MCS51系列单片机芯片结构

0 0 0 0
0 0 0 0
7 0 F 0内 部 R A M 0 0 0 0
程 序 存 储 器 内 部 数 据 存 储 器 外 部 数 据 存 储 器
图2.4 MCS－51的存储器结构如
2.2.1 内部数据存储器
7FH
...
用户区
30H 2FH . .. 位寻址区（位地址00～7F）
20H 1FH 工作寄存器区3（R0～R7）
（2）控制器电路
控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄 存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以 及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单 片机各部分正常工作。
2. 定时器/计数器
MCS－51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定 时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外 部事件的计数和检测等。
可编程I/O
可编程 串行口
中断
控制
并行I/O口
串行 串行 输入 输出
图2.1 MCS-51单片机的系统结构框图
由图2.1可以看出，单片机内部主要包含下列几个部件： u 一个8位CPU； u 一个时钟电路； u 4Kbyte程序存储器； u 128byte数据存储器； u 两个16位定时/计数器； u 64Kbyte扩展总线控制电路； u 四个8-bit并行I/O端口； u 一个可编程串行接口； 五个中断源，其中包括两个优先级嵌套中断
位标志 CY
AC
F0
RS1 RS0
OV /
P
(1)CY：进位标志位
在执行某些算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清 零。在算术运算中它可作为进位标志，在位运算中，它作累加器 使用，在位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进位标志位。
(2) AC：辅助进位标志
进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位或借位 时，AC由硬件置位，否则AC位被置“0”。在进行十进制调整指 令时，将借助AC状态进行判断。
2.1.2 MCS－51单片机内部结构
MCS－51单片机芯片内部结构框图如图2.2所示。
P0.0～P0.7
P2.0～P2.7
Vcc （＋5V）
Vss
端口0驱动器
端口2驱动器
RAM地址 寄存器
RAM （128×8）
端口0锁存器
端口2锁存器
ROM （4K×8）
程序地址寄存器
PSEN ALE
EA RST
复位信号RST
该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电 平后，就可以完成复位操作。
1. 输入/输出口引脚P0、P1、P2和P3 P0口（P0.0～P0.7）：该端口为漏极开路的8位准双向
口，负载能力位8高LSTTL负载，它为8位地址线和8位数 据线的复用端口。
P1口（P1.0～P1.7）：它是一个内部带上拉电阻的8位 准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。
地址锁存允许ALE
系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低 8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。
外部程序存储器读选通信号
是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。
程序存储器地址允许输入端 /VPP 当为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC 中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。 当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。
无符号数乘法指令MUL的执行结果也会影响溢出标志， 若置于累加器A和寄存器B的两个数的乘积超过了255，则OV ＝1，反之OV＝0。由于乘积的高8位存放于B中，低8位存放于 A中，OV＝0则意味着只要从A中取得乘积即可，否则要从BA 寄存器对中取得乘积结果。
在除法运算中，DIV指令也会影响溢出标志，当除数为 0时，OV＝1，否则OV＝0。
...
工作寄存器区2（R0～R7） 工作寄存器区1（R0～R7）
00H 工作寄存器区0（R0～R7）
图2.5 MCS-51片内RAM的空间分配
1. 内部数据存储器低128单元
在低128字节存储单元中，前32个单元（00H～1FH） 作为工作寄存器使用，这32个寄存器分作4组，每组由8个 通用寄存器（R0～R7）组成，组号依次为0、1、2和3。通 过对程序状态字中RS1和RS0的设置，可以决定选用哪一组 工作寄存器，通常没有选中的单元也可作为一般的数据缓 存使用。系统上电复位时，默认选中第0组寄存器。
ACC
堆栈指示器SP
B寄存器
定时 指令 与 寄存
控制 器
暂存器2
暂存器1
ALU
状态寄存器
PCON SCON TMOD TCON
TH0 TL0 TH1 TL1
SBUF SBUF （TX）（RX）
IE
中断、串行口和定时器
端口1锁存器
端口3锁存器
端口1驱动器
端口3驱动器
XTAL1
XTAL2
P1.0～P1.7
❖ 累加器ACC
累加器为8位寄存器，是程序中最常用的专用寄存器， 在指令系统中累加器的助记符为A。大部分单操作数指令的 操作取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数也取自累 加器。加、减乘和除等算术运算指令的运算结果都存放在累 加器A或AB寄存器中，在变址寻址方式中累加器被作为变址 寄存器使用。在MCS－51中由于只有一个累加器，而单片机
2. 内部数据存储器高128单元
内部数据存储器的高128个单元是为专用寄存器提供的， 因此该区也称作特殊功能寄存器区（SFR），它们主要用于存 放控制命令、状态或数据。除去程序计数器PC外，还有21个 特殊功能寄存器，其地址空间为80H～FFH。这21个寄存器中 有11个特殊功能寄存器具有位寻址能力，它们的字节地址刚好 能被8整除。下面将对部分专用寄存器作简要介绍。
(6) P：奇偶标志位
每个指令周期由硬件来置位或清零用以表示累加器A 中1的个数的奇偶性，若累加器中1的个数为奇数则P＝1， 否则P＝0。
l 数据指针DPTR
数据指针DPTR为一个16位的专用寄存器，其高位用 DPH表示，其低位用DPL表示，它即既可以作为一个16位 的寄存器来使用，也可作为两个8位的的寄存器DPH和DPL 使用。DPTR在访问外部数据存储器时既可用来存放16位 地址，也可作地址指针使用。如MOVX @DPTR，A。
(3)用户标志位
该位为用户定义的状态标记，用户根据需要用软件对其置 位或清零，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。
(4)RS1和RS0：寄存器区选择控制位
该两位通过软件置“0”或“1”来选择当前工作寄存器区。
(5)OV：溢出标志位
当执行算术指令时，由硬件置位或清零来指示溢出状态。 在带符号的加减运算中，OV＝1表示加减运算结果超出了累加 器A所能表示的符号数有效范围（－128～＋127），即运算结 果是错误的，反之，OV＝0表示运算正确，即无溢出产生。
3. 存储器
MCS－51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序 存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空 间是相互独立的，物理结构也不相同。
4. 并行I/O口
MCS－51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和 P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三 态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口， 负载能力为4个TTL门电路。
TXD / P3.1 11
INT0 / P3.2 12
8051
32 P0.7
31 EA / Vpp 30 ALE / PROG 29 PSEN
EA / Vpp PSEN
ALE / PROG
8051
INT1/ P3.3 13
28 P2.7
T0 / P3.4 14
27 P2.6
T1/ P3.5 15 WR / P3.6 16
8. 总线
以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一 个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都 是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚， 提高了集成度和可靠性。
2.1.3 引脚信号
图2.3为MCS－51系列单片机引脚图及逻辑符号，它们 为标准的40脚DIP封装。
P1.0 1
第二章
MCS—51系列单片机 芯片结构
2.1 MCS—51系列单片机的结构原理
2.1.1 MCS-51单片机逻辑结构
MCS-51单片机的系统结构框图如图2.1所示。
频率基准源
计数器
振荡器及 定时电路
4KB 程序存储器
128KB 数据存储器
2个16位定时器 /事件计数器
CPU
中断
64KB总线 扩展控制
5. 串行I/O口
MCS－51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双 工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。
6. 中断控制系统
8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个， 串行中断1个。
7. 时钟电路
MCS－51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电 容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器 的频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6MHz。
中的大部分数据操作都是通过累加器进行的，故累加器的使用 是十分频繁的。
❖ B寄存器
B寄存器为8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的 两个操作数分别取自累加器A和寄存器B，其中B为乘数，乘法 结果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除数取自A， 除数取自B，除法的结果商数存放于A，余数存放于B中。在其 它指令中，B寄存器也可作为一般的数据单元来使用。
❖ 程序状态字PSW
程序状态字是一个8位寄存器，它包含程序的状态信息。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。PSW中的每 个状态位都可由软件读出，PSW的各位定义如表2.1。