第2章MCS-51系列單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)本章學(xué)習(xí)目標(biāo)MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能、工作方式和時(shí)序。掌握MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)了解單片機(jī)并行I/O口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)掌握MCS-51單片機(jī)的基本工作原理掌握單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法掌握單片機(jī)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法

MCS-51系列單片機(jī)分類

資源

配置子

系列

片內(nèi)ROM形式

片

內(nèi)

ROM

容

量

片

內(nèi)RAM

容

量定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷源

無ROMEPROME2PROM51子系列80318051875189514KB128B2×16552子系列80328052875289528KB256B3×166①具有8位CPU。②具有片內(nèi)振蕩器，振蕩頻率fosc范圍為1.2～12MHz，可以有時(shí)鐘輸出。③具有128B片內(nèi)RAM和具有21個(gè)字節(jié)專用寄存器。④具有4KB片內(nèi)EPROM（8031單片機(jī)中無）。⑤具有4個(gè)8位并行I/O接口：P0、P1、P2、P3。⑥具有1個(gè)全雙串行I/O。⑦具有2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器。2.1MCS-51單片機(jī)的主要性能特點(diǎn)⑧中斷系統(tǒng)有5個(gè)中斷源，可編程為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。⑨具有111條指令（含乘法指令和除法指令）。⑩有較強(qiáng)的位尋址、位處理能力。?片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)。?采用單一+5V電源。?可尋址64KB外部程序存儲(chǔ)器空間。?可尋址64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。微計(jì)算機(jī)組成微處理器CPUROMRAMI/O接口外設(shè)地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB微型機(jī)組成框圖2.2MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1．CPU

CPU也叫中央處理器，是單片機(jī)的核心部件，主要完成單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能。（1）運(yùn)算器：包括算術(shù)邏輯單元ALU、布爾處理器、累加器ACC、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字PSW寄存器及十進(jìn)制調(diào)整電路等。（2）控制器：包括定時(shí)控制邏輯、指令寄存器、譯碼器以及信息傳送控制部件等，以實(shí)現(xiàn)控制功能。

2．片內(nèi)存儲(chǔ)器

單片機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)器包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它們是相互獨(dú)立。（1）程序存儲(chǔ)器（ROM）：為只讀存儲(chǔ)器，用于存放程序指令，常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）：為隨機(jī)存儲(chǔ)器，用于存放數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器又可分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在單片機(jī)內(nèi)部有256個(gè)RAM單元來存放可讀寫的數(shù)據(jù)，其中，后128單元被專用寄存器占用，作為寄存器供用戶使用的只是前128單元。

3．特殊功能寄存器SFR

在51單片機(jī)內(nèi)部有21/26個(gè)SFR,它們與內(nèi)部RAM統(tǒng)一編址，離散地分別在80H～FFH的地址單元中。

4．并行I/O口

MCS-51單片機(jī)內(nèi)部共有四個(gè)8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入和輸出。5．全雙工串行口

MCS-51單片機(jī)還有一個(gè)全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外部之間的串行數(shù)據(jù)傳送。6．定時(shí)/計(jì)數(shù)器

MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部定時(shí)或外部計(jì)數(shù)的功能；并以其定時(shí)或計(jì)數(shù)的結(jié)果（查詢或中斷方式）來實(shí)現(xiàn)控制功能。7．中斷系統(tǒng)

MCS-51單片機(jī)具有中斷功能，以滿足控制應(yīng)用的需要。MCS-51共有5個(gè)中斷源（52系列有6個(gè)中斷源），即外部中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷2個(gè)，串行口中斷1個(gè)。全部中斷可分為高級(jí)和低級(jí)兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別。

引腳定義及功能805112345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VssVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0單片機(jī)引腳說明

（1）P0口（32腳～39腳）有三種使用方法：作為與外部傳送數(shù)據(jù)的8位數(shù)據(jù)總線（D0～D7）。作為擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)的低8位地址總線（A0～A7）。（2）P1口（1腳～8腳）：作為普通I/O口使用，無須外接上拉電阻。（3）P2口（21腳～28腳）有兩種使用方法：作為普通I/O口使用，無須外接上拉電阻。作為擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)的高8位地址總線（A8～A15）。（4）P3口（10腳～17腳）有兩種使用方法。作為普通I/O口使用，無須外接上拉電阻。（5）VDD（40腳）：+5V電源。（6）VSS（20腳）：GNDP3口的特殊功能

單片機(jī)引腳說明（7）XTAL1（19腳）

XTAL2（18腳）：接外部石英晶振的引腳，也可引入外部時(shí)鐘。（8）RESET（9腳）：復(fù)位信號(hào)引腳。必須在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，才能保證單片機(jī)可靠的復(fù)位。復(fù)位后，單片機(jī)內(nèi)部各寄存器的狀態(tài)見表2-9所示。（9）ALE/PROG（30腳）：地址鎖存允許信號(hào)。有以下三個(gè)作用：當(dāng)外接存儲(chǔ)器（RAM/ROM）時(shí)，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低8位。一般ALE接鎖存器的EN端。當(dāng)沒有外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端可輸出脈沖信號(hào)，此頻率為石英振蕩頻率的1/6。因此，它可用作對(duì)外部芯片提供輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)的目的。復(fù)位后單片機(jī)寄存器的內(nèi)容

單片機(jī)引腳（10）（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。（11）/VPP（腳31）：訪問程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。當(dāng)信號(hào)接低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作（執(zhí)行程序）限定在外部程序儲(chǔ)器。當(dāng)接高電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作（執(zhí)行程序）從內(nèi)部開始。在使用內(nèi)部帶程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)時(shí)，應(yīng)接高電平。

2.3單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置

（1）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）：用來存放程序和表格常數(shù)。8051為4KB、8052為8KB。（2）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）：用來存放運(yùn)算過程中的數(shù)據(jù)。包括寄存器在內(nèi)，8051/31為128字節(jié)、8052/32為256字節(jié)。（3）外部程序存儲(chǔ)器（ROM）：用來存放程序。最大可擴(kuò)展64KB空間（包括內(nèi)部ROM）。（4）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中可存放大量的數(shù)據(jù)。最大可擴(kuò)展64KB空間（不包括內(nèi)部RAM）。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及專用寄存器1．內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在結(jié)構(gòu)上可分為兩個(gè)不同的存儲(chǔ)空間,即低128單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間（00H～7FH）和高128單元的具有特殊功能的專用寄存器存貯器空間（80H～0FFH）。2.專用寄存器SFR

專用寄存器（SpecialFunctionRegisters）也叫特殊功能寄存器，就是將內(nèi)部RAM的高128單元作為特殊功能寄存器使用。其單元地址為80H～FFH。

（1）B寄存器

B寄存器是一個(gè)8位寄存器，即可作為一般寄存器使用，也可用于乘除運(yùn)算。做乘法運(yùn)算時(shí)，B是乘數(shù)。乘法操作后，乘積的高8位存于B中。做除法運(yùn)算時(shí)，B存放除數(shù)。除法操作后，余數(shù)存放在B中。（2）累加器ACC（Accumulator）

累加器A是在編程操作中最常用的專用寄存器，功能較多，可按位尋址。（3）定時(shí)器2寄存器（52系列單片機(jī)獨(dú)有）

T2CON：定時(shí)器2控制寄存器。

T2MOD：定時(shí)器2方式寄存器。

TL2、TH2：定時(shí)器2寄存器。（4）程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）CY：進(jìn)位標(biāo)志。

加減運(yùn)算時(shí)，保存最高位進(jìn)位、借位狀態(tài)。

AC：半進(jìn)位標(biāo)志。

例：78H+97H01111000+10010111100001111有進(jìn)位CY=1沒有半進(jìn)位AY=0（5）IP寄存器（6）IE寄存器（7）SCON寄存器（8）SBUF寄存器（9）定時(shí)器0和定時(shí)器1寄存器

TCON：定時(shí)器控制寄存器。

TMOD：定時(shí)器方式寄存器。

TL0、TH0：定時(shí)器0寄存器。

TL1、TH1：定時(shí)器1寄存器。（10）P0～P3端口寄存器（11）棧指針SP寄存器

棧指針SP寄存器指示出堆棧頂部在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的位置。系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為07H，如果不重新設(shè)置，就使得堆棧由08H單元開始。但08H～1FH單元屬于工作寄存器區(qū)，所以在程序設(shè)計(jì)中，最好把SP的值設(shè)置的大一些，一般將堆棧開辟在30H～7FH區(qū)域中。SP的值越小，堆棧容量就越大，但最大為128字節(jié)。（12）數(shù)據(jù)指針DPTR寄存器

數(shù)據(jù)指針DPTR由兩個(gè)8位寄存器DPH和DPL組合而成一個(gè)16位專用寄存器，其中DPH為DPTR的高8位，DPL為DPTR的低8位。

3.程序計(jì)數(shù)器PC程序計(jì)數(shù)器PC中存儲(chǔ)的是將要執(zhí)行的指令地址，是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器。尋址范圍達(dá)64KB。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

程序計(jì)數(shù)器PC中存儲(chǔ)的是將要執(zhí)行的指令地址，是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器。尋址范圍達(dá)64KB。

程序存儲(chǔ)器2.4

MCS-51單片機(jī)的并行I／O端口

51單片機(jī)有4個(gè)I/O端口，每個(gè)端口都是8位準(zhǔn)雙向口，共占32根引腳。每個(gè)端口都包括一個(gè)鎖存器(即專用寄存器P0～P3)、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。通常把4個(gè)端口籠統(tǒng)地表示為P0～P3。P0口的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)P0口的某位P0.n(n=0~7)結(jié)構(gòu)圖，它由一個(gè)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)電路及控制電路組成。從圖中可以看出，P0口既可以作為I/O用，也可以作為地址/數(shù)據(jù)線用。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳1

P0口作為普通I/O口①輸出時(shí):CPU發(fā)出控制電平“0”封鎖“與”門，將輸出上拉場效應(yīng)管T1截止，同時(shí)使多路開關(guān)MUX把鎖存器與輸出驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管T2柵極接通。故內(nèi)部總線與P0口同相。由于輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)是漏極開路電路，若驅(qū)動(dòng)NMOS或其它拉流負(fù)載時(shí)，需要外接上拉電阻。P0的輸出級(jí)可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳②輸入時(shí):分讀引腳或讀鎖存器讀引腳：由傳送指令(MOV)實(shí)現(xiàn)；

下面一個(gè)緩沖器用于讀端口引腳數(shù)據(jù)，當(dāng)執(zhí)行一條由端口輸入的指令時(shí)，讀脈沖把該三態(tài)緩沖器打開，這樣端口引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖器讀入到內(nèi)部總線。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳②輸入時(shí):分讀引腳或讀鎖存器讀鎖存器：有些指令如：ANLP0，A稱為“讀-改-寫”

指令，需要讀鎖存器。上面一個(gè)緩沖器用于讀端口鎖存器數(shù)據(jù)。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳**原因：如果此時(shí)該端口的負(fù)載恰是一個(gè)晶體管基極，且原端口輸出值為1，那么導(dǎo)通了的PN結(jié)會(huì)把端口引腳高電平拉低；若此時(shí)直接讀端口引腳信號(hào)，將會(huì)把原輸出的“1”電平誤讀為“0”電平。現(xiàn)采用讀輸出鎖存器代替讀引腳，圖中，上面的三態(tài)緩沖器就為讀鎖存器Q端信號(hào)而設(shè)，讀輸出鎖存器可避免上述可能發(fā)生的錯(cuò)誤。**DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳準(zhǔn)雙向口：

從圖中可以看出，在讀入端口數(shù)據(jù)時(shí)，由于輸出驅(qū)動(dòng)FET并接在引腳上，如果T2導(dǎo)通，就會(huì)將輸入的高電平拉成低電平，產(chǎn)生誤讀。所以在端口進(jìn)行輸入操作前，應(yīng)先向端口鎖存器寫“1”，使T2截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，變?yōu)楦咦杩馆斎搿＿@就是所謂的準(zhǔn)雙向口。

DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳2

P0作為地址/數(shù)據(jù)總線在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，P0端口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，分為：

P0引腳輸出地址/數(shù)據(jù)信息。CPU發(fā)出控制電平“1”，打開“與”門，又使多路開關(guān)MUX把CPU的地址/數(shù)據(jù)總線與T2柵極反相接通，輸出地址或數(shù)據(jù)。由圖上可以看出，上下兩個(gè)FET處于反相，構(gòu)成了推拉式的輸出電路，其負(fù)載能力大大增強(qiáng)。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳P0引腳輸出地址/輸入數(shù)據(jù)

輸入信號(hào)是從引腳通過輸入緩沖器進(jìn)入內(nèi)部總線。此時(shí)，CPU自動(dòng)使MUX向下，并向P0口寫“1”，“讀引腳”控制信號(hào)有效，下面的緩沖器打開，外部數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部總線。真正的雙向口——DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳P1口的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

它由一個(gè)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)電路組成----準(zhǔn)雙向口。DQCLKQP1.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP1口引腳P2口的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1

P2口作為普通I/O口CPU發(fā)出控制電平“0”

，使多路開關(guān)MUX倒向鎖存器輸出Q端，構(gòu)成一個(gè)準(zhǔn)雙向口。其功能與P1相同。DQCLKQMUXP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳

2

P2口作為地址總線在系統(tǒng)擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器且容量超過256B(用MOVX@DPTR指令)時(shí)，CPU發(fā)出控制電平“1”，使多路開關(guān)MUX倒內(nèi)部地址線。此時(shí)，P2輸出高8位地址。DQCLKQMUXP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳

P3口的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)DQCLKQP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能1作為通用I/O口與P1口類似----準(zhǔn)雙向口（W=1）W2P3第二功能(Q=1)此時(shí)引腳部分輸入(Q=1、W=1)

,部分輸出(Q=1、W輸出)

。DQCLKQP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能WP3第二功能各引腳功能定義：P3.0：RXD串行口輸入P3.1：TXD串行口輸出P3.2：INT0外部中斷0輸入P3.3：INT1外部中斷1輸入P3.4：T0定時(shí)器0外部輸入P3.5：T1定時(shí)器1外部輸入P3.6：WR外部寫控制P3.7：RD外部讀控制2.5

MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路和時(shí)序MCS-51包括4個(gè)定時(shí)單位，它們分別是：振蕩周期（節(jié)拍）、時(shí)鐘周期（狀態(tài)周期）、機(jī)器周期和指令周期。單片機(jī)兩種常用晶振的4個(gè)周期信號(hào)的對(duì)比如下表所示。

1

振蕩周期

振蕩周期也叫節(jié)拍，用P表示，振蕩周期是指為單片機(jī)提供定時(shí)信號(hào)的振蕩源的周期。是時(shí)序中最小的時(shí)間單位。例如：若某單片機(jī)時(shí)鐘頻率為2MHz，則它的振蕩周期應(yīng)為0.5μs。2.時(shí)鐘周期

時(shí)鐘周期又叫做狀態(tài)周期，用S表示。是振蕩周期的二倍，其前半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍叫P1拍，后半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍叫P2。P1節(jié)拍通常完成算術(shù)、邏輯運(yùn)算，P2節(jié)拍通常完成傳送指令。

3.機(jī)器周期機(jī)器周期是實(shí)現(xiàn)特定功能所需的時(shí)間周期，通常有若干時(shí)鐘周期構(gòu)成。MCS-51的一個(gè)機(jī)器周期是固定不變的，寬度均由6個(gè)狀態(tài)周期（12個(gè)振蕩周期）組成，并依次表示為S1～S6，分別記作S1P1、S1P2～S6P1、S6P2。4.指令周期指令周期是最大的時(shí)序定時(shí)單位，指令周期是指執(zhí)行一條指令需要的時(shí)間。通常MCS-51的指令周期可以包含有1～4個(gè)機(jī)器周期。MCS-51的幾種典型的指令時(shí)序如下圖所示，每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)地址鎖存信號(hào)（ALE）產(chǎn)生兩次有效信號(hào)，分別出現(xiàn)在S1P2、S2P1期間與S4P2、S5P1期間。

2.5

MCS-51單片機(jī)的工作方式單片機(jī)的工作方式主要有：1.復(fù)位方式

2.程序執(zhí)行方式

3.節(jié)電方式復(fù)位方式（1）復(fù)位條件

為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位，在時(shí)鐘電路工作后，必須在單片機(jī)的RESET端至少維持2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)（即程序從0000H地址開始執(zhí)行）。

時(shí)鐘頻率為12MHZ，機(jī)器周期為1μs，則在單片機(jī)的RESET端只需持續(xù)2μs以上時(shí)間的高電就能進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

（2）復(fù)位后的狀態(tài)

單片機(jī)復(fù)位后，片內(nèi)RAM中低128B的內(nèi)容不會(huì)改變，但特殊功能寄存器（SFR）的值被初始化。復(fù)位期間單片機(jī)的ALE和端輸出高電平。節(jié)電工作方式

MCS-51單片機(jī)中有HMOS和CHMOS兩種工藝芯片，它們的節(jié)電運(yùn)行方式不同，HMOS單片機(jī)的節(jié)電方式只有掉電方式，CHMOS單片機(jī)的節(jié)電工作方式有掉電方式和空閑方式兩種。程序執(zhí)行方式1.連續(xù)執(zhí)行方式

2.單步運(yùn)行方式

1

HMOS的掉電工作方式（1）掉電工作方式是指由于電源的故障使電源電壓丟失或工作電壓低于正常值，使單片機(jī)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，若不采取保護(hù)措施，將丟失RAM和寄存器中的全部數(shù)據(jù)，后果嚴(yán)重。為此MCS-51系列單片機(jī)設(shè)置