第二章MCS-51單片機結構組成及時序主要內容：

1.MCS-51單片機組成（CPU結構、存儲器結構、并行I/O端口結構）

2.MCS-51單片機引腳功能和時序

3.MCS-51單片機復位

重點理解：

1.

MCS-51系列單片機存儲器結構特點

2.單片機特殊功能寄存器的作用

3.不同場合下單片機引腳的復用功能

4.單片機的位處理功能及其作用第二章-------1wyx一、MCS-51系列單片機的主要特性：

1)

8位字長CPU和指令系統。

2)1個片內時鐘振蕩器和時鐘電路。

3)64K外部數據存儲器的地址空間。

4)64K外部程序存儲器的地址空間。

5)32條雙向且分別可位尋址的I／O口線。

6)128字節的片內RAM(52子系列為256字節)。

7)2個16位定時器／計數器(52子系列為3個)。

8)具有2個優先級的5個中斷源結構(52子系列有6個)。

9)1個全雙工串行口。

10)1個布爾處理器。

2.1MCS-51單片機的內部結構第二章-------2wyx二、MCS-51單片機的內部結構

時鐘源T0T1P0

P1

P2

P3TXDRXDINT0INT1時鐘電路SFR和RAMROM定時/計數器CPU串行I/O口中斷系統并行I/O口系統總線圖2-1MCS-51單片機的功能模塊框圖

MCS-51單片機的功能模塊框如下圖所示。

MCS-51單片機由8位CPU、只讀存儲器EPROM／ROM、讀寫存儲器RAM、并行I／O口、串行I／O口、定時器／計數器、中斷系統、振蕩器和時鐘電路等部分組成。各部分之間通過內部總線相連。第二章-------3wyxMCS-51的內部結構框圖第二章-------4wyx圖2-2MCS-51單片機的內部結構框圖1.MCS-51的CPU

由運算器和控制器所構成

1）運算器

對操作數進行算術、邏輯運算、位操作、移位等操作。

（1）算術邏輯運算單元ALU

（2）累加器A

使用最頻繁的寄存器，可寫為ACC。作用：是ALU的輸入之一，又是運算結果的存放單元。數據傳送大多都通過累加器A。MCS-51增加了一部分可以不經過累加器的傳送指令，即可加快數據的傳送速度，又減少A的“瓶頸”現象。

（3）通用寄存器B

通用的數據寄存器和乘除法的專用寄存器。第二章-------5wyx（4）程序狀態字寄存器PSW

Cy（PSW.7）進位標志位，位操作時作累加器使用。Ac（PSW.6）輔助進位標志位，用于BCD碼的十進制調整運算。F0（PSW.5）用戶使用的狀態標志位。RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4組工作寄存器區選擇控制位1和位0。

RS1RS0所選的4組寄存器

000區（內部RAM地址00H～07H）

011區（內部RAM地址08H～0FH）

102區（內部RAM地址10H～17H）

113區（內部RAM地址18H～1FH）第二章-------6wyx第二章-------7wyxOV（PSW.2）溢出標志位指示運算是否產生溢出，通常采用雙高判別法。PSW.1位

保留位，未用。P(PSW.0)

奇偶標志位

P=1，A中“1”的個數為奇數

P=0，A中“1”的個數為偶數2）控制器計算機的指揮控制部件

（1）程序計數器PC（ProgramCounter）

存放下一條要執行的指令在程序存儲器中的地址。基本工作方式有以下幾種：程序計數器自動加1執行有條件轉移或無條件轉移指令時，PC將被置入新的數值，從而使程序的流向發生變化。執行子程序調用或中斷調用，完成下列操作：①PC的現行值保護②將子程序入口地址或中斷向量的地址送入PC。

第二章-------8wyx

（2）指令寄存器IR、指令譯碼器ID及控制邏輯電路。（3）

數據指針DPTR（16位）可作數據和地址寄存器

高位字節寄存器用DPH表示，低位字節寄存器用DPL表示。

（4）

堆棧指針SP

指示堆棧頂部在內部RAM塊中的位置。復位后，SP中的內容為07H。 作用：

①保護斷點

②現場保護

操作：①入棧：SP+1，寫入數據。

②出棧：彈出數據，SP-1。

第二章-------9wyx2.MCS-51存儲器結構MCS-51系列單片機其存儲結構特點是：

將程序存儲器和數據存儲器分開，并有各自的尋址機構和尋址方式，這種結構的單片微型計算機稱為哈佛型結構單片機。在物理上有4個相互獨立的存儲空間：

片內和片外程序存儲器；片內和片外數據存儲器。

在邏輯上有三個彼此獨立的地址空間：

1.片內外統一編址的64KB程序存儲器地址空間；

2.256字節的片內數據存儲器地址空間（高128字節為特殊功能寄存器）；

3.64KB片外數據存儲器地址空間第二章-------10wyx外部ROM內部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口)0000H0FFFFH程序存儲器（c）特殊功能寄存器區00H

30H2FH

0FFH工作寄存器區位尋址區20H1FH80H7FH0000H0FFFH內部數據存儲器（a）外部數據存儲器（b）一般RAM區

MCS-5l系列存儲器地址空間分配圖

第二章-------11wyx1）MCS-51程序存儲器

6個特殊單元：

0000H復位后，PC=0000H，開始執行程序

0003H外部中斷0（INT0）入口

000BH定時器0中斷（TF0）入口

0013H外部中斷1（INT1）入口

001BH定時器1中斷（TF1）入口

0023H串行口中斷TI/RI入口

程序存儲器用于存放調試好的應用程序和表格常數。MCS-5l采用16位的程序計數器PC和l6位的地址總線，64KB片內、外的程序存儲器空間連續、統一。第二章-------12wyx2）MCS-51數據存儲器

數據存儲器地址空間由內部和外部數據存儲器空間組成。內部和外部數據存儲器空間存在重疊。通過不同指令來區別

內部數據傳送指令：MOV外部數據傳送指令：MOVX第二章-------13wyx(1)工作寄存器區（00H～1FH）分成4組，每組8個寄存器R0-R7(2)位尋址區（20H～2FH）既可進行字節尋址，又可進行位尋址。這16個單元共有16×8＝128位,對應位地址00H-7FH。(3)通用存儲區（30H～7FH）

外部數據存儲器（0000H～FFFFH）

范圍為64K字節，采用R0、R1或DPTR寄存器間址方式訪問。

內部數據存儲器在物理上又可分成三部分：低128字節RAM、高128字節RAM(僅8032／8052才有)和專用寄存器(SFR)。

低128字節RAM由工作寄存器區、位尋址區和通用RAM區組成。數據存儲器地址空間8032／8052的高128字節RAM和專用寄存器(SFR)空間重合，通過不同尋址方式區別第二章-------14wyx在低128字節RAM中,00H~1FH共32單元是4個通用工作寄存器區。每一個區有8個通用寄存器R0~R7。寄存器和RAM地址對應關系如表2.2。與PSW中RS0、RS1位關系如下表RS1RS0寄存器組片內PAM地址通用寄存器名稱000組00H~07HR0~R7011組08H~0FHR0~R7102組10H~17HR0~R7113組18H~1FHR0~R7表2.2寄存器與RAM地址對照表表2.1RS1、RS0與片內工作寄存器組的對應關系第二章-------15wyx工作寄存器區

20H~2FH單元是位尋址區。這16個單元(共計16×8=128位)的每一位都賦予了一個位地址，位地址范圍為00H~7FH。位尋址區的每一位都可當作軟件觸發器，由程序直接進行位處理。通常可以把各種程序狀態標志、位控制變量存于位尋址區內。第二章-------16wyx位尋址區第二章-------17wyx

30H~7FH是數據緩沖區，也即用戶RAM區，共80個單元。由于工作寄存器區、位尋址區、數據緩沖區統一編址，使用同樣的指令訪問，這三個區的單元既有自己獨特的功能，又可統一調度使用。因此，前兩個區未使用的單元也可作為用戶RAM單元使用，使容量較小的片內RAM得以充分利用。第二章-------18wyx通用存儲區外部數據存儲器一般由靜態RAM構成，其容量大小由用戶根據需要而定,最大可擴展到64KBRAM,地址是0000H~0FFFFH。CPU通過MOVX指令訪問外部數據存儲器,用間接尋址方式,R0、R1和DPTR都可作間接寄存器。注意,外部RAM和擴展的I/O接口是統一編址的,所有的外擴I/O口都要占用64KB中的地址單元。第二章-------19wyx外部數據存儲器3）特殊功能寄存器地址空間

共有21個專用寄存器SFR，離散分布在片內RAM的高128字節地址80H～0FFH中。程序計數器PC不占據RAM單元，在除PC外的專用寄存器SFR中，有11個專用寄存器既可字節尋址，又可位尋址（字節地址為8的整倍數）。標識符名稱字節地址*Acc累加器E0H*BB寄存器F0H*PSW程序狀態字D0HSP堆棧指針81HDPTR數據指針(DPH和DPL)82H,83H*P0口080H*P1口190H*P2口2A0H*P3口3B0H*IP中斷優先級寄存器B8H*IE中斷控制寄存器A8HTMOD定時器方式寄存器89H*TCON定時器控制寄存器88H標識符名稱字節地址TH0計數器0高位8CHTL0計數器0低位8AHTH1計數器1高位8DHTL1計數器1低位8BH*SCON串行口控制98HSBUF串行數據緩沖器99HPCON電源控制97H位地址的表示法例如：

位名稱CY、RS0

寄存器名加序號PSW.7，ACC.1

字節地址加序號20H.3

直接位地址00H第二章-------20wyx（1）累加器ACC—累加器A在大部分的算術運算中存放某個操作數和運算結果。（2）寄存器B—寄存器B主要用于與累加器A配合執行乘法和除法指令的操作。（3）程序狀態字PSW—8位寄存器，用來存放程序狀態信息。某些指令的執行結果會自動影響PSW的有關狀態標志位，有些狀態位可用指令來設置。

特殊功能寄存器第二章-------21wyx（4）堆棧指針SP

棧指針SP為一個8位專用寄存器，每存入(或取出)一個字節數據，SP就自動加1(或減1)，SP始終指向新的棧頂。系統復位后錢指針初始化為07H。（5）數據指針DPTR16位的專用寄存器，由高位字節DPH和低位字節DPL組成。可作為一個16位寄存器使用，也可以作為2個獨立的8位寄存器DPH和DPL使用。（6）

I/O端口P0～P3

專用寄存器P0～P3分別是I/O端口P0～P3的鎖存器。可以把I/O口當作一般的專用寄存器來使用，沒有專門設置的口操作指令，全部采用統一的MOV指令。第二章-------22wyx關于數據存儲器

1）根據地址總線寬度，在片外可擴展的存儲器最大容量為64KB，地址范圍為0000H～FFFFH。2）片外數據存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號，允許兩者的地址重復。因此，片外要擴展的數據存儲器與程序存儲器各為64KB。3）片外數據存儲器與片內數據存儲器的操作指令亦不同(對片外RAM用MOVX指令)，所以也允許兩者的地址重復，內部數據存儲器的地址00H～FFH，外部擴展數據存儲器的地址可以從0000H～FFFFH。注意：采用R0、R1或DPTR寄存器間址方式訪問片外數據存儲器。當采用R0、R1間址時只能訪問低256字節，采用DPTR間址可訪問整個64K字節空間。第二章-------23wyx3.并行I/O接口

MCS-5l單片機內有四個8位并行I／O端口，為P0、P1、P2和P3。每個端口都是8位準雙向I／O口，共占32根引腳。每個端口都包含一個鎖存器、一個輸出驅動器和一個輸入緩沖器。

并行I/O接口的內部結構

P0口的每位鎖存器均由D觸發器組成，用來鎖存輸出的信息。在CPU的“寫鎖存器”信號驅動下，將內部總線上的數據寫入鎖存器中。

P0口某位的結構圖

第二章-------24wyx

當由P0口輸入數據時，由于外部輸入信號既加在緩沖輸入端上，又加在驅動電路的漏極上。如果這時T2是導通的，則引腳上的電位始終被鉗位在0電平上，輸人數據不可能正確地讀人。因此，在輸入數據時，應先把P0口置1，使兩個輸出FET均關斷，使引腳“浮置”，成為高阻狀態，這樣才能正確地插人數據。這就是所謂的準雙向口（輸出數據時需接上拉電阻）。第二章-------25wyx

P1口為準雙向口，其1位的內部結構如圖所示。它在結構上與P0口的區別在于輸出驅動部分。其輸出驅動部分由場效應管V1與內部上拉電阻組成。當其某位輸出高電平時，可以提供拉電流負載，不必像P0口那樣需要外接上拉電阻。第二章-------26wyx

P2口當作為準雙向通用I/O口使用時，控制信號使轉換開關接向左側，鎖存器Q端經反相器3接V1，其工作原理與P1相同，也具有輸入、輸出、端口操作三種工作方式，負載能力也與P1相同。第二章-------27wyx

P3口與Pl口的輸出驅動部分及內部上拉電阻相同，但比P1口多了一個第二功能控制部分的邏輯電路〔由一個與非門和一個輸入緩沖器組成〕第二章-------28wyxP3.0(RXD)：串行輸入端。P3.1(TXD)：串行輸出端。P3.2(INT0)：外部中斷0輸入端，低電平有效。P3.3(INT1)：外部中斷1輸入端，低電平有效。P3.4(T0)：定時／計數器0外部事件計數輸入端。P3.5(T1)：定時／計數器1外部事件計數輸入端。P3.6(WR)：外部數據存儲器寫選通信號，低電平有效。P3.7(RD)：外部數據存儲器讀選通信號，低電平有效。

P3口每位的第二功能：第二章-------29wyxP0～P3的功能及使用時的注意事項

1.在無片外擴展存儲器的系統中，這四個端口的每一位都可以作為準雙向通用I／O端口使用。在具有片外擴展存儲器的系統中，P2口作為高8位地址線，P0口作為雙向總線，分時作為低8位地址和數據的輸入／輸出線。

2.P0口作為通用雙向I／O口用時，必須外接上拉電阻。

3.P3口除了作通用I／O使用外，它的各位還具有第二功能。當P3口某一位用于第二功能作輸出時，則不能再作通用I／O使用。

4.當P0～P4端口用作輸入時，為了避免誤讀，都必須先向對應的輸出鎖存器寫入“l”，使FET截止。然后再讀端口引腳。

如：MOVP1,#0FFHMOVA,P1第二章-------30wyx4.串行I/O接口

MCS-51單片機內部有一個可編程全雙工串行接口，由RXD和TXD進行數據的接收和發送。第二章-------31wyx

MCS-51及其5l子系列的其它成員都具有相同的中斷結構。

8051有5個中斷源—2個外部中斷源INT0和INT1，2個片內定時器／計數器溢出中斷源，1個片內串行口中斷源。分為兩級——高級中斷和低級中斷。其中任何一個中斷源的優先級均可由軟件設定為高級或低級，能實現兩級中斷服務程序嵌套。

都是可屏蔽的，由軟件設定。6.中斷系統

MCS-51單片機內部有兩個16位的可編程加1定時/計數器。5.定時器/計數器2.2MCS-51單片機的引腳及功能

一、引腳：40腳分三類1、電源線和時鐘信號線共4根

VCC，GND——電源和地+5V電源供電；

X1——時鐘振蕩器輸入端，內部振蕩器輸入端；

X2——時鐘振蕩器輸出端，內部振蕩器輸出端。2、控制線4根RST——復位信號，晶振工作后2個機器周期的高電平復位CPU；ALE——地址鎖存信號訪問外部存儲器時該信號鎖存低8位地址；無RAM時，ALE為晶振6分頻；/PSEN——外部程序存儲器讀從程序存儲器中取指令或讀取數據時，該信號有效。/EA——程序存儲器有效地址，/EA=1從內部開始執行程序；/EA=0從外部開始執行程序；3、I/O口線32根----MCS-51系列單片機P0、P1、P2、P3共32位，對應芯片的32根引腳。第二章-------32wyx單片機的片外三總線結構第二章-------33wyx二、時鐘電路及時序

1.時鐘電路

MCS-5l單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是反相放大器的輸入端和輸出端，由這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構成了一個自激振蕩器，如圖2-4所示。這種方式形成的時鐘信號稱為內部時鐘方式。圖2-