--第一章 51单片机的结构
MCS-51系列单片机的基本结构
并行接口
P0 P1 P2 P3
WR RD PSEN ALE
串行接口 TXD RXD
—6—
1．基本结构与硬件组成
051的主要硬件 资源包括以下几个部 分，内部功能模块构 成如图所示
（1） • 8位中央处理单元CPU （2） • 4K字节的程序存储器ROM （3） • 128字节的数据存储器RAM （4） • 21个特殊功能寄存器SFR （5） • 4个8位并行I/O口P0～P3
用户根据程序执行的需要通过传送指令确定。
—15—
D
寄存器组选择位RS0和RS1
用于设定当前工作寄存器的组号。8051有8个8位寄存器（R0～R7），分为4组。RS1、RS0与
R0～R7的对应关系如表所示。
RS1
RS0
R0～R7组号
R0～R7的物理地址
0
0
0
00～07H
0
1
1
08～0FH
1
0
2
10～17H
• 2个16位可编程定时/计数器T0、T1 （6）
• 5个中断源，具体包括2个外部中断源 （7） INT0和INT1，3个内部中断源
• 1个全双工的异步串行接口 （8）
• 内部时钟产生电路 （9）
—7—
2．中央处理器CPU
中央处理器CPU是单片机的核心组成部分，从功能上可 以分为控制器和运算器两个部分。控制器产生各种控制信号 以协调各部件之间的数据传送、运算等操作；运算器主要执 行算术运算、逻辑运算和位操作等。
① 算术逻辑单元ALU
ALU是一个运算器，主要对8位二 进制数进行算术与逻辑运算，包括加、 减、乘、除四则运算，与、或、非、 异或等逻辑操作。另外还具有置位、 移位、测试转移等功能。
第1章 MCS-51单片机结构
一个8位的CPU。 程序存储器：4KBROM。
128字节RAM。
两个16位可编程定时器/计数器。 可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。
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。 具有两个优先级嵌套的中断结构。
★ 掌握51系列单片机各存储空间的地址分配、使用特点。
位名称
1.3 特殊功能寄存器
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。 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,运算结果有奇个“1”，P=1；运算结果有偶个“1”， P=0。
1.5 引脚功能
8XX51单片机有44引脚的方形 封装和40个引脚的双列直插式封 装形式，最常用的40个引脚DIP 封装。
各个引脚的功能如下： Vss:接地端。 Vcc:电源端，接+5V。 XTAL1，XTAL2: 接外部晶体或外部时 钟。 RST/VPD：①复位信号输入。 ②接备用电源，当VCC掉电
在中断入口地址中通常用一条无条件转移指令，转到 中断处理子程序。
1.2.2 外部数据储存器
用于存放随机读写的数据；
外部数据存储器和外部I/O口统一编址。 控制信号相同，使用相同的MOVX指令访问。 最多可扩展64KB外部数据存储器
1.2.3 内部数据储存器
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。
51单片机结构原理
51单片机结构原理51单片机是一种典型的微控制器，具有由英特尔公司(Intel)设计和生产的基于哈佛结构的原理。
51单片机的基本结构包括中央处理器部分(CPU)、存储器部分、输入/输出(I/O)部分以及定时/计数器(Timer/Counter)等功能模块。
在中央处理器部分，51单片机采用了8位位宽的数据总线和16位位宽的地址总线。
它具有一组通用寄存器，可以用于存储中间数据和运算结果。
另外，还有一个累加器，用于存储加法操作的结果。
CPU还包括一套指令系统，用于控制程序的执行。
存储器部分包括程序存储器ROM(Read-Only Memory)和数据存储器RAM(Random Access Memory)。
ROM用于存储程序代码，RAM用于存储数据和程序的临时变量。
51单片机使用Harvard结构，将程序存储器和数据存储器分开，可以同时访问两个存储器，提高了执行效率。
输入/输出(I/O)部分包括多个通用I/O端口，可以用于连接外部设备。
这些I/O端口可以通过外部扩展器进行扩展，以满足不同应用的需求。
此外，51单片机还提供了串行通信接口、定时器/计数器等特殊功能引脚。
定时/计数器模块是51单片机的重要功能之一。
它可以生成精确的定时信号，并可以用来计数外部事件的频率。
定时/计数器模块可以通过寄存器配置，实现不同的定时和计数功能。
总之，51单片机结构的核心是中央处理器部分、存储器部分、输入/输出部分和定时/计数器模块。
通过这些功能模块的协同工作，51单片机可以实现各种应用需求，如控制、计算、通信等。
51单片机的内部结构
51单片机的内部结构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。
第一章MCS-51系列单片机知识
单片机电子产品设计
主讲人：胡克满 2013年3月 E_mail：hukeman@ 办公室：3114（东校区） 电话：668181
第一章 MCS-51单片机基本知识
本章主要内容： 1.1 什么是单片机 1.2 单片微型计算机及单片微型计算机系统 1.3 MCS-51系列单片机分类 1.4 MCS-51系列单片机的内部结构及引脚 1.5 MCS-51系列单片机的内部数据存储器 本章重点： MCS-51系列单片机选型
单片机电子产品设计
1.5 MCS-51单片机内部数据存储器
MCS-51单片机的芯片内部有RAM和ROM两类存储器，
即所谓的内部RAM和内部ROM。
单片机电子产品设计
1.5.1内部数据存储器低128单元
30H ~7FH
20H ~2FH 18H ~1FH 10H ~17H 08H ~0FH 00H ~07H
单片机电子产品设计
微型计算机系统组成示意图如图所示。
微型计算机系统
输 入 设 备
输 入 接 口 电 路
CPU
运算器 控制器
输 出 接 口 电 路
输 出 设 备
+
存储器
软 件 系 统
硬件系统
单片机电子产品设计
（1）运算器 运算器是计算机的运算部件用于实现算术和逻辑运算。计算机的 数据运算和处理都在这里进行。 （2）控制器 控制器是计算机的指挥控制部件，使计算机各部分能自动协调地 工作。运算器和控制器是计算机的核心部分，常把它们合在一起称之 为中央处理器，简称CPU。 （3）存储器 存储器是计算机的记忆部件，用于存放程序和数据。存储器又分 为内存储器和外存储器。例如实训中使用的EPROM2764。 （4）输入设备 输入设备用于将程序和数据输入到计算机中，如键盘。 （5）输出设备 输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果，以用户需要的形 式显示或保存，如显示器、打印机。
51单片机基本结构详解
51单片机基本结构详解1.什么是单片机单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU 、随机存储器RAM 、只读存储器ROM 、多种I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调试电路电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。
图1-1 单片机外形图2.单片机的引脚排列常用的单片机有40个引脚，其排列和功能如图2-1所示。
外ROM读选通信号外接晶体引线端地址锁存控制引脚内外ROM选择引脚21222324252627282930313233343536373839402019181716151413121110987654321VSS XTAL1XTAL2T1/P3.5TO/P3.4TXD/P3.1RXD/P3.0RST/VPD P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0INT0/P3.2INT1/P3.3P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0VCC EA/VPP ALE/PROG PSEN RD/P3.7WR/P3.6电源引脚接地引脚复位信号P1口P0口P3口P2口图2-1单片机的引脚排列和功能3.单片机最小系统单片机最小系统是单片机正常工作的最小硬件要求，包括供电电路、时钟电路、复位电路，如图3-1所示。
图3-1 单片机的最小应用系统判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的办法，就是用万用表测量单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：18脚对地约2.24V ，19脚对地约2.09V 。
对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和＋5V 连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路有问题。
第一章 mcs51单片机的结构与原理
第一章MCS51单片机的结构与原理1．试比较MCS-51，MSP430，EM78，PIC，M6800及A VP等系列单片机的特点。
解：MCS-51为主流产品。
MSP430的功能较强。
是一种特低功耗的Flash微控制器。
主要用于三表及超低功耗场合。
EM78系列单片机采用高速CMOS工艺制造，低功耗设计为低功耗产品，价格较低。
具有三个中断源、R-OPTION功能、I/O唤醒功能、多功能I/O口等。
具有优越的数据处理性能，采用RISC结构设计。
PIC系列8位单片机是Microship公司的产品。
CPU采用RISC结构，运行速度快，价格低适于用量大、档次低、价格敏感的产品。
Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。
其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。
A VR是增强RISC内载Flash的单片机，单片机内部32个寄存器全部与ALU直接连接，突破瓶颈限制，每1MHz可实现1MIPS的处理能力，为高速、低功耗产品。
端口有较强的负载能力，可以直接驱动LED。
支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。
2．MCS-51系列单片机在片内集成了哪些主要逻辑功能部件？各个逻辑部件的主要功能是什么？解：MCS-51单片机在片内集成了中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行I/O接口、串行I/O接口和中断系统等几大单元。
CPU是整个单片机的核心部件，由运算器和控制器组成。
运算器可以完成算术运算和逻辑运算，其操作顺序在控制器控制下进行。
控制器是由程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路组成。
CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。
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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。
时钟 Fl4aKsh
RAM
定时器0 定时器1
T0 T1 .
. 51CPU
并行I/O接口
串行接口 外中断
P0 P1 P2 P3 .
TXD RXD
INT0 INT1
作者：夏路易
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《单片机技术基础教程与实践
作者：夏路易
电子工业出版社所有
1.3 详细内部结构框图Leabharlann 《单片机技术基础教程与实践
W78C51D, W78C52D, W78C54, W78C58, W78E516B, W78E51B等
由于51内核产品众多，所以得到了人们的喜爱，特别是具有大量的资料，使初学者 能够收到事倍功半的学习效果。虽然除了51内核单片机外还有很多种类的单片机， 但人们还是青睐51单片机，特别是钟情于功能最少的51单片机AT89S51
TMP1、TMP2 暂存器，用于暂时保存数据
ALU 8位算术逻辑单元ALU，用于处理各种算术运算和逻辑运算，在12MHz时钟时， 多数指令的执行时间为1μs。
STMicroelectronics公司，51内核产品为：
uPSD3212A, uPSD3212C, uPSD3212CV, uPSD3233B, uPSD3233BV等
TI公司，51内核产品为：
MSC1200Y2, MSC1200Y3, MSC1201Y2, MSC1201Y3等
Winbond公司，51内核产品为：
PORT 0 DRIVERS，PORT 0 LATCH 端口0驱动器与锁存器
PORT 1 DRIVERS，PORT 1 LATCH 端口1驱动器与锁存器
PORT 2 DRIVERS，PORT 2 LATCH 端口2驱动器与锁存器
PORT 3 DRIVERS，PORT 3 LATCH 端口3驱动器与锁存器
第1章 51单片机的结构
《单片机技术基础教程与实践
1.1 51内核单片机简介
单片机是将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路和相应实时控制器
件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，简称单片机。在世界 上其他国家，人们又称单片机为微控制器（MCU），单片机的结构 框图如图1-1所示。
.
CPU
.
（微处理器）
51单片机的基本结构如下
（1）一个8 位算术逻辑单元
（2）4 组，共32 个I/O 口，每组8个引脚，可单独寻址（每个引脚有专用指令，可 以单独读写操作）
（3）两个16 位定时/计数器
（4）全双工串行通信口
（5）6个中断源两个中断优先级
（6）128 字节内置RAM
（7）独立的4k 字节可寻址数据和代码区（该区容量随单片机型号不同而不同，例如
RAM Flash
.
I/O接口
各种
.
外围模块
单片机
.
（MCU）
单 片 机 常 根 据 其 内 部 的 CPU 来 分 类 ， 例 如 ， 51 内 核 的 单 片 机 、 ARM内核的单片机等等。所谓51内核单片机，就是具有8051 CPU的单 片机。
目前单片机有几千种，51内核的单片机是其中的一类，约有几十家 厂商生产，产品有几百种。
STACK POINTER 栈指针，堆栈是保存工作现场数据、地址、指令等的寄存器， 栈指针用于指向堆栈的栈顶。
作者：夏路易
电子工业出版社所有
（3）算术与逻辑运算
《单片机技术基础教程与实践
B REGISTER 用于乘除等操作的寄存器，常作为运算的第2操作数。
ACC 累加器，大部分单操作数指令均以ACC作为其操作数，多数双操作数指令也 以累加器作为第一个操作数，通常操作结果也保存在累加器中。
8052作 单者片：机夏就路易具有8k的容量）
电子工业出版社所有
每个51单片机处理周期包括12个振荡周期，每12个振荡周《期单用片机来技完术基成础一教程项与操实践 作如取指令和计算指令执行时间可把时钟频率除以12 取倒数然后指令执行所须的 周期数，如果系统时钟是11.059MHz，则除以12 后就得到了每秒执行的指令个数 为921583条指令，取倒数将得到每条指令所需要的时间1.085μs。51单片机的结构 框图如图所示。
作者：夏路易
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1.2 51单片机的结构特点
《单片机技术基础教程与实践
51内核系列单片机被广泛应用于从家用电器到武器装备等各种应用系统，尤 其是Philips、Infineon、Silicon Laboratories, Inc.、Analog Devices等制造商 给51内核系列单片机加入了大量的外围模块，例如I2C总线接口、ADC模数转换、PWM、 DMA、DAC等，而且不少芯片的工作频率达到40M，工作电压下降到1.5V，这些功能的 增加使得51内核单片机得到了新生，形成新一代51内核系列单片机产品。