第2章 MCS-51单片机的硬件结构教材

第2章MCS-51系列单片机的硬件结构与工作原理MCS－51系列单片机内部结构MCS－51系列单片机的存储器配置CPU的时序及辅助电路本章内容学习目的了解MCS-51系列单片机内部结构掌握MCS－51系列单片机的存储器配置掌握MCS－51系列单片机各引脚的功能掌握CPU时序及看门狗电路的工作原理主要功能概述

MCS－51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，包含51和52子两个系列。51子系列中主要有8031、8051、8751三种机型，它们指令和引脚完全兼容，仅片内ROM有所不同。51单片机的结构与工作原理2.1MCS-51系列单片机的基本结构1.8位CPU2.片内带振荡器，频率fosc的范围为1.2～12MHz3.128个字节的片内数据存储器RAM(用于储存数据,工作变量,位标志等,8052内部有256字节的RAM)4.4K字节的片内程序存储器ROM(片外可扩展到64K,8031无)51系列主要功能为：51单片机的结构与工作原理5.程序存储器的寻址范围为64KB6.片外数据存储器的寻址范围为64KB7.21个字节专用寄存器(18个特殊功能寄存器，其中3个为双字节，共占用21个字节。用于CPU对片内各功能部件进行管理，控制，监视—具有特殊功能的RAM区，是一些控制寄存器和状态寄存器）。8.4个8位并行I/O口：P0、P1、P2、P3。可以作为并行输入/出口，其他复用功能。

51单片机的结构与工作原理9.1个全双工串行口，可实现多机通信10.2个16位定时/计数器，中断系统有5

个中断源11.111条指令，含乘、除法，有很强的位处理能力12.片内采用单总线结构，单一＋5V电源51单片机的结构与工作原理

52子系列主要有8032、8052两种机型。与51子系列不同在于：片内数据存储器增至256个字节，3个16位定时/计数器，6个中断源。

51单片机的结构与工作原理MSC51芯片的基本结构芯片的封装形式——40脚和44脚（其中4脚是无用的）。

MCS-51系列单片机的内部结构如下图所示：2.2MCS-51单片机的CPU及其特点51单片机的结构与工作原理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～P3.751单片机的结构与工作原理1.控制器:解释(译码)指令，发出控制信号，协调工作，完成CPU给出的任务。程序计数器PC(ProgramCounter)

功能:用来存放下一条即将执行指令的存储单元的地址。系统自动将PC的内容送到指令寄存器IR中。开机或复位时，PC里的值被清零，计算机自动从0000H地址开始执行指令。当执行指令时，CPU将自动修改PC,PC=PC+1。51单片机的结构与工作原理指令寄存器IR(InstructionRegister)

功能:用来存放从存储器送来的即将执行指令的地址。是一个9位的寄存器。指令译码器ID(InstructionDecoder)

功能:对指令寄存器的指令进行译码，并将指令转变为逻辑电路所需的逻辑电信号。51单片机的结构与工作原理堆栈指示器SP(StackPointer)

功能:用来存放特殊数据的8位专用的片内RAM存储器空间。是计算机不可缺少的部件。又称为堆栈指针。51单片机的结构与工作原理2、运算器

它包含ALU、累加器A、暂存器、寄存器B、程序状态字PSW等功能部件。PSW(程序状态字)为8位D7D6D5D4D3D2D1D0CACF0RS1RS0OVF1P51单片机的结构与工作原理C进位标志位

D7有进位或借位时C＝1,否则C＝0AC辅助进位标志

D6有进位或借位时AC＝1(包括半个字节进位)，否则AC＝0，用于BCD码运算FOF1软件标志用户定义，通过软件置位或清零,在程序运行中自己定义的标志。51单片机的结构与工作原理RS1、RS0工作寄存器选择位

选择四个工作寄存器组中的一组投入工作(见后面内容)OV溢出标志

用于有符号数运算，若结果超过

-128～+127，则OV＝1，否则OV＝0P奇偶标志

A中1的个数若为奇数P=1,否则P=051单片机的结构与工作原理例如：MOVA,#7FHADDA,#4FH0111,1111B+0100,1111B1100,0110B结果:(A)=C6H,C=0,AC=1,OV=0,P=051单片机的结构与工作原理

3.I/O接口：4个8位并行输入输出(I/O)接口，即P0,P1,P2和P3口，用来传送数据或地址信号。它们是准双向输出输入口。P0和P2口除了可以传送数据，还可以在扩展存储器系统时作为地址总线。

4.串行接口：集成了一对可编程全双工串行通信接口。可以实现单片机的串行通信。51单片机的结构与工作原理

5.定时/计数器：集成2个16位的可编程定时/计数器T0和T1。其主要部件是一个16位加法计数器。计满了就清零，再重新计数。

6.中断系统

7.数据指针DPTR：16位，访问片外ROM、

RAM和扩展I/O时用51单片机的结构与工作原理8.振荡器

MCS-51系列单片机内含一个高增益反相放大器，外接晶体和微调电容，便成为自激振荡器。其功能是为系统提供时钟信号源。

30pF30pFC1C2XTAL1XTAL2单片机单片机外接晶体的接法51单片机的结构与工作原理

晶体与两个电容C1、C2构成并联谐振。振荡器频率取决于晶体,电容微调，取30pF,电容应尽量靠近单片机芯片安装。频率范围是1.2-12MHz(与单片机芯片有关)。51单片机的结构与工作原理VccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.6P0.7P0.5EA/VDDALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.3P2.2P2.4P2.1P2.0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.6P1.7P1.5RSTVPDRXDP3.0TXDP3.1INT0P3.2INT1P3.3T0P3.4WRP3.6RDP3.7T1P3.5XTAL2XTAL1Vss1220403921............51单片机的结构与工作原理2.3MCS-51单片机的引脚图

一般采用双列直插式40引脚(DIP40)封装，也有方形封装，用HMOS工艺制造，也有低功耗CHMOS工艺制造，加“C”识别。部分引脚采用分时复用技术。51单片机的结构与工作原理

MSC51芯片引脚的功能电源引脚——Vcc(40脚)；接＋5V电源正极，Vss(20脚)：接＋5V电源负极，系统数字地，GND；时钟引脚——XTAL1(19脚)，XTAL2(18脚)：该两脚连接外接晶体和补偿电容的两脚；51单片机的结构与工作原理

MSC51芯片引脚的功能控制引脚——PSEN，ALE，EA，RESET（RST）PSEN(29脚)——程序存储器允许输出控制端；是片外取指令信号输出端，仅对程序存储器作用，一般连程序存储器的OE端。ALE/PROG(30脚)——①ALE的作用是输出地址锁存允许信号。当CPU访问外部存储器时，ALE发出的信号的负跳沿控制锁存器锁存CPU发出的低8位地址信号。该引脚输出频率为振荡频率fosc的1/6。②PROG的作用是片内含有EPROM的机型，该脚用作编程脉冲输入端。51单片机的结构与工作原理

MSC51芯片引脚的功能控制引脚——PSEN，ALE，EA，RESET（RST）EA/VPP(31脚)——①EA的作用是内/片外程序存储器选用端。当EA=1时，访问片内存储器，但当PC溢出时（大于4K，即地址值为0FFFH），CPU自动执行外部存储器程序。当EA=0时，CPU只执行外部存储器程序；②Vpp的作用是对片内含有EPROM的机型，该脚用作编程电压输入端。51单片机的结构与工作原理

MSC51芯片引脚的功能控制引脚——PSEN，ALE，EA，RESET（RST）RST/VPD(9脚)——①RST是复位端RESET。即复位信号输入端。只要在RST加上持续时间大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平，就可以对系统复位。②备用电源的接入端口。当Vcc掉电期间，该脚接备用电源VPD，可保存片内RAM的信息。51单片机的结构与工作原理

MSC51芯片引脚的功能输入输出I/O端口引脚P0.0～P0.7:(32-39脚)可作为准双向I/O口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和8位数据线。P1.0～P1.7:(1-8脚)可作为准双向I/O口。在52系列

中还有第二种功能(通用I/O接口功能)。P2.0～P2.7:(21-28脚)可作为准双向I/O口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P2口用作高8位地址总线。P3.0～P3.7:(10-17脚)可作为准双向I/O口。此外，还有特殊功能。第二种功能，如下图所示：51单片机的结构与工作原理引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0请求输入端）P3.3INT1（外部中断1请求输入端）P3.4T0（定时器/计数器0脉冲输入端）P3.5T1（定时器/计数器1脉冲输入端）P3.6WR（片外数据存储器写选通信号输出端）P3.7RD（片外数据存储器读选通信号输出端）51单片机的结构与工作原理引脚特点功能多/引脚少，许多引脚具有第二功能。AB总线(地址总线)由P0、P2组成16位DB总线(数据总线)由P0分时复用8位CB总线(控制总线)有ALE、PSEN、RST、

EA、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD等10根。51单片机的结构与工作原理存储器配置

MCS-51系列单片机内含的存储器容量（字节数）如下表所示:51单片机的结构与工作原理2.4MCS-51单片机的存储空间MCS-51系列单片机型号存储器类型片内程序存储器容量(B)片内数据存储器容量(B)掩膜ROMEPROMRAMSFR专用寄存器51子系列8031－－12812880514KB－1281288751－4KB12812852子系列8032－－25612880528KB－25612851单片机的结构与工作原理

MCS-51系列单片机存储空间可分为三大区域：程序存储器片内数据存储器片外数据存储器51单片机的结构与工作原理1000HFFFFH片外ROM片外RAM0000HFFFFH7FH0000H0FFFH0000H0FFFH00H80HFFH片外ROM/EA=0SFR片内ROM/EA=1片内RAM存储器编址图如下图所示数据存储器程序存储器51单片机的结构与工作原理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。采用哈佛（Harvard）结构。它们把程序和数据存储器分开，各自独立。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。51单片机的结构与工作原理程序存储器1.编址与访问

★

MCS-51系列单片机的程序计数器PC为16位，所以程序存储器寻址范围为64KB（0000H～FFFFH）51单片机的结构与工作原理★通过MOVC指令进行访问★编址规律：

先片内、后片外，片内片外地址连续，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。当程序计数器PC>0FFFH（51子系统）或PC>1FFFH(52子系统)，再去访问片外程序存储器。

51单片机的结构与工作原理★地址分配:片内4K(0000H～0FFFH)：对于小程序，片内的空间已经够用，可以存放2000多条指令。对于大程序，需要扩展到片外：片外64K(0000H～FFFFH);★复位:复位后PC里的内容为0000H。0000H是程序启动地址，通常在该单元放一条绝对跳转指令，跳向主程序的入口地址;51单片机的结构与工作原理2.7个特殊单元程序存储器有7个单元留作特殊用途。不能存放其他指令。第一单元为0000H。复位后程序执行起始地址（PC＝0000H）。另外6个对应于6个中断源（51子系列仅有5个），作为中断服务程序入口地址(在64K存储器中),见下表51单片机的结构与工作原理中断源入口地址外部中断00003H-000AH定时/计数器0溢出000BH-0012H外部中断10013H-001AH定时/计数器1溢出001BH-0022H串行口中断0023H-002AH定时/计时器2溢出或T2EX端负跳变(仅增强型8XX52,如8032、8052用)002BH51单片机的结构与工作原理作用：7个单元相隔很近，放不下稍长程序代码。它们实际存放一条无条件转移指令，分别转移到用户程序真正起始地址或对应中断服务程序真正入口地址。

51单片机的结构与工作原理例如主程序实际从0030H开始存放，复位后，通过跳转指令LJMP转移至0030H开始执行。ORG0000HLJMPMAIN...ORG0030HMAIN:MOVSP,#30H51单片机的结构与工作原理片内数据存储器

51子系列单片机片内含有256个字节RAM(00H～FFH)。其中前128个(00H～7FH)可供用户使用。可供用户使用的前128个字节分为三大区域：（1）(4组)工作寄存器(00H～1FH，4×8=32单元)；（2）(128个单元（位）的)位寻址区(20H～2FH，16×8=128个单元)；（3）数据缓冲区(30H～7FH的存储空间只能作字节寻址)如下图所示：51单片机的结构与工作原理工作寄存器区00HR0工作寄存器0组01HR1……07HR708HR0工作寄存器1组09HR1……0FHR710HR0工作寄存器2组11HR1……17HR718HR0工作寄存器3组19HR1……1FHR751单片机的结构与工作原理D7D6D5D4D3D2D1D0位寻址区20H070605040302010021H0F0E0D0C0B0A090822H171615141312111023H1F1E1D1C1B1A191824H272625242322212025H2F2E2D2C2B2A292826H373635343332313027H3F3E3D3C3B3A393828H474645444342414029H4F4E4D4C4B4A49482AH57565554535251502BH5F5E5D5C5B5A59582CH67666564636261602DH6F6E6D6C6B6A69682EH77767574737271702FH7F7E7D7C7B7A797851单片机的结构与工作原理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：51单片机的结构与工作原理RS1RS0选中00工作寄存器0组01工作寄存器1组10工作寄存器2组11工作寄存器3组51单片机的结构与工作原理占用片内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。3.数据缓冲区

1个16位的寄存器。也可分成2个独立的寄存器使用。高字节为DPH,低字节为DPL。4.数据指针DPTR51单片机的结构与工作原理一个8位的堆栈指针SP，专用于指出当前堆栈顶部是片内RAM的哪一个单元，向上原则，复位后SP＝07H。为了避开工作寄存器和位寻址区，SP初值可定为2FH或更大的片内RAM地址值。堆栈的作用：保护断点和现场。用于子程序调用和中断操作。5.堆栈与堆栈指针51单片机的结构与工作原理占用片内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。6.特殊功能寄存器块SFR51单片机的结构与工作原理专用寄存器符号地址位地址与位名称D7D6D5D4D3D2D1D0P0口P080H8786858483828180堆栈指针SP81H数据指针低字节数据指针高字节DPLDPTRDPH82H83H定时器/计数器控制TCON88HTF18FTR18ETF08DTR08CIE18BIT18AIE089IT088定时器/计数器方式控制TMOD89HGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0定时器/计数器0低字节TL08AH定时器/计数器1低字节TL18BH定时器/计数器0高字节TH08CH定时器/计数器1高字节TH18DH51单片机的结构与工作原理专用寄存器符号地址位地址与位名称D7D6D5D4D3D2D1D0P1口P190H9796959493929190电源控制PCON97HSMOD------------GF1GF0PDIDL串行控制SCON98HSM09FSM19ESM29DREN9CTB89BRB89ATI99RI98串行数据缓冲区SBUF99HP2口P2A0HA7A6A5A4A3A2A1A0中断允许控制IEA8HEAAF--------ET2ADESACET1ABEX1AAET0A9EX0A8P3口P3B0HB7B6B5B4B3B2B1B0中断优先级控制IPB8H----------------PT2BDPSBCPT1BBPX1BAPT0B9PX0B851单片机的结构与工作原理专用寄存器符号地址位地址与位名称D7D6D5D4D3D2D1D0定时器/计数器2控制T2CONC8HTF2CFEXF2CERCLKCDTCLKCCEXEN2CBTR2CAC/T2C9CP/RI2C8定时器/计数器2自动重载低字节RLDLCAH定时器/计数器2自动重载高字节RLDHCBH定时器/计数器2低字节TL2CCH定时器/计数器2高字节TH2CDH程序状态字PSWD0HCD7ACD6F0D5RS1D4RS0D3OVD2----D1PD0累加器AE0HE7E6E5E4E3E2E1E0B寄存器BF0HF7F6F5F4F3F2F1F051单片机的结构与工作原理片外数据存储器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。51单片机的结构与工作原理CPU时序及辅助电路基本概念1.振荡周期振荡器输出脉冲频率所对应的周期。T振＝1/fsoc51单片机的结构与工作原理2.5MCS-51单片机的CPU及辅助电路2.时钟周期(也称状态周期)振荡器输出脉冲经二分频后成为内部时钟信号（用作单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信号），其对应的周期：T时＝T状＝2/fosc51单片机的结构与工作原理3.机器周期6个时钟周期构成一个机器周期，T机＝6T时。有时用Tcy表示。

4.指令周期CPU执行一条指令所需时间，它以机器周期为计量单位。如单周期指令(一个机器周期)、双周期指令、4周期指令。51单片机的结构与工作原理CPU时序以S1……S6表示一个机器周期的6个T时，以P1P2表示每个T时的两个节拍，则一个T机依次有S1P1、S1P2……S6P1、S6P212个T振。除访问片外RAM时，ALE(地址锁存信号)脉冲每个Tcy的S1P2至S2P1及S4P2至S5P1期间发生一次。单周期指令的CPU时序如下图所示：

51单片机的结构与工作原理振荡器信号(XTAL2端)ALES1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2读操作码S1S2S3S4S5S6读下一条指令读操作码S1S2S3S4S5S6读第二字节a）b)单周期指令的时序a）单字节周期指令，如INCAb）双字节单周期指令，例如：ADDA,#data51单片机的结构与工作原理它包含有单字节、双字节指令。两者都在S1P2期间由CPU取指令（读指令），PC自动加1；双字节指令在同一个T机的S4再读第二字节，PC+1→PC，而单字节指令在S4也读操作码，因是单字节指令读后丢弃不用。PC不加1。两种指令在S6P2结束时都完成操作。

若是单字节双周期指令在两个T机内读4次，后3次读后丢弃。(图见教材)

51单片机的结构与工作原理辅助电路1.复位电路

MCS-51系列单片机的RST脚上只要出现10ms以上的高电平,持续时间大于2个机器周期，实现复位。它的两种复位方式：上电复位，手动复位。51单片机的结构与工作原理(1)复位状态

复位后，SFR和PC的状态如下