MCS-51单片机的硬件结构

1、第第2 2章章 MCS-51MCS-51单片机的硬件结构单片机的硬件结构片内结构如图片内结构如图2-12-1所示所示: :介绍图介绍图2-12-1中的各功能部件：中的各功能部件： 1.CPU1.CPU（微处理器）（微处理器）2.2.数据存储器（数据存储器（RAMRAM） 片内为片内为128128个字节（个字节（5252子系列的为子系列的为256256个字节）个字节）3.3.程序存储器（程序存储器（ROM/EPROMROM/EPROM） 8031:8031:无此部件；无此部件； 8051:8051:4K4K字节字节ROMROM； 8751:8751:4K4K字节字节EPROM EPROM ； 8

2、9C51/89C52/89C55:89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K 4K/8K/20K 字节闪存。字节闪存。4.4.中断系统中断系统 5.5.定时器定时器/ /计数器计数器6. 6. 串行口串行口 1 1个全双工的异步串行口，具有四种工作方式。个全双工的异步串行口，具有四种工作方式。 7. P17. P1口、口、P2P2口、口、P3P3口、口、P0P0口口 为为4 4个并行个并行8 8位位I/OI/O口。口。 8. 8. 特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRSFR） 共有共有2121个，是一个具有特殊功能的个，是一个具有特殊功能的RAMRAM区。区。2.2 MCS-51

3、2.2 MCS-51的引脚的引脚 4040只引脚只引脚双列直插封装（双列直插封装（DIPDIP）。）。 4444只引脚方形封装方式（只引脚方形封装方式（4 4只无用）只无用）4040只引脚只引脚按功能分为按功能分为3 3类类： （1 1）电源及时钟引脚）电源及时钟引脚: : VccVcc、VssVss；XTAL1XTAL1、XTAL2XTAL2。 （2 2）控制引脚：）控制引脚： PSENPSEN* *、EAEA* * 、ALEALE、RESET RESET （即（即RSTRST）。）。 （3 3）I/OI/O口引脚：口引脚：P0P0、P1P1、P2P2、P3P3，为，为4 4个个8 8位位I

4、/OI/O口口的外部引脚。的外部引脚。2.2.1 2.2.1 电源及时钟引脚电源及时钟引脚 1 1电源引脚电源引脚 （1 1）VccVcc（4040脚）脚）：+5V+5V电源；电源； （2 2）VssVss（2020脚）脚）：接地。：接地。2 2时钟引脚时钟引脚 （1 1）XTAL1XTAL1（1919脚）脚）：如果采用外接晶体振荡器时，：如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。此引脚应接地。（2 2）XTAL2XTAL2（1818脚）脚）：接外部晶体的另一端。：接外部晶体的另一端。2.2.2 2.2.2 控制引脚控制引脚 提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。提供控制信号，有的引脚还具有复用

5、功能。 (1) RST/V(1) RST/VPDPD(9(9脚脚) )：复位与备用电源。：复位与备用电源。 (2) ALE/PROG(2) ALE/PROG* *（3030脚）：脚）：第一功能第一功能ALEALE为地址锁存为地址锁存允许，可驱动允许，可驱动8 8个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。 PROGPROG* *为本引脚的第二功能。为编程脉冲输入端。为本引脚的第二功能。为编程脉冲输入端。 (3) PSEN(3) PSEN* * （2929脚）：脚）：外部程序存储器的外部程序存储器的读选通读选通信号。信号。可以驱动可以驱动8 8个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。 (4) EA(

6、4) EA* */V/VPPPP (Enable Address/Voltage Pulse of (Enable Address/Voltage Pulse of ProgramingPrograming，3131脚脚) ) EAEA* *为内外程序存储器选择控制端。为内外程序存储器选择控制端。 EAEA* *=1=1，访问片内程序存储器，但在访问片内程序存储器，但在PCPC（程序计数（程序计数器）值器）值超过超过0FFFH0FFFH（对于（对于80518051、87518751）时，即超出片）时，即超出片内程序存储器的内程序存储器的4K4K字节地址范围时，将自动转向执字节地址范围时，将自动

7、转向执行外部程序存储器内的程序行外部程序存储器内的程序。 EAEA* *=0=0，单片机则只访问外部程序存储器。单片机则只访问外部程序存储器。 V VPPPP为本引脚的第二功能。用于为本引脚的第二功能。用于施加编程电压施加编程电压（例如（例如+21V+21V或或+12V+12V）。对）。对89C5189C51，加在，加在V VPPPP脚的编程电压为脚的编程电压为+12V+12V或或+5V+5V。2.2.3 I/O2.2.3 I/O口引脚口引脚 (1) (1) P0P0口口：双向双向8 8位三态位三态I/OI/O口，此口为地址总线口，此口为地址总线（低（低8 8位）及数据总线分时复用口，可驱动位

8、）及数据总线分时复用口，可驱动8 8个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。 (2) (2) P1P1口口：8 8位位准双向准双向I/OI/O口，可驱动口，可驱动4 4个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。 (3) (3) P2P2口口：8 8位位准双向准双向I/OI/O口，与地址总线（高口，与地址总线（高8 8位）复用，可驱动位）复用，可驱动4 4个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。 (4) (4) P3P3口口：8 8位位准双向准双向I/OI/O口，口，双功能双功能复用口，可驱复用口，可驱动动4 4个个LSLS型型TTLTTL负载。负载。注意注意: :准双向口与双向三态口的差别准双向

9、口与双向三态口的差别。 当当3 3个准双向个准双向I/OI/O口作输入口使用时，要向该口先写口作输入口使用时，要向该口先写“1 1”。 准双向准双向I/OI/O口无高阻的口无高阻的“浮空浮空”状态。状态。2.3 MCS-512.3 MCS-51的的CPUCPU 由由运算器运算器和和控制器控制器所构成所构成2.3.1 2.3.1 运算器运算器 对操作数进行对操作数进行算术、逻辑运算和位操作算术、逻辑运算和位操作。1 1算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALUALU2 2累加器累加器A A 使用最频繁的寄存器，使用最频繁的寄存器，可写为可写为AccAcc。 A A的作用：的作用：（1 1）是）是AL

10、UALU的输入之一，又是运算结果的存放单元。的输入之一，又是运算结果的存放单元。（2 2）数据传送大多都通过累加器）数据传送大多都通过累加器A A。MCS-51MCS-51增加了一增加了一部分可以不经过累加器的传送指令，即可加快数据的部分可以不经过累加器的传送指令，即可加快数据的传送速度，又减少传送速度，又减少A A的的“瓶颈堵塞瓶颈堵塞”现象。现象。 A A的进位的进位标志标志CyCy同时又是同时又是位处理机的位累加器。位处理机的位累加器。3 3程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSWPSW （1 1）CyCy（PSW.7PSW.7）进位标志位进位标志位: :C C（2 2）Ac(PSW.6)

11、 Ac(PSW.6) 辅助进位标志位，用于辅助进位标志位，用于BCDBCD码的十码的十 进制调整运算。进制调整运算。A A（3 3）F0F0（PSW.5PSW.5）用户使用的状态标志位。用户使用的状态标志位。 （4 4）RS1RS1、RS0RS0（PSW.4PSW.4、PSW.3PSW.3）：4 4组工作寄存器组工作寄存器区选择控制位区选择控制位1 1和位和位0 0。RS1 RS0 所选的所选的4组寄存器组寄存器 1 1 3区（内部区（内部RAM地址地址 18H1FH） 1 0 2区（内部区（内部RAM地址地址 10H17H） 0 1 1区（内部区（内部RAM地址地址 08H0FH） 0 0

12、0区（内部区（内部RAM地址地址 00H07H）（5 5）OVOV（PSW.2PSW.2）溢出标志位）溢出标志位 指示运算是否产生溢出。各种算术运算指令对该位的指示运算是否产生溢出。各种算术运算指令对该位的影响情况较复杂，将在第影响情况较复杂，将在第3 3章介绍。章介绍。 （6 6）PSW.1PSW.1位位: : 保留位，未用保留位，未用 （7 7）P(PSW.0)P(PSW.0)奇偶标志位奇偶标志位 P=1P=1，A A中中“1 1”的个数为的个数为奇数奇数P=0P=0，A A中中“1 1”的个数为的个数为偶数偶数2.3.2 2.3.2 控制器控制器 1 1程序计数器程序计数器PCPC（Pr

13、ogram CounterProgram Counter） 存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。 基本工作方式有以下几种：基本工作方式有以下几种： （1 1）程序计数器）程序计数器自动加自动加1 1 （2 2）执行）执行有条件转移有条件转移或或无条件转移无条件转移指令时，程序计数器将指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。 （3 3）在执行调用）在执行调用子程序调用或中断调用子程序调用或中断调用，完成下列操作：，完成下列操作： PCPC的现行值保护的现行值保护 将子程序入口地址或

14、中断向量的地址送入将子程序入口地址或中断向量的地址送入PCPC。2 2指令寄存器指令寄存器IRIR、指令译码器及控制逻辑电路、指令译码器及控制逻辑电路2.4 MCS-512.4 MCS-51存储器的结构存储器的结构哈佛（哈佛（Har-vardHar-vard）结构）结构 存储器空间可划分为存储器空间可划分为5 5类：类：1.1.程序存储器空间程序存储器空间 80318031无内部程序存储器。无内部程序存储器。 2.2.内部数据存储器空间内部数据存储器空间 3.3.特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFR-Special Function Register-Special Function Re

15、gister4.4.位地址空间位地址空间: : 211211个个可寻址位。可寻址位。5.5.外部数据寄存器空间外部数据寄存器空间: :片外可扩展片外可扩展64K64K字节字节RAMRAM。2.4.1 2.4.1 程序存储器程序存储器 存放存放应用程序应用程序和和表格表格之类的固定常数。之类的固定常数。分为片内和片外两部分，由分为片内和片外两部分，由EAEA* *引脚上所接的电平确定。引脚上所接的电平确定。程序存储器中的程序存储器中的0000H0000H地址是系统地址是系统程序的启动地址。程序的启动地址。其中其中5 5个单元具有特殊用途，作为个单元具有特殊用途，作为5 5种中断源的中断入种中断源

16、的中断入口地址：口地址：中断入口地址中断入口地址 5 5种中断源种中断源0003H0003H外中断外中断0 0 000BH 000BH 定时器定时器T0T00013H 0013H 外中断外中断1 1001BH 001BH 定时器定时器T1T10023H 0023H 串行口串行口2.4.2 2.4.2 内部数据存储器内部数据存储器 128128个，字节地址为个，字节地址为00H00H7FH7FH。00H1FH： 32个单元，个单元，4组通用工作寄存器区组通用工作寄存器区20H2FH：16个单元，可进行个单元，可进行128位的位寻址位的位寻址30H7FH：用户用户RAM区，只能进行字节寻址，区，只

17、能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。用作数据缓冲区以及堆栈区。表表2-3 内部内部RAM的可寻址位及位地址的可寻址位及位地址2.4.3 2.4.3 特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRSFR）CPUCPU对各种功能部件的控制对各种功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控采用特殊功能寄存器集中控制制方式，方式，共共2121个个。 有的有的SFRSFR可进行可进行位寻址位寻址。 表表2-2(P21)2-2(P21)是是SFRSFR的名称及其分布。的名称及其分布。 其其字节地址的末位是字节地址的末位是0H0H或或8H8H。 表表2-2 SFR的名称及其分布的名称及其分布1 1堆栈指针堆栈指针S

18、PSP 指示堆栈顶部在内部指示堆栈顶部在内部RAMRAM块中的位置块中的位置 复位后，复位后，SPSP中的内容为中的内容为07H07H。（1 1）保护断点）保护断点（2 2）现场保护）现场保护 堆栈堆栈向上生长向上生长 2. 2. 数据指针数据指针DPTRDPTR 高位字节寄存器用高位字节寄存器用DPHDPH表示，低位字节寄存器用表示，低位字节寄存器用DPLDPL表示。表示。 3. I/O3. I/O端口端口P0P0P3P3 P0P0P3P3分别为分别为I/OI/O端口端口P0P0P3P3的锁存器。的锁存器。4.4.寄存器寄存器B B 为执行乘法和除法操作设置的。为执行乘法和除法操作设置的。

19、在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。来使用。5.5.串行数据缓冲器串行数据缓冲器SBUFSBUF 存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。另一个是接收缓冲器。6.6.定时器定时器/ /计数器计数器 两个两个1616位位定时器定时器/ /计数器计数器T1T1和和T0T0，各由两个独立，各由两个独立的的8 8位寄存器组成：位寄存器组成： TH1TH1、TL1TL1、TH0TH0、T

20、L0TL0，只能字，只能字节寻址，但不能把节寻址，但不能把T1T1或或T0T0当作一个当作一个1616位寄存器来寻位寄存器来寻址访问。址访问。2.4.4 2.4.4 位地址空间位地址空间 共共211211个（个（128128个个+83+83个）寻址位个）寻址位。位地址。位地址范围为：范围为：00H00HFFHFFH。有两部分：有两部分： 内部内部RAMRAM的可寻址位的可寻址位128128个个( (字节地址字节地址20H20H2FH)2FH) 特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFR为为8383个个可寻址位，可寻址位，表表2-4 SFR中的位地址分布中的位地址分布 2.4.5 2.4.5 外部

21、数据存储器外部数据存储器最多可最多可外扩外扩64K64K字节字节的的RAMRAM或或I/OI/O 。 使用各类存储器，注意几点：使用各类存储器，注意几点： (1) (1) 地址的重叠性地址的重叠性 程序存储器（程序存储器（ROMROM）与数据存储器（）与数据存储器（RAMRAM）全部）全部64K64K字节地址空字节地址空间重叠间重叠) )。(2)(2) 程序存储器（程序存储器（ROMROM）与数据存储器（）与数据存储器（RAMRAM）在使用上是严格）在使用上是严格区分的区分的 。(3) (3) 片外数据存储区中，片外数据存储区中，RAMRAM与与I/OI/O端口统一编址。端口统一编址。所有外围

22、所有外围I/OI/O端口的地址均占用端口的地址均占用RAMRAM单元地址，使用与访问单元地址，使用与访问外部数据存储器相同的传送指令。外部数据存储器相同的传送指令。 2.5 2.5 并行并行I/OI/O端口端口 4 4个双向的个双向的8 8位并行位并行I/OI/O端口端口(Port) (Port) ，记作，记作P0P0P3 P3 属于特殊功能寄存器，还可位寻址。属于特殊功能寄存器，还可位寻址。 2.5.1 P02.5.1 P0端口端口 P0口某一位的电路口某一位的电路注意：注意：由于输出电由于输出电路是漏极开路路是漏极开路（因为这时上拉场（因为这时上拉场效应管截止），效应管截止），必须外接上拉

23、电阻必须外接上拉电阻才能有高电平输出。才能有高电平输出。2.5.2 P1端口端口 字节地址字节地址90H，位地址，位地址90H97H。P1口某一位的电路口某一位的电路P1口只作通口只作通用的用的I/O口使口使用，用， 由于由于P1P1口用来传送数据，因此口用来传送数据，因此输出电路中有上拉电输出电路中有上拉电阻，这样电路的输出不是三态的阻，这样电路的输出不是三态的，所以，所以P1P1口是准双口是准双向口。向口。因此：因此：（1 1）P1P1口作为输出口使用时口作为输出口使用时，外电路无需再接上拉电，外电路无需再接上拉电 阻。阻。（2 2）P1P1口作为输入口使用时口作为输入口使用时，应先向其锁

24、存器先写入应先向其锁存器先写入 “1 1”，使输出驱动电路的使输出驱动电路的FETFET截止。截止。2.5.3 P22.5.3 P2端口端口 字节地址为字节地址为A0HA0H，位地址位地址A0HA0HA7HA7H。 2.5.4 P32.5.4 P3端口端口 P3P3口的字节地址为口的字节地址为B0HB0H，位地址位地址为为B0HB0HB7HB7H 。 P3P3口的口的第二功能第二功能定义，应熟记。定义，应熟记。 表表2-2 P32-2 P3口的第二功能定义口的第二功能定义 口引脚口引脚 第二功能第二功能 P3.0P3.0 RXD RXD（串行输入口）（串行输入口） P3.1P3.1 TXD T

25、XD（串行输出口）（串行输出口） P3.2P3.2 INT0 INT0* * （外部中断（外部中断0 0） P3.3P3.3 INT1 INT1* * （外部中断（外部中断1 1） P3.4P3.4 T0 T0（定时器（定时器0 0外部计数输入）外部计数输入） P3.5P3.5 T1 T1（定时器（定时器1 1外部计数输入）外部计数输入） P3.6P3.6 WR WR* * （外部数据存储器写选通）（外部数据存储器写选通） P3.7P3.7 RD RD* * （外部数据存储器读选通）（外部数据存储器读选通） P3口某一位的电路口某一位的电路2.6 2.6 时钟电路与时序时钟电路与时序时钟电路用

26、于产生时钟电路用于产生MCS-51MCS-51单片机工作所必需的单片机工作所必需的时钟控制信号。时钟控制信号。2.6.1 2.6.1 时钟电路时钟电路时钟频率直接影响单片机的时钟频率直接影响单片机的速度速度，电路的质量，电路的质量直接影响系统的直接影响系统的稳定性稳定性。常用的时钟电路有。常用的时钟电路有两种方式：两种方式：内部时钟内部时钟方式和方式和外部时钟外部时钟方式。方式。一、内部时钟方式一、内部时钟方式 内部有一个用于构成振荡器的内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器高增益反相放大器，反，反相放大器的输入端为芯片引脚相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1XTAL1，输出端为引脚，输出

27、端为引脚XTAL2XTAL2。 C1C1和和C2C2典型值通常选择为典型值通常选择为30pF30pF左右。左右。 晶体的振荡频率晶体的振荡频率在在1.2MHz1.2MHz12MHz12MHz之间。某些高速单之间。某些高速单片机芯片的时钟频率已达片机芯片的时钟频率已达40MHz40MHz。二、外部时钟方式二、外部时钟方式 常用于多片常用于多片MCS-51MCS-51单片机同时工作。单片机同时工作。 2.6.2 2.6.2 机器周期、指令周期与指令时序机器周期、指令周期与指令时序单片机执行的指令的单片机执行的指令的各种时序均与时钟周期各种时序均与时钟周期有关有关一、时钟周期一、时钟周期单片机的单片

28、机的基本时间单位基本时间单位。若时钟的晶体的振荡频率。若时钟的晶体的振荡频率为为foscfosc，则时钟周期，则时钟周期ToscTosc=1/fosc=1/fosc。如。如foscfosc=6MHz=6MHz，ToscTosc=166.7ns=166.7ns。二、机器周期二、机器周期CPUCPU完成一个基本操作所需要的时间完成一个基本操作所需要的时间称为称为机器周期机器周期。执行一条指令分为几个机器周期。每个机器周期执行一条指令分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作。完成一个基本操作。MCS-51MCS-51单片机每单片机每1212个时钟周个时钟周期为一个机器周期，期为一个机器周期，一个机器周期又分为一个机器周期又分为6 6个状态个状态：S1S1S6S6。每个状态每个状态又分为两拍又分为两拍：P1P1和和P2P2。因此，。因此，一个机器周期中