第2章 MCS-51单片机的硬件结构1_end(广东工业大学)
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第二章MCS-51单片机的硬件结构
2.3 MCS-51引脚功能描述
掩模MOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40脚的 双列直插式封装(DIP)方式，CHMOS制造工艺的单片 机80C31/80C51除采用DIP封装外，还采用方形的封 装方式。方形封装的有44个引脚，标有NC的4个引脚 不连线。在40条引脚中有2条专用于主电源，2条外接 晶振，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条I/O引 脚。下面分别叙述这40条引脚的功能。 ⒈ 主电源引脚
ALU
PSEN ALE EA RST
定时 指令 及控 寄存 制 器 内部 时钟
PSW
P1驱动器
P1锁存器
P1.0~P1.7
外接晶振
2.只读存储器
用于永久性地存储应用程序。 单片机中大量采用的是掩模式只读存储器MROM 和改写只读存储器EPROM，随着电子技术的发 展，已开始采用电可读写只读存储器EEPROM。
方形封装
P1.4 P1.2 P1.0 VCC P0.1 P0.3 P1.3 P1.1 NC P0.0 P0.2 6 5 4 3 2 1
44 43 42
41 40 38 37 36 35 34 33 32 31
39
P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA NC ALE PSEN P2.7 P2.6
MCS-51单片机的基本结构（8051）
T0
时钟电路 CPU T0 T1 串行口 64KB总 线扩展 控制器 并行 接口 串行 接口 ROM RAM
T1
定时/计数器
中断控制 INT0 INT1
MCS-51单片机的基本结构（8031）
无ROM T0 时钟电路 CPU T0 T1 串行口 64KB总 线扩展 控制器 并行 接口 串行 接口 RAM T1
第2章MCS-51系列单片机的硬件结构.
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§2 微处理器
2-1 运算器 微处理器亦称 CPU ，由运算器、控制器两大部分构成。运 算器以ALU为核心，附加一些工作寄存器、A、B、PSW暂存器 等。 （1） ALU，在内部控制信号作用下完成各种算术及逻辑操 作。 （2）累加器A，最常用的专用寄存器，为8位。 （ 3 ） PSW ，相当于其它单片机的标志寄存器（ 8 位），各 位有下面定义：
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§1
概述
1-3 外部引脚说明 （4） 控制线： EA/VDD：片外程序存贮器选用端 EA 为低时，只用片外程序存贮器，故对 8031 、 8032 只能 接地。 EA为高时，先选用片内程序存贮器，再选用片外程序存贮 器 有片内程序存贮器（EPROM）在编程时，它接21V作为编程 电压输入。
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§2 微处理器
2-2 控制器 含IR、ID、定时及控制电路 根据指令产生相应的操作时序及控制信号。
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§2 微处理器
2-3 CPU时序 振荡周期、时钟周期（状态周期）、机器周期、指令周期。 若振荡周期为 12MHz ，则状态周期、机器周期、指令周期分别 为： 6MHz、1MHz、250kHz—1MHz（4周期指令—单周期指令） 见图
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§4 定时器/计数器
4-1 概述
为什么需要定时/计数器? 根据规定的时间间隔完成某项控制功能 根据需要的延时启动某项任务 检测外部事件发生的次数
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§4 定时器/计数器
4-1 概述
为什么需要定时/计数器? 根据规定的时间间隔完成某项控制功能 根据需要的延时启动某项任务 检测外部事件发生的次数
第2章MCS-51单片机的硬件结构.
堆栈区可以安排在 RAM区任意位置，一般不安排在
工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM
区的靠后的位置。
复位后 SP=07H，数据进栈时：首
先SP+1指向08H单元，第一个放进
堆栈的数据将放进08H单元，然后
FFH
SP再自动增 1，仍指着栈顶……
52子系列才有 的RAM区
数据 进栈
80H 7FH
内、外的0000H—00FFH是重叠的。 ➢ MOV指令用于片内RAM的寻址 ➢ MOVX指令用于片外RAM的寻址
片内低128字节RAM—RAM区
•片内RAM低128字节（00H—7FH）
高128字节 低128字节
FFH
SFR分布在 80H-FFH
其中83个位可
80H
位寻址
7FH
普通RAM区
30H
RS1，RS0 = 1 1 则选择了工作寄存器组 3 区 R0～R7分别代表18H ～1FH单元。
PSW.7
PSW.2 PSW.1 PSW.0
CY AC F0 RS1 RS0 OV
P
▼OV (PSW.2)溢出标志位。 OV=1时特指累加器在进行带符号数(-128—+127) 运算时出错（超出范围）；OV=0时未出错。
▼AC(PSW.6)半进位/借位标志位。若ACC在运算过 程中，D3位向D4位发生了进位或借位，则CY=1, 否则=0。机器在执行“DA A”指令时自动要判 断这一位，我们可以暂时不关心它。
▼F0 (PSW.5)可由用户定义的标志位。
PSW.7
PSW.4 PSW.3
PSW.0
CY AC F0 RS1 RS0 OV
从堆栈取出数据时：取出的数据是 最近放进去的一个数据，也就是当 前栈顶的数据。然后SP再自动减1， 仍指着栈顶……
D_幻灯片定稿第2章mcs51单片机的硬件结构PPT课件
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当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当信号为高 电平时，则对ROM的读操作从内部程序存储器（0000H～0FFFH）开始，并可 自动延续至外部程序存储器。8031单片机内部无程序存储器,所以端应始终 为低电平。
在8751单片机内部EPROM编程期间，此引脚接21V编程电压。
2．ALE/地址锁存控制信号
在系统扩展时，ALE用于控制把P0输出的低8位地址送入锁存器锁存起来， 以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以六分之一晶振频率的 固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用，但是 当访问外部数据存储器时会丢失一个脉冲。
在8751单片机EPROM编程期间，此引脚接编程脉冲（功能）
40 39 38
37 36 35
34 33 32
31 30 29 28
27 26 25 24
23 22 21
口线 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7
第二 功能
RXD
信号名称 串行数据接收
TXD
串行数据发送
/INT0
外部中断0申请
/INT1 T0 T1 /WR
6
2.1.2 MCS-51的信号引脚
80C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列参见图2-3。
1．I/O线
PO.0～PO.7 PO口8位双向I/O口线。
P1.0～P1.7 P1口8位双向I/O口线。
P2.0～P2.7 P2口8位双向I/O口线。
P3.0～P3.7 P3口8位双向I/O口线。而且，P3口线有第二功能，如表2-2所 示，使用时首先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用的口线才作为I/O 口线使用。
当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当信号为高 电平时，则对ROM的读操作从内部程序存储器（0000H～0FFFH）开始，并可 自动延续至外部程序存储器。8031单片机内部无程序存储器,所以端应始终 为低电平。
在8751单片机内部EPROM编程期间，此引脚接21V编程电压。
2．ALE/地址锁存控制信号
在系统扩展时，ALE用于控制把P0输出的低8位地址送入锁存器锁存起来， 以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以六分之一晶振频率的 固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用，但是 当访问外部数据存储器时会丢失一个脉冲。
在8751单片机EPROM编程期间，此引脚接编程脉冲（功能）
40 39 38
37 36 35
34 33 32
31 30 29 28
27 26 25 24
23 22 21
口线 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7
第二 功能
RXD
信号名称 串行数据接收
TXD
串行数据发送
/INT0
外部中断0申请
/INT1 T0 T1 /WR
6
2.1.2 MCS-51的信号引脚
80C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列参见图2-3。
1．I/O线
PO.0～PO.7 PO口8位双向I/O口线。
P1.0～P1.7 P1口8位双向I/O口线。
P2.0～P2.7 P2口8位双向I/O口线。
P3.0～P3.7 P3口8位双向I/O口线。而且，P3口线有第二功能，如表2-2所 示，使用时首先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用的口线才作为I/O 口线使用。
2 第二章 MCS51单片机的硬件结构PPT课件
2.2.1 电源及时钟引脚 1．电源引脚 （1）Vcc（40脚）：+5V电源； （2）Vss（20脚）：接地。
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2．时钟引脚
（1）XTAL1（19脚）：接外部晶体，如果采用外接振 荡器时，振荡器的输出应接到此引脚上。
（2）XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端或悬空。
2.2.2 控制引脚
提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。 (1) RST/Vpd(9脚)：复位与备用电源。
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2．指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路
• 指令寄存器IR是用来存放指令操作码。IR的输出送指 令译码器；然后对该指令进行译码，译码结果送定时 控制逻辑电路。
• 定时控制逻辑电路根据对指令的译码结果，发出一系 列的定时控制信号，控制单片机的各组成部件进行相 应的工作，执行指令。
• 综上所述，单片机整个程序的执行过程就是在CPU控
2.2.3 I/O口引脚
(1) 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，可驱动/O口，可驱动4个LS型TTL 负载。
(3) P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8 位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。
10
12
3．程序状态字寄存器PSW
（1）Cy（PSW.7）进位标志位 （2）Ac(PSW.6) 辅助进位标志位，用于BCD码的十
进制调整运算。 （3）F0（PSW.5）用户使用的状态标志位。 （4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4组工作寄存器
区选择控制位1和位0。 13
14
RS1 RS0
制部件的控制下，以主振频率为基准（每个主振周期
称为振荡周期），将指令从程序存储器中逐条取出，
进行译码，然后由定时控制逻辑电路发出各种定时控
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2．时钟引脚
（1）XTAL1（19脚）：接外部晶体，如果采用外接振 荡器时，振荡器的输出应接到此引脚上。
（2）XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端或悬空。
2.2.2 控制引脚
提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。 (1) RST/Vpd(9脚)：复位与备用电源。
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2．指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路
• 指令寄存器IR是用来存放指令操作码。IR的输出送指 令译码器；然后对该指令进行译码，译码结果送定时 控制逻辑电路。
• 定时控制逻辑电路根据对指令的译码结果，发出一系 列的定时控制信号，控制单片机的各组成部件进行相 应的工作，执行指令。
• 综上所述，单片机整个程序的执行过程就是在CPU控
2.2.3 I/O口引脚
(1) 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，可驱动/O口，可驱动4个LS型TTL 负载。
(3) P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8 位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。
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3．程序状态字寄存器PSW
（1）Cy（PSW.7）进位标志位 （2）Ac(PSW.6) 辅助进位标志位，用于BCD码的十
进制调整运算。 （3）F0（PSW.5）用户使用的状态标志位。 （4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4组工作寄存器
区选择控制位1和位0。 13
14
RS1 RS0
制部件的控制下，以主振频率为基准（每个主振周期
称为振荡周期），将指令从程序存储器中逐条取出，
进行译码，然后由定时控制逻辑电路发出各种定时控
2 第二章 MCS-51单片机的硬件结构
第2章 单片机的硬件结构与工作时序
本章介绍MCS-51单片机的硬件结 构。通过本章的学习,要达到对MCS51单片机的硬件结构要有较为全面 的了解,并熟悉MCS-51单片机为我们 提供的硬件资源,为以后的应用打下 良好的基础。
第2章 单片机的硬件结构与工作时序
§2.1 MCS—51单片机的基本组成
第2章 单片机的硬件结构与工作时序
2.4.2 MCS－51的内部数据存储器
MCS—5l的 片内数据存储器 （RAM）单元共 有128个，字节地 址为00H～7FH。 MCS－51对其内 部RAM有很丰富 的操作指令，从 而使得用户在设 计程序时非常方 便。
第2章 单片机的硬件结构与工作时序
2.4.3 特殊功能寄存器（SFR）
第2章 单片机的硬件结构与工作时序
2.4.5 MCS－51的外部数据存储器
MCS—51单片机内部有128 B的RAM作为数据存储器， 当 这 128 B 的 RAM 不 够 用 时 ， 则 需 要 外 扩 数 据 存 储 器 ， MCS—51最多可外扩64 KB的RAM或I／O，这对很多应用场 合已足够用。
89C2051
第2章 单片机的硬件结构与工作时序
2.2.3 I／O引脚
（l）PO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，可驱动8 个LS型TTL负载。 （2）P1口：8位准双向I／O口， 可驱动 4个 LS型 TTL负载。 （3）P2口：8位准双向I／O口， 与地址总线（高 8位）复用，可 驱动 4个 LS型TTL负载。 （4）P3口：8位准双向I／O口， 双功能复用口、可驱动 4个 LS型 TTL负载。
第2章 单片机的硬件结构与工作时序
1．算术逻辑运算单元ALU
[CH02]MCS-51单片机的硬件结构及工作原理205页PPT
23.05.2020
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单片机原理与接口技术教程
单片机的基本组成
(8) 中断控制系统
51单片机内部有5个中断源； 这些中断源可分为2个中断优先级；
(9) 时钟电路
51单片机内部振荡电路配合外部晶振或外部输入 的时钟信号，可产生时钟脉冲序列，控制CPU内 部逻辑电路运行。
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单片机原理与接口技术教程
P1.5 7 P1.6 8 P1.7 9 RST 10 (RxD)P3.0 11 NC 12 (TxD)P3.1 13 (INT0)P3.2 14 (INT1)P3.3 15 (T0)P3.4 16 (T1)P3.5 17
单片机原理与接口技术教程 部分单片机实物
23.05.2020
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单片机原理与接口技术教程
单片机内部结构框图
P0.0~P0.7
P2.0~P2.7
VCC GND
PSEN ALE EA
RESET
RAM地址 寄存器
128/256B RAM
P0驱动器 P0锁存器
B寄存器
暂存器1
暂存器2
ALU
时
指
指
序
令
令
及
译
寄
40 VCC 39 P0.0(AD0) 38 P0.1(AD1) 37 P0.2(AD2) 36 P0.3(AD3) 35 P0.4(AD4) 34 P0.5(AD5) 33 P0.6(AD6) 32 P0.7(AD7) 31 EA/VPP 30 ALE/PROG 29 PSEN 28 P2.7(A15) 27 P2.6(A14) 26 P2.5(A13) 25 P2.4(A12) 24 P2.3(A11) 23 P2.2(A10) 22 P2.1(A9) 21 P2.0(A8)
第二章 MCS-51单片机的硬件结构与工作原理
机器周期、指令周期与指令时序
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1
P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P P P P P P P P P P P P 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
时 钟 ALE
一个机器周期=12时钟周期
在访问外部RAM时（即执行MOVX类指令）， 这两次有效的 PSEN不出现。PSEN可驱动8 个LSTTL负载。
4) EA/VPP
EA :内外程序存储器选择控制端。 输入高电平，CPU访问内部程序存储器(4K)。 PC值超过0FFFH时，将自动执行片外程序存储器 的程序。 输入低电平，CPU仅访问片外程序存储器。
内部时钟方式
机器周期、指令周期与指令时序
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1
P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P P P P P P P P P P P P 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
时 钟 ALE
一个机器周期=12时钟周期
制造工艺为HMOS的 MCS-51的单片机都采用 40只引脚的双列直插封 装(DIP）方式，目前大 多数为此类封装方式。 制造工艺为 CHMOS的 80C51/80C31除采用 DIP封装外，还采用 方形封装方式，为 44只引脚。
40只引脚按其功能来分，可分为 三部分：
1.电源及时钟引脚： Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2
CPU 发 出 的 时 序信号有两种： 1. 对片内各 个功能部件的控 制信号 2. 对片外存 储 器 或 I/O 端 口 的控制信号 后者对于分析设 计硬件接口电路 至关重要。
MCS-51_第02章_MCS-51单片机的硬件结构
(4) RS1、RS0－4组工作寄存器区选择控制位1和位0
用来选择4组寄存器区中的哪一组为当前工作寄存 器区。
RS1 0 0 1 1 RS0 0 1 0 1 所选的4组工作寄存器 0组(内部RAM地址00H~07H) 1组(内部RAM地址08H~0FH) 2组(内部RAM地址10H~17H) 3组(内部RAM地址18H~1FH)
特殊功能寄存器符号 B A（或ACC） PSW IP P3 IE P2 SBUF SCON P1 TH1 TH0 TL1 TL0 TMOD TCON PCON DPH DPL SP P0 B寄存器 累加器 程序状态字
名 称
字节地址 F0H E0H D0H B8H B0H A8H A0H 99H 98H 90H 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H 87H 83H 82H 81H 80H
FFFFH
5种中断源的中断入口地址
中断源 外部中断0 定时器0 入口地址 0003H
0030H
000BH
0023H
外部中断1
定时器1 串行口
0013H
001BH 0023H
001BH 0013H 000BH 0003H 0000H
程序存储器
2.4.2 内部数据存储器
MCS-51的内部数据存储器（RAM）单元 共有128个，字节地址为00H~7FH。MCS-51 对其内部RAM的存储器有很丰富的操作指令， 从而使得用户在设计程序时非常方便。 地址为00H~1FH的32个单元是4个通用工 作寄存器区，每个区含8个8位寄存器，编号为 R0~R7。用户可以通过指令PSW中的RS1、 RS0这二位来切换寄存器区，这种功能给用户 程序保护寄存器内容提供了极大的方便。 地址为20H~2FH的16个单元可进行共128 位的位寻址，这些单元构成了1位处理机的存 储器空间。单元中的每一位都有自己的位地址， 这16个单元也可以进行字节（8位）寻址。 地址为30H~7FH的单元为用户RAM区， 只能进行字节寻址。用于作为数据缓冲区以及 堆栈区。
用来选择4组寄存器区中的哪一组为当前工作寄存 器区。
RS1 0 0 1 1 RS0 0 1 0 1 所选的4组工作寄存器 0组(内部RAM地址00H~07H) 1组(内部RAM地址08H~0FH) 2组(内部RAM地址10H~17H) 3组(内部RAM地址18H~1FH)
特殊功能寄存器符号 B A（或ACC） PSW IP P3 IE P2 SBUF SCON P1 TH1 TH0 TL1 TL0 TMOD TCON PCON DPH DPL SP P0 B寄存器 累加器 程序状态字
名 称
字节地址 F0H E0H D0H B8H B0H A8H A0H 99H 98H 90H 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H 87H 83H 82H 81H 80H
FFFFH
5种中断源的中断入口地址
中断源 外部中断0 定时器0 入口地址 0003H
0030H
000BH
0023H
外部中断1
定时器1 串行口
0013H
001BH 0023H
001BH 0013H 000BH 0003H 0000H
程序存储器
2.4.2 内部数据存储器
MCS-51的内部数据存储器（RAM）单元 共有128个，字节地址为00H~7FH。MCS-51 对其内部RAM的存储器有很丰富的操作指令， 从而使得用户在设计程序时非常方便。 地址为00H~1FH的32个单元是4个通用工 作寄存器区，每个区含8个8位寄存器，编号为 R0~R7。用户可以通过指令PSW中的RS1、 RS0这二位来切换寄存器区，这种功能给用户 程序保护寄存器内容提供了极大的方便。 地址为20H~2FH的16个单元可进行共128 位的位寻址，这些单元构成了1位处理机的存 储器空间。单元中的每一位都有自己的位地址， 这16个单元也可以进行字节（8位）寻址。 地址为30H~7FH的单元为用户RAM区， 只能进行字节寻址。用于作为数据缓冲区以及 堆栈区。
单片机第二章MCS-51单片机的内部结构及工作原理
MCS-51单片机的并行口可以配置为通用输入输 出口，用于连接各种外部设备。
九、MCS-51单片机的中断系统
1 中断概念
MCS-51单片机通过中 断系统实现对紧急事件 的实时响应。
2 中断源和优先级
MCS-51单片机的中断 系统支持多个中断源和 优先级设置。
3 中断处理函数
MCS-51单片机可以通 过中断处理函数对中断 事件进行处理。
MCS-51单片机通过串行口与其他设备进行数据传输和通信。
2
标准串行接口
MCS-51单片机支持多种标准串行接口协议，如SPI和I2C。
3
通信速率
MCS-51单片机可以通过串行口支持不同的通信速率。
八、MCS-51单片机的并行口
并行数据传输
MCS-51单片机的并行口可以实现高速的并行数 据传输。
通用输入输出
单片机第二章MCS-51单 片机的内部结构及工作原 理
在这一章中，我们将深入研究MCS-51单片机的内部结构和工作原理。通过了 解其存储系统、中央处理器、输入输出部分、计时器/计数器等组件，我们将 建立起对该单片机的全面理解。
一、MCS-51单片机的概述
1
什么是MCS-51单片机？
MCS-51单片机是一种高性能、低功耗的微处理器，非常适用于嵌入式系统。
外部存储器
通过外部存储器接口，MCS-51单片机可以 连接额外的存储设备。
内部ROM
MCS-51单片机内部的ROM存储着程序代码 和常量数据。
特殊功能寄存器
MCS-51单片机具有一些特殊功能寄存器， 用于控制和配置各种功能。
四、MCS-51单片机的中央处理器
ALU 寄存器 指令集 时钟和定时器
算术逻辑单元(ALU)用于执行各种算术和逻辑 操作。
九、MCS-51单片机的中断系统
1 中断概念
MCS-51单片机通过中 断系统实现对紧急事件 的实时响应。
2 中断源和优先级
MCS-51单片机的中断 系统支持多个中断源和 优先级设置。
3 中断处理函数
MCS-51单片机可以通 过中断处理函数对中断 事件进行处理。
MCS-51单片机通过串行口与其他设备进行数据传输和通信。
2
标准串行接口
MCS-51单片机支持多种标准串行接口协议，如SPI和I2C。
3
通信速率
MCS-51单片机可以通过串行口支持不同的通信速率。
八、MCS-51单片机的并行口
并行数据传输
MCS-51单片机的并行口可以实现高速的并行数 据传输。
通用输入输出
单片机第二章MCS-51单 片机的内部结构及工作原 理
在这一章中，我们将深入研究MCS-51单片机的内部结构和工作原理。通过了 解其存储系统、中央处理器、输入输出部分、计时器/计数器等组件，我们将 建立起对该单片机的全面理解。
一、MCS-51单片机的概述
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什么是MCS-51单片机？
MCS-51单片机是一种高性能、低功耗的微处理器，非常适用于嵌入式系统。
外部存储器
通过外部存储器接口，MCS-51单片机可以 连接额外的存储设备。
内部ROM
MCS-51单片机内部的ROM存储着程序代码 和常量数据。
特殊功能寄存器
MCS-51单片机具有一些特殊功能寄存器， 用于控制和配置各种功能。
四、MCS-51单片机的中央处理器
ALU 寄存器 指令集 时钟和定时器
算术逻辑单元(ALU)用于执行各种算术和逻辑 操作。