第二章单片机基本内部结构
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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
单片机第二章MCS-51系列单片机硬件结构
3. P1口（P1.0~P1.7，1脚~8脚）
P1口仅用作I/O使用，它也是自带上拉电阻的8 位准双向I/O接口，每一位可驱动4个LSTTL负载。 当P1口作为输入接口时，应先向口锁存器写“1”。 4. P3口（P3.0~P3.7，10脚~17脚）
除了和P1口的功能一样外， P3口的每一引脚还具有第二功能。
第二章 单片机的硬件结构
2.1 MCS-51单片机的总体结构
2.2 微处理器 2.3 MCS-51存储器 2.4 MCS-51基本电路及引脚电路 2.5 实例演练
2.1MCS-51单片机的总体结构
一，8031芯片实照
二，MCS-51单片机外形是一个40脚的双列直插式集成块：
P10 P1.1 P12 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD RXD/P3.0 TXD/P3.1 INT0/P3.2 INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 Vss 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 Vcc P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
ALE地址锁存使能信号输出端。存取 片外存储器时，用于锁存低8位地址。 PROG是对于EPROM型单片机，在 EPROM编程期间，此引脚用于输入编 程脉冲。
ALE/ PROG (30脚)
控制 引脚
第2章-STC15单片机的内部结构
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
一、 总体结构
图2.2 STC15W4K32S4单片机详细结构图
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
二、 引脚功能
图2.3 STC15W4K32S4的PDIP40引脚图
程序计数器PC用于在CPU运行过程中，保存下一条要执行的指令在程序存储器中的 地址，一般情况下，它总是自动加一，只在运行转移类或子程序调用类指令时，才会 改变为相应的目标地址，这些概念和普通微处理器中的概念是相同的。PC的位数是 16位，所以，51单片机程序存储器的空间大小是64KB。当单片机复位时，PC初始化 为0000H，这也是51单片机上电复位以后，所执行的第一条指令的地址。
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
一、 总体结构
3．并行I/O口
并行开关量（数字量）的输入/输出，是微控制器最基本的功能。STC15系列单片机， 提供了最多8个可编程的并行I/O口（根据封装的不同，端口数也不同），大部分I/O口 是8位的，有些口不足8位。如图Port0-Port7所示。这些I/O口命名为P0~P7，既可以 将它们分别作为一个整体，用于8位开关量的输入与输出（若是8位端口的话），也可 以将它们的各位口线分别独立地用于1位的开关量输入与输出。当这些口线单独使用 时，它们被命名为Px.y，其中x代表其所在的并行口，可为0-7；y代表相应的位，可 为0-7，例如P0.7，代表P0口的D7位。
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
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
第二章--MCS-51单片机的结构
基 本 组 成
5)布尔处理器 MCS-51的CPU是8位微处理器，它还具有1位微处理器的 功能。布尔处理器具有较强的布尔变量处理能力，以位 (bit)为单位进行运算和操作。它以进位标志(Cy)作为累 加位，以内部RAM中所有可位寻址的位作为操作位或存储 位，以P0～P3的各位作为I/O位，同时布尔处理器也有自 己的指令系统。
FFFFH 片外ROM 1000H 0FFFH 0FFFFH
片外RAM或 I/O口
片内ROM
EA =1
片外ROM
EA =0
0000H
0000H
基 本 组 成
图2-2 8051存储器配置图
从用户使用的角度看，8051存储空间分为三类：片内、 片外统一编址0000H～0FFFFH的64KB的程序存储器地址 空间；256字节数据存储器地址空间，地址从00H～0FFH； 64KB片外数据存储器或I/O口地址空间，地址也从 0000H～0FFFFH。上述三个空间地址是重叠的，即程序 存储器中片内外低4KB地址重叠，数据存储器与程序存储 器64KB地址全部重叠，虽然地址重叠，但由于采用了不 同的操作指令及控制信号EA、PSEN的选择，因此不会发生 混乱。
基 本 组 成
在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且 把正在使用的那组寄存器称为当前寄存器组。当前寄存器 组由程序状态寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合决定。 非当前寄存器组可作为一般的数据缓冲器使用。
基 本 组 成
图2-3 8051内部数据寄存器配置图
位寻址区(20H～2FH) 内部RAM的20H～2FH单元为位寻址区 ，这16个单元 (共计128位)的每一位都有一个8位表示的位地址，位寻址 范围为00H～7FH。位寻址区的每一个单元既可作为一般 RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中的每一 位进行位操作。
单片机 第二章 80C51系列单片机内部结构与工作原理
主要内容：介绍51系列单片机主要功能特点；然
后从硬件设计和程序设计的角度来分析单片机的基本 组成、工作原理；引脚功能和结构框图，并详细介绍 80C51的CPU及CPU外围电路结构和应用原理；存储器结 构和地址空间；位处理器；单片机的工作方式等。
要求： 1、掌握51系列单片机的主要功能特点； 2、熟悉51系列单片机的内部结构； 3、掌握各引脚功能；
2.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能
图2-1 80C51单片机内部结构
2.2 80C51单片机内部基本结构及引脚功能
1、CPU系统(核心)
组成：包括CPU、时钟系统、总线控制逻辑。
(1)CPU：是专门为面向测控对象、嵌入式应用特 点而设计的，有突出控制功能的指令系统。 (2)时钟系统：主要满足CPU及片内各单元电路对 时钟的要求，对80C51单片机还要满足功耗管理对时钟 系统电路的可控要求。 (3)总线控制逻辑：主要用于管理外部并行总线的 时序以及系统复位控制。
说明： 1、Intel公司将MCS-51系列单片机实行技术开放 政策后，许多公司，如Philips、Dallas、Siemens、 ATMEL、华邦、LG等都以MCS-51中的基础结构8051为
2.1 80C51系列单片机简介
基核推出了许多各具特色、各具优越性能的单片机。
2、该课件后面提到的80C51不是专指MaskROM供货 状态的型号，而是泛指80C51系列中的基础结构。 80C51系列则是在8051基础结构通过不同资源配置而推 出的一系列CHMOS单片机。
内部寄存器 ACC B PSW
初始状态 00H 00H 00H
内部寄存器 TCON TMOD TH0
初始状态 00H 00H 00H
SP
第2章 MCS-51单片机
（4）可寻址外部程序存储器和数据存储器，各64KB；
（5）两个16位定时器／计数器； （6）32位可编程并行I／O口； （7）一个可编程全双工串行I／O口； （8）二十多个特殊功能寄存器； （9）5个中断源，两个优先级嵌套中断结构。
2. 微处理器 8051微处理器的组成如下所示：
累 加 器 ACC（ Accumulator） 程 序 状 态 字 寄 存 器 PSW（ Program Status Word） 运算器 暂存寄存器 CPU 寄存器B 指 令 寄 存 器 IR 控制器 指 令 译 码 器 ID 程 序 计 数 器 PC
(2)位寻址区
内部RAM的0x20～0x2F为位寻址区，这16个字节的每
一位都对应一个8位地址，位地址范围为0x00～0x7F。该区 域可按字节读写，也可按位读写，位地址从0x20单元最低位 开始，共有16×8位，即128个位地址。 如果系统需要位操作，最好保留0x20～0x2F单元的部分
或全部，作为位存储区，以支持位处理操作。位寻址区的每
一位都可以直接进行位操作。通常把各种程序状态标志位控 制变量，设在位寻址区内，同时，位寻址区的RAM单元也 可以作一般的数据缓冲器使用。RAM寻址区位地址映象如 表2-5所示。
位 寻 址 区 地 址 映 象
(3)缓冲器区
内部RAM的0x30～0x7F的地址区，可作为数据缓冲器 使用，存放数据，由于该区有丰富的操作指令，使用十分 方便。 2.外部数据存储器 在51系列中，允许用户扩展外部数据存储器和I/O接口， 用户可以通过P0、P2口最多扩展连接64K个外部单元（每
片机系统。
MCS-51的典型产品是8051、8031、8751。8051是ROM型单片 机，内部有 4KB 掩膜 ROM ； 8031 无片内 ROM ， 8751 片内有
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P3口驱动器
P3.0 - P3.7
P1口驱动器
P1.0 -第P1二.7章单片机基本内部结构
缓冲器 PC增量器
程序计数 器（PC）
地址指针 DPTR
指指定 令令时 寄译控 存码制 器器器
振荡电路
PSEN ALE EA RST
XTAL1 XTAL2
一.专用寄存器
专用寄存器SFR
累加器A 寄存器B 程序状态字寄存器PSW 堆栈指针SP 程序计数器PC和数据指针DPTR 端口0~3的锁存器P0、P1、 P2、P3 串行口数据缓存器SBUF（99H） 定时器寄存器 捕捉寄存器 控制寄存器
第二章 单片机的基本结构和工作原理
2.1. 单片机的基本组成
外部钟源
外部事件计数
振荡器和 时序电路
程序存储器 （4KB）
数据存储器 （256B）
两个16位 定时器/计数器
80C51 CPU
中断 控制
外部中断
内
部 总线扩展
中
控制器
断
并行可编程 I/O
可编程 串行口
控制
P0 P1 P2 P3
（数据/地址）
第二章单片机基本内部结构
P0.0 - P0.7
P2.0 - P2.7
Vcc Vss
P0口驱动器
P2口驱动器
电源控制
P0口锁存器
P1口锁存器
片内ROM
地址寄存器（16）
B寄存器 中断逻辑
ACC 暂存器2
暂存器1
堆栈
定时器0
定时器1
串行口
PSW
ALU
指针
P3口锁存器
P1口锁存器
片内RAM
片内RAM 地址寄存器
使用。
第二章单片机基本内部结构
3. 程序状态字PSW
程序状态字PSW是一个逐位定义的8位寄存器，其内容的主 要部分是算术逻辑运算单元（ALU）的输出。
7
6
5
4
3
2
1
0
CY
AC
F0 RS1 RS0 OV
P
进位标志 半进位标志
通用标志
寄存器组选择位
奇偶标志 用户标志 溢出标志
RS1 RS0 00
01 10 11
第二章单片机基本内部结构
RXD TXD
1. 中央处理器
2. 存储器
普林斯顿结构：将程序和数据合用一个存储器空间。 哈佛结构：将程序和数据截然分开，分别寻址的结构。
程序存储器（ROM） 片内只读存储器 片外只读存储器
数据存储器（RAM）
3. 并行I/0口
4. 串行I/0口
5. 定时器/计数器 6. 定时电路及元件
第二章单片机基本内部结构
1. 累加器A
作用： • 累加器A是ALU单元的输入之一，因而是处理数据源之一。
同时它又是ALU运算结果的存放单元。 • CPU中的数据传送大多都通过累加器，故又相当于一个数据
的中转站。
2. B寄存器
作用： • B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一。 • 其他情况下，B寄存器可以作为内部RAM中的一个单元来
•SUBB加法：若 C i 表示 i向位 i+1位有借位，则 OVC6C7 当位6向位7有借位而位7无借位时，或当位7向CY借 位而位6不向位7借位时，OV=1；否则OV=0。
•MUL乘法：当A、B两个乘数的积超过255时，OV=1，否则OV=0。 因此，若OV=0时，只需从A寄存器中取积；若OV=1时， 则需从B、A寄存器对中取积。
选中通用寄存器组 第0组
第1组 第2组 第3组
R0 – R7的地址 00H – 07H
08H – 0FH 10H – 17H 18H – 1FH
第二章单片机基本内部结构
OV——溢出标志位。表示运算结果超出了目的寄存器A所能表示 的带符号数的范围（-128 - +127）
•ADD加法：若 C i 表示 i向位 i+1位有进位，则 OVC6C7 当位6向位7有进位而位7不向CY进位时，或当位7向C 进位而位6不向位7进位时，OV=1；否则OV=0。
•DIV除法：若除数为0时，OV=1；否则，OV=0。
第二章单片机基本内部结构
4. 地址寄存器PC
PC是中央控制器中最基本的寄存器，是一个独立的计数器， 存放着下一条将要从程序存储器中取出的指令地址。 基本工作过程：
读指令时，程序计数器将其中的数作为所取指令的地址输出 给程序存储器，然后程序存储器按此地址输出指令字节，同 时程序计数器本身自动加 1，指向下一条指令地址。
程序计数器PC变化的轨迹决定程序的流程
程序计数器PC的宽度决定了程序存储器可以直接寻址的范 围。在80C51中，PC是一个16位的计数器，所以，可对
64KB（ 216 ）程序存储器进行寻址。
第二章单片机基本内部结构
2.2. 单片机的引脚功能和结构框图
40引脚双列直插（DIP）封装图
逻辑图符号
（T2）P1.0 （T2EX）P1.1
P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
RST RXD P3.0 TXD P3.1
INT 0 P3.2
INT 1 P3.3
T0 P3.4 T1 P3.5
第二章单片机基本内部结构
2.3 80C51的内部结构和组成
内部结构
算术逻辑部件ALU
类加器ACC（或A） 只读存储器ROM 随机存取存储器RAM
指令寄存器IR
程序地址寄存器
程序计数器PC 地址指针DPTR 定时器/计数器 并行I/O口P0 – P3 串行口 程序状态标志寄存器PSW 定时控制逻辑电路
WR P3.6
RD P3.7
XTAL2 XTAL1
Vss
80C51/80C52
VDD
P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7
EA /VPP ALE / PRO G PSEN
P2.7
P2.6 P2.5 P2.4
P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
VDD
Vss XTAL1 XTAL2
复用功能 T2（定时/计数器2的外部输入） T2EX（定时器2的捕捉/重装触发引脚） RXD（串行口输入） TXD（串行口输出） INT0（外部中断0请求） INT1（外部中断1请求） T0（定时/计数器0的外部输入） T1（定时/计数器1的外部输入） WR（片外数据存储器写选通信号输出） RD（片外数据存储器读选通信号输出）
ALE PSEN
EA
RST
80C51/80C52
（T2，T2EX）
RXD,TXD INT 0, INT 1 T 0,T1 WR,
第二章单片机基本内部结构
8
P0 （双向口）
8
P2 （准双向口）
8
P1 （准双向口）
8
P3 （准双向口）
引脚的复用功能
引脚 P1.0 P1.1 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7