MCS-51单片机基本结构组成及工作原理(精)
MCS51
第二章MCS—51系列单片机组成及工作原理第一节MCS—51系列单片机的内部组成MCS—51系列单片机的典型芯片是8051，所以以8051为例来介绍MCS—51系列单片机。
一、8051单片机的内部组成图2—1画出了8051单片机的内部系统组成的基本框图：图2—1（a）MCS—51单片机系统组成基本框图图2—1（b）MCS—51单片机内部方框图由图2—1（a）可以看出，MCS—51系列单片机8051是由中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出（I/O）口电路、定时器/计数器等若干部件组成，再配置一定的外围电路，如时钟电路、复位电路等，即可构成一个基本的微型计算机系统。
下面简要介绍各个组成部件：1．中央处理器（CPU）中央处理器（CPU）是单片机的核心，完成运算和控制功能，MCS—51单片机的CPU能处理8位二进制数或代码，故称为8位机。
2．内部数据存贮器（内部RAM）8051芯片中共有256个内部RAM单元，但其中后128个单元被专用寄存器占用，能作为存储器供用户使用的只有前128个单元，用于存储可读写的数据。
因此通常所说的内部数据存储器就是指前128个单元，简称内部RAM。
3．内部程序存贮器（内部ROM）8051内共有4KB掩膜ROM。
由于ROM通常用于存放程序，原始数据，表格等。
所以称之为程序存贮器，简称内部ROM。
4．并行I/O口8051中共有4个8位I / O口（P0 、P1、P2、P3 ），以实现数据的并行输出输入等。
5．串行I/O口MCS—51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机与其它设备之间的串行数据通信。
该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。
6．.定时器/计数器8051内共有2个16位的定时器/计数器，以实现硬件定时或计数功能，并可根据需要用定时或计数结果对计算机进行控制。
7．中断控制系统MCS—51系列单片机的中断功能较强，用以满足控制应用的需要。
MCS-51单片机的逻辑结构及
2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及 信号引脚
MCS-51单片机结构框图 MCS-51芯片内部逻辑结构 MCS-51的信号引脚
MCS-51单片机结构框图
MCS-51芯片内部逻辑结构
1.中央处理器（CPU ） 中央处理器CPU是单片机的核心，完成运算和控 制操作。它包括运算器和控制器电路。 1 ）运算器电路 运算器主要用来实现对操作数的算术、逻辑运算 和位操作的。 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、程序状态字PSW、 两个暂存器以及BCD码运算修正电路。
其地址为0003h0023h是五个中断源的中断地址区0003h000ah外部中断0中断地址区000bh0012h定时器计数器0中断地址区0013h001ah外部中断1中断地址区001bh0022h定时器计数器1中断地址区0023h002ah串行中断地址区中断服务程序超过8个字节时在中断地址区的首地址存放一条无条件转移指令转移到中断服务程序
专用寄存器地址表
MCS-51的堆栈操作
后进先出 入栈PUSH 出栈POP 1.堆栈的功用 保护断点 保护现场
2.堆栈的开辟 MCS-51的堆栈只能开辟在芯片内部的数据存储器中。 3.堆栈指示器SP 专用寄存器地址81H SP的内容是堆栈栈顶的地址 系统复位后SP的内容是07H 4.堆栈类型
5.堆栈的使用方法 自动方式 调用子程序或中断时 指令方式 使用堆栈操作指令 PUSH、POP
PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0
CY AC F0 RS1 RS0 OV 未用 P
进位标志 辅助进位标志 用户标志 寄存器组选择 寄存器组选择 溢出标志 带符号数加减运算 溢出; 乘法积超过8位；除数为0 奇偶标志
第2章MCS--51系列单片机的结构及原理
（4）工作寄存器组选择位RS1、RS0（PSW.4，
PSW.3）： RS1、RS0与工作寄存器组的对应关系
如下：
RS1 RS0 工作寄存器组 片内RAM地址
00
第0组
00H～07H
01
第1组
指令执行后，A=D1H最高位无进位，故Ｃ=0；低半字节有进位，AC=1； OV=0 1=1，发生溢出；A中1的个数为偶数，故P=0。
CPU时序
一．振荡器
CPU执行指令的一系列动作是在时序电路的控制下一拍一拍进行的。 其节拍信号由振荡器产生，MCS--51系列单片机的内部有一个高增益的反 相放大器。外接晶体后可构成自激振荡器产生节拍信号，接法见图2-1, 也可使用片外振荡器，采用不同工艺制造的单片机芯片接法不同：
RST/VPO：双功能引脚，在单片机工作期间， 当此引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可 实现复位操作，详见2.4节。
在Vcc掉电期间，若该引脚接备用电源 （+5v），可向片内RAM供电，以保存片内RAM中 的信息。
2.2 MCS—51系列单片机的微处理器与CPU时序
运算器由算逻运算单元ALU、累加器A、B寄存器、暂存器1、 暂存器2、及程序状态字PSW构成。程序状态字PSW是1个8位 的专用寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息，可 进行位寻址，
P
图2—3 程序状态字各位的含义
（1）进位标志C（PSW.7）；很多算术逻辑运算指令执行 后都会影响进位标志C。例如加减运算，若运算结果有进 位或借位，则C=1，若无，则C=0。可用专门的指令或硬件 将C置位或清零，在进行位操作时，C又起着位累加器的作 用，类似于累加器A。
MCS-51的基本结构及工作原理
工作寄 0 存器组 地址
00H 08H -07H -0FH R0 -R7 R0 -R7
10H 18H -17H -1FH R0 -R7 R0 -R7
寄存器
工作寄存器组选择 RS1,RS0为PSW的两个位
特殊功能寄存器(片内高 特殊功能寄存器 片内高128B 80H~FFH) 片内高
21个专用寄存器SFR 这21个中，凡是字节能被8整除的SFR还可以进行位寻址。 部分SFR（6个，其它的在具体应用时介绍）
系统保留单元： 0000H~002BH 单片机复位后 PC=0000H
内部4KB ROM，片外可扩展64KB， 片内外统一编址，地址指针为16位程序计数器PC， 范围为0000H~FFFFH EA为高电平时，片内外ROM统一编址，为低电平时，只在片外寻址
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（2）数据存储器 ）
该存储器用于存放数据或程序运行时的中间结果。
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引脚
转义引脚 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD
功能说明 串行数据接收端 串行数据发送端 外部中断0请求 外部中断1请求 计数器0外部输入 计数器1外部输入 外部数据存储器 写 外部数据存储器 读
3、可编程I/O简介 、可编程 简介
四个双向8位 四个双向 位 P0~P3 1锁存器 并行I/O口 1输出驱动器 1输入缓冲器
程序计数器PC 程序计数器PC 控制器 CPU 运算器 指令寄存器 指令译码器 数据指针dptr 数据指针dptr 累加器ACC 累加器ACC 程序状态寄存器PSW 程序状态寄存器PSW 程序存储器EPROM 程序存储器EPROM 4KB 存储器 8051 数据存储器RAM 数据存储器RAM 256B
4个8位可编程I/O接口：P0，P1,P2,P3 位可编程I/O接口：P0， I/O接口 2个16位定时计数器：T0、T1 16位定时计数器： 位定时计数器 1个全双工串行口 5个中断源
第二章 MCS-51系列单片机结构与工作
2.3.1运算器 2.3.1运算器
• 4．程序状态字寄存器PSW • 程序状态字寄存器PSW是8位寄存器，用来存储当前指令执行后的状 态，便于程序查询和判别。程序状态字寄存器各位的定义如表2-2。
• （1）进位标志位C：又名CY，在加法和减法运算时， 表示运算结果 最高位的进位或借位情况。
2.3.1运算器 2.3.1运算器
2.2.1 MCS-51系列单片机的引脚与功能 MCS-51系列单片机的引脚与功能
• （8）XTAL2（18脚）：片内振荡电路反向放大器的输出端，采用外 部时钟时该引脚为振荡信号的输入端。 • （9）P0口：P0.0～P0.7依次为第39～32脚，P0口除了可以作普通 的双向I/O口使用外，也可以在访问外部存储器时用作低8位地址线和 数据总线。 • （10）P1口：P1.0～P1.7依次为第1～8脚，P1口是带内部上拉电 阻的双向I/O口，向P1口写入“1” 时，P1口被内部上拉为高电平， 可用作输入口。当作为输出脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉 电阻的存在而输出电流。
第1章 MCS-51单片机结构
第1章 MCS-51单片机结构
1.2.2
外部数据存储器
用于存放随机读写的数据。 外部I/O口地址影像区。 MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口实行统一编址 ， 并使用相同的RD WR作选通控制信号，均使用 MOVX 指令访 问。 MCS-51 单片机最多可扩展64KB外部数据存储器
1.2.3 内部数据储存器
MCS-51仅能实现两个8位二进 制数的算术逻辑运算！
第1章 MCS-51单片机结构
2. 控制器
（1）组成： 定时与控制部件，复位电路，程序计数器 （PC），指令寄存器、指令译码器，数据指针 （DPTR）,堆栈指针（SP）等 （2）作用：产生计算机所需的时序，控制程序自动执行。
外RAM, EPROM, 外I/O CPU
第1章 MCS-51单片机结构
程序存储器中的几个特殊地址的使用：
地址
0000H 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H
用途
复位操作后的程序入口 外部中断0服务程序入口 定时器0中断服务程序入口 外部中断1服务程序入口 定时器1中断服务程序入口 串行口中断服务程序入口
串行口中断入口 T1中断入口 T0中断入口 中断入口 INT1
在8051/8751/89C51 片内，分别内置最低地 址空间的4KB ROM/EPROM程序储存器（内部程序储 存器），而在8031片内，则无内部程序储存器， 必须外部扩展EPROM。MCS-51单片机中64KB内、外 程序储存器的地址是统一编排的。
第1章 MCS-51单片机结构
8031单片机无内部程序存储器，地址从0000H～ EA 应始终接地， FFFFH都是外部程序存储空间。 对于内部有ROM的单片机（51、52系列） ， EA 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。 访问程序存储器使用MOVC指令。 单片机执行程序时由PC 指示地址, 复位时PC内 容为0000H, 由此, 程序必须从0号单元开始存放.
第1章 MCS-51单片机的组成及结构
3．开发手段：
硬件调试：编制出简单的单元调试程序使系统运行， 用示波器、万用表也可使用逻辑分析仪。软件调试目前多用 KEIL51软件，它集编辑、编译、仿真为一体，支持汇编、 PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用，是目 前对单片机进行调试最好的软件之一。
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4．开发工具：
设计一种通用的调试程序工具，把开发系统的CPU和 RAM暂时出借给用户控制板（控制系统），利用开发系统进 行调试，然后把调试好的程序固化到EEPROM中。
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▪ 调试——硬件仿真器
目标系统 硬件仿真器
开发软件 26
▪ 调试
开发软件 通信数据线 目标系统
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▪ 程序下载——使用ISP（In System Program在系统
编程）ISP软件
下载线 目标系统
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1.1.3 MCS-51的应用特性
MCS-51系列单片机已有十多种产品，可分为两大系列：51 子系列和52子系列。
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(2) 通用微机中存储器组织结构主要针对增大存储容量和 CPU对数据的存取速度。
单片机中存储器的组织结构比较简单，存储器芯片直接 挂接在单片机的总线上，CPU对存储器的读写按直接物理地址 来寻址存储器单元，存储器的寻址空间一般都为64 KB。
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(3) 通用微机中I/O接口主要考虑标准外设(如CRT、标准键 盘、鼠标、打印机、硬盘、光盘等)。用户通过标准总线连接 外设，能达到即插即用。
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2）SST89X564XX器件带有72/40KByte的片内 FlashEEROM，内存储器，8个中断源，4个优先级，3 个定时/计数器，功能更加强大。
3）以CPU为核心，将A/D，D/A，前置电路和显示接口电路 等全部进行嵌入设计后，烧写在一个芯片中，从而使系Байду номын сангаас简 化，实现了真正的“系统单片机”的应用设计.
mcs-51单片机的组成
8051输入／输出端口结构
80 51单片机有四个8位并行I/O端口，记作P0、P1、P2 和P3。每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每 一 条I/O线都能独立地用作输入或输出。 每个端口都包括一个锁存器(即特殊功能寄存器P0—P3)， 一个输出驱动器和输入缓冲器，作为输出时数据可以锁 存，作输入时数据可以缓冲，但这四个通道的功能不完 全相同。
P0口的输出级与P1—P3口的输出级在结构上是不同 的！因此，其负载能力与接口要求也各不相同。 ①P0口与其它口不同，它的输出级无上拉电阻。 当把它用作通用I／O口使用时，输出级是开漏电路， 输入时需外接上拉电阻； 用作输入时，应先向口锁存器(80H)写1； 把它当作地址／数据总线时则无需外接上拉电阻。 P0口的每一位输出可驱动8个LS型TTL负载。
MCS-51单片机的组成及结构分析 1 ， 8051 由 CPU 、内部程序存贮器 ROM 、内部 寄存器RAM、I/O接口控制单元、定时器／计数器、 串行通信接口、内部总线等部分构成。 2 ， 8051 的存贮空间分为 64K 程序存贮器、 64K 数据存贮器、 256 字节内部寄存器 RAM 三个部 分。 程序存贮器中低端的4K可用/EA脚来选择使 用内部或外部的程序存贮器。
MCS-51单片机的组成及结构分析 5，四个并行I/O接口有着不同的电路结构。 I/O口的每一位基本上都是由口锁存器、功能转 换开关和驱动电路三部分组成。对I/O口的操作 分为锁存器操作和管脚操作两种类型，由“读— 修改—写”指令和直接操作指令来分别进行。使 用接口时应注意读入管脚状态前要先输出“1”， 还应注意P0口的外部上拉和各个口的驱动能力。
8051输入／输出端口结构
在无片外扩展存储器的系统中，这四个端口的每一位都 可以作为准双向通用I／O端口使用。在具有片外扩展存 储器系统中，P2口送出高8位地址．P0口为双向总线， 分时送出低8位地址和数据的输入／输出。 8051单片机四个I／()端口的电路设计非常巧妙，熟悉I ／O端口逻辑电路，不但有利于正确合理地使用端口。 而且会对设计单片机外围逻辑电路有所启发。
2MCS51单片机的基本结构与工作原理
第二章MCS51单片机的基本结构与工作原理一、8051单片机内部包含哪些主要逻辑功能部件？提示：（1）CPU—包括运算器和控制器。
其中运算器主要有运算逻辑部件ALU（实质上就是一个全加器）、累加器A、暂存器TMP（如B寄存器、数据指针DPTR）、程序状态字PSW（寄存程序运行的状态信息）；控制器主要有程序计数器PC（实质是加1计数器）、指令寄存器IR（存放指令操作码的专用寄存器）、指令译码器、定时控制逻辑电路（按指令的性质发出一系列定时信号）、条件转移逻辑电路。
（2）内部RAM。
共有256个RAM单元。
其中低128个单元（00H—7FH）供用户使用，高128个单元（80H—FFH）是专用寄存器，有着特殊逻辑功能（又名特殊功能寄存器SFR）。
（3）内部ROM。
8031内部无ROM，8051有4KB掩膜ROM。
（4）定时/计数器。
MCS51共有2个16位的定时/计数器（T0、T1）。
（5）并行I/O口。
MCS51共有4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）。
（6）串行口。
MCS51有1个全双工的串行口。
（7）中断控制系统。
MS51共有5个中断源，且分两个优先级别。
（8）时钟电路。
系统允许的最高晶振频率为12MHz（主要用于通信）。
二、MCS51问片内RAM、片外提示：（1（2）（片内外统一编址空间共64KB）、128个单元中的21个单元SFR，高128个单元中的107个空闲地址，用户不能使用。
切记！）、片外数据存储器（寻址空间64KB）。
（3）从功能上划分为程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间、外部数据存储器。
访问片内RAM的指令助记符是MOV；如MOV P1，A访问片外RAM的指令助记符是MOVX；如MOVX @DPTR ，A访问片外ROM的指令助记符是MOVC；如MOVC A，@A+PC三、MCS51单片机片内RAM按用途可以划分几个区域？各有什么作用？（片内RAM低128单元划分哪三个主要部分？各部分主要功能是什么？）提示：片内RAM是最灵活的地址空间，在物理上分成两个独立的功能不同的区域，即低128个单元（00H —7FH）的数据RAM区、高128个单元（80H—FFH）的特殊功能寄存器SFR区（见下一题的回答）。
第2章 MCS-51系列单片机的结构及原理
2.3 引脚功能——封装形式
40P6-PDIP
单 片 机 技 术
2.3 引脚功能——引脚含义
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST 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 24 22 21 VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
2mcs51系列单片机的内部总体结构88微处理器运算部件b数据存储器ramp0口p2口程序存储器特殊功特殊功能寄存器sfrromepromvccvss图21mcs51单片机的基本结构控制部件p1口p3口串行口定时计数器中断系统88xtal1xtal2psenaleeareset端口0驱动器端口2驱动器ram地址锁存器ram1288端口0锁存器端口2锁存器rom4k8b寄存器程序地址寄存器缓冲器寄存器vcc5vvss堆栈指针spacctmp2tmp1p00p07p20p27图22mcs51片内总体结构框图rstpc1寄存器pcdptr指针p10p17psw端口3锁存器端口1锁存器端口1驱动器端口3驱动器scontl0tmodth1iepconth0sbuftxrx中断串行口和定时器逻辑tcontl1iposcp30p37alepsenxtal2xtal1alu指令寄存器定时与控制指令译码器返回本节2