第1章 MSC-51单片机结构
【大学课件】MCS-51单片机的结构与原理
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（1）运算器
组成：8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、 程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、8 位暂存寄存器TMP1和TMP2等。
功能：完成算术运算和逻辑运算。
片外RAM： 最大范围：0000H～FFFFH，
64KB；用指令MOVX访问。 片内RAM：
最大范围：00H～FFH， 256B；用指令MOV访问。又分 为两部分：低128B（00～7FH） 为真正的RAM区，高128B （80～FFH）为特殊功能寄存器 （SFR）区。如右图所示。
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2
内部结构如下：
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3
1. 中央处理器（CPU）
组成：运算器、控制器。8051的CPU包含以下功能部件： （1）8位CPU。 （2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。 （3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。 （4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。 （5）2个16位可编程定时器/计数器。 （6）32个（4×8位）双向可独立寻址的I/O口。 （7）1个全双工UART（异步串行通信口）。 （8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。 （9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz～12 MHz的时钟频率。 （10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。 （11）111条指令，大部分为单字节指令。 （12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。
MCS-51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品8051为 核心，增加了一定的功能部件后构成的，本章以8051为主介 绍MCS-51系列单片机 。
--第一章 51单片机的结构
PSW
SP
内部总线
程序地址 寄存器
缓冲器 PC+1
PC
DPTR
指令寄存器 定时与控制
端口1锁存 ISP口
编程逻辑
端口2锁存 端口0锁存 端口2驱动 端口0驱动 .
P2
P0
P3
PSEN ALE EA RST 端口1驱动
WDT OSC
.
作者：夏路易
电子工P1业. 出版社所有
（1）I/O端口
《单片机技术基础教程与实践
51单片机的详细内部结构框图。
从图1-3中可看出， 51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4 个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。
.
RAM 地址寄存器
RAM
Flash
定时器0
定时器1 SFR
串行接口
.
中断
端口3锁存 端口3驱动
寄存器B ACC
TMP2 TMP1 ALU
Keil公司支持65家公司生产的51内核单片机产品，在我国市场上常 见到的51内核单片机生产厂商与部分产品为：
作者：夏路易
电子工业出版社所有
SST 公司，51内核产品为：
《单片机技术基础教程与实践
SST89C54, SST89C58, SST89C59, SST89E554RC, SST89E564RD等
通过这些端口，数据可以输出到单片机外，也可以从单片机外输入到单片机。
（2）存储器
RAM，RAM ADDR REGISTER 片内随机存储器与随机存储器的地址寄存器， 51单片机具有128字节的片内RAM，用于保存变量、中间运算结果等，部分RAM具 有位寻址能力。
FLASH 片内ROM，用于保存代码等片内ROM采用FLASH存储器构成，具有 ISP功能，容量随型号不同而不同，对于AT89S51单片机，ROM容量为4k。
单片机课件第1章MCS-51单片机结构
MCS-51单片机的特点
结构简单
MCS-51单片机采用标准的哈佛 结构，即程序存储器和数据存储 器分开，便于实现高速数据访问。
指令集精简
MCS-51单片机的指令集经过优化， 以实现高效的代码执行和快速响应。
EA
外部访问禁止引脚，用于控 制单片机的内部程序存储器 是否允许外部访问。
I/O口引脚
I/O口引脚
用于实现单片机与外部设备的输入输出通 信。
P3口
8位双向I/O口，具有内部上拉电阻，可直 接驱动LED灯等低功率设备。
P0口
8位双向I/O口，可直接驱动LED灯等低功 率设备。
P2口
8位双向I/O口，具有内部上拉电阻，可直 接驱动LED灯等低功率设备。
04
编译代码后，可以通过仿真器进行调试，查看程序运行状态和变量值 等信息。
MCS-51单片机开发板的选择与使用
选择一款合适的MCS-51单片机 开发板是开发成功的关键之一， 需要根据项目需求选择合适的开
发板。
开发板应具备必要的接口和外设， 如LED灯、按键、串口通信等，
方便进行实验和调试。
使用开发板时需要按照说明书的 指引进行操作，连接好电源、串 口和其他外设，并下载程序到单
程序存储器用于存储程序 代码，数据存储器用于存 储数据和堆栈。
外部扩展存储器可通过外 部接口进行扩展。
输入/输出端口
01
MCS-51单片机具有4个8位的并行输入/输出端口， 用于与外部设备进行通信。
02
输入端口用于接收外部设备的信号，输出端口用于 向外部设备发送信号。
第一讲MCS-51单片机总体结构ppt
第一讲 MCS-51单片机总体结构
本章从硬件上阐述MCS-51系列单片机的系统结构、工 作原理和应用中的一些技术问题。要求从应用的角度掌
握MCS-51单片机的功能、内部结构、外部引脚的意义、
主要的硬件资源、存储器系统结构等 。
一、总体结构
二、CPU 三、 存储器 四、硬件资源 五、辅助电路及时序
表 引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5
P3口第二功能 第二功能
RXD
串行口输入端
TXD 串行口输出端 外部中断0请求输入端，低电平有效 外部中断1请求输入端，低电平有效 T0 定时器/计数器0计数脉冲输入端 T1 定时器/计数器1计数脉冲输入端 外部数据存储器及I/O口写选通信号输出端，低电 平有效 外部数据存储器及I/O口读选通信号输出端，低电 平有效
（1）进位标志C（PSW.7） 在执行某些算术运算类、逻辑运算类指令时，可被硬件或软件 （2）辅助进位（或称半进位）标志位 AC（PSW.6） 它表示两个 8位数运算，低4位有无进（借）位的状况。当低4位相加 置位或清零。它表示运算结果是否有进位或借位。如果在最高 （3）用户自定义标志位F0（PSW.5） （或相减）时，若 D3位向D4位有进位（或借位），则 AC=1 ，否则 位有进位（加法时）或借位（减法时），则 C=1，否则 C=0 。 AC=0。 （4）工作寄存器组选择位RS1、RS0（PSW.4、PSW.3） （5）溢出标志位OV（PSW.2） 由硬件置位或清零 （6）奇偶标志位 P（PSW.0） 带符号数加减运算： OV=1表示产生溢出， OV=0 表示运算正确，即无溢出产生 若A中1的个数为奇数，则 P=1，否则 P=0。 乘法：若积〉255， OV=1，否则OV=0。除法：除数为零，OV=1
MCS-51系列单片机硬件结构.ppt
这些部件通过内部总线连接起来，基本结构仍然是通用 CPU加上外围芯片的结构模式，但功能单元上的控制与 先前相比有重大变化，采用了特殊功能寄存器(SFR) 进 行集中控制的方法。
1.中央处理器
单片微机中的中央处理器（CPU）是单片微机的核心， 主要完成运算和控制功能，又增设了“面向控制”的处 理功能，增强了实时性。
一些条件转移指令就是根据PSW中的相关标志位 的 状 态 ， 来实现程序的条件转移。它是一个程序可访问的寄存器， 而且可以按位访问。
运算器主要包括算术逻辑运算单元ALU、累加器ACC （A）、暂存寄存器、B寄存器、程序状态标志寄存器PSW以及 BCD码运算修正电路等。
ALU有两个输出: ⑴ 数据经过运算后，其结果又通过内部总线
送回到累加器中；
⑵ 数据运算后产生的标志位输出至程序状态 字 PSW。
2. 累加器A
累加器A是CPU中使用最频繁的一个八位专用 寄存器，简称ACC或A寄存器。主要功能：累加器A 存放操作数，是ALU单元的输入之一，也是ALU运 算结果的暂存单元。
对于80C52，P1.0——T2，是定时器2的计数输入端； P1.1——T2EX，是定时器2的外部输入端。
读两个特殊引脚的输出锁存器时应由程序置1。
·P2——8位、准双向I/O口。 当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位
地址。
在编程/校验期间，接收高位字节地址。 P2口可以驱动4个LSTTL负载。 ·P3——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。 P3提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁 存器应由程序置 1。P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。 ·串行口： P3．0——RXD 串行输入口。 P3．1——TXD 串行输出口。
第1章 51单片机结构PPT课件
从满足一些简单特殊的用途和降低成本出发，减少了片内存储容量， 减少定时计数器数量，去除串行接口等。 1.1.4 总线和非总线几种应用模式
Microcontroller 第1章 单片机结构 04
内部ROM 4k
0000H
8051
Microcontroller 第1章单片机结构 08
1.2.3 程序存储器 程序存储器存放程序、表格和常数，
它分片内和片外两部分，早期8031属于 片内无程序存储器型，所以一定要在片 外加装程序存储器，此时引脚EA＃一定 要接低电平。
51之后的单片机，都不同程度地集 成了一定数量的片内存储器，此时引脚 EA#应该接高电平，否则片内的存储器 就白白浪费了。运行时单片机先使用片 内程序存储器，当寻址范围超出片内的 地址范围时，单片机会自动搜寻片外的 地址，在电路设计的时候，要注意片外 程序存储器地址线的接法。
XTAL2 XTAL1
容量扩展 MaskROM
EPROM OTPROM FLASHRO ROMM4KB
中断系统 中断源扩展
容量扩展 RAM 128B
定时、计数器 数量功能扩展
P0 - P3 P4-P6
数量 扩展
I/O接口
串行口 增强扩展
电源 5V
功能扩展 ADC,DA
C WDT,PW
M IIC,SIP 电C源A扩N展 2.7-6V
（4）其他扩展 ➢ 串行口的数量和功能，例如增加UART的AAR (Auto Address Recognition） ➢ ADC,DAC,PWM,WDT,IIC,CAN,TCP/IP等。 ➢ 电源范围已扩展到2.7-6V。
MCS-51单片机结构介绍
MCS-51介绍MCS-51系列单片机产品有80518051，，80318031，，87518751，，80C5180C51，，80C31等型号（前三种为CMOS 芯片，后两种为CHMOS 芯片）。
它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。
8051内部设有4K 字节的掩模ROM 程序存储器，程序存储器，80318031片内没有程序存储器，而8751是将8051片内的ROM 换成EPROM EPROM。
由ATMEL 公司生产的89C51将EPROM 改成了4K 的闪速存储器，他们的结构大同小异，本章将对8051单片机的结构作一介绍。
单片机的结构作一介绍。
1 MCS-51单片机内部结构1.1、 MCS-51单片机组成MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU CPU，，RAM RAM，，ROM ROM、定时器、定时器、定时器//计数器和多种功能的I/O 线等一台计算机所需要的基本功能部件。
线等一台计算机所需要的基本功能部件。
MCS-51MCS-51单片机内包含下列几个部件：单片机内包含下列几个部件：◆ 一个8位CPU CPU；；◆ 一个片内振荡器及时钟电路；一个片内振荡器及时钟电路； ◆ 4K 字节ROM 程序存储器；程序存储器； ◆ 128字节RAM 数据存储器；数据存储器； ◆ 两个16位定时器位定时器//计数器；计数器；◆ 可寻址64K 外部数据存储器和64K 外部程序存储器空间的控制电路；外部程序存储器空间的控制电路； ◆ 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；一个可编程全双工串行口；◆ 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
频率基准源频率基准源 计数器计数器串 行行 串串 行行中断中断 控制控制控制 并行并行并行 I/O I/O I/O 口口 输入输入输入 输出输出输出图2-1 8051单片机框图8051单片机框图如图2-1所示。
MSc—51单片机第一章 绪论共60页文档
单片机的结构
单片机的发展概况
计算机的发展回顾 单片机的发展阶段概况
计算机发展回顾
大约公元前500年，出现算珠。在中国13世 纪出现了我们所熟悉的算盘。
1610年 ，Napier发明的骨片算尺，使得较大 数字的乘法变得十分简单。
1642年 法国数学家Blaise Pascal，发明首个 机械式计算器Pascaline。
1820年 法国人Charles Xavier Thomas de Colmar制造的机械式计算器
1820(1833?) －后采用的二进制的打孔卡
1833年
剑桥大学数学教授Charles abbage(1792-1871)开发分析 机 ，这台分析机包括了现代计算机的理念：中央处理单元、
软件指令、存储单元、打印输出。但是受到当时技术条件 的制约，没有生产出来 。
1.3 8位单片机的主要产品、厂家 如何学好单片机
1.1、单片微型计算机
什么是单片机？ 单片机全称单片微型计算机（single chip Microcomputer），它是微型计算机的一个重要分 支。因为它把微型计算机的基本部件集成到一块 芯片上（CPU ，RAM，ROM，I/O口,定时器/计 数器等 ）而得名。又因为单片机经常用于控制系 统中，所以又称微控制器（Microcontroller Unit ， MCU）或者成为嵌入式控制器（Embedded Controller）。
世纪之争---谁是真正的计算机之父
然而，在很长时间内，约翰·阿坦那索夫及其ABC 机默默无闻，不为世人所知。由于种种原因， ABC也未申请专利。因此，直到20世纪70年代 Sperry Rand公司和Honeywell公司为ENIAC专利的 事打起官司来，约翰·阿坦那索夫被卷入其中，才 开始扬名于世。
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第1章MCS-51单片机结构1.1 MCS-51 单片机内部结构1.2 存储器1.3 特殊功能寄存器1.4 时钟电路与复位电路1.5 引脚功能1.6 小结1.1 MCS-51 单片机内部结构1.1.1 概述MCS-51系列单片机型号：普通型（51子系列）8031、8051、8751、89C51、89S51等。
增强型（52子系列）8032、8052、8752、89C52、89S52等。
它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。
8031：片内没有程序存储器8051：内部有4KB的掩模ROM程序存储器8751：内部有4KB EPROM89C51: 有4KB的FLASH EEPROM89S51：有4KB的FLASH EEPROM，可在线编程增强型的存储容量为普通型的一倍。
本课以8XX51 系列的单片机为代表讲授。
图中“/” 两边分别为基本型/增强P3P1P2可编程串行I/O 口P0基准频率源128/256B 数据存储器4KB/8KB 程序存储器2/3个16位定时/计数器振荡器及时钟电路CPU64KB总线扩展控制可编程并行I/O 口内部中断计数脉冲串行输出串行输入MCS-51系列单片机内部结构1.1.2 CPUCPU是单片机的核心部件，由运算器和控制器等部件组成。
1. 运算器运算器的功能：算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较、BCD码十进制调整等。
逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作。
位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位C为位累加器，用来处理位操作。
置‘1’、清‘0’ 、取反、位判断等。
操作结果的状态信息送至状态寄存器（PSW Program StatusWord Register）。
1.1.2 CPU2. 程序计数器PC程序计数器PC是16位的寄存器，用来存放即将要执行的指令地址，可对64KB程序存储器直接寻址。
执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。
3. 指令寄存器指令寄存器中存放指令代码。
CPU执行指令时，将程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器，经指令译码器译码后，由时钟与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。
用于存放程序和数据。
存储器由许多单元组成，每个单元有一个编号（称为地址）。
一个单元存放一个8位二进制数（字节）----内容，当一个数据多于8位时，就需要多个单元来存放。
存储器分ROM和RAM等ROM：用来存放程序、常数---程序存储器；RAM：存放程序运行中所需的变量或运算结果----数据存储器。
FFH90H ……02H00H 01H3AH 00H78H存储器内容地址1、存储器结构普林斯顿结构：只有一个地址空间，RAM 和ROM 安排在一个空间的不同区域，CPU 访问RAM 和访问ROM 使用相同的指令。
如8086、奔腾系列微机。
哈佛结构：RAM 和ROM 有两个不同的地址空间，RAM 和ROM 可以有相同的地址，CPU 访问RAM 和访问ROM 使用不同的指令、不同的控制信号。
如51系列单片机。
FFFFH RAM ROM 0000H2、存储器地址空间的两种结构形式----普林斯顿结构和哈佛结构FFFFHRAM0000H FFFFH ROM 0000HMCS-51存储器物理结构从物理空间看，MCS-51单片机有四个存储器地址空间：片内数据存储器、片内程序存储器片外数据存储器、片外程序存储器3、MCS-51的储存器结构外部数据存储器(RAM)外部程序存储器(ROM)内部程序存储器内部数据存储器8XX51MCS-51存储器物理结构从逻辑上看,MCS-51有三个存储器空间：片内数据存储器、片外数据存储器片内、片外的程序存储器（片内、片外统一编址）1.2 存储器图1.3 MCS-51单片机的存储器逻辑结构内部程序存储器内部数据存储器8XX5100H 7FH 0FFFH 0000H 1000H 外部程序存储器(ROM)FFFFH 0000H 外部数据存储器(RAM)FFFFH 内部数据存储器8XX5100H7FH0000H 外部程序存储器(ROM)FFFFH 0000H 外部数据存储器(RAM)FFFFH (EA=0)1.2.1程序存储器程序存储器：用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。
程序存储器以程序计数器PC 作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64KB。
内部程序存储器：在8051/8751/89C51 片内，分别内置最低地址空间的4KBROM/EPROM程序储存器（内部程序存储器）。
外部程序存储器：在8031片内，则无内部程序存储器，必须外部扩展EPROM（外部程序存储器）。
MCS-51单片机中，内、外程序存储器的地址是统一编排的。
8031单片机无内部程序存储器，地址从0000H ～FFFFH 都是外部程序存储空间。
引脚应始终接地。
EA 1.2.1 程序存储器访问程序存储器使用MOVC 指令。
对于内部有ROM 的单片机（51系列），引脚接高电平，使程序从内部ROM 开始执行。
当PC 值超出内部ROM 的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。
外部程序存储器地址空间为1000H ～FFFFH 。
EA1.2.1 程序存储器51系列单片机执行程序时，由程序计数器PC指示指令地址，单片机复位后，PC=0000H，因此系统从0000H单元开始取指令，并执行程序。
地址用途0000H 复位操作后的程序入口0003H 外部中断0服务程序入口000BH 定时器0中断服务程序入口0013H 外部中断1服务程序入口001BH 定时器1中断服务程序入口0023H 串行口中断服务程序入口MCS-51 单片机最多可扩展64KB外部数据存储器（RAM）和外部I/O 端口地址。
MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O端口实行统一编址，并使用相同的作选通控制RD 、WR信号，均使用MOVX指令访问。
内部数据存储器是使用最多的地址空间，指令（算术运算、逻辑运算、位操作运算等）的操作数只能在此地址空间或特殊功能寄存器地址空间中。
51 系列单片机，只有128B RAM ，地址00H ~7FH ，80H ~FFH 为SFR （特殊功能寄存器）地址空间。
52 系列单片机（增强型），有256B RAM ，地址00H ~FFH ，高128字节RAM 和SFR 的地址重合。
00H 内部RAM 7FH 80H 特殊功能寄存器SFR FFH 00H内部RAM7FH内部RAM FFH 特殊功能寄存器SFRFFH地址重合靠寻址方式来区分访问的区域：高128B RAM 采用寄存器间接寻址方式；SFR只能采用直接寻址方式；低128B RAM 两种方式均可。
地址范围为00～7FH的低128B RAM使用分配如表1.1。
（1）地址0～1FH的前32个单元称为寄存器区分四组（0~3组），每组有8个寄存器R0~R7。
用途：①作通用寄存器R0～R7。
②R0与R1可作间址寄存器使用。
内部RAM----寄存器区使用时应注意：32个单元的寄存器区分为四组，使用时只能选其中一组寄存器。
一旦选中一组，其它三组只能作为数据存储器（通用RAM）使用，而不能作为寄存器使用。
寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位定。
RS1 RS0 选寄存器组0 0 0组0 1 1组1 0 2组1 1 3组初始化时或复位时，自动选中0组。
设置多组寄存器可以方便保护现场。
内部RAM----位寻址区、堆栈区（2）20H～2FH为位地址区共16个单元，每单元有八个位，共128位，每位有一个位地址，位地址范围为00H～7FH，该区既可位寻址，又可字节寻址。
如MOV 20H，C (这里C是Cy进位标志位），该指令是将Cy内容送20H位,如果Cy＝1，位20H值为‚1‛。
而MOV A，20H是将地址为20H单元的内容送至累加器A。
（3）除选中的寄存器组以外的存储器均可以作为通用RAM区。
（4）堆栈区8XX51单片机的设在内部RAM区，深度不大于128字节初始化时堆栈指针SP指向07H。
1.3特殊功能寄存器51单片机共有21个字节的特殊功能寄存器(SFR Special Function Register）。
52单片机有32个SFR1.用途：A 累加器、状态标志寄存器单片机内部各部件专用的控制、状态寄存器并行口、串行口2.地址空间：21个SFR不连续地分布在80H～FFH 128个字节地址空间。
1.3 特殊功能寄存器21个特殊功能寄存器的名称及主要功能介绍如下: [详细的用法见后面各节的内容]A—累加器: 带有全零标志Z，A=0则Z=1；A≠0则Z=0。
该标志常用于程序分支转移的判断条件。
B—寄存器:常用于乘除法运算（见第2章）。
PSW—程序状态字:主要起着标志寄存器的作用，其8位定义见表1-2。
位地址D7D6D5D4D3D2D1D0CY AC F0RS1RS0OV－P位名称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。
D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV－P位地址位名称特殊功能寄存器--PSW特殊功能寄存器--PSW 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：奇偶标志反映A累加器中‘1’个数的奇偶。
有奇数个‘1’：P=1；有偶数个‘1’：P=0。
影响标志位的指令及其影响方式见第2章。
特殊功能寄存器—SP、DPTRSP—堆栈指针。
8XX51单片机的堆栈设在片内RAM，对堆栈的操作包括压入（PUSH）和弹出（POP）两种方式，并且遵循后进先出的原则，在堆栈生成的方向上遵循先加后压，先弹后减的顺序，按字节进行操作。
DPTR——数据指针寄存器用来存放16位地址值，以便用间接寻址或变址寻址片外存储器。
DPTR可分成DPL和DPH两个8位寄存器分别使用。
特殊功能寄存器—P0 P1 P2 P3P0 P1 P2 P3——I/O端口寄存器四个并行I/O端口的映射寄存器。
通过对该寄存器的读/写，可实现从相应I/O端口的输入/输出。
例如：指令MOV P1，A实现了把A累加器中的内容从P1端口输出。
例如：指令MOV A，P3实现了把P3端口上的信息输入到A中。
特殊功能寄存器—其他寄存器IP——中断优先级控制寄存器。
IE——中断允许控制寄存器。
TMOD——定时器/计数器方式控制寄存器。
TCON——定时器/计数器控制寄存器。
TH0，TL0——定时器/计数器0。
TH1，TH1——定时器/计数器1。