第二章 MCS 51 单片机结构及原理ok1

⑴8位CPU⑵片内128BRAM⑶片内4KBROM/EPROM（8031无）⑷特殊功能寄存器区

SFR⑸2个优先级的5个中断源结构⑹

4个8位并行口：P0、P1、P2、P3一、MCS-51单片机的主要上页下页回目录8051/8751功能特点⑺2个16位定时器/计数器T/C⑻1个全双工串行口UART

⑼布尔处理机——位处理机(10)64KB外部RAM地址空间(11)64KB外部ROM地址空间(12)片内时钟电路及振荡器(13)指令系统(111条)上页下页回目录通用异步收发器半双工——即可接受又可发送，但不同时单工——只接收或只发送可同时接收或发送16条地址线区别：8051/8751单片机中含有ROM/EPROM，而8031中没有，使用时需外接一片EPROM型号ROMEPROMRAMT/CI/OINT803280528KB87528KB

256B

256B

256B333并串444111666二、MCS-51系列单片机的差异51子系列（基本型）上页下页回目录型号ROMEPROMRAMT/CI/OINT803180514KB87514KB128B128B128B222并串44411155580318051基本型803152子系列MCS-51单片机内部结构分析上页下页回目录RAM

P0口串行口定时器计数器特殊功能寄存器（SFR）中断系统微处理器ALU控制逻辑

P2口

P1口

P3口ROM/EPROMCPU内部总线VccVssXTAL1XTAL2PSEN

EAALERESETP2.0~P2.7P0.0~P0.788P1.0~P1.78P3.0~P3.788051/8751面向用户的结构8031共40条引线用户的内特性用户外特性图2-1MCS-51功能

框图P40

图2-1是其物理结构框图逻辑结构框图1、中央处理器2、存储器3、I/O口

MCS-51单片机有4个8位并行口，1个全双工串行口UART，2个16位的T/C。由运算器和控制逻辑组成。主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、I/O端口的数据传送、数据运算、及位处理等操作等。采用SFR集中控制程序存储器ROM/EPROM(8031中没有，需外接)，存放程序和编好的表格及常数等。数据存储器RAM：存放中间结果、数据暂存、缓冲、及存放标志位等。上页下页回目录8051/875140引脚，双列直插式结构上页下页回目录RST/VPDP3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P3.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P1.0P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P2.7P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P0.0RXDTXDINT0

INT1

T0

WRRDT1

XTAL1XTAL2VssVccEA/VPPALE/PROGPSEN80318051875140393837363534333231302928272625242322211234567891011121314151617181920MCS-51单片机的引脚功能用户外特性一、51单片机的管脚功能1、按功能分类I/O口线P0、

P1、

P2、

P3共32条电源Vcc、Vss共2条时钟XTAL1、XTAL2共2条上页下页回目录控制口线PSEN、ALE、EA/VPP、RESET

共4条数据/地址复用口I/O口双功能口2、管脚的功能（1）电源与时钟Vcc：接+5V电源端

Vss：接地端XTAL1：片内振荡电路输入端XTAL2：片内振荡电路输出端内时钟方式：在XTAL1、XTAL2上外接定时元件，使其形成自激振荡器。时钟电路：内时钟方式外时钟方式上页下页回目录定时元件采用由石英晶体和电容组成并联谐振电路。晶体和电容尽可能靠近单片机芯片。单片机XTAL1XTAL21918C1C2电容通常选择为30PF左右振荡频率1.2MHz~12MHz晶振内时钟方式电路图上页下页回目录单片机XTAL1XTAL2外时钟方式：XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器外时钟方式电路图外部振荡源+5V1918上拉电阻频率低于12MHz上页下页回目录OC门几个概念：振荡周期：Tc=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数时钟周期：2个振荡周期状态周期：Ts=1个时钟周期机器周期：Tm=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc)指令周期:Ti:执行一条指令所需的机器周期(Tm)数牢牢记住：振荡周期=晶振频率fosc的倒数；

1个机器周期=12个振荡周期；

1个指令周期=1、2、4个机器周期复位信号：高电平复位CPU，低电平CPU工作EA/VPPALEPSEN名称功能片外取指信号（片外程序存储器读）输出端低电平有效。通过P0口读回指令或常数。控制的是片外程序存储器RESET⑵控制信号地址锁存信号。ALE低电平时，P0口出现数据信息；ALE高电平时，P0口出现地址信息。程序存储器选择信号

上页下页回目录EA=0时，选外部ROM；1，地址小于4k时，选内部ROM地址大于4k时，选外部ROMP0口是数据/地址复用口用下降沿

锁存P0口的低8位地址到外部锁存器寄存器内容寄存器内容表2-2复位后内部寄存器状态PC0000HACC00HB00HPSW00HSP07HDPTR0000HP0~P30FFHIP×××00000BIE0××00000BTMOD00HTCON00HTH000HTL0

00HTH100HTL1

00HSCON00HSBUF不定PCON0××000B上页下页回目录复位电路手动复位上电自动复位高电平要保持10ms以上RESET高电平有效上页下页回目录+5V10uF10KVccRSTGND上电复位10uF10KVccRSTGND手动&上电复位1K+5VP3作第一功能口使用时：输出控制线为高电平，与非门的输出取决于锁存器“Q”端的状态，P3口的I/O操作和P1口相同。P3作第二功能口使用时：相应的口线锁存器必须为“1”，与非门的输出取决于第二功能输出线。

P3的驱动能力：驱动4个TTL门上页下页回目录P3口的第二功能状态P3.0RXD串入（接收端）P3.1TXD串出（发送端）P3.6WR外部RAM写信号P3.3INT1外部中断1输入P3.4T0计数器0输入P3.5T1计数器1输入第二功能作用口线P3.2INT0外部中断0输入P3.7RD外部RAM读信号上页下页回目录51单片机的4个8位的I/O口P0.0—P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口

(复用时是双向口；不复用时也是准双向口)P1.0—P1.7:通用I/O口（准双向口）P2.0—P2.7:

输出高8位地址（用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口）P3.0—P3.7:具有特定的第二功能（准双向口）注意：在不外扩ROM/RAM时，P0～P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口(例如:AT89C51)！

小结简单测控实例原理图JOB3:CLRP1.1;亮绿灯REDO:SETBP1.3

;此句以后解释CHECK:JNBP1.3,CHECK;检测通道是否被阻断？LOOP:…………;有入侵者，报警！

AJMPREDO;再跳回去检测任务三：红外防盗报警P1.3口用于输入状态检测的语句：

ALEP3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P3.0EAPSENRST803180518751VccVssP1口P2口P0口373GE+5VA0~A7A8~A15D0~D7I/OXTAL1XTAL2RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD控制总线CB二、51单片机的三总线结构数据总线DB地址总线AB利用三条总线,可方便地进行系统扩展晶振1.2~12MHZ上页下页回目录8031地址总线AB（A0~A15）宽16位片外寻址64KBP0.0~P0.7ALE锁存到锁存器373A0~A7P2.0~P2.7A8~A15数据总线DB（D0~D7）宽8位双向、三态P0.0~P0.7D0~D7控制总线CB宽12位P3口的第二功能状态加上控制线PSENEAALERESET上页下页回目录上页下页回目录RAM

P0口串行口定时器计数器特殊功能寄存器（SFR）中断系统微处理器ALU控制逻辑

P2口P1口

P3口ROM/EPROMCPU内部总线VccVssXTAL1XTAL2PSEN

EAALERESETP2.0~P2.7P0.0~P0.788P1.0~P1.78P3.0~P3.788051/8751面向用户的内部结构8031共40条引线用户的内特性用户外部特性小结：面向用户的特性内部外部裸机§2.3MCS-51的存储器组织存储器数据存储器程序存储器对单片机来讲，ROM和RAM的寻址机构和寻址方式是分开的。上页下页回目录ROM、EPROME2ROM或FLASHRAM单片机常驻容量小仅256B容量大达64KB普林斯顿结构哈佛结构普林斯顿结构区别：8051/8751单片机中含有ROM/EPROM，而8031中没有，使用时需外接一片EPROM型号ROMEPROMRAMT/CI/OINT803280528KB87528KB

256B

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256B333并串444111666MCS-51系列单片机的存储器差异51子系列（基本型）上页下页回目录型号ROMEPROMRAMT/CI/OINT803180514KB87514KB128B128B128B222并串444111555基本型52子系列从物理上分，MCS-51分为4个存储空间·片内程序存储器ROM·片内数据存储器RAM·片外程序存储器ROM·片外数据存储器RAM（I/O）从逻辑上分，MCS-51分为3个逻辑空间·片内、外统一编址的程序存储器地址空间·256B或384B片内数据存储器地址空间·64KB片外数据存储器或I/O地址空间上页下页回目录片内固有需要扩展需要扩展PC从功能上分，MCS-51分为5个地址空间·程序存储器ROM·片内数据存储器RAM·特殊功能寄存器区SFR·位寻址区·外部扩展的数据存储器RAM（I/O）区上页下页回目录一、程序存储器8051/8751内部有4KB

ROM/EPROM地址：0000H~0FFFH8051/8751外部的ROM/EPROM地址：1000H~FFFFH8031/8032内部没有ROM/EPROM需要片外扩展，使用时接成低电平EA地址：0000H~FFFFH上页下页回目录52子系列内部有8KBROM/EPROM地址：0000H~1FFFH52：2000H~FFFFH接地上页下页回目录EA=1内部外部EA=00000H0FFFH0FFFH0000H1000H外部FFFFH8051/8751803151系列程序存储器配置图4KB接地EA=1内部外部EA=00000H1FFFH1FFFH0000H2000H外部FFFFH8052/8752803252系列程序存储器配置图接地8KB上页下页回目录二、内部数据存储器RAM地址:00H~FFH内部数据存储器从物理上分为几个不同的块：MCS-51128BRAM（地址00H~7FH）128BSFR（地址80H~FFH）MCS-52128BRAM（地址00H~7FH）128BSFR(地址80H~FFH）上页下页回目录256B384B间接寻址直接寻址128BRAM（地址80H~FFH）间接直接皆可SFR特殊功能寄存器FFH80H上页下页回目录内部RAMSFR特殊功能寄存器7FH00HFFH80H7FH00HFFH80HMCS-51内部RAM配置52系列内部RAM配置直接寻址内部数据存储器配置图地址重叠256B384B内部RAM内部RAM间接寻址仅52系列有1、内部RAM区（MCS-51）MCS-51内部RAM只有128B内部RAM区分为三部分地址：00H~7FH上页下页回目录内部RAM7FH00HSFR特殊功能寄存器FFH80H7FH00H位寻址区2FH20H工作寄存器区1FH00H7FH30H数据缓冲区80个字节为真正的RAM16个字节分为128个RAM位32个字节分为四个工作寄存器区每个区8个工作寄存器0FH08H17H10H2FH20H7FH30H0区（8字节）1区（8字节）2区（8字节）3区（8字节）位寻址区数据缓冲区80个字节RAM只能按字节寻址16个字节分为128个RAM位可按位亦可按字节寻址四个工作寄存器区内部RAM区功能配置图R7R0~R7R0~R7R0~R7R0~00H1FH07H00H1FH18H布尔处理器上页下页回目录每个区，8个工作寄存器R0~R7亦可作普通RAM使用⑴通用寄存器组32个RAM单元共4个区，每个区8个通用工作寄存器R0~R7“区”的选择由程序状态字PSW中的RS1和RS0确定工作寄存器区地址RS1RS0

2区10H~17H10

3区18H~1FH11上页下页回目录

0区00H~0007H

1区08H~010FH⑵位寻址区（16个RAM单元VS12个SFR）·字节地址：20H~2FH·16个RAM字节共128个RAM位·位地址：00H~7FH·12个SFR中的93位具有位寻址功能位寻址区128个RAM位93个SFR位·布尔处理机数据存储器的主要组成部分上页下页回目录布尔处理机共221位直接地址能被8所整除的构成其中3位无定义00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM区普通RAM区位寻址区工作寄存器区27H22H21H20H26H24H25H23H28H2FH单元地址07060504030201000F0E0D0C0B0A090817161514131211101F1E1D1C1B1A191827262524232221202F2E2D2C2B2A292837363534333231303F3E3D3C3B3A393847464544434241407F7E7D7C7B7A7978位地址总共128个可按位寻址的位片内RAM中有128个可按位寻址的位。

位地址:00H—7FH

分布在:20H—2FH单元指令：SETB07H⑵用户RAM区（数据缓冲区）共80个单元字节地址：30H~7FH8051单片机复位时，堆栈指针SP指向07H单元片内RAM的部分单元可用作堆栈51的栈区不是固定的，为避开工作寄存器区、位寻址区，用户堆栈一般设置在30H~7FH之间上页下页回目录真正的RAM单元SP指针是可编程的寄存器⑴程序计数器PC16位专用寄存器，寻址范围64KB此时的程序是顺序执行的2.专用寄存器区通电时自动复位，运行时可手动复位，复位后，PC的内容自动清零用来存放下一条指令地址。CPU取指令时，将PC内容经地址总线送到程序存储器，从该地址单元取回指令，译码并执行；同时，PC自动加1如果程序需要转移，可在程序中安排转移或条件转移指令（JMP或JNC）、调用子程序指令CALL等上页下页回目录PC0000H系统的启动地址

23个专用（3个属于52）其中5个是双字节寄存器，PC物理上是独立的，其余22个属于SFR，共占用26个字节⑵累加器A地址：0E0H·最常用的一个专用寄存器·大部分单操作数指令的操作数取自A·很多双操作数指令的一个操作数取自A·算术运算和逻辑运算的结果放在A或AB对中·指令系统采用A

作为累加器的标识符例：INCA；执行A中的内容加1操作ADDA，#data；执行A(A)+#data操作上页下页回目录位寻址功能⑶寄存器B地址：0F0H·8位寄存器·与累加器A配合使用，一般用于乘除法运算·寄存器B存放第二操作数、乘积的高8位字节除法的余数部分例：MULAB;执行(A)×(B)BADIVAB;执行(A)/(B)商A余B上页下页回目录次累加器作一RAM单元用B余B⑷程序状态字PSW地址：0D0H·8位寄存器，存放程序的状态信息CY

D7D6D5D4D3D2D1D0ACF0RS1RS0OVP格式如下：进/借位标志CY（PSW.7）加法运算时，如果D7有进位，则CY=1，否则CY=0减法运算时，如果D7有借位，则CY=1，否则CY=0布尔运算中被定义为位累加器上页下页回目录PSWD7••••••D0CY辅助进位标志AC（PSW.6）

8位加法运算时，如果低半字节的D3向D4有进位，则

AC=1，否则AC=08位减法运算时，如果低半字节的D3向D4有借位，则AC=1，否则AC=0标志F0（PSW.5）·由用户定义·可用软件来使它置“1”、或清“0”·可由软件测试F0来控制程序流向上页下页回目录D7~D4D3~D0AC工作寄存器区选择位RS1

、RS0（PSW.4、PSW.3）通过软件来改变RS1、RS0的组合，以确定当前工作寄存器区。上页下页回目录工作寄存器区地址RS1RS0

2区10H~17H10

3区18H~1FH11

0区00H~0007H

1区08H~010FHPSW.4PSW.3用布尔操作来改变OV=C6´C7´+溢出标志OV（PSW.2）·作为有符号数加、减法时由硬件置位或清除，以指示运算结果是否溢出·执行加/减法指令时，用Ci´

表示i位向i+1有进/借位a)第6位向第7位有进/借位，而第7位不向CY进/借位时b)第6位不向第7位进/借位，而第7位向CY有进/借位时OV=1,否则OV=0·若OV=1，意味着加/减法的结果已超出了一个字节

有符号补码数

所表示的范围（-128~+127）上页下页回目录a)OV=10b)OV=01即做加法时，最高和次高位之一有进位，或做减法时，最高和次高位之一有借位则OV被置位D7D6D5D4D3D2D1D0例：01010110（+86）(正)

00110010(+50）(正)00010001此时C6´=1、

C7´=0则D7D6D5D4D3D2D1D010010110（-106）(负)110111001(+136)(正)(-197)(负)OV=C6´C7´=1

++此时C6´=0、

C7´=1则OV=C6´C7´=1

++上页下页回目录符号位1

10100101（-91）(负)Cy奇偶标志P（PSW.0）·每个指令周期都由硬件置位或清零，以表示累加器A中值为“1”的位数的奇偶性·该标志可用于串行数据通讯，验证数据传输的可靠性上页下页回目录P=1A中1的个数为奇数0A中1的个数为偶数?思考试分析执行指令MOVA,#7FHADDA,#47H后，程序状态字PSW中CY，AC，OV，P

的状态是什么？上页下页回目录D7D6D5D4D3D2D1D001111111（7FH）01000111（47H）01100011（C6H）MOVA,#7FHADDA,#47H#7FHACY=0AC=1执行第一条指令后P=1，执行第二条指令后P=0此时C6´=1、

C7´=0则OV=C6´C7´=1

++上页下页回目录有无⑸堆栈指针SP8位寄存器，存放栈顶地址保护CPU现场和断点地址作用：工作方式：“先进后出”或“后进先出”数据压入堆栈时，SP自动加1数据弹出堆栈时，SP自动减1

SP始终指向栈顶地址上页下页回目录中断时转子时栈区“向上生成”按“先进后出”工作原则，由SP组织的内部RAM区域，被称为堆栈。主程序SPSP例：堆栈操作’建立堆栈’压入操作’弹出操作

60H61H62H63H64HA的内容B的内容SPMOVSP,#60HPUSHAPUSHBPOPdirectSP上页下页回目录direct栈底⑹数据指针DPTR·16位寄存器，高字节用DPH表示，低字节用DPL表示·对外部RAM

或I/O

口寻址，范围64KB例：MOVXA，＠DPTRMOVX＠DPTR，A;将外部RAM中地址为＠DPTR的单元内容读到A中;将A中的内容写到外部RAM中地址为＠DPTR的单元MOVCA，A+＠DPTR;采用基址+变址的方法读程序存储器内的表格常数;DPTR为基址寄存器，A为变址寄存器上页下页回目录（DPTR）AP3.7RDP3.6WR(A)DPTR((A)+(DPTR))APSEN⑺I/O端口P0~P3地址:80H90H0A0H0B0H专用寄存器P0~P3分别是端口P0~P3的锁存器⑻串行数据缓冲器SBUF地址:99H存放欲发送的数据存放已接收的数据一个地址:99H⑼定时/计数器T0T1MCS-51系列有2个16位定时/计数器T0、T1MCS-52系列增加了1个16位定时/计数器T2上页下页回目录SBUF两个缓冲器共用“写”发送缓冲器“读”接受缓冲器MOVSBUF，AMOVA，SBUF⑽其他控制寄存器IP0B8H中断优先控制寄存器IE0A8H中断允许控制寄存器TMOD89H定时/计数器方式控制寄存器TCON88H

定时/计数器控制寄存器SCON99H串行口控制寄存器PCON97H电源及波特率选择控制上页下页回目录地址名称作用寻址空间64KB采用寄存器间接寻址方式间址寄存器有R0、R1（256B）数据指针DPTR（64KB）采用MOVX指令单片机产生读/写信号，对外部RAM产生读写操作3、外部数据存储器FFFFH0000H上页下页回目录外部RAM（I/O）64KBMOVXA，@RiMOVXA，@DPTRiMOVX@Ri，AMOVX@DPTRi，A“读”指令“写”指令通过三条总线扩展MCS-51CPU时序一、机器周期、状态、相位·一个机器周期包括6个S

状态S1～S6，每个S状态分为2(拍)个振荡周期（相位P1，相位P2）。·1个机器周期＝6个S状态＝12(拍)个振荡周期·采