单片机原理及应用第2章单片机基本结构与工作原理
单片机原理 第2章 MCS-51单片机体系结构
2.4.2 MCS-51单片机数据存储器
2.4.2 MCS-51单片机数据存储器
1. 工作寄存器区
字节地址为00H~1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区，每组占用8个 字节，都标记为R0~R7。在某一时刻，CPU只能使用其中的一组工作寄存 器，工作寄存器的选择由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0两位来确定 ，如表2-3所示。
2. 数据总线DB 数据总线宽度为8位（D0~D7），由P0提供。
3. 控制总线CB 控制总线由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、 和ALE组成。
2.3 MCS-51单片机的中央处理器
• 8051系列单片机的中央处理器CPU是单片机 的指挥中心和执行机构，它的作用是产生合适的 时序，读入和分析每条指令代码，根据每条指令 代码的功能要求，指挥并控制单片机的有关部件 和器件，具体执行指定的操作。
2.2.3 并行I/O引脚
3. P2口
P2口，为准双向I/O口，具有内部上拉电阻。一共8位，有P2.0～P2.7共8 条引脚。当8051系列单片机扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P2口作为 地址总线（高8位），和P0输出的低8位地址一起构成16位地址，可以寻址 64KB的地址空间。
P2口位结构图如图2-3 （c）所示，它比P1口多了 一个转换控制部分，当P2 与P0配合作为“地址/数据总 线”方式下的高8位数据线 （A8~A15）时，CPU将写 控制信号“1”使MUX切换到 右边，在“地址/数据总线” 方式下，无论P2口剩余多 少地址线，均不能被用于 普通I/O操作。
（2）控制引脚—— 、
《单片机原理及应用》课件01-51单片机基本结构与存储器分配
内中断
并行口
外中断
P0 P1 P2 P3
串口模块 TXD RXD
中断模块 INT0 INT1
P0.0～P0.7
P2.0～P2.7
VCC (+5V)
GND
RAM地址 锁存器
RAM
通道0驱动器
通道0锁 存器
通道2驱动器
通道2锁 存器
ROM/ EPROM
程序地址寄存器
PSEN ALE
EA RST
B寄存器 ACC TMP2
片内地址空间：RAM 128B（00H-7FH） SFR 128B（80H-FFH）
128B SFR
128B RAM
FFH 21个SFR分布 在80H-FFH
83个可寻址位
80H 7FH
用户、
堆栈区
30H 2FH
位寻址区
20H 1FH
工作寄存器区
00H
内部RAM组织结构
10
所有的RAM区(位 寻址区、工作寄 存器区）都可以 用于存放数据， 故也称为数据缓 存寄存器
特殊功能寄存器(SFR)
▼特殊功能寄存器SFR（专用寄存器）
专用于控制、选择、管理、存放单片机内部各功能 部件的工作方式、条件、状态、结果的寄存器。
▼不同的SFR管理不同的硬件模块，负责不同的功 17 能——各司其职
换言之：要让单片机实现预定的功能，必须有相应 的硬件和软件，而软件中最重要的一项工作就是对 SFR写命令（要求）。
4 堆栈指针ＳＰ
堆栈：
在片内RAM中，指定一个专门的区域来存放某 些特别的数据,它遵循先进后出和后进先出 (LIFO/FILO）的原则,这个RAM区叫堆栈。
功用：
22
第2章 AT89S51单片机原理与基本应用系统
单片机实用教程第2章AT89S51单片机原理与基本应用系统本章主要内容1、单片机的内部结构与引脚功能2、单片机存储器空间配臵与功能3、汇编语言指令格式与内部RAM的操作指令4、单片机I/O输入输出端口结构及工作原理5、单片机基本应用系统一、AT89S51单片机内部结构（1）一个8位的CPU；（2）一个片内振荡器及时钟电路；（3）4KB的Flash ROM；（4）128B的内部RAM（5）可扩展64KB外部ROM和外部RAM的控制电路；（6）两个十六位的定时/计数器；（7）26个特殊功能寄存器（双数据指针）；（8）4个8位的并行口；（9）一个全双工的串行口；（10）5个中断源，两个外部中断，三个内部中断；（11）内部硬件看门狗电路；（12）一个SPI串行接口，用于芯片的在系统编程（ISP）。
1、电源VCC （P40）——芯片电源，接+5V 。
VSS （P20）——接电源地。
二、AT89S51单片机引脚功能2、时钟XTAL1（P19）——晶体振荡电路的反相器输入端XTAL2（P18）——晶体振荡电路的反相器输出端。
使用内部振荡电路时，该引脚外接石英晶体和补偿电容。
使用外部振荡输入时从XTAL2输入，此时XTAL1需接地。
3、控制控制引脚有4个，先学习其中的两个。
（1）RST/VPD——复位/备用电源RST复位功能是单片机正常工作必不可少的，因为复位可以使单片机从程序的开头运行，使单片机按照人们设计的程序运行，在单片机系统上电开始工作，或单片机系统由于外界干扰偏离正常运行，都需要复位。
AT89S51单片机是高电平复位，只要在该引脚上一段时间（两个机器周期以上）的高电平，单片机就复位。
在正常运行程序时该引脚为低电平。
VPD功能是在VCC掉电情况下，该引脚接备用电源，向片内的RAM供电，使RAM中的数据不丢失。
3、控制（2）EA/VPP——内外ROM选择/EPROM编程电源在通常的应用中EA功能是作为内部和外部ROM的选择端。
《单片机原理及应用》课后习题答案
答案：ALE是地址锁存使能信号，是机器周期的二倍。当不使用单字节双周期的指令，如MOVX类指令时，可以作为外部设备的定时信号。
2.13 有那几种方法能使单片机复位？复位后各寄存器的状态如何？复位对内部RAM有何影响？
2.6 8051如何确定和改变当前工作寄存器组？
2.7 MCS-51单片机的程序存储器中0000H、0003H、000BH、0013H、001BH和0023H这几个地址具有什么特殊的功能？
2.8 8051单片机有哪几个特殊功能寄存器？可位寻址的SFR有几个？
2.9 程序状态寄存器PSW的作用是什么？常用标志有哪些位？作用是什么？
TH1、TL1、TH0、TL0的内容为00H，定时器/计数器的初值为0。
(TMOD)=00H，复位后定时器/计数器T0、T1为定时器方式0，非门控方式。
(TCON)=00H，复位后定时器/计数器T0、T1停止工作，外部中断0、1为电平触发方式。
(T2CON)=00H，复位后定时器/计数器T2停止工作。
可位寻址的SFR有11个。
2.9 程序状态寄存器PSW的作用是什么？常用标志有哪些位？作用是什么？
答案：PSW—程序状态字。主要起着标志寄存器的作用。常用标志位及其作用如下：
Cy——进（借）位标志，其主要作用是保存算术运算的进或借位并在进行位操作时做累加器。
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。
2.14 MCS-51的时钟振荡周期、机器周期和指令周期之间有何关系？
第2章AT89C51单片机结构和原理
的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。例如8051的功耗为630 mW，
而80C51的功耗只有120 mW。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上， 低功耗是非常有意义的，因此，在这些产品中必须使用CHMOS的单片 机芯片。
第2章
AT89C51单片机结构和原理
在片内存储器的配置上，早期有三种形式：掩模ROM、EPROM和无片 内存储器。现在一般采用Flash ROM，如AT89C51和AT89S51。 89S51相对于89C51增加的新功能包括： -- 新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更 低！ -- ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不 需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 -- 最高工作频率为33MHz，89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具 有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 -- 具有双工UART串行通道。 -- 内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元 电路。
D2H
D1H
D0H
第2章
AT89C51单片机结构和原理
① 进位标志位CY：表示累加器A在加减运算过程 中其最高位A7有无进位或借位。 ② 辅助进位位AC：表示累加器A在加减运算时低 4位(A3)有无向高4位(A4)进位或借位。 ③ 用户标志位F0：是用户定义的一个状态标志位，
根据需要可以用软件来使它置位或清除。
成在一块芯片上。
第2章
AT89C51单片机结构和原理
图2-1 AT89C51内部结构框图
第2章
AT89C51单片机结构和原理
芯片内部集成有： 一个8位的CPU 128/256字节的内部RAM(数据存储器) 4KB/8KB内部 Flash ROM（程序存储器） 一组特殊功能寄存器 （SFR） 一个可位寻址的布尔处理器 4个输出输入口（32根）
单片机原理及应用课后习题参考答案1~6章
第一章计算机基础知识1-1 微型计算机主要由哪几部分组成？各部分有何功能？答：一台微型计算机由中央处理单元（CPU）、存储器、I/O接口及I/O设备等组成，相互之间通过三组总线（Bus）：即地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB来连接。
CPU由运算器和控制器组成，运算器能够完成各种算术运算和逻辑运算操作，控制器用于控制计算机进行各种操作。
存储器是计算机系统中的“记忆”装置，其功能是存放程序和数据。
按其功能可分为RAM和ROM。
输入/输出（I/O）接口是CPU与外部设备进行信息交换的部件。
总线是将CPU、存储器和I/O接口等相对独立的功能部件连接起来，并传送信息的公共通道。
1-3 什么叫单片机？其主要由哪几部分组成？答：单片机（Single Chip Microcomputer）是指把CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要部件集成在一块半导体芯片上的微型计算机。
1-4 在各种系列的单片机中，片内ROM的配置有几种形式？用户应根据什么原则来选用？答：单片机片内ROM的配置状态可分四种：（1）片内掩膜（Mask）ROM型单片机（如8051），适合于定型大批量应用产品的生产；（2）片内EPROM型单片机（如8751），适合于研制产品样机；（3）片内无ROM型单片机（如8031），需外接EPROM，单片机扩展灵活，适用于研制新产品；（4）EEPROM（或Flash ROM）型单片机（如89C51），内部程序存储器电可擦除，使用更方便。
1-6 写出下列各数的BCD参与：59：01011001，1996：000，：：第二章 MCS-51单片机的硬件结构2-1 8052单片机片内包含哪些主要逻辑功能部件？答：8052单片机片内包括：①8位中央处理器CPU一个②片内振荡器及时钟电路③256B数据存储器RAM。
④8KB片内程序存储空间ROM⑤21个特殊功能寄存器SFR⑥4个8位并行I/O端口（32条线）⑦1个可编程全双工串行口⑧可寻址64KB的外部程序存储空间和外部数据存储空间⑨3个16位的定时器/计数器⑩6个中断源、2个优先级嵌套中断结构2-2 8052的存储器分哪几个空间？如何区别不同空间的寻址？答：⑴8052的存储器分为6个编址空间：①片内ROM的容量为8KB，其地址为0000H~1FFFH；②可扩展片外ROM的容量为64KB，其地址为0000H~FFFFH；片内RAM的容量为256B，其地址为00H~FFH分为二块：③地址00H~7FH共128B为片内RAM低区，④另128B为片内RAM高区，其地址空间为80H`FFH，其地址空间与SFR功能寄存器地址重叠；⑤可扩展片外RAM的容量为64KB，其地址为0000H~1FFFH；⑥特殊功能寄存器SFR的空间为128B，其地址为80H~FFH，但实际只定义了26B单元，这26B单元分散在80H`F0H。
单片机 第二章 80C51系列单片机内部结构与工作原理
2.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能
③检查单片机芯片的好坏，可用示波器查看ALE端
是否有脉冲信号输出。
④ALE端的负载能力为8个LS型TTL。 ：对EPROM型单片机，如对87C51BH编程时 的编程脉冲输入端。 ⑵、 (29脚)：程序存储允许输出端。片外程
序存储器的读选通信号，低电平有效。
2.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能
3、基本功能单元
功能： 满足单片机测控功能要求的基本计算机外 围电路，用来完善和扩大计算机的功能．
组成： 包括定时/计数器、中断系统、串行通信 接口等。 说明： (1)80C51有两个16位定时/计数器 (T0和T1)。 作用： 可以作为内部定时器或外部脉冲计数器使 用。作内部定时器时，是靠对时钟振荡器的12分频脉
2.1 2.2 2.3
2.4
2.5 2.6
2.7
2.8 2.9
80C51系列单片机简介 80C51单片机内部基本结构及引脚功能 80C51单片机CPU结构 80C51存储器结构 输入/输出（I/O）端口 单片机的工作过程 80C51的低功耗方式 本章小结 练习思考题
第二章
80C51系列单片机内部结构与工作原理
①CPU从外部ROM取指令时，在每个机器周期中两 次有效。但在访问片外RAM时，要少产生两次负脉冲信
2.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能
号。有效时，将外部ROM中的指令读到数据总线上。
②检查单片机系统上电后，CPU能否正常到 EPROM/ROM中读取指令码，可用示波器查看该端有无负 脉冲信号输出。 ③可驱动8个LS型TTL门电路。
⑶、 (31脚)：内部/外部ROM地址选择信号/ 固化编程电压输入端。 ：①为高电平，CPU访问ROM有两种情况： 当PC中的值小于0FFFH时，执行片内ROM指令; 当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外 ROM指令。
《单片机原理与应用》谢维成(第二章)课件
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。
第2章 单片机基本原理
2、累加器ACCumulator（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。
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。
第2章 单片机基本原理
保留的存储单元：
存储单元 0000H～0002H 0003H～000AH 000BH～0012H 0013H～001AH 保留目的 复位后初始化引导程序 外部中断0（INT0）中断地址区 定时器/记数器0（T0）中断地址区 外部中断1（INT1）中断地址区
001BH～0022H
0023H～002AH 002BH～0032H
定时器/计数器1（T1）中断地址区
串行（RI/TI）中断地址区 定时器2中断（8052才有）
中断矢量地址表：
中 断 源 入口地址 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 002BH 外部中断0（INT0） 定时器/计数器0溢出 外部中断1 （INT1） 定时/计数器1溢出 串行口 定时/计数器2（仅52子系列有）
第2章 单片机基本原理
对于52子系列：有8032、8052、8752 三种机型。 52子系列与51子系列相比大部分相同，不同之处在于： 片内数据存储器增至256字节（比51子系列增加1倍）；
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80C51的SFR（续表）
符号
寄存器 名
D7
(1)可位寻址SFR（11）
中断优
BF
IP 先权寄
存器
---
B7 P3 P3口
P3.7
中断允
AF
IE 许寄存
器
EA
A7 P2 P2口
P2.7
位地址、位标记及位功能
直接地址 复位状态
D6 D5
D4
D3 D2 D1 D0 addrect
BE BD BC BB BA B9 B8
XTAL2
XTAL1
80C51的时钟系统
2.1 单片机的基本结构--- CPU系统
（3）总线控制逻辑： 主要用于管理外部并行总线时序及系统 的复位控制，外部引脚有RST、ALE、EA、PSEN。
RST-----系统复位用
ALE-----数据（地址）复用控制
EA------外部/内部程序存储器选择
PSEN---外部程序存储器的取指控制
P1口：带内部上拉电阻的准双向口
2.3.1 单片机的引脚分配及功能描述
2．80C51引脚功能描述（续表）
P2.0~ P2.7
P3.0~ P3.7
21~ 28
10~ 17
24~ 31
11, 13~ 19
18~ I/O 25
5， I/O 7~ 13
P2口：带内部上拉电阻的准双向口，是并行 总线的高8位地址线，不作总线地址线时，也 可用作普通I/O口
发送口TXD，接收口RXD。 4、I/O端口：
P1为普通I/O口，P3口可复用作普通I/O口，P0、P2口不 作并行口时也可作普通I/O口。
2.3.3单片机的引脚应用特性
1、并行总线的构成
并行总线口三个特点：
（1）P0口为地址/数据复用口。
（2）两个独立的并行扩展空间。程序存储器使用 PSEN取指控制信号，数据采用WR、RD存取控制信号。
出端
15
I 谐振器端口1：时钟振荡器反相放大器输
入端
2.3.2 80C51系列单片机引脚功能分类
1、基本引脚： 电源VCC、VSS、时钟XTAL2、XTAL1，复位RST。
2、并行扩展总线： 数据总线P0口，地址总线P0口（低8位）、P2口（高8
位），控制总线ALE、PSEN、EA。 3、串行通信总线：
P3口：带内部上拉电阻的准双向口，具有复用功能， 除作普通I/O口外，还可作以下用途： RXD：UART的串行输入口，移位寄存器方式的数 据端 TXD：UART的串行输出口，移位寄存器方式的时 钟端 INT0：外部中断0输入口 INT1：外部中断1输入口 T0：定时器/计数器0输入口 T1：定时器/计数器1输入口 WR：片外RAM“写”控制信号 RD：片外RAM“读”控制信号
LOGO
第2章 单片机基本结构与工作原理
第2章 单片机基本结构与工作原理
2.1 单片机的基本结构 2.2 单片机内部资源的配置 2.3 单片机的外部特性（80C51） 2.4 80C51的SFR运行管理模式 2.5 单片机I/O端口及应用特性 2.6 80C51单片机存储器系统及操作方式
2.1 单片机的基本结构
2.2 单片机内部资源的配置
单片机内部资源可按需要进行扩展与删减，单片机中 许多型号系列是在基核的基础上扩展部分资源形成的，这 些可扩展的资源有： （1）时钟系统的速度扩展，从12MHZ到90MHZ。 （2）ROM的容量扩展，从8K、16K到64K。 （3）RAM的容量扩展，从256B、512B到1024B。 （4）I/O口的数量扩展，从4个I/O口到7个I/O口。 （5）SFR的功能扩展，如ADC、PWM、WDT、模拟比较器等。 （6）中断系统的中断源扩展。
（3）某些功能加强。如增加模拟比较器、计数器捕捉 功能等。
2.2 单片机的外部特性
2.3.1 单片机的引脚分配及功能描述
1．MCS-51单片机不同封装的引脚分配
2.3.1 单片机的引脚分配及功能描述
2．80C51引脚功能描述
引脚编号
端
口
引脚标记
类
DIP LCC QFP 别
引脚名称及功能描述
Vss
为了满足小型廉价的要求，可将单片机的某些资 源删减，某些功能加强，以达到不同场合使用要求， 这些删减增加资源的内容有：
（1）总线删减。如89C1051、89C2051删去并行总线， 成为20脚封装。
（2）功能删减。如89C1051只有1K的ROM、64B的RAM、 1个定时/计数器，删除了串行口UART单元。
别为P0、P1、P2、P3。 P0口为数据总线端口，P2、P0组成16 位地址总线，P1为用户口，P3为用于基本输入/输出端口以 及并行扩展总线的读写控制。P0、P2口可作用户I/O口，P3 不作基本功能单元的输入输出口时，可作用户I/O口。
(4)SFR：特殊功能寄存器，是单片机中的重要控制单元，
CPU对所有片内功能单元的操作是通过访问SFR实现的。
+5V
10UF 8.2K
9/RST 80C51
单片机的上电复位电路
2.1 单片机的基本结构--- CPU外围电路
2．CPU外围电路
CPU外围电路包括ROM、RAM、I/O口、SFR四个部分 (1)ROM：程序存储器，地址范围为0000H~FFFFH（64K）
80C51 为 ROMless 按供应状态分： 83C51 为 MaskROM
锁存信号；编程写入时，作为编程脉冲输
入端；正常操作时，输出时钟振荡器的6
分频频率信号
36
O 外部程序存储器选通信号：使用外部程序
存储器时，作为外部程序存储器的取指控
制端
29
I 内外程序存储器选择/编程写入电源输入
端：EA=0时选择访问外部程序存储器；编
程写入时输入编程电压
14
O 谐振器端口2：时钟振荡器反相放大器输
B8H ×××00000B
B0H
FFH
A8H 0××00000B
A0H
FFH
符号
寄存 器名
SCON
串行 口控 制寄 存器
P1 P1口
TCON
定时 器控 制寄 存器
P0 P0口
80C51的SFR（续表）
位地址、位标记及位功能
直接地
D7
D6 D5
D4
D3
D2
D1
D0 址addrect
(1)可位寻址SFR（11）
2．80C51引脚功能描述（续表）
RST/Vpp
9
10
ALE/PROG
30
33
PSEN
29
32
Vpp/EA
31
35
XTAL2 XTAL1
18
20
19
21
4
I 复位端：高电平有效复位，在复位端上保
持两个机器周期的高电平即可完成操作
27
I/O 地址锁存允许/编程脉冲输入端：访问外
部存储器时，提供P0口作为低8位地址的
典型系列单片机是由CPU系统、CPU外围电路、基本功能单元三个部分组成:
P0 P1 P2 P3
RST ALE EA PSEN
ROM
总线控制逻辑 CPU
时钟系统
XTALL2 XTAL1
定时器/计 数器
RAM 中断系统
I/O
SFR
串行接口 UART
80C51系列单片机的基本结构原理图
2.1 单片机的基本结构--- CPU系统
(3)压堆栈时用PUSS ACC 弹出堆栈时要用POP ACC
80C51的SFR（续表）
符号
寄存器 名
D7
位地址、位标记及位功能
直接地址 复位
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
addrect 状态
(1)可位寻址SFR（11）
F7
F6
F5
F4
F3
F2
F1
F0
B
B寄存器
F0H
00H
B.7
B.6
B.5
B.4 B.3 B.2
B.1
B.0
B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一。
在乘法中，ALU的输入数为A和B，运算结果低位放在A中， 高位放在B中。
在除法中，被除数取自A，除数取自B，商在A中，余数在B 中。
在其它情况下，B寄存器可作为内部RAM的一个单元使用。
80C51的SFR（续表）
符号
寄存器 名
D7
位地址、位标记及位功能
D6
D5
D4
D3
D2
D1
(1)可位寻址SFR（11）
PSW
程序状 态字
D7 CY
D6 AC
D5
D4
D3
D2
D1
F0
RS1 RS0 OV
---
CY：进位标志，有进位/借位时，C=1。否则C=0。
直接地址 复位
D0
addrect 状态
D0
DOH
00H
P
AC：半进位标志，当D3向D4位产生进位或借位时，AC=1。
位地址、位标记及位功能
D6
D5
D4
D3
D2
D1
E6
E5E4E3 NhomakorabeaE2E1
ACC.6 ACC .5 ACC.4 ACC.3 ACC.2 ACC.1
直接地址
D0
addrect
E0 E0H
ACC.0
复位 状态
00H
累加器是CPU中使用最多的寄存器，简称ACC或A。作用主要有： （1）A是ALU单元输入之一，也是结果存放单元。 （2）CPU中大多数数据传送都通过A，因此A相当于数据的中转 站，如查表指令、片外存储指令等。