51单片机的硬件结构

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资源的简单说明
3．中断系统：具有5个中断源，分为2个中 断优先级。 4．定时器/计数器：2个16位定时器/计数器， 具有四种工作方式。 5．串行口：1个全双工的串行口，具有四种 工作方式。 6．P0~P3口：为4个并行8位I/O口。
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资源的简单说明
7．特殊功能寄存器（SFR）：共有21个， 用于对片内各功能模块进行管理、控制、 监视。实际上是一些控制寄存器和状态 寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。 8．微处理器（CPU）：为8位的CPU，且 内含一个1位的位处理器，不仅可处理字 节数据，还可以进行位变量的处理。
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SFR
• 数据指针DPTR
数据指针DPTR是一个16位的SFR，其高位 字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用 DPL表示。DPTR即可以作为一个16位寄存器 来用，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH 和DPL来用。
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SFR
• 端口P0~P3
特殊功能寄存器P0～P3分别为I/O端口 P0~P3的锁存器。即每一个8位I/O口都为RAM 的一个单元（8位）。 在MCS51中，I/O口和RAM统一编址，所 有访问RAM的指令，都可用来访问I/O口。对 于片外数据存储器和扩展的I/O口，也是统一编 址的。
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51的中央处理器（CPU）
• 运算部件：运算部件包括算术逻辑部件ALU、 位处理器、累加器A、寄存器B、暂存器以及 程序状态字PSW寄存器等。该模块的功能是实 现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据 传送等操作。 • 控制部件：控制部件是单片机的神经中枢，以 主振频率为基准（每个主振周期称为振荡周 期），控制器控制CPU的时序，对指令进行译 码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环 节组织在一起。
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引脚功能分类
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1 电源及时钟引脚
• 电源引脚： Vcc（40）+5V、 Vss（20）GND • 时钟引脚： XTAL1、XTAL2. 采用片内振荡器时，这两个引脚接 晶振；采用外部振荡器时， XTAL1接地， XTAL2接外部振荡器的输出端。
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2 控制引脚
• RST／VPD（9脚）：当振荡器启振后， 在此引脚加上两个机器周期以上的高电 平将使单片机复位。在单片机正常工作 时，此脚应为<0.5V低电平。 另外，此引脚可接上备用电源，系统掉 电时向内部RAM供电，使其保持数据。 什么是机器周期？
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程序状态寄存器：PSW
• PSW.1是保留位，未用。 • Cy（PSW.7）进位标志位，在执行算术和逻辑指令时，可 以被硬件或软件置位或清除，在位处理器中，它是位累加 器。 • Ac（PSW.6）辅助进位标志位。 • F0（PSW.5）标志位，它是由用户使用的一个状态标志位。 • RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器区选择控制位 • OV（PSW.2）：溢出标志位。 • P（PSW.0）奇偶标志位。每个指令周期都由硬件来置位 或清除，以表示累加器A中值为1的位数的奇偶数。
• 程序状态字寄存器PSW
PSW是一个8位寄存器，它包含了程序状态信息。
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SFR
• 栈指针SP
栈指针SP是一个8位专用寄存器，它指示出堆栈顶部在 内部RAM块中的位置，51单片机栈向上生成，且后入先出。 系统复位后，SP初始化为07H，使得堆栈事实上由08H单元 开始，考虑到08H～1FH单元分别属于工作寄存器区1～3， 若在程序设计中要用到这些区，则最好把SP值改置为1FH 或更大的值。例如SP＝60H，CPU执行一条A累加器进栈指 令， push a; 执行后寄存器状态： (61H)=A，（sp）＝61H。
• 时序图
每2个振荡周期作为1个状态周期，每个状态周期分 为2个时相P1、P2，每6个状态周期作为1个机器周期。
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51的存储器结构
• • • • • 程序存储器 内部数据存储器 特殊功能寄存器（SFR） 位地址空间 外部数据存储器
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存储器简单介绍
• 程序存储器 用来存放程序的存储器，存储器中 存放的实际上是由用户程序形成的二进 制码（机器码），该存储器必须具有非 易失性。外部可扩展64k字节。
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运算部件：PSW
• 工作寄存器的选择： RS1 RS0 软件写入 0 0 区0（选择内部RAM寄存器地址00H～07H） 0 1 区1（选择内部RAM寄存器地址08H~0FH） 1 0 区2（选择内部RAM寄存器地址10H～17H） 1 1 区3（选择内部RAM寄存器地址18H～1FH）
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控制部件
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内部数据存储器
• MCS51内部数据存储器（RAM）共有128个字 节，地址00H~7FH。51对内部数据存储器有丰 富的操作指令。
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特殊功能寄存器（SFR）
• SFR共21个，存在于单片机中的一部分RAM单元中， 地址范围80H~FFH，呈离散分布。
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特殊功能寄存器（SFR）
• SFR简介
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SFR
• 串行数据缓冲器SBUF
串行数据缓冲器SBUF用于存放欲发或已接收的 数据，它在SFR块中只有一个字节地址，但是物理上 由两个独立的寄存器组成，一个发送一个接收。
• 定时器/计数器
51单片机有2个16位定时/计数器T0、T1，他们各 由两个独立的8位寄存器组成，分别是TH0、TL0； TH1，TL1。不能把T0、T1作为16位寄存器操作。
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3 I/O口引脚
• P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址 总线（低8位）及数据总线分时复用口可 带8个LSTTL负载。 • P1口：8位准双向I/O口，可带4个LSTTL 负载。 • P2口：8位准双向I/O口，与地址总线 （高8位）复用，可带4个LSTTL负载。 • P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口。
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P3口的第二功能
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I/O口的内部结构
• 每一位引脚由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。
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MCS51存储器结构的特点
• • • • • 地址重叠性
程序存储器与数据存储器操作指令不同
位地址空间共有两个区域 堆栈区可自由设定 片外数据存储器与I/O口统一编址
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MCS51存储器结构示意
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I/O端口
• 简介
MCS51单片机具有4个双向8位I/O口，每个口都有 一个锁存器。 P0口是三态双向口，作为数据和低8位地址的分时 复用口，由ALE信号作为地址锁存。 P1口准双向口，供用户使用。 P2口准双向口，作为高8位地址使用，当扩展的外 部存储器小于64k时，即有未用到的P2口线，可作为一 般I/O口使用。 P3口准双向口，即可作为一般I/O口使用，也可作 为第二功能口使用。
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位地址空间
• MCS51中共有可 寻址的位211个， 构成了8051的位地 址空间。在RAM 区，有可寻址128 位，其位地址为 00~7FH。可位寻 址RAM的字节地 址为20H~2FH。
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位地址空间
• 可位寻址的SFR。 共83位
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外部数据存储器
• 当内部RAM不够使用时，可以外扩数据 存储器，最多64k。
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程序存储器
• 程序存储器中存放程序和表格，最多外 扩64k。由程序计数器（PC）控制程序的 执行，PC中存放的是将要执行的下一条 指令的地址，是由单片机内部硬件自动 生成的，且自动加一。复位后PC值为 0000H，因而程序总是从程序存储器的 0000H处开始执行。
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程序存储器
• 一些指令会影响到PC的连续性，例如跳转类，中断响 应等。 • 例如中断，单片机响应不同的中断后，PC被硬件赋予 不同的值。称为单片机的中断入口地址： 外部中断0（INT0） 0003H 定 时 器0（T0） 000BH 外部中断1（INT1） 0013H 定 时 器1（T1） 001BH 串 行 口 0023H 由于程序存储器的起始部分具有特殊意义，在编 制程序时主程序中最好有跳转指令，在中断程序中也 要有跳转指令。
MCS-51 单 片 机 原 理 及 设 计
第2讲：MCS-51的硬件结构
电气工程系 赵志衡 TEL:86413623 E-mail:zhzhhe@
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MCS-51程主要内容
（1）51的资源 （2）51的外观及引脚简介 （3）51的CPU （4）51的存储器结构 （5）51的I/O端口 （6）复位电路 （7）时钟电路
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存储器简单介绍
• 内部数据存储器 MCS51单片机内部有128个字节的随 机存取存储器RAM，作为用户的数据寄 存器、它能满足大多数控制型应用场合 的需要，用作处理问题的数据缓冲器。 52系列具有256字节的内部RAM。
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存储器简单介绍
• 特殊功能寄存器（SFR） 特殊功能寄存器反映了MCS51的状态，实 际上是MCS51的状态字及控制字寄存器。51单 片机通过写SFR来控制相应功能部件（定时器、 串口、中断等）的工作方式，同时SFR也综合 的、实际的反映了整个单片机基本系统内部的 工作状态。例如，前面提到的PSW程序状态字 寄存器，就是一个特殊功能寄存器。
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存储器简单介绍
• 位地址空间 MCS51单片机内部具有211个可寻址 的位，他们存在于内部RAM（128个）、 和SFR（83个）中。用来存放一些位变量。 有相应的位操作指令来控制其读写。
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存储器简单介绍
• 外部数据存储器 当片内的RAM不够用时，MCS51可 在片外扩展64k的数据存储器。
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特殊功能寄存器（SFR）
• 可位寻址的SFR位地址
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SFR
• 累加器A
累加器A是一个最常用的专用的寄存器，大部分单操作数指 令的操作数取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数取自累 加器，加、减、乘、除算术运算指令的运算结果都存放在累加器 A或B寄存器中。