(组织结构)上，即从用户角度上空间：器(ROM),包括片内ROM和片8051有三个⑴64KB程序外ROM；功能寄存器）。⑵64KB外部数据⑶256B

数据器（外RAM）；器(内RAM)(包括特殊2.3.1

程序

器※作用:用于存放编好的程序和表格、常数。※容量：8051片内有4K字节ROM.片外用16位地址线最多可扩展64K字节ROM，两者是

编址的。※地址范围：0000H～FFFFH，共64KB。其中:低段4KB：0000H～0FFFH

,80C51和87C51在片内，80C31在片外。高段60KB：1000H～FFFFH。在片外。※

：用MOVC指令※空间指针：以PC作为16位地址指针，每读一个字节，

PC+1→PC，这是CPU自动形成的。※控制信号:PSEN和EA。※选择方法:

★如果EA端保持高电平，8051执行片内前4KBROM地址(0000H～0FFFH)

中的程序。当寻址范围超过4KB（1000H～FFFFH）时，则从片外

器取指令。

★当EA端保持低电平时，8051的所有取指令操作均在片外程序

器中进行，这时片外

器可以从0000H开始编址。地址※特殊单元:是5个中断源中断服务程序0003H：外部中断0

。000BH：定时器0溢出中断

。0013H：外部中断1

。001BH：定时器1溢出中断

。0023H：串行口中断

。使用时，通常在这些

地址处存放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址，或者从0000H起始地址跳转到用户设计的初始程序上。共128B。※

:MOV指令※空间分配:工作寄存器区位寻址区数据缓冲区1.

数据

器※地址范围：00H～FFH80C51内RAM的三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。地址区域功能名称00H~1FH00H～07H工作寄存器0区08H～0FH工作寄存器1区10H～17H工作寄存器2区18H～1FH工作寄存器3区20H～2FH位寻址区30H～7FH数据缓冲区128B

RAM地址分配寄存器区布尔区片内数据通用RAM区(80B)位地址区(16B)寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组7FH位地址区2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7FH............78H77H70H6FH68H67H60H5FH58H57H50H4FH48H47H40H3FH38H37H30H2FH28H27H20H1FH1FH17H10H0FH............08H07H06H05H04H03H02H01H00H器空间分布图D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0.........30H2FH20H1FH...00H数据缓冲区(字节寻址区)范围：内RAM中30H～7FH功能：存放各种数据和中间结果，起到数据缓冲的作用。堆栈也建立在其中数据

器高128单元范围

：80H～FFH功能：供给

寄存器使用，※地址范围：80H～FFH。不连续地分散在

RAM高128单元之中※数目：21个。※使用：对特殊功能寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。2.3.3特殊功能寄存器（SFR）1、数据指针寄存器DPTR宽度：16位功能：通常在使用外部数据

器时作地址指针使用：既可作一个16位寄存器用，也可作两个8位寄存器来用，即：DPH：

DPTR

字节，地址为83HDPL： DPTR低位字节，地址为82H与程序计数器PC的对比：PC虽为16位，但在物理上是独立的，不属SFR的范畴，没有对应的RAM地址，不可寻址。2.堆栈指针SP宽度：8位功能：用来指定堆栈的栈顶位置，初值为07H。它是加1计数.（向上生长）堆栈中数据存取按先进后出、后进先出的原则。用PUSH和POP指令操作MCS-51单片机堆栈最大深度为80个字节（30—7FH)堆栈的功能主要有以下三点：①保护断点。②保护现场。③用于数据的临时存放。2.4

MCS-51单片机的并行I/O接口基本情况：MCS-51单片机有4个8位并行I/O口P0、P1、P2和P3口,共32条端线：每一个I/O口都能用作输入或输出。2.4.1并行输入/输出口电路结构共同点：4个8位并行I/O口中，每个口的每一位口线都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。引脚P0.X2DQCK/Q读锁存器写锁存器总线34Vcc地址/数据

控制

V1V21读引脚P0口的某位P0.n(n=0~7)结构图1、P0口1)、组成结构：它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成2.P1口D

QCLK

QP1.nP1口的一位由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成----准双向口。VCC读锁存器R总线写锁存器读引脚TP1口引脚8位准双向I/O口，具有两种功能。一是作通用I/O口用，与P1口相同。二是作扩展系统的高8位地址总线。输出高8位地址，与P0口一起组成16位地址总线。3、P2口D

Q

CLK

QMUXP2.n地址

控制读锁存器总线写锁存器读引脚VCCRTP2口引脚2).P2口作为地址总线在系统扩展片外程序

器扩展数据

器且容量超过256B

(用MOVX

@DPTR指令)时，CPU发出控制电平“1”，使多路开关MUX倒D

Q

CLK

QMUXP2.n地址

控制读锁存器地址线。此时，P2输出高8位地址。VCC总线写锁存器读引脚RTP2口引脚4、P3口1)、作为通用I/O口与P1口类似----准双向口(W=1)QDCLK

QP3.n读锁存器总线写锁存器VCCRTP3口引脚读引脚第二输入功能第二输出功能W四个接口工作在一般I/O方式时，具有以下基本相同的特性：作为输出口用时，

带锁存器，故可以直接和外设相连，不必加锁存器。作为输

用时，有读锁存器和读引脚两种读方式。读锁存器的指令称为读—修改—写指令。而读引脚时才真正地把外部的数据读入到

总线。2.4.2

并行I/O口的特点总结3．当端口做输使用时，要先将端口锁存器置1。4.当扩展有外部

器时，P0口作为低8位地址和8位数据分时使用口，是真正的双向口，三态，负载能力为8个LSTTL电路；P1口仍作为准双向口，连接一般的I/O设备。P2口则根据需要全部或部分作为高8位