51单片机(内部结构)
MCS-51单片机的内部结构及引脚
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结构特点：
MCS-51系列单片机为哈佛结构（而非普林斯顿结构） 1）内ROM：4KB 2）内RAM：128B 3）外ROM：64KB 4）外RAM：64KB 5）I / O线： 32根（4埠，每埠8根） 6）定时/计数器：2个16位可编程定时/计数器 7）串行口：全双工，2 根 8）寄存器区：工作寄存器区、在内128B RAM中，分4个区， 9）中断源：5源中断，2级优先 10）堆栈：最深128B 11）布尔处理机：位处理机，某位单独处理 12）指令系统：五大类，111条
MCS-51单片机的内部结 构及引脚
一、单片机硬件结构
内部结构 引脚功能 内存的配置 CPU时序 I / O接口
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二、 概述
Intel MCS-51 系列单片机三个版本：8031、8051、 8751（8位机）
Intel MCS-96系列机：8096 （16位机） 除此之外，Motorla公司、Zilog公司、Mcrochip相 继推出产品， 各系列产品内部功能、单元组成、指令系统不尽相 同。 Intel公司单片机问世早，系列齐全，兼容性强，所 以得到广泛使用。
作系统总线、扩展外存、I / O接口芯片
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5、串行输入/输出口（2条） 串行通信、扩展I / O接口芯片
6、定时/计数器（16位、加1计数） 计满溢出、中断标志置位、向CPU提出中断请求，与 CPU之间独立工作
7、时钟电路 内振、外振。 8、中断系统 五源中断、2级优先。
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51单片机的结构
51单片机的结构51单片机是指一种集成了中央处理器、存储器和各种输入输出接口的单片集成电路。
它由Intel公司于1980年推出，采用了Harvard架构，是一种典型的8位单片机，无论在学校教学还是工业控制领域都得到了广泛的应用。
一、内部结构51单片机的内部结构主要由中央处理器、存储器和输入输出接口组成。
1. 中央处理器51单片机的中央处理器包含一个8位的累加寄存器A、一个8位的B寄存器、一个16位的程序计数器PC以及各种控制寄存器。
其中累加寄存器A是数据处理的核心，用于存储运算的结果。
B寄存器可用作直接寻址时的源操作数或目的操作数。
2. 存储器51单片机的存储器主要分为程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储程序的指令，通常采用只读存储器（ROM）的形式。
数据存储器用于存储程序中的数据，包括RAM和各种寄存器。
3. 输入输出接口51单片机的输入输出接口包括通用输入输出口（GPIO）、串行通信口（UART）、定时器/计数器等。
GPIO用于与外部器件进行数据交互，可用于输入和输出。
UART用于与其他设备进行串行通信，常用于与计算机进行通信。
定时器/计数器可用于计时和定时中断控制。
二、工作原理51单片机的工作原理可以简单概括为：接收指令、执行指令、更新PC。
1. 接收指令51单片机从程序存储器中读取指令，并将指令暂存在指令寄存器中。
指令寄存器会将指令的地址信息传递给地址寄存器，以便读取下一条指令。
2. 执行指令51单片机根据指令的类型和操作码，执行相应的操作。
这可能涉及到对寄存器或存储器的读取、写入、算术运算、逻辑运算等。
执行的结果通常会存储在累加寄存器A中。
3. 更新PC在执行完一条指令后，51单片机会自动更新程序计数器PC的值，使其指向下一条要执行的指令地址。
这样就能够实现程序的顺序执行。
三、应用领域51单片机广泛应用于各个领域，包括嵌入式系统、家电控制、汽车电子、工业自动化等。
1. 嵌入式系统51单片机作为一种低成本、低功耗、易于开发和集成的微处理器，被广泛应用于嵌入式系统中。
简述51系列单片机的内部组成结构
简述51系列单片机的内部组成结构51系列单片机是一种常见的微控制器，由一系列功能模块组成，包括中央处理器、存储器、输入输出接口以及时钟和定时器等。
下面将对51系列单片机的内部组成结构进行简要描述。
1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是51系列单片机的核心部件，负责执行指令、进行运算和控制外围设备。
51系列单片机采用经典的8051架构，拥有8位数据总线和16位地址总线。
其指令集包括丰富的算术、逻辑、移位和控制指令，可以满足各种应用需求。
2. 存储器：51系列单片机具有不同类型的存储器，包括程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。
ROM用于存储用户程序和常量数据，可以是内部ROM或外部扩展的ROM芯片。
RAM用于存储变量和临时数据，可以是内部RAM或外部扩展的RAM芯片。
3. 输入输出接口：51系列单片机提供了多个通用输入输出引脚，用于与外部设备进行数据交互。
这些引脚可以配置为输入模式或输出模式，并具有上拉电阻和输入/输出缓冲器等功能。
通过这些引脚，单片机可以与各种传感器、执行器、显示器和通信接口等外部设备进行连接，实现与外界的数据交换。
4. 时钟和定时器：51系列单片机内部集成了时钟电路和多个定时器/计数器模块。
时钟电路提供基准时钟信号，用于同步CPU和其他模块的操作。
定时器/计数器模块可以生成精确的时间延迟、定时和计数功能，广泛应用于定时控制、脉冲计数、PWM输出等场景。
5. 中断系统：51系列单片机支持多级中断系统，可以响应外部中断请求和内部定时器中断。
通过中断系统，单片机可以实现对实时事件的快速响应，提高系统的实时性和可靠性。
6. 串行通信接口：51系列单片机内部集成了串行通信接口，支持多种通信协议，如UART、SPI和I2C。
通过这些接口，单片机可以与其他设备进行数据交换，实现数据采集、通信和控制等功能。
7. 外部扩展接口：51系列单片机提供了多个外部扩展接口，如总线接口和片选引脚等。
简述51系列单片机的内部组成结构
简述51系列单片机的内部组成结构51系列单片机是一种广泛应用的单片机,是微控制器中的经典代表之一。
该系列单片机由中央处理器(CPU)、存储器、输入输出(I/O)接口、时钟和电源等部分组成。
以下是51系列单片机的内部组成结构的简要概述:1. CPU51系列单片机的CPU由一个4位二进制数组成的处理器核心组成,具有高速、低功耗、低延迟的特点。
CPU负责控制整个系统的运行,包括指令的执行、数据的读取和写入、程序的控制等。
2. 存储器51系列单片机的存储器分为外存储器和内存储器两种。
外存储器包括一个或多个随机存取存储器(RAM)和一个或多个只读存储器(ROM),RAM用于存储程序和数据,ROM用于存储固定的程序和数据。
内存储器是51系列单片机的核心存储器,包括一个数据存储器和一个指令存储器,数据存储器用于存储程序和数据,指令存储器用于存储程序的指令集。
3. 输入输出(I/O)接口51系列单片机的输入输出接口包括多个引脚,用于与外部设备进行通信。
输入接口用于接收外部设备的数据,输出接口用于将外部设备的数据发送出去。
I/O 接口的主要功能是控制外部设备的运行,包括读取、写入、控制等。
4. 时钟51系列单片机的时钟由一个时钟芯片组成,用于驱动系统的运行。
时钟芯片可以控制CPU和存储器的读写速度,控制I/O接口的响应速度等。
5. 电源51系列单片机的电源由一个电源芯片组成,用于提供系统的直流供电。
电源芯片可以控制电流的大小和流向,保证系统的稳定运行。
除了以上基本组成部分外,51系列单片机还具有其他一些重要的组成部分,如控制电路、中断控制器、寄存器等。
这些组成部分共同构成了一个完整的系统,使51系列单片机能够实现各种复杂的功能。
51系列单片机的内部组成结构非常复杂,包括多个重要的组成部分,能够实现各种复杂的功能。
深入了解51系列单片机的内部组成结构,有助于我们更好地理解和使用该系列单片机。
51系列单片机的内部组成结构
51系列单片机的内部组成结构51系列单片机是一种常用的微控制器，具有复杂的内部组成结构。
本文将以51系列单片机的内部组成结构为标题，进行详细介绍。
1. CPU核心51系列单片机的核心是一个8位的CPU，它负责执行指令和控制整个系统的运行。
CPU包括指令译码器、运算单元和控制单元等部分。
指令译码器负责将指令翻译成对应的操作码，运算单元负责执行算术和逻辑运算，控制单元负责控制各个部件的工作。
2. 存储器51系列单片机有多种存储器，包括ROM、RAM和EEPROM等。
ROM用于存放程序代码和常量数据，RAM用于存放变量和临时数据，EEPROM用于存放非易失性数据。
存储器的大小和类型可以根据需求进行选择和配置。
3. 输入输出端口51系列单片机具有多个输入输出端口，用于与外部设备进行数据交互。
通过编程，可以将某些端口设置为输入端口，用于接收外部信号；将某些端口设置为输出端口，用于控制外部设备。
输入输出端口的数量和功能也可以根据需求进行扩展和配置。
4. 定时器/计数器51系列单片机内置了多个定时器/计数器，用于实现精确的定时和计数功能。
通过编程，可以设置定时器的工作方式、计数范围和中断触发条件等。
定时器/计数器广泛应用于计时、脉冲生成、PWM 输出等场景。
5. 串行通信接口51系列单片机支持多种串行通信接口，包括UART、SPI和I2C等。
这些接口可以用于与其他设备进行数据传输和通信。
通过编程，可以设置通信参数、发送和接收数据等。
6. 中断系统51系列单片机内置了中断系统，用于处理外部中断和定时器中断等。
通过编程，可以设置中断的优先级、触发条件和中断服务程序等。
中断系统可以提高系统的响应速度和实时性。
7. 系统时钟51系列单片机需要一个稳定的时钟信号来驱动其内部运行。
时钟信号可以通过外部晶体振荡器或者外部时钟源提供。
时钟信号的频率决定了单片机的运行速度。
8. 电源管理51系列单片机需要一个稳定的电源来工作。
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
51单片机的体系结构
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堆栈特点：后进先出
堆栈有3个具体功能： (1) 保护断点 (2) 现场保护 (3) 临时暂存数据
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4.4 特殊功能寄存器 单片机是通过特殊功能寄存器（SFR）对各种功 能部件进行集中控制。如下表：
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4.5 外部数据存储器 单片机一般的内部RAM只有128 B或256B。 现在有大RAM容量单片机或集成了Data Flash的
执行程序时，在计算机控制器的控制下，取指令装置会 按PC的指向从存储器中读出第一条指令并译码，执行指 令所要求的操作。
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3.3 程序执行过程 执行程序线路实际上按PC的指取指令运行，PC
就象引路人，称为程序指针。执行流程如下图：
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程序指令取指执行过程
1、复位PC=0000 2、从PC取指，PC+1 3、取数据 4、执行指令 5、取下一条指令 ……
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4 8051单片机的存储结构
8051单片机存储器采用哈佛结构： 1、有一根地址和数据总线。 2、程序存储器空间和数据存储器空间采用独
立编址。 3、拥有各自的寻址方式和寻址空间。
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4.1 8051单片机的存储器结构
8051单片机存储器从物理结构上分四种： 1、片内程序存储器（只读存储器ROM） （类型：ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash） 2、片外程序存储器 (类型同上) 3、片内数据存储器（读写存储器RAM） (类型：SRAM、DRAM、E2PROM、Flash) 4、片外数据存储器 (类型同上)
第2章 MCS-51单片机的内部结构
当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”， 个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“ I/O口作输入口使用时 P3.5 T1 计数器1外部输入 计数器 外部输入 P3.6 WR 外部数据存储器 另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。 I/O口无高阻的 另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。
2.4.2 内部数据存储器 共128个字节， 128个字节， 128个字节 字节地址为00H 7FH。 00H～ 字节地址为00H～7FH 00H～1FH：32个单 00H～1FH：32个单 元，是4组通用工作 寄存器区 20H～2FH：16个单 20H～2FH：16个单 可进行128 128位的 元，可进行128位的 位寻址 30H FH： 用户RAM 30H ～ 7FH ： 用户 RAM 区 ， 只能进行字节寻 址 ， 用作数据缓冲区 以及堆栈区。 以及堆栈区。
I/O口引脚 2.2.3 I/O口引脚 P0口 双向8位三态I/O I/O口 地址总线（ (1) P0口：双向8位三态I/O口，地址总线（低8位）及 数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。 数据总线分时复用口，可驱动8 LS型TTL负载。 负载 P1口 准双向I/O I/O口 可驱动4 LS型TTL负载 负载。 (2) P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。 转义引 引脚 与地址总线 （ 高 8 位 ） 复 功能说明 准双向I/O I/O口 (3) P2口：8位 准双向I/O 口， 与地址总线（ 脚 可驱动4 LS型TTL负载 负载。 用，可驱动4个LS型TTL负载。RXD 串行数据接收端 P3.0 准双向I/O I/O口 双功能复用口，可驱动4 (4) P3口：8位 准双向I/O 口， 双功能复用口 ，可驱动 4 P3.1 TXD 串行数据发送端 P3.2 INT0 外部中断0请求 外部中断 请求 LS型TTL负载 负载。 个LS型TTL负载。 注意:准双向口与双向三态口的差别。 注意:准双向口与双向三态口的差别。
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地址0004H字节单元内容表示成：
（0004H)=34H
地址0004H字单元内容表示成：
（0004H)=1234H
同一地址存储的是字节还是字，由数据定义伪指令 指示。
0001H 0002H 0003H 0004H 0005H 0006H
34H 12H
思考：在存储器中存放的数据如下图所示，试读 出75422H和75424H字节单元的内容是什么？读出 75422H和75424H字单元的内容是什么？
是计算机系统发布操作命令的部件， 控制器CU 是计算机的指挥中心。所有的操作都 （Control Unit）是在控制器的控制下实现的。
程序计数器PC（Program Counter） 指令寄存器IR（Instruction Register） 指令译码器ID（Instruction Decoder） 操作控制部件或称为组合逻辑阵列PLA（ Programmed Logic Array） 时序发生器
存储单元
0000H 地 4 0001H 0 0 1 0 1 1 0 0 C H 0002H 输
址
AB 0001H 译 码
入
输 出 DB
器
FFFFH
电
路
结束!
CB 读信号 读/写控制电路
存储器的读操作过程
存储器组织
为了适应CPU的高速运行，建立了层次结构的存
储器组织，如下图所示：
中央处理器单元 高速缓存Cache
排的一系列指令。
计算机的软件系统 硬件只是使计算机具备了计算的可能，但是计算机脱 离人的干预自动进行计算，还需要有软件的配合。 1 软件系统是指计算机所使用的各种程序的集合。
程序是指指令的有序集合，是人们
为使计算机完成某一特定任务而编
排的一系列指令。 指令是规定计算机完成某种操作 的命令，它用二进制码表示，存 于存储器中。
地址码
0000H 地 0001H
存储单元
输
址
AB 译 码
0002H
入
输 出 DB
器
FFFFH
电
路
CB
读/写控制电路
存储器的组成框图
地址码
0000H 地 0001H
存储单元
址
AB 译 码
0002H
器
FFFFH
CB
1.存储单元是存储器的核心部 件。 2.存储器的每个存储单元可以 输 存 入 储8位二进制信息。 注意:人们选定 输 8位二进制为一 DB 个字节（Byte）,用B表示。即 出 1 个字节由8 个二进制数位组成。 电 除字节单位外，还有千字 路 节（KB）、兆字节（ MB）以及 千兆字节（GB）等。它们之间 存在下列换算关系： lB=8bit lKB=l024B 读/写控制电路 lMB=l024KB lGB=l024MB
地址总线、数据总线、控制总线
地址总线 AB
存 储 器 I/O 接 口 输 入 设 备
CPU
I/O 接 口
输 出 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB
地址总线AB(Address Bus) ：单向
用来传送 CPU 输出的地址信号，确定被访问的存 储单元、I/O端口。
地址总线 AB 输 出 设 备
CPU
最终结果
运算器
数 据 中间结果/ 最后结果 最后 结果
输入设备
原始数据 与程序
存储器
程 序
输出设备
控制器
计算机的工作过程 单击鼠标开始！
结束！
二、 微机系统硬件主要组成部分及功能
特点：
1. 运算器和控制器集成在一个芯片上，称之为CPU芯片。 2. 存储器由半导体存储器芯片组成。 3. 外设通过I/O口芯片与机器内各部件交换信息。 4. CPU，存储器，I/O 口通过AB，DB，CB三总线交换信息。
址
AB 0000H 译 码
0002H
入
输 出 DB 34 H
器
FFFFH
电
路
请点击鼠标!
CB 写信号 读/写控制电路
存储器的写操作过程
存储单元
0000H 0 0 1 1 0 1 0 0 地 0001H 输
址
AB 0000H 译 码
0002H
入
输 出 DB
器
FFFFH
电
路
结束!
CB 写信号 读/写控制电路
可读可写
易失性，临时存放程序和数据
掉电后丢失存储的数据
只读存储器（ROM）
工作时只能读 非易失性，永久或半永久性存放信息 掉电后不会丢失存储的数据 一般用途：存放固定的程序和数据
开机自 检引导 程序….
存储器单元
存储器单元的地址 存储器单元的内容 对存储器的读/写操作
内存
外存
高速缓存CACHE容量小，速 度最高，直接与CPU交换数据； 外—I/O设备
包括输入、输出设备，通过接口电路与
主机相连。
输入设备：向主机输入程序、数据和命令信息的
设备，如键盘、鼠标、触摸屏等。
输出设备：将计算机处理过的二进制代码信息， 转换成人们能识别的形式输出的设备，如打印机等。
存储器的写操作过程
存储单元
0000H 地 0001H 0 0 1 0 1 1 0 0 输
址
AB 0001H 译 码
0002H
入
输 出 DB
器
FFFFH
电
路
请点击鼠标! CB 读/写控制电路
存储器的读操作过程
例:从0001H单元读出数据
存储单元
0000H 地 0001H 0 0 1 0 1 1 0 0 输
1 计算机系统的组成
一个完整的计算机系统包括硬件系统和 软件系统两大部分。
为使计算机正常工
作而设置的命令
微型计算机的硬件系统
地址总线 AB
存 储 器 I/O 接 口
输 入 设 备
CPU
I/O 接 口
输 出 设 备
数据总线 DB 控制总线 CB 微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成； 输入/输出设备通过输入/输出接口与系统相连；
微型计算机系统模型
第一章第二节
概述
ENIAC (1946)
掌上电脑(2000)
▲ 现代计算机的结构基础：存储程序控制结构
1945年，美籍匈牙利数学家John Von Neumann提出, 冯.诺依曼计算机
1 计算机系统的组成
一个完整的计算机系统包括硬件系统和 软件系统两大部分。
组成计算机的物理 实体
存储器
字节内容： （75422H）＝ 9CH （75424H）＝ 5DH
字内容： （75422H）＝ 249CH （75424H）＝ 6E5DH
75420H 1 2 3 4 5
13H 78H 9CH 24H 5DH 6EH
存储单元
0000H 地 0001H 输
址
AB 0000H 译 码
0002H
入
主要作用：
解题程序与原始数据的输入 从内存中取出指令并译码 控制运算器对数据信息进行传送与加工 运算结果的输出 外部设备与主机之间的信息交换 计算机系统中随机事件的自动处理等
2、主机硬件系统——存储器
存储器(memory)是计算机的主要组成部分。用来存储 计算机要进行处理的原始数据以及指示计算机如何工 作的程序，并将运算的中间结果以及处理后的中间结 果保存起来。 存储容量：能存储信息的字节数，通常用B(byte)、 KB、GB、TB来表示。
微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输。
存 储 器 I/O 接 口 输 入 设 备
CPU
I/O 接 口
输 出 设 备
总线 BUS
微机总线是微机的数据通道， 分为外部总线和内部总线。 这里介绍的外部总线。 CPU内部总线由CPU产厂家 设计/决定，一般都是单总线 结构。
按信号的作用，总线分为三类：
内存与外存
计算机内存：主存储器，它由半导体集成电路
芯片组成，用于存储当前运行所需要的程序和 数据。一般工作速度快，但容量有限。 计算机外存：除内存外，把磁带、磁盘这些存 储器通称外存储器。如硬盘，光盘等。通常容 量大如硬盘120G，工作速度慢。不能直接参 与计算机运算
内存储器的分类
读写存储器（RAM）
控制器
计算机系统的硬件组成框图 对指令进行译码后向各部件发出 控制信号，指挥计算机按规定进行 工作
计算机的软件系统 硬件只是使计算机具备了计算的可能，但是计算机脱 离人的干预自动进行计算，还需要有软件的配合。 1 软件系统是指计算机所使用的各种程序的集合。
程序是指指令的有序集合，是人们
为使计算机完成某一特定任务而编
址
AB 0001H 译 码
0002H
入
输 出 DB
器
FFFFH
电
路 请点击鼠标!
CB
读/写控制电路
存储器的读操作过程
存储单元
0000H 地 0001H 0 0 1 0 1 1 0 0 输
址
AB 0001H 译 码
0002H
入
输 出 DB
器
FFFFH
电
路 请点击鼠标!
CB 读信号
读/写控制电路
存储器的读操作过程
常用的输出设备有： 打印机，显示器。
最终结果
实现算术和逻辑运 算，运行数据处理
运算器
数 据 中间结果/ 最后结果 最后 结果
用于存储 数据和程 序
输入设备
原始数据 与程序
存储器
程 序
输出设备
将计算机的 处理结果输 出到外部， 供人们识别 和存储，常 用的输出设 备有：打印 机，显示器