MCS-51单片机的内部结构
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单片机的基本组成 - 单片机
MCS-51单片机的基本组成 - 单片机图1说明MCS-51系列单片机的基本组成。
1、8051单片机内部结构和功能1．中央处理器CPU（1）运算器1) 算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)2) 累加器ACC (Accumulator)3) 寄存器B4) 程序状态字PSW(ProgramStatusWord)程序状态字PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序运行的状态信息，以供程序查询和判断。
PSW程序状态字格式和含义如下:①Cy(PSW.7) 进位标志位。
Cy是PSW中最常用的标志位。
由硬件或软件置位和清零。
它表示运算结果是否有进位(或借位)。
如果运算结果在最高位有进位输出(加法时)或有借位输入(减法时)，则Cy由硬件置“1”，否则Cy被清“0”。
②AC(PSW.6) 辅助进位(或称半进位)标志。
当执行加减运算时，运算结果产生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置“1”；否则AC 位被自动清“0”。
③F0(PSW.5) 用户标志位。
用户可根据自己的需要对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，作为软件标志。
④RSl和RS0(PSW.4，PSW.3) 工作寄存器组选择位。
这两位的值决定选择哪一组工作寄存器为当前工作寄存器组。
由用户通过软件改变RSl和RS0值的组合，以切换当前选用的工作寄存器组。
其组合关系如表2-1所示⑤OV(PSW.2) 溢出标志位。
它反映运算结果是否溢出，溢出时则由硬件将OV位置“1”，否则置“0”。
⑥F1(PSW.1) 用户标志位，同F0(PSW.5）。
⑦P(PSW.0) 此位为奇偶标志位。
P标志表明累加器ACC中1的个数的奇偶性。
在每条指令执行完后，单片机根据ACC的内容对P位自动置位或复位。
若累加器ACC中有奇数个“1”，则P=1；若累加器ACC 中有偶数个“1”，则P=0。
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。
MCS51系列单片机芯片结构
控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄 存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以 及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单 片机各部分正常工作。
2. 定时器/计数器
MCS－51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定 时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外 部事件的计数和检测等。
电源引脚Vcc和Vss
Vcc：电源端，接＋5V。
Vss：接地端。
时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡 器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接 地。
XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振 荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外 部时钟的输入端。
5. 串行I/O口
MCS－51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双 工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。
6. 中断控制系统
8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个 ，串行中断1个。
7. 时钟电路
MCS－51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电 容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器 的频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6MHz。
地址锁存允许ALE
系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低 8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。
外部程序存储器读选通信号
是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。
程序存储器地址允许输入端 /VPP 当为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC 中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令 。当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。
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。
MCS-51单片机内部结构
MCS-51单片机内部结构8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。
8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：·中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
·数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
·程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
·定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
·并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。
·全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
·中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
·时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)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
MCS-51单片机的硬件结构
MCS-51单⽚机的硬件结构MCS-51单⽚机的基本组成MCS-51是Intel公司⽣产的⼀个单⽚机系列的总称.在功能上,该系列单⽚机有基本型和增强型两⼤类,通常以芯⽚型号的末位数字来区别。
末位数字位“1”的型号是基本型，为“2”的信号是增强型。
MCS-51单⽚机的内部结构如图所⽰，基本结构包括：⼀个8位的CPU及⽚内振荡器；4KB掩膜ROM（8051），4KB EPROM（8751），⽆ROM（8031）；128B RAM，21个特殊功能寄存器SFK；4个（P0~P3）8位并⾏I/O接⼝，⼀个可编程全双⼯通⽤异步串⾏接⼝（UART）；具有5个中断源，2个优先级；可寻址64KB 的⽚外ROM和64KB的⽚外RAM；两个16位的定时/计数器;具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能。
MCS-51单⽚机的引脚及其功能MCS-51单⽚机的引脚封装MCS-51单⽚机有普通的HMOS芯⽚和CMOS低功耗芯⽚。
HMOS芯⽚采⽤双列直插封装⽅式，⽽CMOS芯⽚采⽤的封装⽅式有双列直插也有⽅形封装的。
尽管封装的⽅式不同，但是它们的结构完全⼀样。
输⼊/输出接⼝MCS-51单⽚机有4个双向8位I/O接⼝，它们是P0、P1、P2、P3。
在⽆外接存储器时，这4个I/O接⼝均可以作为通⽤I/O接⼝使⽤，CPU既可以对它们进⾏字节操作也可以进⾏位操作。
当外接程序存储器或数据存储器时，P0⼝和P2⼝不再作为通⽤I/O⼝使⽤。
此时，P0⼝传送存储器地址的低8位以及双向的8位数据，P2⼝传送存储器地址的⾼8位。
P0⼝和P2共同组成MCS-51单⽚机的16位地址总线，⽽低8位地址总线与8位双向数据总线分时复⽤。
P0⼝P0⼝有8位，每⼀位由⼀个锁存器、两个三态输⼊缓冲器、控制电路和驱动电路组成。
P0⼝有两种功能，⼀是作为通⽤I/O⼝；⼆是当外接存储器时，作为低8位地址总线和8位双向数据总线。
P0 ⼝作为通⽤I/O ⼝作为通⽤I/O ⼝时，P0 ⼝既可以做输⼊⼝，也可以做输出⼝，并且每⼀位都可以设定为输⼊或输出。
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
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§ 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
第二章 MCS-51单片机的 内部结构
➢MCS-51单片机结构及工作原理 ➢MCS-51单片机引脚 ➢CPU时序 ➢MCS-51单片机存储器结构
§2.1 MCS-51单片机结构
MCS-51单片机是高性能的8位单片机， 除内置程序存储器有区别外，内部结构和 引脚相同。
8031：内部无程序存储器； 8051：ROM型单片机，内含4K字节ROM。 8751：EPROM型单片机，内含4KEPROM。
程序状态字
Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
①进位标志Cy( Carry flag)：
•加法（减法）时最高位D7有进（借）位，则Cy=1，否 则Cy=0； •进行位操作时，起着“位累加器”的作用，称为布尔累 加器。 •循环移位和比较转移指令影响Cy
§2.2.1 运算器
程序状态字 Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
用户定义的状态标志。可通过软件对它置位、清零；在 编程时，常测试其状态进行程序分支。
§2.2.1 运算器
程序状态字
Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
④工作寄存器区选择 位RS1、RS0:
(Register bank select bit)
可通过软件置位或清零， 以选定4个工作寄存器区 中的一个区作为当前工作 寄存器。
内部结构
§2.2 CPU
CPU：单片机的核心部分，是单片机的指挥和执行部件。
包含两个基本部分：运算器和控制器
•运算器：进行算术和逻辑运算，存储运算结果并作相应
标记。 •控制器：控制计算机各部分协调工作。
§2.2.1 运算器
1.算术逻辑运算部件ALU：完成各种算术运算和逻 辑运算 2.寄存器——存放运算结果和状态
种算术运算和逻辑运算，如算术加、减、乘、除 和逻辑与、或、异或、取反以及循环移位、数据 传送、程序转移等操作。
§2.2.1 运算器
2.寄存器
（1）累加器Acc ( Accumulator register) 累加器ACC是最常用的8位专用寄存器。通过暂
存器与ALU相连。进入ALU作算术操作和逻辑操作 的操作数很多来自ACC，操作的结果也常送回ACC。 （2）寄存器B 与累加器配合，执行乘、除法指令，并保存部分 计算结果
②辅助进位标志AC( Auxiliary Carry flag)：
•加（减）法运算时，如果低半字节的最高位D3有进（借） 位，则AC=1，否则AC=0； •AC在作BCD码运算而进行二～十进制调整时有用。
§2.2.1 运算器
程序状态字
Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
③用户标志F0、F1：
§2.1 MCS-51单片机结构
存储器类型 掩膜
单片机系列
MOS
8031
/
51子系 MCS- 列
8051
4KB
51
8751
/
52子系 8032
/
列
8052
8KB
EPROM
/ / 4KB / /
§2.1 MCS-51单片机结构
微型计算机（μC）
（1）定义：以微处理器为核心，配上存储器、输入/输 出接口电路和系统总线所组成的计算机。
(1)累加器A( Accumulator register) (2)寄存器B (3)程序状态字PSW( Program Status Word Register) (4)暂存器TMP1和TMP2 3.布尔处理机
§2.2.1 运算器
§2.2.1 运算器
1、算术逻辑单元（ALU） ALU由加法器和其他逻辑电路组成，能完成各
程序状态字
Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
⑥奇偶标志P: Parity flag
•该标志始终跟踪累加器A中内容的奇偶性，根据A中1的 个数的奇偶自动令P置位或有用，通过奇偶校验 可检验数据传输的正确与否。
§2.2.1 运算器
3.布尔处理机
布尔处理机是单片机CPU中运算器的一个重要组成部 分。它有相应的指令系统，可提供17条位操作指令，硬 件有自己的“累加器”（进位位C）和自己的位寻址RAM 和I/O空间，是一个独立的位处理机。
§ 2.2.2 控制器
控制器：用来控制计算机工作的部件。
➢程序计数器PC( Program Counter )； ➢指令寄存器IR；( Instruction Register) ➢指令译码器ID；( Instruction Decoder ) ➢堆栈指针SP；( Stack Pointer) ➢数据指针DPTR；( Data Pointer) ➢CPU定时控制