微型计算机MCS-51单片机的结构

第二章MCS-51单片机的结构

I・中就S-51单片机的组成和总体结构）

中央处理单元£cpuy）

并行I/O接口

1・■►展^单片机最小系标）

一：一

割喏的产

“L_湎楠麻；-

本章知识点

•MCS・51单片机的组成和总体结构

•中央处理单元

•MCS・51单片机的存储器

•MCS・51单片机的并行I/O接

•MCS・51单片机最小系统

Q(22MCS-51单片机的组成和总体结松

单片机和一般微型机比较：

共同点:均由CPU(包括运算器和控制器)、存储器、输入设备、

输出设备组成

不同点:单片机是将CPU、RAM、ROM、定时计数器，以及

输入输出(I/O)接口电路等计算机的主要部件集成在一小块

硅片上的单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)o

单片机特点：体积小、可靠性高、性价比高等

应用领域：工业检测与控制、计算机外设、智能篦密A

通讯设备、家用电器、机电一体化产品等领域。疆界二

里亚王热绛a牝.一盘吗

外部计数脉冲外部中断源

定时器/计数器中断逻辑

匕送数据

并CPU串

行行

I/OI/O

□□

存储器

MCS-51系列单片机

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）

12821515

ATEML（20条引脚DIP封装）

89c系列128

89C51（4K）/89C52（8K）

（常用型）/252/33215/6

（40条引脚DIP封装）

6

r一—一_

'…注意：今后将会经常提到ATMEL的AT8死究奥海1淮2等枕5；；

2.1.1MCS-51单片机内部结构框图

r8051个片机在一块芯片中集成了：X

夫一个面向控制的8位CPU■

大T、片内振荡器及时钟电路■

火及6B片内RAM（M：小B作:数据存储器，高128位包含21，

个特殊功能寄存器SFR）■

火4KB片内程序存储器ROM。，

*4个8位并行I/O接口，

夫1个全双工作串行i/o接口。R

火2个16位定时器/计数器T0/T1。F'

*为五个中断源配套的两级优先级嵌套的中断结构;

y有位寻址功能、适于布尔处理的位处理机

外部时钟源外部计数脉冲

时钟电路数据存储器程序存储器2个16位的定

256BRAM4KBR0M时/计数器

z\

CPU

Vv

64KB总线并行I/O全双工

中断控制

扩展控制器接口串行接

7\7\।nt

外部中断源外部设备串行通讯"

《飞四畔...--

2.1.2MCS・51单片机引脚功能

40个引脚双排直插DIP封装，分为4类：电源、

时钟、控制和I/O引脚。

T

-40

Pl.0匚<nVcc

239

Pl.1匚ziPO.0

338

Pl.2匚nPO.1

437

Pl.3匚ziPO.2

536

Pl.4匚ziPO.3

635

Pl.5cziPO.4

734

Pl.6匚nPO.5

833

Pl.7匚ziPO.6

932

RST/VPD匚31=]PO.7

P3.O/RXD匚L030NEA/VPP

P3.1/TXDc29nALE/PROG

12

X

P3.2/INTO匚nPSEN

328

P3.3/INT1匚27=]P2.7

14

x

P3.4/TO匚nP2.6

I526

X

P3.5/n匚uP2.5

1625

±

P3.6/WR匚uP2.4

1724

P3.7/丽匚xnP2.3

I823

X

XTAL2匚

I922

X

XTAL1匚

021

Vss匚

.蜜,，华M致力孟国晴:

MCS-51单片机VCC-------地

Vss一址

数

口

XTAL1—►-据

XTAL1po

XTAL2—»总

线

DB电

EA/VDD—>AB

XTAL2

RST/VpD―>■地

RST/YFA-

址

7口

EA/VIT-W-►-型

P2

PSEN^—薮

PSEN一

ALE/PROG^—

ALE/PROG—

三

双

二_

副

口

口3

—

v口

_r

三

1.电源:⑴VCC-芯片电源,接+5V/3.3V/2.7V；

⑵VSS-接地端；

2.输入/输出弓I脚（32条）

P.0-P0.7:在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，

作准双向输入/输出接口。在接片外存储器或扩展I/O

接口时，分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。

Pl.O-PL7:作为准双向通用I/O接口使用。

P2.0-P2.7:作为准双向I/O接口；当接有片外存储器

或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用

作高8位地址总线。—，

,

画甯孑工常出版和•.,&,怎饿秋利会需解蜜

有两种功能。

第一，做准双向通用I/O□使用；

第二，用于串行口、中断源输入、计数器、

片外RAM选通等功能。

由于第二功能信号都是单片机的重要控

制信号，因此在实际使用时，总是先按需

要优先选用它的第二功能，剩下不用的才

作为通用I/O接口线使用。

P3□的第二功能:

■P3.0RXD：串行口输入端；

P3.1TXD：串行□输出端；

P3.2INTO：外部中断0请求输入端；

P3.3INT1：外部中断1请求输入端；

P3.4地上时/计数器0外部信号输入端;

P3.5T1：定时/计数器1外部信号输入端;

P3.6W：外RAM写选通信号输出端；

P3.7RD：外RAM读选通信号输出端。

3.控制线:控制线共有4根

⑴ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

①ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址

②PKOG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程

期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵PSEN:片外程序存储器读选通信号输出端。在

向片外程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周

期该信号两次有效（低电平）

3橘

―—一一一一'W常吟必转社通装!潞而

_

单片机的引脚（PSEN端）

PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的

读控制端（血）

EPROM

D0-D7

P0.0-P0.78D8A0-A7

ALE

EAOE

PSENOECE

P2.0-P2.4A8-A12

锁存器

单片机EPROM

74LS373

百嚏孑工拿出发社

⑶RST/VPD:复位/备用电源。

①RST(Reset)功能：复位信号输入端。

当该引脚上至少保持连续两个机器周期(24个振

荡器周期)的高电平就可实现系统复位。复位期间

不产生ALE及PSEN信号。

②VPD功能：在Vcc掉电时，接备用电源。-

VPD:对HMOS芯片为片内RAM掉电保护备用电

源，Vcc掉电期间，该引脚如接备用电源VPD,(+

5V+0.5V)

能洞町1鼾1部盘

_

复位后单片机内寄存器的状态

PC：0000HTMOD：OOH

Acc：00HTCON：OOH

B：00HTHO：OOH

PSW：00HTLO：OOH

SP：07HTH1：OOH

DPTR：0000HTL1：OOH

P0-P3：FFHSCON：OOH

IP：xxxOOOOOBSBUF：不定

IE：OxxOOOOOBPCON：Oxxx

8051

vccsvcc8051

VCC

RST

VSS

图2・4(a)加电自动复位电路

(4)EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

①现功能：内外ROM选择端。

>80C51单片机ROM寻址范围为64KB,其中4KB在片

内，60KB在片外片0C31芯片无内ROM,全部在片外)。

>当EA保持高电平时，先访问内ROM；当PC(程序

计数器)值超过4KB(0FFFH)时，自动转向执行外ROM中

的程序。

>当EA保持低电平时，则只访问外ROM,不管芯片

内有否内ROM。对80c31芯片，片内无ROM,EA接地。

②Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在叫ROM编

程期间，施加编程电源Vpp。

4.外接晶体引脚（2条）

内部振荡电路反相放大器的输入端。

当采用外部振荡器时，此引脚接地。

内部振荡电路反相放大器的输出端。

当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。

小结

第一，单片机功能多，引脚数少，致许多引脚

都具有第二功能。

第二，单片机对外呈三总线形式。由P2、

P0组成16位地址总线;由P0分时复用为数据总线;

由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INTO、

INT1、TO、T1>WR、RD共10个引脚组成控制

总线。由于有16位地址线，可使片外存储器的寻

址范围达到64K字节。

2.2中央处理单元

一1K

8051的内部结构展开图

/

128X8RAM地址寄存器P3口

RAM

中断控制锁存器锁存器锁存器锁存器

SP定时/计数器

7\7\7\

7X串行I/O口

\7\7\7

寄存器B累加器A指令寄存器IR数据指针DPTRQ

4KX8

缓冲器ROM

暂存器1暂存器2指令译码器ID

程序计数器H

程序状态PC增1

字PSW定时与控制

n______程序地址寄存

CPU

「算术逻辑运算单元ALU

y累加器ACC、寄存器阵列、PSW

运算器

I栈指针SP栈区、数据指针DPTR

中央处理器CPU<

内「程序指针PC、、

y指令寄存器和指令译码逻辑

控制器

部L内部时钟振荡器及时序控制逻辑

组

4程序存储器ROM

成内部最多4KBROM或EPROM

内部128BRAM以及特殊寄存器SFR块

数据存储器RAM

厂并行输入输出接口:4个8位I/O接口

串行输入输出接口：1个UART

Y

复位逻辑RST：高电平复位（〉10ms）

•接口控制电路

、中断控制逻辑：2个外部和3个内部中断

内部中断：1个串行口中断、2个计数器中断

外部中断：2个外部中断INTO、INTI

CPU包括运算器和控制器二大部分。

2.2.1运算器

功能：进行算术运算和逻辑运算。可以

对半字节（4位）、单字节（8位）等数据进

行操作。

组成：由8位ALU、两个8位的暂存器

TMP1和TMP2、8位累加器ACC、寄存器B和

PSW组成。

,

.摩空蛭蕊黜山

_____________;

1).ALU:可对4位、8位数据进行操作和处理。

如加、减、乘、除、增量、减量、十进制数

调整、比较、逻辑与、或、异或、求补循环移

位等操作。

2).累加器A：累加器(Accumulator)是使

用最频繁的寄存器，它既可用于存放操作数，

也可用来存放运算的中间结果。.

指令系统中字节操作指令一般用A作为累加器

的助记符，当进行位操作时，一般用ACQ^。

厘重孑工学出M杜.温：；胴

3).通用寄存器B：8位，主要用于乘除运算。

乘法运算时，B是乘数。乘法操作后，乘积的高8

位存于B中。除法运算时，B是除数;除法操作后,

余数存于B中。不作乘除用时，可作为一般数据

寄存器使用。

4).PSW：8位寄存器，用于反映程序执行的

状态信息。在状态字中，有些位状态是根据指令

执行结果，由硬件自动完成设置的，而有些状态

位则必须通过软件方法设定。

3橘

____________________

表2.3PSW的各位定义

位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.lPSW.O

位标

/

ziz：CYACFORSIRSOovp

PSW位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HDOH

CYACF0RS1RS0OVP

■CY：进位标志。用于表示Acc.7有否向更高位进位。

加减运算时，保存最高位进位、借位状态。

■AC：半进位标志。用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。

例：78H+97H

01111000

+10010111

D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HDOH

CYACFORSIRSOOVP

■RS1、RSO：工作寄存器组选择位。

RSIRSO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

P：奇偶校验位，它用来表示累加器A内容中占进制数

位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P，;瞅!J

匚为°c—11-

例：某运算结果是78H(Ollliono1)a,RM=0：「

SW位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HDOH

CYACFORSIRSOOVP

■FO：用户标志位。作为软件标志，由编程人员决

定何时使用。FO、F1—用户标志

■0V：溢出标志位。

有符号数运算时，如果发生溢出，0V置

“1”，否则清“0”。

国甯孑工学出状社.一《筌型

廿〜呻!附......

______・

■

2.2.2控制器

控制器包括程序计数器PC、指

令寄存器和指令译码器、定时和

控制逻辑电路。止匕外，数据指针

DPTR、堆栈指针SP也包含在控

制器之中

I).程序计数器PC

XPC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构

上是独立的。

X16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下

一字节指令码的地址，可寻址64KB的程序存储器空间。

XPC的基本工作方式有：

⑴自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行

PC+1-PC；

⑵执行转移指令时，PC会根据要求修改地址；

⑶执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前

PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址装入

PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的

PC值，继续执行原顺序程序指令。

EM颗磁•八:二：

2).指令寄存器和指令译码器

8051CPU按照程序计数器PC提供的地址,

依次从程序存储器的相应单元中取出相应指

令后，首先放到指令寄存器中，然后由指令

译码器翻译成各种形式的控制电位。

3).定时和控制逻辑电路

①时钟电路

厂内部方式时钟电路如图2・5(a)所示。在

XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调

电容，组成的并联谐振回路，从而构成一个稳

定的自激振荡器。电容值在5-30PF之间选择，

电容的大小可起频率微调作用。

图2-5(a)内部方式时钟电路图2-5(b)外部方式时钟电路

外部方式时钟电路如图26(b)所示，主要用于多单

片机系统。引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单

片机的振荡脉冲。这时外部的脉冲信号是经空AL2

引脚注入，而将XTAL1接地。

垂常孑工学出版B

②时序

r时序就是进行某种操作时，各种数据、控

制信号先后出现的顺序。时序是用定时单位来

描述的，MCS—51系列单片机的时序定时单

位共有四个，从小到大依次是振荡周期，状态,

；机器周期，指令周期。,

时钟周期:

80c51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是

最基本最小的定时信号。

状态周期:

它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。状态周

期是时钟周期的两倍。状态周期又称S周期。在S

周期内有两个时钟周期，即分为两拍，分别称为

P1和P2

机器周期:

80c51单片机工作的基本定时单位。

一个机器周期含有6个状态周期，分别为S1、

S2、…、S6,每个状态周期有两拍，分别为S1P1、

S1P2、S2P1、S2P2…，S6PKS6P2

1个机器周期=12个振荡周期

当时钟频率为12MHz时，机器周期为1pS；

当时钟频率为6MHz时，机器周期为2pS。

指令周期:

r指CPU执行一条指令占用的时间（用机器周期

表示）。80c51指令可分为三类：单机周指令、双

机周指令和四机周指令。

MCS-51典型的指令周期为一个机器周期，少

数是单字节双周期、双字节双周期指令，只有乘

法和除法指令占用4个机器周期。

耳隐孑工拿出发批

单周期指令：当操作码被送入指令寄存器时，便

从S1P2开始执行指令。

A,双字节单机器周期指令，在同一机器周期的

S4期间读入第二个字节

B.单字节单机器周期指令，在S4期间仍进行读，

但所读的这个字节操作码被忽略，程序计数器也不

加1,在S6P2结束时完成指令操作。

C.双字节单机器周期指令，在一个机器周期内从

程序存储器中读入两个字节，唯有MOVX指令例外。

在执行MOVX指令期间，外部数据存储器被访问且

被选通时跳过两次取指操作

牢牢记住:

振荡周期（时钟周期尸晶振频率fosc的倒数;

1个机器周期=6个状态周期

1个机器周期=12个时钟周期；

1个指令周期=1、2、4个机器周期

课堂思考判断:

1、指令字节数越多，执行时间越长。（）

2、要MCS-51系统中，若晶振频率屡8MHz,一个

2.3存储器)

80C51的存储器配置方式属

程序存储器和数据存储器分开，

各有自己的寻址系统、控制信号和功能。

程序和数据共用一个存储器

逻辑空间，统一编址。

80c51的存储器配置

片内程序存储器4KB(ROM0000H〜0FFFH)

片内数据存储器128B(RAM00H-7FH)

.

8051在物理结构上有四个存储空间：

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

FFFFHFFFFh

64KB64KB

ROMRAM

(I/O)

程序存储器数据存储器

1000

EA=0

8051在逻辑（组织结构）上，即从用户角度上

8051有三个存储空间：

⑴64KB程序存储器（ROM）,包括片内ROM和片

外ROM；

⑵64KB外部数据存储器（外RAM）；

⑶256B内部数据存储器（内RAM）（包括特殊

功能寄存器）。

访问这几个不同的逻辑空间时，采用的指令:

片内外程序存储器空间——MOVC

片内数据存储器空间和SFR——MOV

片外数据存储器地址空间——MOVX

231程序存储器

※作用:用于存放编好的程序和表格、常数。

※容量：8051片内有4K字节ROM.片外用16位地址线最

多可扩展64K字节ROM,两者是统一编址的。

※地址范围：0000H〜FFFFH,共64KB。其中：

低段4KB：0000H-OFFFH,80C51和87c51在片内，

80c31在片外。

高段60KB：lOOOH-FFFFHo在片外。

※访问：用MOVC指令

※空间指针：以PC作为16位地址指针，每琢,一酎节,

PC+1-PC,这是CPU自动形成的。

※控制信号:PSEN和EA。

X选择方法：

★如果EA端保持高电平，8051执行片内前4KB

ROM地址(0000H〜0FFFH)中的程序。当寻址范围超

过4KB(1000H〜FFFFH)时，则从片外存储器取指

令。

•★当EA端保持低电平时，8051的所有取指令操作

均在片外程序存储器中进行，这时片外存储器可以

从0000H开始编址。

※特殊单元:是5个中断源中断服务程序入口地址

0003H：外部中断0入口。

OOOBH：定时器0溢出中断入口。

0013H：外部中断1入口。

001BH：定时器1溢出中断入口。

0023H：串行口中断入口。

使用时，通常在这些入口地址处存放一条绝对

跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始

地址，或者从0000H起始地址跳转到用户设计的初始

程序上。_

密甯孑工学匕跳祛《<'»#«

W«K»­*«•»F*.***VW

OOOOH:8051复位后，PC=OOOOH,即程序从

0000H

从00巾盍林常加熊'3B,用来安排一条跳转

指令，跳转到其他合适的地址范围去执行真正的

主程序。

2.3.2数据存储器

片外地址范围

数RAM64KB,0000H〜FFFFH

据使用时只能用MOVX指令访问

存

储

器片内RAM128B,地址范围00H〜7FH

使用MOV指令访问，可以进行堆栈操件

1.内部数据存储器

※地址范围：00H〜FFH共128B。

※访问：MOV指令

※空间分配：

工作寄存器区

位寻址区

数据缓冲区

80c51内RAM的三个物理空间：工作寄存器

区、位寻址区和数据缓冲区。

地址区域功能名称

00H-07H工作寄存器0区

00H08H-0FH工作寄存器1区

10H-17H工作寄存器2区

1FH

18H〜1FH工作寄存器3区

20H-2FH位寻址区

30H-7FH数据缓冲区

谒常孑工常出胚社.〃华甲区”以幅

内部128BRAM地址分配

7FH

栈区

般RAM区

30H

2FH

布尔操作区

16字卷

20H|00H128位单元

IraR7

I3区

18H

17HR7

I*

IQhR0___________吃寄存器区

IraRT

i1区32字节

08HRO

07HR7

IJ0区土寄存气」

OOHRO

』若"学化”让，不空

—・》^N，》«^^CVat/fw««_・•<1.•、•twKltCU^S£

-0:..7二不:'31.

1).工作寄存器区

一特点：，

用工作寄存器操作的指令，读写速度比一般

内部RAM要快，指令字节比一般直接寻址指令要

短

工作寄存器区分为4个区：0区、区、2区、3

区。每区有8个寄存器：R0〜R7,寄存器名称相

同。但是，当前工作的寄存器区只能有一个，由

PSW中的D4、D3位决定。

片内数据存储器空间分布图

①由PSW中的2位RS1、RSO来决定选

哪一组为当前工作寄存器：

RS1、RSO=OO选0组

RS1、RS0=01选1组

RS1、RS0=10选2组

RS1、RS