第02讲：MCS-51单片机结构原理M

单片机技术电气学院：陈裕国第02章：MCS-51单片机结构原理主要内容：硬件编程结构及引脚CPU主要部件与特殊功能寄存器（SFR）片内外存储器的组织结构和编址并行I/O口中断及中断系统（第5章）定时/计数器、串行口（外设）（第5章）1、概述（1）：MCS51单片机的编程结构

51子系列（2个定时器、128字节RAM）：8031（无ROM）、8051（OTP－ROM：4K）、8751（EPROM：4K）52子系列（3个定时器、256字节RAM）：8032（无ROM）

、8052（OTP－ROM：4K）其他增强型：如C8051F系列、upsd3200系列简化版：如89C2051共同点：有MCS51的CPU内核有此结构才能称为51单片机1、概述（2）：标准51单片机的引脚？★40脚分类（教材以功能进行归纳！）：I/O端口：

P0~P3（32pin）（P0－数据总线，也可作为访问外部地址的低八位地址【时分复用口】P2－通用IO，通常也用作访问外部地址的高八位地址（H）

P1－通用IO

P3－通用IO，有第二功能）控制相关（4pin）地址锁存ALE复位输入RST

外存选择/PSEN外存控制/EA（编程脉冲输入/PORG）时钟（2pin）XTAL1、XTAL2电源（2pin）VCC、VSS、2、中央处理器（CPU）①由运算器、控制（定时）器、寄存器组成②运算器功能部件包括算术逻辑运算部件ALU，累加器A，寄存器B、暂存器TR，程序计数器PC、程序状态寄存器PSW，堆栈指针SP，数据指针寄存器DPTR（16bit）以及布尔处理器等。控制器功能部件包括指令寄存器、指令译码器、定时与控制逻辑及时钟电路、复位电路等（1）算术/逻辑运算部件ALU——对应用开发人员“透明”ALU的作用：算术/逻辑运算操作——对对传送到CPU的8位数据进行+、-、*、/算术运算和与、或、异或等逻辑操作，移位、置位、清零、取反，加1/减1操作。位处理功能（51MCU的特点）：置位、清零、取反、逻辑与、逻辑或、条件判断转移等（这在控制中特别有用，因为一些控制中常需要进行按位运行，位操作指令提供了把逻辑等式直接变换成软件的简单明了的方法，使得不使用过多的数据传送、字节屏蔽/组合和测试分支树等编程方法，也能实现较为复杂的组合逻辑功能，从而简化了程序逻的编制。为此，它获得了布尔处理器的称号）累加器A（Acc）－8位

CPU工作最频繁的reg，用于提供操作数和存放运算的中间结果（与“加法”的意义区分开！）

MCS51系列MCU，结构上仍以累加器A作为基础（许多指令都以Acc为基础，特别是与外部存储器打交道的指令，都需在Acc中进行）。但由于内部电路采取了措施，使得累加器A在数据传送、逻辑控制等方面的核心作用受到了削载，数据可以在片内直接/间接地址的存储器之间直接传送而不必经过累加器A。直接地址存储器也可和常量直接进行逻辑运算（2）寄存器——要求能记能背

一般用于乘除法指令，通常与A配合使用。B存放乘积的高位字节或除法运算后的余数部分。例如：MULAB；A×B（8位无符号数）→BADIVAB；A/B商→A，A/B余数→B

也可作为普通的reg来使用，如暂存中间结果等

B寄存器程序状态字寄存器PSW（特别重要！）

程序状态字PSW是指令可以访问的、单片机中各有关标志寄存器的集合体。可以以字节来访问，也可以直接访问某一位，如：setbF0；//将F0位置1

要求掌握其中每一位的含义！PSW（字节地址：F0H）——凡字节地址可被8整除的均可按位访问PSW状态字PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0

标志位CYACF0RS1RS0OV—P例：10101010B如何影响Cy、AC？

＋01011000B———————————CY（PSW.7）：进位标志，如果操作结果在最高位有进位输出（加法）或借位输入（减法）时置位，否则清零。AC(PSW.6)：辅助进位标志，是低半字节的进位位（累加器A中A3向A4位的进位），BCD码调整时用。PSW（字节地址：F0H）——凡字节地址可被8整除的均可按位访问PSW状态字PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0

标志位CYACF0RS1RS0OV—PF0(PSW.5)：用户定义的状态标志位，可通过软件对它置位/复位或测试。OV（PSW.2）：溢出标志位，用于表示有符号数算术运算溢出。当次高位发生向最高位进位而最高位不发生进位时，发生溢出，OV便由硬件置位，否则清零。P(PSW.0)：奇偶标志位，它是每一指令周期累加器A中8位按位模2和的结果。因此P总是表示累加器A中内容的奇偶性，而与PSW中其它标志的变化无关。PSW（字节地址：F0H）——凡字节地址可被8整除的均可按位访问PSW状态字PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0

标志位CYACF0RS1RS0OV—PRS1(PSW.4)RS0(PSW.3)：工作寄存器组选择位，用于选择四组工作寄存器之一。及通用寄存器R0～R7映射到内部RAM中的具体位置：

RS1/RS0寄存器组对应的ＲＡＭ地址

0

0组000H~07H

01组108H~0FH

1

0组210H~17H

11组318H~1FH

例：MOVPSW，＃08H

选中寄存器组1（即R0～R7映射到RAM的08H～0FH单元20H~18H~1FH10H~17HR7（0FH）R6（0EH）R5（0DH）R4（0CH）R3（0BH）R2（0AH）R1（09H）R0（08H）00H～07H片内RAM的部分字节用于通用寄存器组堆栈指针SP

（堆栈与中断系统是计算机的两大特征）

以“堆”的方式工作的“栈”。遵循“先进后出、后进先出”的原则，堆栈是按该工作方式工作的、用来暂时存放数据的寄存器或存储单元。是只在一端进行存取的一块特别的存储区。堆栈的作用：在CPU响应中断或调用了程序时，需要把断点处的PC值以及现场的一些数据保存起来，在微型计算机中，它们就是保存在堆栈中的。同样，当发生中断嵌套（高级中断中断低级中断）或子程序嵌套（在执行一个子程序中，又调用另一个子程序）时，也要把各级断点的PC值以及一些现场数据都要保护起来，为了能保证逐级正确返回，要求后保存的值先取回即符合“先进先出、后进后出”的原则。堆栈正是为此目的而设计的。

堆栈的实现方式：①硬件堆栈在CPU内部设置一组专用的按堆栈工作方式存取数据的寄存器，称为硬件堆栈。其优点是工作速度快，缺点是不能做得容量太大。②软件堆栈在RAM区中开辟一个任意大的区域用作为栈区，栈区可设置在RAM的任意区，在CPU内仅由一个专用的寄存器来管理堆栈的栈顶，这个寄存器叫做堆栈指示器（常称为堆栈指针，SP）。

堆栈的生长方向：堆栈的生长方向有两种，当栈底设在RAM中地址号小的地方，堆栈指针增加后压入一个数据堆栈向地址号大的方向伸展，这叫做堆栈是向下生长的；反之为向上生长（MCS51的生长方式为“向下生长”）

MCS51的堆栈（指针8位）——MCS51的堆栈指针是一个8位的地址寄存器，它指向RAM中的一个存储单元。堆栈指针的初值称为栈区的栈底，每当一个数据送到堆栈中（称为压入堆栈）或从堆栈中取出（称为弹出堆栈），堆栈指针都要随之作相应的变化，它始终指向栈区的顶端（栈顶）。

工作过程：需要入栈时（中断或执行PUSH或CALL指令时），CPU首先把SP加1，再把数据压栈；当需要把数据弹出时（为执行POP或返回指令时），CPU先把数据弹出，然后SP减1，这样保证SP所指的栈顶总是满的。

当复位时，堆栈指针初始化为07H，因此，堆栈从地址08H开始；堆栈指针也可由指令改变，因而堆栈可设置且只能设置在片内数据存储器RAM的任何一个连续区间。DPTR（数据指针）

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既可以作为一个16位的寄存器DPTR来使用，也可以作为两个独立的八位寄存器DPH、DPL来用。PC（程序计数器，程序指针）

程序计数器PC用于存放下一条要执行的指令地址，是一个16位的专用寄存器，可寻址范围为0～65536（64K）。PC在物理上是独立的，尽管与SFR关系密切，但不属于SFR。关于“特殊功能寄存器（SFR）”的小结

MCS-51系列单片机将物理上分散在片内各处（离散的占用片内RAM区的80H～FFH地址）的具有某种特定功能的一些寄存器，在数学上把它们组织在特殊功能寄存器的地址空间中，使用统一后的直接寻址方式访问。（这样，大多数指令能对它们进行操作，使单片机许多不同功能的实现在指令形式上变得极其简单和统一，从而减少了指令的种类和数量，使指令系统更加规整和有效。）

SFR不连续地分布在地址空间80H~FFH中，如表2-3所示。其中，地址号能被8整除的那些特殊功能寄存器单元中的位，可以直接位寻址。地址符号名称地址符号名称F0HB寄存器98HSCON串行控制/状态寄存器E0HA累加器90HP1口1D0HPSW程序状态字8DHTH1定时器1高8位CDHTH2定时器2高8位8CHTL1定时器1低8位CCHTL2定时器2低8位8BHTH0定时器0高8位CBHRCAP2H定时器2陷阱寄存器高8位8AHTL0定时器0低8位CAHRCAP2L定时器2陷阱寄存器低8位89HTMOD定时器方式寄存器C8HT2CON定时器2控制寄存器88HTCON定时器控制寄存器B8HIP中断口优先级控制寄存器器87HPCON电源控制寄存器B0HP3口383HDPH数据指针高8位A8HIE中断允许控制寄存器82HDPL数据指针低8位A0HP2口281HSP堆栈指针99HSBUF串行数据缓冲器80HP0口0表2-3特殊功能寄存器映像

8051、8751、8031有21个特殊功能寄存器，8052、8032则有26个SFR。大致可分为以下几类：1)算术运算寄存器（已介绍）A：累加器（E0H）B：寄存器（F0H）PSW：程序状态字寄存器（D0H）2)指针寄存器SP：堆栈指针（81H）DPTR：数据指针（16位）。可拆分为两个8位reg独立操作（DPH/高8位和DPL/低8位）（83H、82H）3)并行I/O口P0：口0（80H）P1：口1（90H）P2：口2（A0H）P3：口3（B0H）4)串行I/O口SCON：串行控制/状态寄存器（98H）SBUF：串行数据缓冲区（99H）PCON：电源控制（97H）5)中断系统IP：中断优先级控制寄存器（B8H）IE：中断允许控制寄存器（A8H）6）定时/计数器TMOD：定时器方式寄存器（98H）TCON：定时器控制寄存器（88H）TH0：定时器0高8位（8CH）TL0：定时器0低8位（8AH）TH1：定时器1高8位（8DH）TL1：定时器1低8位（8BH）

T2CON：定时器2控制寄存器高8位（CBH）RCAP2L：定时器2陷阱寄存器低8位（CAH）（3）控制与定时部件1、时钟电路（内部/外部时钟；频率范围1.2M～12Mhz）（a）内部时钟电路；（b）外部振荡源（HMOS）（3）控制与定时部件2、时序及相关概念振荡周期:

也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。（即晶振的频率）状态周期:

每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。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12个时钟周期组成。指令周期：一条指令的执行时