第2章MCS-51系列單片機的硬件結構與工作原理MCS－51系列單片機內部結構MCS－51系列單片機的存儲器配置CPU的時序及輔助電路本章內容學習目的了解MCS-51系列單片機內部結構掌握MCS－51系列單片機的存儲器配置掌握MCS－51系列單片機各引腳的功能掌握CPU時序及看門狗電路的工作原理主要功能概述

MCS－51系列單片機是美國Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機，包含51和52子兩個系列。51子系列中主要有8031、8051、8751三種機型，它們指令和引腳完全兼容，僅片內ROM有所不同。51單片機的結構與工作原理2.1MCS-51系列單片機的基本結構1.8位CPU2.片內帶振蕩器，頻率fosc的范圍為1.2～12MHz3.128個字節(jié)的片內數(shù)據(jù)存儲器RAM(用于儲存數(shù)據(jù),工作變量,位標志等,8052內部有256字節(jié)的RAM)4.4K字節(jié)的片內程序存儲器ROM(片外可擴展到64K,8031無)51系列主要功能為：51單片機的結構與工作原理5.程序存儲器的尋址范圍為64KB6.片外數(shù)據(jù)存儲器的尋址范圍為64KB7.21個字節(jié)專用寄存器(18個特殊功能寄存器，其中3個為雙字節(jié)，共占用21個字節(jié)。用于CPU對片內各功能部件進行管理，控制，監(jiān)視—具有特殊功能的RAM區(qū)，是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器）。8.4個8位并行I/O口：P0、P1、P2、P3。可以作為并行輸入/出口，其他復用功能。

51單片機的結構與工作原理9.1個全雙工串行口，可實現(xiàn)多機通信10.2個16位定時/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)有5

個中斷源11.111條指令，含乘、除法，有很強的位處理能力12.片內采用單總線結構，單一＋5V電源51單片機的結構與工作原理

52子系列主要有8032、8052兩種機型。與51子系列不同在于：片內數(shù)據(jù)存儲器增至256個字節(jié)，3個16位定時/計數(shù)器，6個中斷源。

51單片機的結構與工作原理MSC51芯片的基本結構芯片的封裝形式——40腳和44腳（其中4腳是無用的）。

MCS-51系列單片機的內部結構如下圖所示：2.2MCS-51單片機的CPU及其特點51單片機的結構與工作原理P0驅動器RAM地址寄存器RAMEPROM或ROMP2驅動器P0鎖存器P2鎖存器B寄存器A暫存器2暫存器1SP16位地址寄存器緩沖器PSWALUP1鎖存器P1驅動器振蕩器P3鎖存器P3驅動器PC加1PCDPTR中斷系統(tǒng)串行口定時/計數(shù)器定時及控制指令寄存器PSENALEEARSTVccVssP0.0～P0.7P2.0～P2.7P1.0～P0.7P3.0～P3.751單片機的結構與工作原理1.控制器:解釋(譯碼)指令，發(fā)出控制信號，協(xié)調工作，完成CPU給出的任務。程序計數(shù)器PC(ProgramCounter)

功能:用來存放下一條即將執(zhí)行指令的存儲單元的地址。系統(tǒng)自動將PC的內容送到指令寄存器IR中。開機或復位時，PC里的值被清零，計算機自動從0000H地址開始執(zhí)行指令。當執(zhí)行指令時，CPU將自動修改PC,PC=PC+1。51單片機的結構與工作原理指令寄存器IR(InstructionRegister)

功能:用來存放從存儲器送來的即將執(zhí)行指令的地址。是一個9位的寄存器。指令譯碼器ID(InstructionDecoder)

功能:對指令寄存器的指令進行譯碼，并將指令轉變?yōu)檫壿嬰娐匪璧倪壿嬰娦盘枴?1單片機的結構與工作原理堆棧指示器SP(StackPointer)

功能:用來存放特殊數(shù)據(jù)的8位專用的片內RAM存儲器空間。是計算機不可缺少的部件。又稱為堆棧指針。51單片機的結構與工作原理2、運算器

它包含ALU、累加器A、暫存器、寄存器B、程序狀態(tài)字PSW等功能部件。PSW(程序狀態(tài)字)為8位D7D6D5D4D3D2D1D0CACF0RS1RS0OVF1P51單片機的結構與工作原理C進位標志位

D7有進位或借位時C＝1,否則C＝0AC輔助進位標志

D6有進位或借位時AC＝1(包括半個字節(jié)進位)，否則AC＝0，用于BCD碼運算FOF1軟件標志用戶定義，通過軟件置位或清零,在程序運行中自己定義的標志。51單片機的結構與工作原理RS1、RS0工作寄存器選擇位

選擇四個工作寄存器組中的一組投入工作(見后面內容)OV溢出標志

用于有符號數(shù)運算，若結果超過

-128～+127，則OV＝1，否則OV＝0P奇偶標志

A中1的個數(shù)若為奇數(shù)P=1,否則P=051單片機的結構與工作原理例如：MOVA,#7FHADDA,#4FH0111,1111B+0100,1111B1100,0110B結果:(A)=C6H,C=0,AC=1,OV=0,P=051單片機的結構與工作原理

3.I/O接口：4個8位并行輸入輸出(I/O)接口，即P0,P1,P2和P3口，用來傳送數(shù)據(jù)或地址信號。它們是準雙向輸出輸入口。P0和P2口除了可以傳送數(shù)據(jù)，還可以在擴展存儲器系統(tǒng)時作為地址總線。

4.串行接口：集成了一對可編程全雙工串行通信接口。可以實現(xiàn)單片機的串行通信。51單片機的結構與工作原理

5.定時/計數(shù)器：集成2個16位的可編程定時/計數(shù)器T0和T1。其主要部件是一個16位加法計數(shù)器。計滿了就清零，再重新計數(shù)。

6.中斷系統(tǒng)

7.數(shù)據(jù)指針DPTR：16位，訪問片外ROM、

RAM和擴展I/O時用51單片機的結構與工作原理8.振蕩器

MCS-51系列單片機內含一個高增益反相放大器，外接晶體和微調電容，便成為自激振蕩器。其功能是為系統(tǒng)提供時鐘信號源。

30pF30pFC1C2XTAL1XTAL2單片機單片機外接晶體的接法51單片機的結構與工作原理

晶體與兩個電容C1、C2構成并聯(lián)諧振。振蕩器頻率取決于晶體,電容微調，取30pF,電容應盡量靠近單片機芯片安裝。頻率范圍是1.2-12MHz(與單片機芯片有關)。51單片機的結構與工作原理VccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.6P0.7P0.5EA/VDDALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.3P2.2P2.4P2.1P2.0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.6P1.7P1.5RSTVPDRXDP3.0TXDP3.1INT0P3.2INT1P3.3T0P3.4WRP3.6RDP3.7T1P3.5XTAL2XTAL1Vss1220403921............51單片機的結構與工作原理2.3MCS-51單片機的引腳圖

一般采用雙列直插式40引腳(DIP40)封裝，也有方形封裝，用HMOS工藝制造，也有低功耗CHMOS工藝制造，加“C”識別。部分引腳采用分時復用技術。51單片機的結構與工作原理

MSC51芯片引腳的功能電源引腳——Vcc(40腳)；接＋5V電源正極，Vss(20腳)：接＋5V電源負極，系統(tǒng)數(shù)字地，GND；時鐘引腳——XTAL1(19腳)，XTAL2(18腳)：該兩腳連接外接晶體和補償電容的兩腳；51單片機的結構與工作原理

MSC51芯片引腳的功能控制引腳——PSEN，ALE，EA，RESET（RST）PSEN(29腳)——程序存儲器允許輸出控制端；是片外取指令信號輸出端，僅對程序存儲器作用，一般連程序存儲器的OE端。ALE/PROG(30腳)——①ALE的作用是輸出地址鎖存允許信號。當CPU訪問外部存儲器時，ALE發(fā)出的信號的負跳沿控制鎖存器鎖存CPU發(fā)出的低8位地址信號。該引腳輸出頻率為振蕩頻率fosc的1/6。②PROG的作用是片內含有EPROM的機型，該腳用作編程脈沖輸入端。51單片機的結構與工作原理

MSC51芯片引腳的功能控制引腳——PSEN，ALE，EA，RESET（RST）EA/VPP(31腳)——①EA的作用是內/片外程序存儲器選用端。當EA=1時，訪問片內存儲器，但當PC溢出時（大于4K，即地址值為0FFFH），CPU自動執(zhí)行外部存儲器程序。當EA=0時，CPU只執(zhí)行外部存儲器程序；②Vpp的作用是對片內含有EPROM的機型，該腳用作編程電壓輸入端。51單片機的結構與工作原理

MSC51芯片引腳的功能控制引腳——PSEN，ALE，EA，RESET（RST）RST/VPD(9腳)——①RST是復位端RESET。即復位信號輸入端。只要在RST加上持續(xù)時間大于2個機器周期（24個時鐘振蕩周期）的高電平，就可以對系統(tǒng)復位。②備用電源的接入端口。當Vcc掉電期間，該腳接備用電源VPD，可保存片內RAM的信息。51單片機的結構與工作原理

MSC51芯片引腳的功能輸入輸出I/O端口引腳P0.0～P0.7:(32-39腳)可作為準雙向I/O口。在接有片外存儲器或擴展I/O口時，P0口分時復用為低8位地址總線和8位數(shù)據(jù)線。P1.0～P1.7:(1-8腳)可作為準雙向I/O口。在52系列

中還有第二種功能(通用I/O接口功能)。P2.0～P2.7:(21-28腳)可作為準雙向I/O口。在接有片外存儲器或擴展I/O口時，P2口用作高8位地址總線。P3.0～P3.7:(10-17腳)可作為準雙向I/O口。此外，還有特殊功能。第二種功能，如下圖所示：51單片機的結構與工作原理引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0請求輸入端）P3.3INT1（外部中斷1請求輸入端）P3.4T0（定時器/計數(shù)器0脈沖輸入端）P3.5T1（定時器/計數(shù)器1脈沖輸入端）P3.6WR（片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端）P3.7RD（片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端）51單片機的結構與工作原理引腳特點功能多/引腳少，許多引腳具有第二功能。AB總線(地址總線)由P0、P2組成16位DB總線(數(shù)據(jù)總線)由P0分時復用8位CB總線(控制總線)有ALE、PSEN、RST、

EA、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD等10根。51單片機的結構與工作原理存儲器配置

MCS-51系列單片機內含的存儲器容量（字節(jié)數(shù)）如下表所示:51單片機的結構與工作原理2.4MCS-51單片機的存儲空間MCS-51系列單片機型號存儲器類型片內程序存儲器容量(B)片內數(shù)據(jù)存儲器容量(B)掩膜ROMEPROMRAMSFR專用寄存器51子系列8031－－12812880514KB－1281288751－4KB12812852子系列8032－－25612880528KB－25612851單片機的結構與工作原理

MCS-51系列單片機存儲空間可分為三大區(qū)域：程序存儲器片內數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器51單片機的結構與工作原理1000HFFFFH片外ROM片外RAM0000HFFFFH7FH0000H0FFFH0000H0FFFH00H80HFFH片外ROM/EA=0SFR片內ROM/EA=1片內RAM存儲器編址圖如下圖所示數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器51單片機的結構與工作原理MCS-51系列單片機的存儲器結構與常見的微機的配置方式不同。采用哈佛（Harvard）結構。它們把程序和數(shù)據(jù)存儲器分開，各自獨立。各有自己的尋址系統(tǒng)、控制信號和功能。因訪問指令不同，地址可以重疊。51單片機的結構與工作原理程序存儲器1.編址與訪問

★

MCS-51系列單片機的程序計數(shù)器PC為16位，所以程序存儲器尋址范圍為64KB（0000H～FFFFH）51單片機的結構與工作原理★通過MOVC指令進行訪問★編址規(guī)律：

先片內、后片外，片內片外地址連續(xù)，二者一般不作重疊。

EA＝0，只訪問片外程序存儲器

EA＝1，先訪問片內程序存儲器。當程序計數(shù)器PC>0FFFH（51子系統(tǒng)）或PC>1FFFH(52子系統(tǒng))，再去訪問片外程序存儲器。

51單片機的結構與工作原理★地址分配:片內4K(0000H～0FFFH)：對于小程序，片內的空間已經(jīng)夠用，可以存放2000多條指令。對于大程序，需要擴展到片外：片外64K(0000H～FFFFH);★復位:復位后PC里的內容為0000H。0000H是程序啟動地址，通常在該單元放一條絕對跳轉指令，跳向主程序的入口地址;51單片機的結構與工作原理2.7個特殊單元程序存儲器有7個單元留作特殊用途。不能存放其他指令。第一單元為0000H。復位后程序執(zhí)行起始地址（PC＝0000H）。另外6個對應于6個中斷源（51子系列僅有5個），作為中斷服務程序入口地址(在64K存儲器中),見下表51單片機的結構與工作原理中斷源入口地址外部中斷00003H-000AH定時/計數(shù)器0溢出000BH-0012H外部中斷10013H-001AH定時/計數(shù)器1溢出001BH-0022H串行口中斷0023H-002AH定時/計時器2溢出或T2EX端負跳變(僅增強型8XX52,如8032、8052用)002BH51單片機的結構與工作原理作用：7個單元相隔很近，放不下稍長程序代碼。它們實際存放一條無條件轉移指令，分別轉移到用戶程序真正起始地址或對應中斷服務程序真正入口地址。

51單片機的結構與工作原理例如主程序實際從0030H開始存放，復位后，通過跳轉指令LJMP轉移至0030H開始執(zhí)行。ORG0000HLJMPMAIN...ORG0030HMAIN:MOVSP,#30H51單片機的結構與工作原理片內數(shù)據(jù)存儲器

51子系列單片機片內含有256個字節(jié)RAM(00H～FFH)。其中前128個(00H～7FH)可供用戶使用。可供用戶使用的前128個字節(jié)分為三大區(qū)域：（1）(4組)工作寄存器(00H～1FH，4×8=32單元)；（2）(128個單元（位）的)位尋址區(qū)(20H～2FH，16×8=128個單元)；（3）數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(30H～7FH的存儲空間只能作字節(jié)尋址)如下圖所示：51單片機的結構與工作原理工作寄存器區(qū)00HR0工作寄存器0組01HR1……07HR708HR0工作寄存器1組09HR1……0FHR710HR0工作寄存器2組11HR1……17HR718HR0工作寄存器3組19HR1……1FHR751單片機的結構與工作原理D7D6D5D4D3D2D1D0位尋址區(qū)20H070605040302010021H0F0E0D0C0B0A090822H171615141312111023H1F1E1D1C1B1A191824H272625242322212025H2F2E2D2C2B2A292826H373635343332313027H3F3E3D3C3B3A393828H474645444342414029H4F4E4D4C4B4A49482AH57565554535251502BH5F5E5D5C5B5A59582CH67666564636261602DH6F6E6D6C6B6A69682EH77767574737271702FH7F7E7D7C7B7A797851單片機的結構與工作原理1.工作寄存器區(qū)占用片內RAM00H～1FH。共分4組，每組8個單元，用R0～R7表示，實際應用只使用一組，其他各組不工作、待用。哪一組工作由PSW中RS1、RS0兩位選擇，如下表所示：51單片機的結構與工作原理RS1RS0選中00工作寄存器0組01工作寄存器1組10工作寄存器2組11工作寄存器3組51單片機的結構與工作原理占用片內20～2FH16個單元，每個單元8位，共計16×8＝128位，每位對應都有位地址。有了位地址可以位尋址。2.位尋址區(qū)占用片內30～7FH，共80個單元。3.數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

1個16位的寄存器。也可分成2個獨立的寄存器使用。高字節(jié)為DPH,低字節(jié)為DPL。4.數(shù)據(jù)指針DPTR51單片機的結構與工作原理一個8位的堆棧指針SP，專用于指出當前堆棧頂部是片內RAM的哪一個單元，向上原則，復位后SP＝07H。為了避開工作寄存器和位尋址區(qū)，SP初值可定為2FH或更大的片內RAM地址值。堆棧的作用：保護斷點和現(xiàn)場。用于子程序調用和中斷操作。5.堆棧與堆棧指針51單片機的結構與工作原理占用片內RAM80～FFH中部分單元。80～FFH未被SFR占用的單元保留，用戶不能使用。SFR也稱專用寄存器，專用于控制、管理片內ALU部件、并行I/O口、串行I/O口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)，如下表所示。其中有些專用寄存器有位地址或位名稱，可以進行位操作。6.特殊功能寄存器塊SFR51單片機的結構與工作原理專用寄存器符號地址位地址與位名稱D7D6D5D4D3D2D1D0P0口P080H8786858483828180堆棧指針SP81H數(shù)據(jù)指針低字節(jié)數(shù)據(jù)指針高字節(jié)DPLDPTRDPH82H83H定時器/計數(shù)器控制TCON88HTF18FTR18ETF08DTR08CIE18BIT18AIE089IT088定時器/計數(shù)器方式控制TMOD89HGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0定時器/計數(shù)器0低字節(jié)TL08AH定時器/計數(shù)器1低字節(jié)TL18BH定時器/計數(shù)器0高字節(jié)TH08CH定時器/計數(shù)器1高字節(jié)TH18DH51單片機的結構與工作原理專用寄存器符號地址位地址與位名稱D7D6D5D4D3D2D1D0P1口P190H9796959493929190電源控制PCON97HSMOD------------GF1GF0PDIDL串行控制SCON98HSM09FSM19ESM29DREN9CTB89BRB89ATI99RI98串行數(shù)據(jù)緩沖區(qū)SBUF99HP2口P2A0HA7A6A5A4A3A2A1A0中斷允許控制IEA8HEAAF--------ET2ADESACET1ABEX1AAET0A9EX0A8P3口P3B0HB7B6B5B4B3B2B1B0中斷優(yōu)先級控制IPB8H----------------PT2BDPSBCPT1BBPX1BAPT0B9PX0B851單片機的結構與工作原理專用寄存器符號地址位地址與位名稱D7D6D5D4D3D2D1D0定時器/計數(shù)器2控制T2CONC8HTF2CFEXF2CERCLKCDTCLKCCEXEN2CBTR2CAC/T2C9CP/RI2C8定時器/計數(shù)器2自動重載低字節(jié)RLDLCAH定時器/計數(shù)器2自動重載高字節(jié)RLDHCBH定時器/計數(shù)器2低字節(jié)TL2CCH定時器/計數(shù)器2高字節(jié)TH2CDH程序狀態(tài)字PSWD0HCD7ACD6F0D5RS1D4RS0D3OVD2----D1PD0累加器AE0HE7E6E5E4E3E2E1E0B寄存器BF0HF7F6F5F4F3F2F1F051單片機的結構與工作原理片外數(shù)據(jù)存儲器MCS-51系列單片機有一個數(shù)據(jù)指針DPTR可用于尋址片外程序存儲器或片外數(shù)據(jù)存儲器單元。它為16位，可尋址范圍為64KB（0000H～FFFFH）。通過MOVX指令進行訪問。51單片機的結構與工作原理CPU時序及輔助電路基本概念1.振蕩周期振蕩器輸出脈沖頻率所對應的周期。T振＝1/fsoc51單片機的結構與工作原理2.5MCS-51單片機的CPU及輔助電路2.時鐘周期(也稱狀態(tài)周期)振蕩器輸出脈沖經(jīng)二分頻后成為內部時鐘信號（用作單片機內部各功能部件按序協(xié)調工作的控制信號），其對應的周期：T時＝T狀＝2/fosc51單片機的結構與工作原理3.機器周期6個時鐘周期構成一個機器周期，T機＝6T時。有時用Tcy表示。

4.指令周期CPU執(zhí)行一條指令所需時間，它以機器周期為計量單位。如單周期指令(一個機器周期)、雙周期指令、4周期指令。51單片機的結構與工作原理CPU時序以S1……S6表示一個機器周期的6個T時，以P1P2表示每個T時的兩個節(jié)拍，則一個T機依次有S1P1、S1P2……S6P1、S6P212個T振。除訪問片外RAM時，ALE(地址鎖存信號)脈沖每個Tcy的S1P2至S2P1及S4P2至S5P1期間發(fā)生一次。單周期指令的CPU時序如下圖所示：

51單片機的結構與工作原理振蕩器信號(XTAL2端)ALES1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2讀操作碼S1S2S3S4S5S6讀下一條指令讀操作碼S1S2S3S4S5S6讀第二字節(jié)a）b)單周期指令的時序a）單字節(jié)周期指令，如INCAb）雙字節(jié)單周期指令，例如：ADDA,#data51單片機的結構與工作原理它包含有單字節(jié)、雙字節(jié)指令。兩者都在S1P2期間由CPU取指令（讀指令），PC自動加1；雙字節(jié)指令在同一個T機的S4再讀第二字節(jié)，PC+1→PC，而單字節(jié)指令在S4也讀操作碼，因是單字節(jié)指令讀后丟棄不用。PC不加1。兩種指令在S6P2結束時都完成操作。

若是單字節(jié)雙周期指令在兩個T機內讀4次，后3次讀后丟棄。(圖見教材)

51單片機的結構與工作原理輔助電路1.復位電路

MCS-51系列單片機的RST腳上只要出現(xiàn)10ms以上的高電平,持續(xù)時間大于2個機器周期，實現(xiàn)復位。它的兩種復位方式：上電復位，手動復位。51單片機的結構與工作原理(1)復位狀態(tài)

復位后，SFR和PC的狀態(tài)如下