51单片机硬件结构

单片机原理及应用4A建4丈舍

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单片机硬件结构

2008-3-51

MCS-51系列单片机配置一览表

片内存储器（字节）中

定时器并行串行

系列片内ROM断

片内计数器I/OI/O

无有ROM有EPROMRAM源

Intel80518751

8031128

MCS-5180C5187C512x164x8位15

80C31字节

子系列（4K字节）（4K字节）

Intel80528752

8032256

MCS-5280C5287C523x164x8位16

80C32字节

子系列（8K字节）（8K字节）

1051（1K）2051（2K）4051（4K）

ATEML12821515

（20条引脚DIP封装）

89c系列

89C51（4K）89C52（8K）128/2

（常用型）2/33215/6

（40条引脚DIP封装）56

结构框图

频率基准源计数信号

|64KB总线—

内部扩展.制二＞可编程I/O

断信号/\?\

\/\7」上一

1并行I/。口IIXIS

外部中断信号控制信号

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80c51系列单片机内部结构及功能部件

P1.01w40nVcc

•18个（增强型为21个）特殊功能P1.1239PO.O

寄存器SFR。PL2338_P0.1

P1.3437LP0.2

P1.4536—)P0.3

・4个8位并行输入输出I/O接口：P0P1.5635P0.4

口、P1口、P2口、P3口（共32P1.6734P0.5

线），用于并行输入或输出数据。P1.78803133口P0.6

RST/VPD9

805132口P0.7

个串行接口。RxDP3.010875131——।EA/Vpp

•1I/OTxDP3.11130—1ALE/PROG

INTOP3.21229—]PSEN

・2个（增强型为3个）16位定时器/INTIP3.31328P2.7

计数器TOP3.41427P2.6

T1P3.51526二P2.5

•1个具有5个（增强型为6个或7个）WRP3.61625二P2.4

中胡源,可编程为2个优先级的中RDP3.71724=)P2.3

断累统。它可、......XTAL21823二1P2.2

B中断XTAL1二1922二P2.1

请信时附计娄Vss匚2021=1P2.0

口中断申请。图2—3aMCS-51引脚图

2008-03-054

单片机原理及应用

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80c51系列单片机内部结构及功能部件

5

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CPU内部结构：(1)运算电路:

运算部件以算术逻辑运算单元ALU为核心，包含累加

器ACC、B寄存器、暂存器、标志寄存器PSW等许多部件，

它能实现算术运算、逻辑运算、位运算、数据传输等处

理。

算术运算单元ALU是一个8位的运算器，它不仅可以完

成8位二进制数据加、减、乘、除等基本的算术运算，还

可以完成8位二进制数据逻辑“与”、“或”、“异或”、

循环移位、求补、清零等逻辑运算，并具有数据传输、

程序转移等功能。ALU还有一个一般微型计算机没有的

位运算器，它可以对一位二进制数据进行置位、清零、

求反、测试转移及位逻辑“与”、“或”等处理。这对

于控制方面很有用。

2008-03-056

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存储器

•RAM,CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电

鹦霹鬣鞭毓辕失。它用来存放暂时性的输入输出数据、

•ROM是一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，ROM中的信

瓢里不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数

•闪速存储器----FlashMemory

•EPROM------（UV）ErazibleProgrammableROM

•EEPROM/E2PROM——ElectricalErasable

ProgrammableROM

•静态存储器SRAM——StaticRAM

•（动态存储器DRAM——DynamicRAM）

•按字节寻址：每个字节（8个位）占一个地址

・按位寻址：有的存储器每一个位就有一个地址

2008-03-057

单片机原理及应用4A建4上启

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89c51单片机存储器配置

■片内RAM128字节(OOH—7FH);

片内RAM前32个单元是工作寄存器区(OOH—1FH)

片内RAM有128个可按位寻址的位，占16个单元。

位地址编号为：OOH—7FH,分布在20H—2FH单元

片内21个特殊功能寄存器(SFR)中：地址号能被8整除的

SFR中的各位也可按位寻址(P.33-34)

•可寻址片外RAM64K字节(OOOOH—FFFFH)

•可寻址片外ROM64K字节(OOOOH—FFFFH)

•片内FlashROM4K字节(000H—FFFH)

2008-03-058

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⑴寄存器区

•寄存器通常用于存放操作数及中间结果，由于它们的功

能及使用不做预先规定，因此称为通用寄存器，有时也

叫工作寄存器。在任一时刻，CPU只能占用其中的一组

寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称为当前寄存器。

FFH工作寄存器区3

52子系列才有工作寄存器区2

的RAM区工作寄存器区1

R7

80Ho6F1R6工

7FHo5tIR5作

o4FIR4寄

普通RAM区存

o3FIR3

30Ho2tIR2器

2FH区

位寻址区o1tIR1

20HR0o

匚作寄存器区

2008-03-059

L片机原理及应用

52・仃.

89C51|HB普通RAM区■|所有的RAM区（包括位■

128字节---------H同寻址区、工作寄存器.

■区）都可以用于存放■

「―■

2008-03-0510

⑵位寻址区

片内RAM中有；8个可按位寻址的位。

位地址：OOH—7FH2FH

分布在：20H—2FH单元

281

总

FFH共

271

12

个28

26可

52子系列才有I

按

25位

寻

的RAM区址

位

8oH24的

7FH

23

1

普通RAM区22

3oH1

2FH21

1

2oH位寻址区20

匚彳乍＜存茗浮区I

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⑶用户RAM区

•在内部RAM低128单元中，通用寄存器产士32个单元,

位寻址区占去16个单元，还剩余80个单元，作为供用户

使用的一般洲区。

•对于用户RAM区，只能以存储单元的形式来使用，其

他没有任何规定和限制，但一般在应用中常把堆栈开辟

在这个区域中。

2008-03-0512

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累加器ACC

累加器ACC（简称为A）为一个8位的寄存器，它是

CPU中使用最频繁的寄存器，ALU进行运算时，数据绝

大多数时候都来自于累加器ACC,运算结果也通常送回

累加器ACC。

2008-03-0513

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辅助寄存器

•寄存器B称为辅助寄存器，它是为乘法和除法指令而设置

的。在乘法运算时，累加器A和寄存器B在乘法运算前存

放乘数和被乘数，运算完后，通过寄存器B和累加器A存

放结果。除法运算时，运算前，累加器A和寄存器B存入

被除数和除数，运算后用于存放商和余数。

2008-03-0514

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程序状态字PSW

・程序状态字PSW（8位）：程序状态字是一个8

位寄存器，用于存放程序运行的状态信息，这个寄

存器的一些位可

•由软件设置，有些位则由硬件运行时根据指令执行

结果自动设置。功能说明如表所示。

PSW.6PSW.5

CYACFORSIRSOOV三P

2008-03-0515

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程序状态字PSW

PSW.7PSW.6PSW.5PSW.0

CYACF0RS1RS0OVP

▼CY(PSW.7)进位/借位标志位。若ACC在运算过程中发

生了进位或借位，则CY=1；否则=0。它也是布尔处理器

的位累加器，可用于布尔操作。

▼AC(PSW.6)半进位/借位标志位。若ACC在运算过程中，

D3位向D4位发生了进位或借位，则CY=1,否则=0。机器

在执行“DAA”指令时自动要判断这一位，我们可以暂

时本关心它。

▼F0(PSW.5)可由用户定义的标志位。

2008-03-0516

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程序状态字PSW

PSW.7PSW.6PSW.5PSW.0

▼RS1(PSW.4)>RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位

RS1,RSO=OO则选择了工作寄存器组。区R0〜R7分

别代表00H〜07H单元。

RS1,RS0=01则选择了工作寄存器组1区R0〜R7分

另U代表08H〜0FH单元。

其余类似

2008-03-0517

单片机原理及应用430!」丈舍

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寄存器选择组合

RSIRS0寄存器组片内RAM地址

00第0组00H-07H

01第1组08H-0FH

10第2组10H〜17H

11第3组18H〜1FH

2008-03-0518

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程序状态字PSW

PSW.7PSW.6PSW.5PSW.0

OV

▼OV--------溢出标志位

主要反映带符号数运算的结果是否正确。带符号加减运

算中，超出了累加器A所能表示的符号数有效范围(一

128——127)时，即产生溢出，ov=l。表明运算结果错

误。如果ov=0,表明运算结果正确，即无溢出产生。

2008-03-0519

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（4）数据指针DPTR（16位）：

•数据指针（DPTR）。数据指针为16位寄存器。编程时,

DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存

器分开使用，即：

DPHDPTR高位字节

DPLDPTR低位字节

•DPTR通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用。由

于外部数据存储器的寻址范围为64KB,故把DPTR设计

为16位。

2008-03-0520

单片机原理及应用4A建』上启

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内部数据存储器高128单元

•内部RAM的高128单元

•——专用寄存器(SFR)区地址为80H〜FFH

特殊功能寄存器(SFR)也称专用寄存器，专门用于控制、管理片内算

术逻辑部件、并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统等功能模块的工

作，用户在编程时可以给其设定值，但不能移作它用。分布在80H—FFH地址

空间，与片内数据存储器统一编址，除PC外，51子系列有21个特殊功能寄存

器。它们的分配情况如下：CPU专用寄存器：累加器A(EOH),寄存器B

(FOH),程序状态寄存器PSW(DOH),堆栈指针SP(81H),数据指针DPTR

(82H、83H)。

并行接口：P0~P3(80H、90H、AOH、BOH)o

串行接口：串口控制寄存器SCON(98H),串口数据缓冲器SBUF

(99h),电源控制寄存器PCON(87H)。

2008-03-0521

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位地址与位名称

特殊功能寄存器名称符号地址

D7D6D5D4D3D2DIDO

ponP080H8786858483828180

堆栈指针SP81H

数据指针低字节DPL82H

数据指针高字节DPH83H

TF1TR1TFOTROIE1IT11E0ITO

定时/计数器控制TCON88H

8F8E8D8C8B8A8988

定时/计数器方式TMOD89HGATEC/TMlMOGATEC/TMlMO

2008-03-0522

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定时/计数器0低字节TL08AH

定时/计数器0高字节TH08BH

定时/计数器1低字节TI.I8CH

定时/计数器1高字节TH18DH

P1UP190H9796959493929190

电源控制PCON87HSMODGF1GFOPDIDL

SMRE

SMOSMOTB8RB8TIRI

串行口控制SCON98H1N

9F9D9B9A9998

9E9C

串行口数据SBUF99H

P2口P2AOHA7A6A5A4A3A2AlA0

EAET2ESET1EXIETOEXO

中断允许控制IEA8H

AFADACABAAA9A9

2008-03-0523

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P3口P3BOHB7B6B5B4B3B2BlBO

中断优先级PT2PSPT1PX1PTOPXO

IPB8H

控制BDBCBBBAB9B8

程序状态寄CACFORSIRSOOVP

PSWDOHDI

存器D7D6D5D4D3D2DO

累加器AEOHE7E6E5E4E3E2ElEO

寄存器BBFOHF7F6F5F4F3F2FlFO

2008-03-0524

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程序计数器PC（16位）：

CPU总是按PC的指示读取程序。PC是一个16位的计数器。

其内容为将要执行的指令地址（即下一条指令地址），可自

动加1。因此CPU执行程序一般是顺序方式。当发生转移、

子程序调用、中断和复位等操作，PC被强制改写，程序执

行顺序也发生改变。

■复位时，PC=OOOOHo

2008-03-0525

单片机原理及应用4A建4上舍

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2.2.3堆栈操作

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，是一种数据结构。数据与入堆栈称为插入运算

(Push),也叫入栈；数据从堆栈中读出称为删除运算(POP),

也叫出栈。堆栈进循的是“后进先出”的数据操作规则，即

先入栈的数据由于存放在栈的底部，因此后出栈：而后入栈

的数据存放在栈的项部，因此先出栈。

堆栈的开辟

鉴于单片机的特点，堆栈只能开辟在芯片的内部数据

存储器中，即所谓的内堆栈形式。

Mes—51也是这样的，内堆栈操作速度快，但堆栈容

量有限。

2008-03-0526

单片机原理及应用4A整」丈舍

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堆栈的作用

堆栈主要是为子程序调用和中断操作而设立的。主要功能

是：保护断点和保护现场。在计算机转去执行子程序或中断服务

之前，预先把主程序的断点保护起来，为程序的正确返回作准备，

因为在计算机中无论是执行子程序调用操作还是执行中断操作，

最终都要返回主程序。

计算机在转去执行子程序或中断服务程序以后，很可能要使

用单片机中的一些寄存器单元，这样就会破坏这些寄存单元中的

原有内容。为了既能在于程序或中断服务程序中使用这些寄存单

元，又能保证在返回主程序之后恢复这些寄存单元的原有内容，

在转中断服务程序之前要把单丹机中各有关寄存单元的内容保存

起来，这就是现场保护。

堆栈主要是为中断服务操作和子程序调用而设立的，将断点

和现场内容保存在堆栈中。当计算机进行多级中断嵌套及多重子

程序嵌套时，就要求堆栈具有足够的容量或者足够的深度。此外，

堆栈也可以用于数据的临时存放，在程序设计中时常用到。

2008-03-0527

，向上生长型（向地址增大的方向生成）：MCS—51系列

堆栈类型

、向下生长型（向地址较低的方向生成）：MCS—96系歹IJ

堆栈指针SP（8位）：

MCS—51系列的堆栈是按“先进后出”原则存取数据的存储区。

MCS—51堆栈设在片内RAM区。

•数据入栈时：先SP自动加1,后写入数据，SP始终指向栈顶地址。

—“先加后压”

.数据出栈时：先读出数据，后SP自动减1,SP始终指向栈顶地址。

——“先弹后减”

复位时SP=07H。但在程序设计时应将SP值初始化为30H以后，以免占用宝

贵的寄存器区和位地址区。

单片机原理及应用

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堆栈的使用方法

堆栈有两种使用方法，一种是自动方式，即在调用于程

序或中断时，返回地址（断点）自动进栈。程序返回时，断点

再自动弹回Pc。这种堆栈操作无需用户干预，因此称为自动

方式。

另一种是指令方式，即使用专用的堆栈操作指令，进行

进出栈操作。其进栈指令为PUSH,出栈指令为POP。例如现场

保护就是指令方式的进栈操作：而现场恢复就是指令方式的

出栈操作。

2008-03-0529

单片机原理及应用

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2.2.4内部程序存储器

程序存储器用于存放用户程序和表格常数。一个微处理器能够执行某种

任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件。其实微处理器只是

完全按照人们预先编写的程序执行。设讨人员编写的程序就存放在微处理器

的程序存储器中，俗称只读程序存储器(ROM)。程序相当于给微处理器处理

问题的——系列命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。

只是程序代码存放于程序存储器中。

2008-03-0530

单片机原理及应用4》及房上启

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中断入口:0003H〜002AH

•0003H-000AH外部中断0(INT。)中断地址区

•000BH-0012H定时器/记数器0(T。)中断地址区

・0013H-001AH外部中断1(INT])中断地址区

•001BH-0022H定时器/计数器1(T,)中断地址区

•0023H-002AH串行(RI/TI)中断地址区

•中断服务程序存放方法:

•(1)从中断地址区首地址开始，在中断地址区中直接存放；

•(2)从中断地址区首地址开始，存放一条无条件转移指令，以便中断

响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址区去。

2008-03-0531

单片机原理及应用4A建4丈舍

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单片机的引脚定义

从一片集成电路的角度去认识单片机

2008-03-0532

P1.OB140■vcc

P1.1■239□PO.O(ADO)MCS-51单片机40脚

P1.2B338□PO.1(AD1)

P1.3I437□P0.2(AD2)Vcc,GND2

P1.4B536□P0.3(AD3)

P1.5B635□P0.4(AD4)XTAL1,XTAL22

P1.6B34□P0.5(AD5)

7RESET1

P1.7i833□P0.6(AD6)

RSTB932□P0.7(AD7)EA/Vpp1

(RXD)P3.0匚1031■EAA/PP

(TXD)P3.1□1130■ALE/PROGALE/PROG1

(iirro)P3.2匚1229■PSEN

(INTT)P3.3匚1328□P2.7(A15)PSEN1

(TO)P3.4匚1427□P26(A14)

(T1)P3.5□1526□P2.5(A13)PO.0—PO.78

(WR)P3.6匚1625□P2.4(A12)Pl.0—Pl.78

(RD)P3.7匚1724□P2.3(A11)P2.0—P2.78

XTAL211823□P2.2(A10)P3.0—P3.78

XTAL1■1922□P2.1(A9)

GND■2021□P2.0(A8)

单片机的引脚(电源端)

Vcc,GND正电源端与接地端(+5V/3.3V/2.7V)不同的单片

机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也

不同。

单片机的引脚(晶振端)

•Vcc,GND:正电源端与接地端(+5V/3.3V/2.7V)不同的单片

机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也

不同。

♦XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入/输出端

单片机的引脚(晶振端)

•Vcc,GND:正电源端与接地端(+5V/3.3V/2.7V)

XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入/输出端

通常外接也可以由XTAL1

一个晶振端接入外部时钟,

两个电容此时应将XTAL2

接地：

XTAL1

外部时钟

HP2XTAL2

15〜45pfx2

1〜12MHz(MCS-51)

0-24MHz(Atmel-89C)

单片机的引脚（晶振端）

•Vcc,GND:正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V）

XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端

CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作:

振荡周期/时

氏=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数

状

态

期

周

1匚

、Ts=2个时钟周期（Tc）（很少用到此概念）

机

期

器

周

1匚

、Tm=6个状态周期（Ts）=12个振荡周期（Tc）

指

周期

令

-匚

、Ti:执行一条指令所需的机器周期（Tm）数

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

单片机的引脚（复位端）

•Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V）

XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端

•RESET:复位端（正脉冲有效，宽度＞8mS）

单片机的引脚（复位端）

•Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V）

XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端

•RESET:复位端（正脉冲有效，宽度＞8mS）

复位使单片机进入某种确定的初始状态:

▼PC值归零（0000H）;

▼各个SFR被赋予初始值（见P.42）：

P0-P3=OFFH,Acc=0,B=0,TH0=0,

TL0=0,TH1=O,TL0=0,SP=7,PSW=0.......

▼退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切

程序进程、退出程序的死循环，从头开始。

PC与SFR复位状态表

寄存器复位状态寄存器复位状态

PC0000H1TCONOOHJ

AOOHT2CONOOH

BOOHTHOOOH

PSWOOHTLOOOH

SP07HTH1OOH

DPTR0000HTL1OOH

PO〜P3FFHSCONOOH

IPXX000000BSBUFXXH

IE0X000000BPCON0XXX0000B

TMODOOH

单片机的引脚（复位端）

Vcc,GND:电源端(+5V/3.3V/2.7V)

XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端

RESET:复位端（正脉冲有效，宽度＞8mS）

+5V

r

GND

―上电复位"手动&上电复位

单片机的引脚（a端）

•Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V）

•XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端

•RESET:复位端（正脉冲有效，宽度＞8mS）

•EA/Vpp:寻址外部ROM控制端/编程电源输入端。

低有效，片内无ROM时必须接地；

片内有ROM时应当接高电平；

对片内ROM编程时编程正电源加到此端。

单片机的引脚（ALE端）

•Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V）

•XTAL1,XTAL