第2章 MCS-51单片机的结构

第二章MCS-51系列单片机的结构3/19/20241电气学院电子信息李鸿MCS－51系列单片机内部结构MCS－51系列单片机工作原理MCS－51系列单片机的存储器结构CPU的工作时序及工作方式本章内容3/19/20242电气学院电子信息李鸿了解MCS-51系列单片机内部结构掌握MCS－51系列单片机的三总线结构

掌握MCS－51系列单片机各部分的功能掌握存储器结构及特殊寄存器的作用掌握I/O口结构及应用特性

学习目的3/19/20243电气学院电子信息李鸿一、MCS-51单片机的结构

微处理器CPU数据存储器RAM程序存储器ROMI/O接口DBABCB单片机组成框图2.1MCS-51系列单片机的结构3/19/20244电气学院电子信息李鸿中断控制CPU振荡器4KBROM数据存储器256BRAM/SFR定时器0定时器164KB总线扩展控制4I/O端口可编程全双工串行口控制信号P0P1P2P3地址/数据TXDRXD外部中断内部中断计数器输入MCS-51功能方框图3/19/20245电气学院电子信息李鸿MCS-51系列单片机的内部结构如下图所示：内部结构框图3/19/20246电气学院电子信息李鸿P0驱动器RAM地址寄存器RAMEPROM或ROMP2驱动器P0锁存器P2锁存器B寄存器A暂存器2暂存器1SP16位地址寄存器缓冲器PSWALUP1锁存器P1驱动器振荡器P3锁存器P3驱动器PC加1PCDPTR中断系统串行口定时/计数器定时及控制指令寄存器PSENALEEARSTVccVssP0.0～P0.7P2.0～P2.7P1.0～P0.7P3.0～P3.73/19/20247电气学院电子信息李鸿1.适于控制应用的8位CPU2.具有布尔处理（位处理）能力3.64KB程序存储器空间4.64KB数据存储器空间5.128个字节片内数据存储器51系列单片机硬件电路特征：3/19/20248电气学院电子信息李鸿6.4K字节片内程序存储器7.32根双向并可按位寻址的I/O口线8.二个16位定时/计数器9.一个全双工的串行I/O接口10.6源5向量中断结构，每个中断源都具有两级11.片内时钟振荡器3/19/20249电气学院电子信息李鸿组成单片机的各部分功能⑴中央处理器（CPU）⑵数据存储器（RAM）⑶程序存储器（ROM）⑷并行输入输出口（I/O）⑸定时/计数器（ROM）3/19/202410电气学院电子信息李鸿⑹全双工串行口⑺中断系统⑻时钟电路⑼数据总线（DB）⑽控制总线（CB）⑾地址总线（AB）3/19/202411电气学院电子信息李鸿二、MCS-51系列单片机引脚功能VccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.6P0.7P0.5EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.3P2.2P2.4P2.1P2.0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.6P1.7P1.5RST/VPDRXDP3.0TXDP3.1INT0P3.2INT1P3.3T0P3.4WRP3.6RDP3.7T1P3.5XTAL2XTAL1Vss12345678910111213141516171819203029282726252423222140393837363534333231VccVssXTAL2XTAL1ALECARSTPSENP0（双向口）P2（准双向口）P1（准双向口）P3（准双向口）RXDTXDINT0INT1WRRDT0T140脚双列直插DIP封装图逻辑图符号3/19/202412电气学院电子信息李鸿1.电源引脚

Vcc（Pin40）：接＋5V电源正极

Vss（Pin20）：接＋5V电源负极

2.时钟电路引脚

XTAL1（Pin19）XTAL2（Pin18）引脚的名称和功能3/19/202413电气学院电子信息李鸿

RST/VPD（Pin9）:复位信号。

3.控制信号引脚3/19/202414电气学院电子信息李鸿

ALE/PROG（Pin30):地址锁存控制。访问片外程序存储器时，用于锁存地址的低8位。

PSEN（Pin29）:片外取指控制。访问片外程序存储器时，输出负脉冲选通信号。

EA/VPP（Pin29）

:程序存储器的内外部选通线。

EA=1时，先选取内部程序存储器。

EA=0时，只选取外部程序存储器。3/19/202415电气学院电子信息李鸿P0.0～P0.7:P0口，8位（漏极开路）双向口线。 既可作为通用的I/O口使用，也可作为地 址数据线使用。P1.0～P1.7:P1口，带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2.0～P2.7:P2口，带内部上拉电阻的8位双向I/O口。 既可作通用I/O口使用，也可跟P0口配合 构成地址的高8位信号。

P3.0～P3.7:P3口，带内部上拉电阻的8位双向I/O口， 既可作为通用的I/O口使用，同时具有第 二功能：

4、输入输出引脚3/19/202416电气学院电子信息李鸿RD（片外数据存储器读选通信号输出端）P3.7WR（片外数据存储器写选通信号输出端）P3.6T1（定时器/计数器1脉冲输入端）P3.5T0（定时器/计数器0脉冲输入端）P3.4INT1（外部中断1请求输入端）P3.3INT0（外部中断0请求输入端）P3.2TXD（串行输出口）P3.1RXD（串行输入口）P3.0第二功能引脚3/19/202417电气学院电子信息李鸿2.2单片机工作原理

一、CPU的工作原理

CPU主要是由运算器和控制器两大部分组成。控制器根据指令码产生的微控制信号，协调运算器、存储器、输入/输出端口之间工作；运算器用于算术、逻辑运算及位操作处理。3/19/202418电气学院电子信息李鸿1、控制器

控制器是用来统一指挥和控制单片机工作的部件，由指令部件、时序部件和操作控制部件组成。

（1）指令部件，控制器的核心

指令部件程序计数器PC：16位的计数器，其内容为将要执行的指令地址

指令寄存器：8位寄存器，用来暂时存放指令指令译码器：对来自指令寄存器的操作码进行分析、解释3/19/202419电气学院电子信息李鸿（2）时序部件

产生单片机各部件所需的定时信号，以保证各个部件有条不紊地进行信息传送、加工及存储等操作。

（3）操作控制部件

将指令译码器产生的微操作信号与时序部件产生的节拍信号进行组合，共同形成相应的微操作控制序列，以完成该指令所规定的操作。

3/19/202420电气学院电子信息李鸿完成对数据的算术运算或逻辑操作。

算术运算部件ALU

由加法器、加1减1电路、移位电路及BCD码修正电路等逻辑电路所组成。

累加器ACC

用来存放操作数和运算结果。

暂存器用来暂存进行运算之前的数据。

状态寄存器PSW

状态寄存器PSW是一个8位寄存器，用于寄存程序运行的状态信息。

2、运算器3/19/202421电气学院电子信息李鸿二、单片机执行程序的过程

单片机的工作过程就是执行程序的过程，程序执行可分解为取指令、分析指令、执行指令及为取下条指令做准备的循环操作过程。

Y=5+10

实现程序如下：存储器地址机器码汇编程序2000H 7405HMOVA，#05H

2002H240AHADDA，#0AH2004H

80FEHSJMP＄例3/19/202422电气学院电子信息李鸿假设PC当前值为2000H，

单片机复位后程序计数器PC的内容为0000H,故必须从0000H单元开始取指令来执行程序。0000H单元是系统的起始地址,一般在该单元存放一条无条件转移指令,用户设计的程序是从转移后的地址开始存放执行的。程序MOVA，#05H执行过程：3/19/202423电气学院电子信息李鸿1、取指令

PC的内容2000H经AB送AR。PC的内容自动加1（PC=2001H）。AR内容经内部AB送存储器，选中2000H存储单元。PSEN有效。被选中的存储单元的内容74H，经内部DB送IR。

2、分析指令

操作码74H送ID。ID将操作码分解成一系列的微操作信号。微操作信号与时序电路相结合，产生完成指令任务的工作时序。

3/19/202424电气学院电子信息李鸿3、执行指令按照指令的工作时序，PC的当前值（2001H）经AB送AR，选取中地址为2001H的存储单元。PSEN变低电平，2001H单元中的内容05H经内部DB直接送累加器A。2001H指令单元数据取出后，PC值自动加1，变成2002H，为取下条指令作好准备。3/19/202425电气学院电子信息李鸿单片机指令执行过程图3/19/202426电气学院电子信息李鸿三、单片机工作时序

1、时钟电路

时钟电路产生的振荡脉冲经过内部触发器进行二分频之后，成为单片机的时钟脉冲信号。单片机的时钟脉冲信号为单片机提供了一个基本时钟信号。

3/19/202427电气学院电子信息李鸿2、时序定时单位

（1）节拍与状态

单片机内部的时钟脉冲定义为节拍，用P表示；时钟信号的周期定义为状态，用S表示。一个状态S含有两个节拍，前半周期相应的节拍定义为1(P1)，后半周期对应的节拍定义为2(P2)。

机器周期由6个状态组成，分别表示为S1-S6，一个机器周期有12个节拍，可以记着S1P1、S1P2……S6P1、S6P2，一个机器周期共包含12个振荡脉冲。

（2）机器周期3/19/202428电气学院电子信息李鸿

执行一条指令所需要的时间称为指令周期，一条指令可能包括一到四个不等的机器周期。

（3）指令周期

晶振频率、节拍、机器周期、指令周期之间的关系如下图所示：3/19/202429电气学院电子信息李鸿3、指令的工作时序

MCS-51系列单片机共有111条指令，按指令长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。单字节指令单机器周期单字节指令双机器周期单字节指令四机器周期双字节指令单机器周期双字节指令双机器周期三字节指令双机器周期不同指令执行所需机器周期数不一样3/19/202430电气学院电子信息李鸿

MCS-51的取/执行指令工作时序图

3/19/202431电气学院电子信息李鸿几种典型的指令时序

（1）单字节单周期指令

单字节单周期指令，只进行一次读指令操作，当第二个ALE信号有效时，PC并不加1，那么读出的还是原指令，属于一次无效的读操作。

（2）双字节单周期指令

两次的ALE信号都是有效的，第一个ALE信号有效时读的是操作码，第二个ALE信号有效时读的是操作数。

（3）单字节双周期指令

两个机器周期需进行四次读指令操作，但只有一次读操作是有效的，后三次的读操作均为无效操作。

3/19/202432电气学院电子信息李鸿2.3MCS-51系列单片机存储器在物理上设有4个存储器空间：

片内程序存储器片外程序存储器片内数据存储器片外数据存储器

在逻辑上设有3个存储器空间：

片内片外统一编址的64KB程序存储器片内（又分高低2个128字节）数据存储器片外64KB数据存储器

3/19/202433电气学院电子信息李鸿MCS-51存储器空间分布图

3/19/202434电气学院电子信息李鸿MCS-51系列单片机的存储器结构与常见的微机的配置方式不同。它们把程序和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。因访问指令不同，地址可以重叠。3/19/202435电气学院电子信息李鸿编址与访问

★

MCS-51系列单片机的PC为16位，所以程序存储器寻址范围为64KB（0000H～FFFFH）一、程序存储器用于存放编好的程序、表格和常数。3/19/202436电气学院电子信息李鸿★通过MOVC指令进行访问★编址规律：

先片内、后片外，片内片外连续，二者一般不作重叠。

EA＝0，只访问片外程序存储器

EA＝1，先访问片内程序存储器。当PC>0FFFH（51子系统）或PC>1FFFH(52子系统)，再去访问片外程序存储器。

3/19/202437电气学院电子信息李鸿如下图所示0000H0FFFH0000H0FFFH1000HFFFFH00H7FH80HFFH片内ROM/EA=1片外ROM/EA=0片外ROM片外RAM0000HFFFFH数据存储器程序存储器SFR片内RAM存储器编址图3/19/202438电气学院电子信息李鸿例如主程序实际从2000H开始存放，复位后，通过跳转指令LJMP转移至2000H开始执行。 ORG0000H LJMP2000H . . . ORG2000HSTART：-------------------3/19/202439电气学院电子信息李鸿

在程序存储器中，从0003H～002AH共40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元，中断响应后，按中断的类型，自动转到各自的中断区，它们被均匀地分为五段

0003H—000AH

外部中断0中断地址区。000BH—0012H

定时/计数器0中断地址区。0013H—001AH

外部中断1中断地址区。001BH—0022H

定时/计数器1中断地址区。0023H—002AH

串行中断地址区。

3/19/202440电气学院电子信息李鸿二、数据存储器222

数据存储器也称为随机存取数据存储器，是用于存放执行过程中的结果和中间数据。

MCS-51单片机的数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间内部数据存储区：00H-FFH外部数据存储区：0000H-FFFFH3/19/202441电气学院电子信息李鸿51系列单片机片内含有256个字节RAM。其中低128B地址(00H～7FH)为用户数据RAM。1、片内数据存储器

高128B地址(80H～FFH)为特殊寄存器（SFR）单元。8051系列单片机内部数据存储器分布如图所示：3/19/202442电气学院电子信息李鸿片内数据存储器分布图

用户RAM区（堆栈、数据缓冲）位寻址区（地址：00H～7FH）第3组通用寄存器区第2组通用寄存器区第1组通用寄存器区第0组通用寄存器区用户RAM位寻址区通用寄存器区7FH30H2FH20H1FH18H17H10H0FH08H07H00H低128单元高128单元FFHF0HE0HD0HB8HB0HA8HA0H99H98H90H8DH8CH8BH8AH89H88H87H83H82H81H80HBACCPSWIPP3IEP2SBUFSCONP1TH1T0TL1TL0TMODTCONPCONDPHDPLSPP0专用寄存器区SFR3/19/202443电气学院电子信息李鸿（1）片内数据RAM区(低字节）

①工作寄存器区占用片内RAM00H～1FH。共分4组，每组8个单元，用R0～R7表示，实际应用只使用一组，其他各组不工作、待用。哪一组工作由PSW中RS1、RS0两位选择，如下表所示：3/19/202444电气学院电子信息李鸿RS1RS0工作寄存器区000区00H～07H011区08H～0FH102区10H～17H113区18H～1FH3/19/202445电气学院电子信息李鸿占用片内20～2FH16个单元，每个单元8位，共计16×8＝128位，每位对应都有位地址。有了位地址可以位寻址。②位寻址区占用片内30～7FH，共80个单元，用户可随意使用。③用户RAM区3/19/202446电气学院电子信息李鸿D7D6D5D4D3D2D1D020H070605040302010021H0F0E0D0C0B0A090822H171615141312111023H1F1E1D1C1B1A191824H272625242322212025H2F2E2D2C2B2A292826H373635343332313027H3F3E3D3C3B3A393828H474645444342414029H4F4E4D4C4B4A49482AH57565554535251502BH5F5E5D5C5B5A59582CH67666564636261602DH6F6E6D6C6B6A69682EH77767574737271702FH7F7E7D7C7B7A7978

内部RAM的20H-2FH单元为位寻址区，位寻址区共有16个RAM单元，128位，位地址为00H-7FH。

这些单元既可作为一般的RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中的每一位进行操作。

位

寻

址

区3/19/202447电气学院电子信息李鸿（2）特殊功能寄存器（SFR）

占用片内RAM80～FFH中部分单元。80～FFH未被SFR占用的单元保留，用户不能使用。SFR也称专用寄存器，专用于控制、管理片内ALU部件、并行I/O口、串行I/O口、定时/计数器、中断系统，如下表所示。其中有些专用寄存器有位地址或位名称，可以进行位操作。3/19/202448电气学院电子信息李鸿序号标识符1ACC2B3PSW4SP5DPTR6IE7IP8P09P110P2地址0E0H0F0H0D0H81H82H、83H0A8H0B8H80H90H0A0H寄存器名称累加器B寄存器程序状态字堆栈指针数据指针（16位）含DPL和DPH中断允许控制寄存器中断优先控制寄存器I/O口0寄存器I/O口1寄存器I/O口2寄存器3/19/202449电气学院电子信息李鸿序号11121314151617181920标识符P3PCONSCONSBUFTCONTMODTL0TH0TL1TH1地址0B0H87H98H99H88H89H8AH8CH8BH8DH寄存器名称I/O口3寄存器电源控制及波特率选择寄存器串行口控制寄存器串行数据缓冲寄存器定时控制寄存器定时器方式选择寄存器定时器0低8位定时器0高8位定时器1低8位定时器1高8位3/19/202450电气学院电子信息李鸿

①程序计数器PC(ProgramCounter)

PC在物理上是独立的，它不属于特殊功能寄储器，但人们习惯于称它是特殊功能寄存器。PC是一个16位的计数器，用于存放一条即将要执行的指令地址，寻址范围为64kB，PC有自动加1功能。

②累加器ACC(Accumulator)

ACC是一个8位寄存器，通过暂存器与CPU相连。3/19/202451电气学院电子信息李鸿

寄存器B也是8位寄存器。它除了作通用的寄存器使用外，在乘除法中有其特殊的功能③寄存器B操作数1操作数2×=高8位低8位寄存器B累加器A寄存器B累加器A乘法运算被除数除数÷=高8位低8位寄存器B累加器A寄存器B累加器A除法运算3/19/202452电气学院电子信息李鸿④程序状态字寄存器PSW

PSW是一个8位寄存器，用做程序运行状态标志，其格式如下表所示：

位序位标志76543210CYACF0RS1RS0OV-P各标志位的功能如下：3/19/202453电气学院电子信息李鸿CY进位标志位

D7有进位或借位时CY＝1,否则CY＝0；在进行位操作时，CY作为位操作累加器。AC辅助进位标志

D3有进位或借位时AC＝1，否则AC＝0，

也常用于十进制调整。FO用户标志

用户定义，通过软件置位或清零3/19/202454电气学院电子信息李鸿RS1、RS0寄存器组选择位

选择指令当前工作的工作寄存器组。OV溢出标志

带符号加减运算中，超过累加器A所能表示的符号数有效范围（-128～+127）则OV＝1。

乘法指令，乘积超过255时，OV=1。除法指令，OV=1，表示除数为0。P奇偶标志

A中1的个数若为奇数P=1,否则P=03/19/202455电气学院电子信息李鸿⑤数据指针(DPTR)

DPTR为16位寄存器，由DPH和DPL两个寄存器组成，用以存放16位地址。⑥堆栈指针SP(StackPointer)栈顶栈区栈底4B4B30314848SP

SP是一个8位寄存器，它指示当前堆栈顶部在内部RAM中的位置。系统复位后，SP的初始值为07H。

3/19/202456电气学院电子信息李鸿

堆栈操作的主要特征是遵循“后进先出”规则，堆栈的操作只有两种，即进栈和出栈:

进堆栈用指令:PUSHdirect出堆栈用指令:POPdirect

⑦I/O口专用寄存器(P0、P1、P2、P3)

3/19/202457电气学院电子信息李鸿MCS-51系列单片机有一个数据指针DPTR可用于寻址片外程序存储器或片外数据存储器单元。它为16位，可寻址范围为64KB（0000H～FFFFH）。通过MOVX指令进行访问。2、片外数据存储器3/19/202458电气学院电子信息李鸿

0111,1111B+0100,1111B1100,0110B结果:(A)=C6H,C=0,AC=1,OV=1,P=0MOVA,#7FHADDA,#4FH例如3/19/202459电气学院电子信息李鸿

P0、P1、P2、P3口为4个8位并行I/O接口，共32根，可并行输入或输出8位数据，也可按位操作。

一、P0口

P0口1位的结构原理图如图所示：

V1、V2构成输出驱动器，与门3、反相器4及模拟开关构成输出控制电路，三态门1为输入缓冲器。2.4并行输入/输出接口3/19/202460电气学院电子信息李鸿DQCLKQ读锁存器内部总线写锁存器读引角地址/数据输出控制信号T2T1VccP0.xMUX锁存器P0口1位结构原理图3/19/202461电气学院电子信息李鸿

P0口作为通用I/O口使用时，内部的控制信号为低电平，封锁与门，输出驱动电路的上拉场效应管（T1）截止，多路转换电路（MUX）接通锁存器端的输出通路。

1、P0作通用I/O口

（1）读数据

读引脚：读芯片引脚的数据

读端口：读锁存器Q端的状态

（2）写数据：当P0口写数据时，内部的写脉冲加在D

触发器的C端，由锁存器和驱动电路构 成数据输出通路。3/19/202462电气学院电子信息李鸿2、P0作数据/地址总线

P0作为地址/数据总线使用时，内部的控制信号为高电平，与门被打开，多路转接电路（MUX）

接内部地址/数据线。

注意：当P0口作为通用的I/O使用时，必须在

P0口外接上拉电阻。读P0口状态时，必须先向电路中的锁存器置“1”，使FET截止。

P0口作为数据/地址线使用时就不能再作通用的I/O口使用。

3/19/202463电气学院电子信息李鸿DQCLKQ2读锁存器内部总线写锁存器1读引脚TVccP1.xP1口1位结构原理图上拉电阻锁存器二、P1口3/19/202464电气学院电子信息李鸿

P1口为8位准双向口，没有多路转换电路（MUX），内部有上拉电阻作为通用I/O口使用。

1、写数据：写锁存器控制信号加在锁存器的C端。

D=“1”则Q=“0”T封锁，输出为“1”

D=“0”则Q=“1”T打开，输出为“0”

2、读数据：与P0口一样，P1口读数据也分读引脚和读

内部锁存器。

3/19/202465电气学院电子信息李鸿

P1口输入时，若锁存器中Q=0,则Q=1,使V1导通，P1.i被钳拉在低电平。不可能输入高电平。因此输入前，先用输出指令使Q=1。故称P1口为准双向接口注意3/19/202466电气学院电子信息李鸿DQCLKQ读锁存器内部总线写锁存器读引脚VccP2.xP2口1位结构原理图上拉电阻地址控制信号MUXT锁存器三、P2口3/19/202467电气学院电子信息李鸿

P2口既可作为通用的I/O使用，也可用作外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高8位（AB8-AB15）地址。当控制信号为高电平时，MUX接内部地址总线，P2口作地址线使用。 控制信号为低电平时，MUX与锁存器相连，P2口作为通用I/O口使用，与P1口一样。

3/19/202468电气学院电子信息李鸿DQCLKQ读锁存器内部总线写锁存器读引脚第二功能输出上拉电阻VccP3.x第二功能输入P3口1位结构原理图T锁存器四、P3口3/19/202469电气学院电子信息李鸿P3口用作I/O口时，内部“第二功能输出”保持高电平，其功能与P1口相同，也为准双向I/O口。1、P3口作通用I/O口使用3/19/202470电气学院电子信息李鸿见前节内容。P3口作为第二种功能使用时，其锁存器Q端必须为高电平，否则T导通，P3.x被钳位在低电平。2、P3口的第二功能3/19/202471电气学院电子信息李鸿复位时特殊功能寄存器的状态如下表所示：2.5MCS-51系列单片机的工作方式

一、复位方式

1、复位操作

复位操作是单片机的初始化操作，单片机在进入运行前和在运行过程中程序出错或操作失误使系统不能正常运行时，需要进行复位操作。

3/19/202472电气学院电子信息李鸿寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HB00HTH000HPSW00HTL100HSP07HTH100HTMOD××000000BPCON0×××00