MCS 51单片机结构
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第02章 MCS-51单片机的结构
CY
AC
F0
RS1 RS0
OV
/
P
PSW位地址
D7H D6H D5H D4H CY AC F0 RS1
D3H RS0
D2H D1H OV
D0H P
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 0111 1000 +1001 0111 1 0000 1111
ALU
定时与控制 程序地址寄存器AR
CPU
。
2.2.2 控制器
控制器由程序计数器PC、指令
寄存器和指令译码器、定时和控
制逻辑电路。
相对控制器而言，运算器接受控 制器的命令而进行动作。
1)．程序计数器PC
※ PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构 上是独立的。 ※ 16位的地址寄存器，用于存放下一字节指令的地址， 可寻址64KB的程序存储器空间。 ※ PC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。
用示波器检测该引脚来判断单片机是否损坏。
② PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程 期间，此引脚输入编程脉冲。
⑵ PSEN: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）作为片外ROM的
单片机原理 第2章 MCS-51单片机体系结构
8051单片机的内RAM共有128个单元，应用最为灵活，用于 存放变量的值、运算结果和标志位等信息。按其用途可分为三个 区域。
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—— 、
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—— 、
第2章MCS-51单片机基本结构
令和四周期指令。
2.1.4
复位和复位电路
单片机在重新启动时都需要复位，MCS-51 系列单片机有一个复位引脚输入端RST。 1. MCS-51系列的单片机复位方法为：在RST上加
一个维持两个机器周期（24个时钟周期）以上
的高电平，则单片机被复位。 2. 复位时单片机各部分将处于一个固定的状态。
复位后单片机各单元的初始状态
R2 2 00
2 2u F
R S T/VP D
R1 1K
V ss
GND
未稳压电源
WDI R1 PFI MR R2 MAX813L P1.0
RESET
WDO
﹠
RST MCS-51
“看门狗”复位电路
2.1.5 MCS-51单片机的引脚功能
MCS-51单片机采用40脚双列直插式封装形式，主要包括以 下几个部分： 1. 电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端，为十5V； Vss(20脚)：接地端 ，GND。 2. 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1为内部振荡电路反相放大器的输入端 。 XTAL2为内部振荡电路反相放大器的输出端 。 3. 控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA 4. I／O(输入／输出)端口P0、P1、P2和P3 5. MCS-51单片机P3口的第二功能
单片机各种周期的关系图
机器周期 S1 S2 S3 S4 S5 S6 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
时钟周期 状态周期
1个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期
4、指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部
时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周
期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指
2.1.4
复位和复位电路
单片机在重新启动时都需要复位，MCS-51 系列单片机有一个复位引脚输入端RST。 1. MCS-51系列的单片机复位方法为：在RST上加
一个维持两个机器周期（24个时钟周期）以上
的高电平，则单片机被复位。 2. 复位时单片机各部分将处于一个固定的状态。
复位后单片机各单元的初始状态
R2 2 00
2 2u F
R S T/VP D
R1 1K
V ss
GND
未稳压电源
WDI R1 PFI MR R2 MAX813L P1.0
RESET
WDO
﹠
RST MCS-51
“看门狗”复位电路
2.1.5 MCS-51单片机的引脚功能
MCS-51单片机采用40脚双列直插式封装形式，主要包括以 下几个部分： 1. 电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端，为十5V； Vss(20脚)：接地端 ，GND。 2. 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1为内部振荡电路反相放大器的输入端 。 XTAL2为内部振荡电路反相放大器的输出端 。 3. 控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA 4. I／O(输入／输出)端口P0、P1、P2和P3 5. MCS-51单片机P3口的第二功能
单片机各种周期的关系图
机器周期 S1 S2 S3 S4 S5 S6 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
时钟周期 状态周期
1个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期
4、指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部
时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周
期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指
第1章 MCS-51单片机结构
一个8位的CPU。 程序存储器：4KBROM。
128字节RAM。
两个16位可编程定时器/计数器。 可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。
32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）。
一个可编程全双工串行口。 具有两个优先级嵌套的中断结构。
★ 掌握51系列单片机各存储空间的地址分配、使用特点。
位名称
1.3 特殊功能寄存器
CY：进/借位标志,反映最高位的进位借位情况，加法为进位、 减法为借位。CY=1，有进/借位 ； CY=0，无进/借位。 AC：辅助进/借位标志,反映高半字节与低半字节之间的进/借 位，AC=1有进/借位； AC=0无进/借位 。 FO：用户标志位,可由用户设定其含义。 RS1，RS0：工作寄存器组选择位。 OV：溢出标志,反映补码运算的运算结果有无溢出 有溢出 OV=1，无溢出OV=0。 -：无效位。 P：奇偶标志,运算结果有奇个“1”，P=1；运算结果有偶个“1”， P=0。
1.5 引脚功能
8XX51单片机有44引脚的方形 封装和40个引脚的双列直插式封 装形式，最常用的40个引脚DIP 封装。
各个引脚的功能如下： Vss:接地端。 Vcc:电源端，接+5V。 XTAL1，XTAL2: 接外部晶体或外部时 钟。 RST/VPD：①复位信号输入。 ②接备用电源，当VCC掉电
在中断入口地址中通常用一条无条件转移指令，转到 中断处理子程序。
1.2.2 外部数据储存器
用于存放随机读写的数据；
外部数据存储器和外部I/O口统一编址。 控制信号相同，使用相同的MOVX指令访问。 最多可扩展64KB外部数据存储器
1.2.3 内部数据储存器
MCS51单片机的结构
MCS51单片机的结构MCS-51单片机是Intel公司设计开发的一种高度集成的8位微控制器（microcontroller），主要应用于嵌入式系统中。
它采用了Harvard 架构，包含一个CPU核心、片内存储器、外围接口和定时器/计数器等功能模块。
在本文中，我将详细介绍MCS-51单片机的结构。
MCS-51单片机的结构主要分为以下几个部分：1.中央处理器（CPU）核心：MCS-51单片机的CPU核心采用了8位的数据总线和地址总线，以及一组功能强大的指令集。
该CPU支持多种指令，包括数据传送指令、算术逻辑指令、位操作指令和条件跳转指令等。
它还包括一个累加寄存器和标志寄存器，用于存储操作数和标志位信息。
2.存储器部分：MCS-51单片机包含片内存储器和片外存储器。
片内存储器主要用于存储程序代码和数据，包括ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）。
ROM用于存储程序代码，RAM用于存储数据和临时变量。
片外存储器通过地址线和数据线与单片机连接，可以扩展存储器容量。
3.输入输出（I/O）接口：MCS-51单片机通过多个I/O口与外部世界进行数据交互。
每个I/O 口包含一组引脚，可以用作输入或输出。
这些引脚可以通过配置寄存器来选择其功能。
MCS-51单片机还支持中断输入，可以用于实现外部设备的中断功能。
4.定时器/计数器（Timer/Counter）：MCS-51单片机内置了多个定时器/计数器模块，用于生成精确的时间延迟或测量外部事件的时间间隔。
定时器可以产生周期性的中断信号，用于实现定时任务。
计数器可以计数外部事件的脉冲数量，用于测量时间间隔。
5.串行通信接口：MCS-51单片机内置了一个串行通信接口，可以用于与其他设备进行数据传输。
该接口支持异步串行通信协议，如UART（通用异步收发器）或SPI（串行外围接口）等。
它可以通过配置寄存器来设置通信参数，如波特率和数据格式等。
6.时钟电路：MCS-51单片机需要一个精确的时钟源来驱动内部运算和外设操作。
MCS-51单片机的内部结构
§ 2.2.2 控制器
1.程序计数器PC ( Program Counter )；
程序计数器PC：程序地址指示器，是16位专用 寄存器，其内容表示下一条要执行的指令的16位 地址。
PC具有自动加1的功能。 系统复位后，PC=0000H。
§ 2.2.2 控制器
§2.2.1 运算器
（3）程序状态字PSW（字节地址：D0H）
寄存当前指令执行的某些状态；反映指令执行结果的一些 特征。
1)四个状态标志位
C：进位标志位 AC：半进位标志位 P：奇偶标志位 OV：溢出标志位
2)设定标志位 F0、F1标志位：用户标志位 RS1、RS0：工作寄存器组 指针
§2.2.1 运算器
（2）基本结构： 1)CPU 2)存储器 3)输入/输出 接口电路 4)总线
§2.1 MCS-51单片机结构
总 体 结 构
§2.1 MCS-51单片机结构
基本特性
•CPU :8位 •存储器:
•128字节RAM •21个专用寄存器（亦称特殊功能寄存器SFR） •4K字节ROM存储器 •并行口:4个8位并行口 •串行口:1个全双工的串行口 •定时器/计数器:2个16位的定时器/计数器 •中断系统:5个中断源,两个中断优先级 •寻址范围: 64K字节（程序存储区和外部数据存储区各64K）
RS1 RS0 00 01 10 11
寄存器区 0区 1区 2区 3区
§2.2.1 运算器
程序状态字
Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
⑤溢出标志OV： Overflow flag
作有符号数进行算术运算时，若计算结果超出-128~+127 范围，则OV置1，否则置0。
§2.2.1 运算器
MCS-51系列单片机的结构
石英晶体振荡器产生的振荡信号送至内部时钟电路产生时钟 脉冲信号。
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
3.控制总线
(1)
：ALE为地址锁存允许信号。在访问外部
存储器时，ALE用来把扩展地址低8位锁存到外部锁存器。在
不访问外部存储器时，ALE引脚以不变的频率(时钟振荡器频
率的1/6)周期性地发出正脉冲信号，因而它又可用作外部定
品有8031和87510 8031是一个无ROM的8051，它从外部ROM 获取所用的指令，8751是一个用EPROM代替ROM的8051， 除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。今后，除特另 11说明外，用8051这个名称来代表8031、8051和87510
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
二功能是在访问外部存储器时，它分时作为低8位地址线和8 位双向数据线。当P0口作为普通输入口使用时，应先向口锁 存器写“1”。 (2) P1口(P1. 0~P1. 7)是一个内部带上拉电阻的准双向I/O口。 当P1口作为普通输入口使用时，应先向口锁存器写“1” 。
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
(1)带进位和不带进位的加法。 (2)带借位减法。 (3) 8位无符号数乘法和除法。 (4)逻辑与、或、异或操作。 (5)加1、减1操作。 (6)按位求反操作。 (7)循环左、右移位操作。 (8)半字节交换。 (9)二一十进制调整。 (10)比较和条件转移的判断等操作。
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
2)指令寄存器IR (Instruction Register) 指令寄存器是一个8位寄存器，用于暂存待执行的指令，等
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
3.控制总线
(1)
：ALE为地址锁存允许信号。在访问外部
存储器时，ALE用来把扩展地址低8位锁存到外部锁存器。在
不访问外部存储器时，ALE引脚以不变的频率(时钟振荡器频
率的1/6)周期性地发出正脉冲信号，因而它又可用作外部定
品有8031和87510 8031是一个无ROM的8051，它从外部ROM 获取所用的指令，8751是一个用EPROM代替ROM的8051， 除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。今后，除特另 11说明外，用8051这个名称来代表8031、8051和87510
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
二功能是在访问外部存储器时，它分时作为低8位地址线和8 位双向数据线。当P0口作为普通输入口使用时，应先向口锁 存器写“1”。 (2) P1口(P1. 0~P1. 7)是一个内部带上拉电阻的准双向I/O口。 当P1口作为普通输入口使用时，应先向口锁存器写“1” 。
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
(1)带进位和不带进位的加法。 (2)带借位减法。 (3) 8位无符号数乘法和除法。 (4)逻辑与、或、异或操作。 (5)加1、减1操作。 (6)按位求反操作。 (7)循环左、右移位操作。 (8)半字节交换。 (9)二一十进制调整。 (10)比较和条件转移的判断等操作。
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2.1 MCS-51单片机的内部结构
2)指令寄存器IR (Instruction Register) 指令寄存器是一个8位寄存器，用于暂存待执行的指令，等
第2章 MCS-51单片机基本结构
第2章 MCS-51单片机基本结构
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1 MCS-51单片机内部结构 2.2 MCS-51单片机引脚功能 2.3 MCS-51单片机时序 2.4 单片机复位与复位电路 2.5 单片机最小应用系统 2.6 单片机低功耗运行
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1 MCS-51单片机内部结构
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1.2存储器
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1.2存储器
存储器小结：
第2章 MCS-51单片机基本结构
（1）地址的重叠性。数据存储器与程序存储器全 部64K地址重叠；程序存储器中的片内和片外低 4K地址重叠；数据存储器片内和片外最低的128 个字节地址重叠。虽然有这些重叠，但是由于采 取了不同的操作指令和外部引脚电平的控制，是 不会产生操作混乱的。 （2）程序存储器和数据存储器在使用上是严格区 分的，不同的操作指令不能混用。 （3）片外数据存储器中，数据区与用户外部扩展 的I/O口统一编址。因此，应用系统中所有外围接 口的地址均占用RAM地址单元。与外围接口进行 数据传送时，使用与访问外部数据存储器相同的 传送指令。
①CY（Carry Flag）
进位标志位。在执行运算过程中，如果结果的最高位 在加法运算时有进位或减法运算时有借位，Cy=1；否则， Cy=0。在进行位操作时，CY作为位累加器，作用相当于 CPU中的累加器A。
②AC（Auxiliary Carry Flag）
辅助进位标志位。进行加法或减法运算中，若低4位向 高4位有进位或借位，AC将被硬件置1，否则清0。AC位 常用于进行十进制调整指令和压缩BCD码运算。
第2章 MCS-51单片机基本结构
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1 MCS-51单片机内部结构 2.2 MCS-51单片机引脚功能 2.3 MCS-51单片机时序 2.4 单片机复位与复位电路 2.5 单片机最小应用系统 2.6 单片机低功耗运行
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1 MCS-51单片机内部结构
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1.2存储器
第2章 MCS-51单片机基本结构
2.1.2存储器
存储器小结：
第2章 MCS-51单片机基本结构
（1）地址的重叠性。数据存储器与程序存储器全 部64K地址重叠；程序存储器中的片内和片外低 4K地址重叠；数据存储器片内和片外最低的128 个字节地址重叠。虽然有这些重叠，但是由于采 取了不同的操作指令和外部引脚电平的控制，是 不会产生操作混乱的。 （2）程序存储器和数据存储器在使用上是严格区 分的，不同的操作指令不能混用。 （3）片外数据存储器中，数据区与用户外部扩展 的I/O口统一编址。因此，应用系统中所有外围接 口的地址均占用RAM地址单元。与外围接口进行 数据传送时，使用与访问外部数据存储器相同的 传送指令。
①CY（Carry Flag）
进位标志位。在执行运算过程中，如果结果的最高位 在加法运算时有进位或减法运算时有借位，Cy=1；否则， Cy=0。在进行位操作时，CY作为位累加器，作用相当于 CPU中的累加器A。
②AC（Auxiliary Carry Flag）
辅助进位标志位。进行加法或减法运算中，若低4位向 高4位有进位或借位，AC将被硬件置1，否则清0。AC位 常用于进行十进制调整指令和压缩BCD码运算。
第2章 MCS-51单片机基本结构