MCS-51单片机硬件基础

第二章MCS-51单片机硬件根底本章主要内容：

1MCS-51单片机内部结构及引脚

2MCS-51单片机的存储器配置

3MCS-51单片机CPU时序

4MCS-51单片机硬件配置

重点内容：1MCS-51单片机内部结构

2MCS-51单片机的存储器配置

单片机原理多媒体教程单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底§2.1MCS-51单片机内部结构及引脚一、MCS-51单片机的内部结构框图单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底二、MCS-51单片机的根本组成(一)、中央处理器中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算和控制功能。中央处理器包括运算器和控制器。1.运算器即运算电路，用于实现算术和逻辑运算。运算电路包括算术逻辑单元ALU、累加器ACC、程序状态字PSW、B存放器等。其中算术逻辑单元ALU是运算电路的核心。2.控制器即控制电路，用于发出控制信号，指挥单片机各部件协调工作。控制电路包括程序计数器PC、指令存放器、指令译码器、定时与控制电路等。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底(二)、内部数据存储器〔即内部RAM〕MCS-51单片机内部数据存储器(即内部RAM)的地址范围为：00H～FFH，共256个字节(即256B)。(三)、定时器/计数器MCS-51单片机共有2个16位的定时器／计数器，以实现定时或计数功能。(四)、并行I/O口MCS-51单片机共有4个8位的I/O口〔P0,P1,P2,P3〕，以实现与外设的数据并行输入/输出。(五)、串行口MCS-51单片机有1个全双工的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底(六)、中断控制系统MCS-51单片机共有5个中断源(其中有2个外部中断源)。(七)、时钟电路MCS-51单片机内部有一个时钟电路，可通过引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器和微调电容，为单片机产生时钟脉冲。(八)、地址/数据总线在外扩存储器和外接其它设备时，MCS-51单片机的P0口和P2口被用做地址/数据总线。其中P0口用以分时传送低8位地址或8位数据〔硬件以ALE信号区别〕；而P2口那么用以传送高8位地址。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底三、MCS-51单片机的引脚及功能MCS-51单片机共有3种封装形式。最常用的是40引脚双列直插式〔DIP封装方式〕，集成电路芯片的引脚排列如以下图。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底引脚可分4组1.主电源引脚2.外接晶体引脚3.控制信号引脚4.输入/输出端口引脚

1.主电源引脚VCC和GND(1)VCC—〔40脚〕，接+5V电源。(2)GND—〔20脚〕，接数字电路地。2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2(1)XTAL1—〔19脚〕，接外部晶体振荡器。(2)XTAL2—〔18脚〕，接外部晶体振荡器。(3)P2口(21脚-28脚)，当访问外部存储器或外部设备时，P2口的8条引脚作为高8位地址线，系统自动把高8位地址(A8-A15)送出。(4)P3口(10脚-17脚)，是一个复用端口。作为第一功能使用时，是普通的I/O端口。作为第二功能使用时，各引脚的定义如下表所示。AT89C51如不使用AT89C51单片机内部那么图2-289C51引脚排列图及输入/输出逻辑示意图单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底§2.2MCS-51单片机的存储器配置共256B共8个二进制位(bit)存储器01H00H02H03H04H05HFDHFFHFEH000000110000100000001001也称为：一个存储单元称为：一个字节(B)被存储的数据(8位)地址容量的确定：地址总线包含8根地址线时：28=256字节=256B共计：256B地址总线包含16根地址线时：216=64×1024B=64KB共计：64KB单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底地址确实定：每根地址线可传送一位二进制信息(0或1)，当地址总线包含8根地址线时，那么可传送的最小数字为00000000=0=00H，最大数字为11111111=255=FFH。所以地址范围是：00H～FFH。当地址总线包含16根地址线时，那么可传送的最小数字为0000000000000000=0=0000H，最大数字为1111111111111111=65536=FFFFH。所以地址范围是：0000H～FFFFH。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底一、MCS-51单片机的存储器分类1.按功能分类：程序存储器和数据存储器。2.按分配空间分类：内部存储器和外部扩展存储器。

内部存储器：也称为片内存储器。即内部数据存储器(256B)，简称内部RAM。AT89C51单片机内部程序存储器(4KB)。

外部扩展存储器：简称外部存储器或外扩存储器，也称为片外存储器。可分为：外部程序存储器(64KB)和外部数据存储器(简称外部RAM；64KB)。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底存储器内部数据存储器：256B内部程序存储器：4KB(AT89C51)外部程序存储器：64KB即内部RAM内部存储器外部存储器外部数据存储器：64KB小结即外部RAM〔常指ROM〕单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底二、MCS-51单片机存储器的特点1.将程序存储器和数据存储器分开设置。在空间上完全独立，并不重叠。存取指令完全不同〔MOV、MOVX、MOVC〕。控制信号完全不同〔RD、WR；EA、PSEN〕。2.存储器有内外之分。即分为内部存储器和外部存储器。内部存储器，也称为片内存储器。即内部数据存储器，简称内部RAM。外部存储器，也称为片外存储器。即外部数据存储器和外部程序存储器，也称为外扩数据存储器和外扩程序存储器。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底外部程序存储器0001H0000H0002H0003H0004H0005HFFFDHFFFFHFFFEH00010011共64KB共8个二进制位(bit)0010100000101001也称为：一个存储单元称为：一个字节(8位)被存储的程序代码(8位)地址(16位)三、程序存储器地址空间单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底在单片机处理问题之前必须先将编好的程序、表格、常数汇编成机器代码后存入单片机的存储器中，该存储器称为程序存储器。如上所述，89C51除片内4KB的ROM外，还可外扩64KB程序存储器，地址为0000H～FFFFH(内部与外部统一64KB)。它以程序计数器PC作地址指针，由于PC程序计数器为16位，使得程序存储器可用16位二进制地址，因此，可寻址的地址空间为64KB。程序存储器的操作完全由程序计数器PC控制。程序存储器的操作分为程序运行与读〔查表〕操作两类。以下图为51单片机程序存储器示意图

单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底六个存储单元的地址〔即6个字节的地址〕：功用字节地址串行中断0入口地址0023H定时器/计数器1溢出中断入口地址001BH定时器/计数器0溢出中断入口地址000BH外部中断1入口地址0013H外部中断0入口地址0003H系统引导区0000H～0002H

单片机复位后程序计数器PC的内容为0000H，故系统必须从0000H单元开始取指令来执行程序。0000H单元是系统的起始地址，一般0000H～0002H存放跳转指令，使程序被引导到跳转指令指定的程序存储空间去执行。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底四、外部数据存储器地址空间MCS-51单片机的外部数据存储器空间为64KB(即容量为64KB)，地址范围为0000H～FFFFH。外部数据存储器0001H0000H0002H0003H0004H0005HFFFDHFFFFHFFFEH00000011共64KB共8个二进制位(bit)0000100000001001也称为：一个存储单元称为：一个字节(8位)被存储的数据(8位)地址(16位)单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底外部程序存储器0001H0000H0002H0003H0004H0005HFFFDHFFFFHFFFEH00010011共64KB共8个二进制位(bit)0010100000101001也称为：一个存储单元称为：一个字节(8位)被存储的程序代码(8位)地址(16位)单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底

问题：MCS-51单片机的外部程序存储器和外部数据存储器的地址范围都是从0000H～FFFFH。使用时会不会因为混淆而出错呢？(答案是：不会出错！)

为什么？外部程序存储器FFFFH外部数据存储器0000H(64KB)(64KB)单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底

MCS-51单片机的外部程序存储器和外部数据存储器的地址范围都是从0000H～FFFFH，共64KB。但使用时不会出错，原因为：1.存储器空间相互独立。并不重叠。

2.采用了不同的存储器访问指令，访问外部程序存储器时指令用MOVC，访问外部数据存储器时指令用MOVX。

3.控制信号不同。访问外部程序存储器时控制信号为PSEN；访问外部数据存储器时控制信号为RD和WR。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底五、内部数据存储器地址空间MCS-51单片机内部RAM空间为256B(即共有256个存储单元)，地址范围为00H～FFH。内部数据存储器01H00H02H03H04H05HFDHFFHFEH00000011共256B共8个二进制位(bit)0000100000001001也称为：一个存储单元称为：一个字节(8位)被存储的数据(8位)地址(8位)内部存储器

内部数据存储器低128单元

单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底MCS-51单片机256B的内部RAM可以分为四个区域：存放器区00H～1FH。共计32个工作存放器。分四组，每组8个工作存放器。2.位寻址区有16个字节，每字节有8个二进制位，共计128个二进制位，位地址范围为00H～7FH。3.用户RAM区30H～7FH。4.特殊功能存放器区80H～FFH。也称为SFR区。(SpecialFunctionRegister)工作寄存器组3工作寄存器组2工作寄存器组1工作寄存器组0单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底MCS-51单片机的外部数据存储器空间与内部数据存储器空间的低地址0000H～00FFH在使用时是重叠的。为了防止混淆，MCS-51单片机用MOVX和MOV两种指令对其加以区别，用MOV访问内部RAM，用MOVX访问外部RAM。外部数据存储器FFH内部数据存储器00H(64KB)(256B)FFFFH0000H00FFH单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底1.存放器区：共计32个工作存放器，分为四组，每组8个。工作存放器常用于存放操作数及中间结果等，由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称为通用存放器，也叫工作存放器。每组的8个工作存放器，占8个内部RAM存储单元，因此，4个工作存放器组总共占用32个内部RAM存储单元。在任一时刻，CPU只能使用这四组工作存放器中的一组，并把正在使用的那组工作存放器称为当前工作存放器组，用R0～R7表示8个当前工作存放器。第二章MCS-51单片机硬件根底问题1：4个工作存放器组的地址范围各是多少？工作寄存器组地址范围工作寄存器组0工作寄存器组1工作寄存器组2工作寄存器组300H～07H08H～0FH10H～17H18H～1FH答案：单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底2.位寻址区：共计128个二进制位。位地址范围:00H～7FH。位寻址区有16个字节，字节地址为20H～2FH。每字节有8个二进制位，每个二进制位都有各自的地址，称为位地址。

16个字节共计包含128个二进制位，位地址范围为00H～7FH。工作寄存器组3工作寄存器组2工作寄存器组1工作寄存器组0间接寻址用户RAM区/SFR区直接寻址用户RAM区

问题：什么叫字节地址？单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底3.用户RAM区：30H～7FH。用户RAM区：30H～7FH：80个字节。

工作寄存器组3工作寄存器组2工作寄存器组1工作寄存器组0SFR区直接寻址用户RAM区单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底4.特殊功能存放器区(即SFR区)：地址范围80H～FFH。工作寄存器组3工作寄存器组2工作寄存器组1工作寄存器组0直接寻址SFR区直接寻址用户RAM区单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底直接寻址SFR区/(可用共22B)FFH80HSFR区采用直接寻址方式。因这些寄存器的功能已做了专门规定，故而也称为专用寄存器。MCS-51单片机有22个特殊功能寄存器，除程序计数器PC不可寻址外，有21个是可寻址的(其中有11个也可位寻址)。

其余的单元厂家没做定义，用户不能使用。

单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底六、常用特殊功能存放器介绍常用特殊功能存放器有：程序计数器PC、累加器ACC、B存放器、程序状态字PSW、数据指针DPTR。1.程序计数器(PC：ProgramCounter)：

功能：用于指向程序存储器的某个存储单元。(1).PC是一个16位的计数器。(3).PC的内容为将要执行的指令地址。寻址范围达64KB。

(2).PC有自动加1功能，以实现程序的顺序执行。(4).PC没有地址，是不可寻址的。因此用户无法对它进行读写操作。但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。特点：单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底2.累加器(ACC：Accumulator；也可用A表示)：功能：累加器可用于存放指令的操作数，以及存放ALU运算的中间结果。它是程序中最常用的特殊功能存放器，功能较多，地位重要。(1).累加器是一个8位的特殊功能存放器。(2).累加器有地址，是可以寻址的。问题1：累加器的地址是多少？特点：问题2：累加器可以位寻址吗？答案：E0H答案：可以

答案1:SETBACC.0(不能用A.0)答案2:SETBE0H答案

例题：

如何将累加器的最低位置1?单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底3.B存放器(BRegister)：功能：(1).用于乘法运算。此时，B存放器中存放乘数。乘法运算完成后，乘积的高位数据存放于B中。(2).用于除法运算。此时，B存放器中存放除数。除法运算完成后，余数存于B中。(3).B存放器也可作为一般的数据存放器使用。(1).B存放器是一个8位的特殊功能存放器。(2).B存放器有地址，是可以寻址的。特点：问题1：B寄存器的地址是多少？问题2：B存放器可以位寻址吗？答案：F0H答案：可以单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底4.程序状态字(PSW：ProgramStatusWord)：功能：用于存放指令执行的状态信息。(1).PSW是一个8位的特殊功能存放器。(2).PSW有地址，是可以寻址的。特点：问题1：PSW的地址是多少？问题2：PSW可以位寻址吗？答案：D0H答案：可以单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OVF1PP：奇偶校验位。用于说明累加器A中1的个数的奇偶性。假设A中1的个数为偶数，那么(P)=0；假设A中1的个数为奇数，那么(P)=1。OV：溢出标志位。PSW中各位的含义及功能在带符号数的加减运算中，(OV)=1表示运算结果超出了累加器A所能表示的带符号数的有效范围(-128～+127)，即产生了溢出；反之，(OV)=0表示运算结果正确，即无溢出产生。在乘法运算中，(OV)=1表示乘积超过255，即乘积分别在B与A中；反之，(OV)=0，表示乘积只在A中。在除法运算中，(OV)=1表示除数为0，除法不能进行；反之，(OV)=0，表示除数不为0，除法可正常进行。1000001110010000+)请分析下列两数相加后：

单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底

例题：

(OV)=？(OV)=1、1,00010011符号位符号位

例题：

两个负数相加结果不可能为正。问题：(P)=?答案：(P)=1在进行十进制数运算时需要十进制调整，此时要用到AC位的状态进行判断，以决定如何进行十进制调整。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OVF1PF0、F1：用户标志位。这两位是由用户定义的标志位，用户可根据需要，通过编程将其设置为1或0。AC：辅助进位标志位。PSW中各位的含义及功能在加减运算中，当低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置位(即设置为1)，否则AC位被清0(即设置为0)。0001001100001001-)

例题2：

请分析下列两数相减后：单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底问题：(P)=？(OV)=？例题1：

0000101001001000+)请分析下列两数相加后：

(AC)=?

(AC)=1

01010010、低4位高4位、00001010(AC)=？

(AC)=1

问题：(P)=？(OV)=？

答案：(P)=1，(OV)=0

答案：(P)=0，(OV)=0

在位操作中，作累加位使用。在位传送、位与、位或等位操作中，都要使用进位标志位。在加减运算中，当有低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置位(即设置为1)，否则AC位被清0(即设置为0)。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OVF1PCY：进位标志位。也可用C表示。PSW中各位的含义及功能存放算术运算的进位标志。在加减运算中，当第8位向更高位进位或借位时，CY由硬件置位(即设置为1)，否则CY位被清0(即设置为0)。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底例题：

1100001010101001+)请分析下列两数相加后：

(CY)=?

(CY)=1

1,01101011、第7位问题：(P)=？(OV)=？

(AC)=？

答案：(P)=1，(OV)=1,(AC)=0

这两个位的状态是由软件设置的(即由用户编程设定)，它们的每一种状态组合对应选中一组工作寄存器，被选中的工作寄存器组即为当前工作寄存器组,包含8个当前工作寄存器。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OVF1PRS0、RS1：当前工作存放器(R0～R7)选择位。PSW中各位的含义及功能用于设定当前工作寄存器所在组的组号。RS0、RS1的状态组合与工作存放器组之间的对应关系：RS1RS0工作寄存器组工作寄存器组的地址范围00工作寄存器组000H～07H01工作寄存器组108H～0FH10工作寄存器组210H～17H11工作寄存器组318H～1FH单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底如何选择当前工作寄存器？

例题1：

第0组工作存放器的地址范围是：00H～07H。答案：可利用PSW中的RS0、RS1这两位的状态组合来选择某一组工作存放器作为当前工作存放器。例题2：如果要求选择第2组工作存放器作为当前工作存放器，那么RS0、RS1的状态组合应为多少？答案：RS1、RS0的状态组合应为10。例题3：如果要求选择第0组工作存放器作为当前工作存放器，那么RS0、RS1的状态组合应为多少？第0组工作存放器的地址范围是多少？答案：RS0、RS1的状态组合应为00。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底5.数据指针：MCS-51单片机中有一个数据指针：DPTR。(1).DPTR是一个16位的特殊功能存放器。(2).DPTR有地址，是可以寻址的。DPTR的特点：问题1：DPTR的地址是多少？问题2：DPTR可以位寻址吗？答案：82H(DPL)、83H(DPH)答案：不可以DPTR的功能：用于指向外部数据存储器空间，即在访问外部数据存储器时作为地址指针使用，以实现对外部数据存储器的存取访问。(3).DPTR既可按16位存放器使用，也可作为两个8位存放器使用，即：DPH(DPTR高8位)，DPL(DPTR低8位)。(4).DPTR的寻址范围为64KB

。(216=64KB)单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底七、MCS-51单片机的堆栈

堆栈的含义：在用户进行程序设计时，往往需要一个后进先出(LIFO--LastInFirstOut)的RAM区，以便将某些重要信息暂时保存起来，以免被破坏。这种后进先出的缓冲区就称为堆栈。从数据结构的角度讲，堆栈实际上是一种数据结构，是只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底MCS-51单片机的堆栈可开辟在内部RAM的用户RAM区(30H～FFH)。30H00H01H31H7FH堆栈区堆栈的开辟区域：内部RAM堆栈的深度：堆栈的深度就是堆栈的容量。MCS-51单片机堆栈的深度与堆栈所存储的数据多少有关。如：堆栈中存储了10个字节的数据，那么堆栈的深度就是10字节(即10B)。单片机原理及接口技术多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底堆栈的操作：进栈和出栈。堆栈的操作特点：遵循后进先出的操作特点。这是因为：堆栈是只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。先入栈的数据存放在栈的底部，所以后出栈；而后入栈的数据存放在栈的顶部，所以先出栈。000001110000001100000010进栈出栈因此：不管是进栈还是出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行的。栈底栈顶30H00H01H31H32H堆栈区内部RAM单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底堆栈指示器(SP：StackPointer)：也称为堆栈指针。是一种常用的特殊功能存放器。为了指示栈顶单元，所以设置了堆栈指示器！堆栈指示器的特点：是一个8位的特殊功能存放器。

堆栈指示器的功能：用于指示栈顶单元地址。注意：堆栈指示器的内容就是当前堆栈栈顶单元的地址。栈顶00000111000000110000001030H00H01H31H32H堆栈区内部RAM

SP

SP

单片机原理多媒体教程第二章MCS-51单片机硬件根底栈顶00000010系统复位后，SP的内容为