第二章 MCS-51 单片机芯片硬件结构

1. 第二章 MCS-51单片机芯片硬件结构 2.1 MCS-51系列单片机结构及组成 2 .1 .1 MCS-51系列单片机结构框图 MCS-51系列单片机属于总线结构

3. 一个8位CPU 2 .1 .2 MCS-51系列单片机组成 包括运算器、控制器以及若干寄存器等部件组成。 （1）运算器 算术和逻辑运算，可对半字节（4位）和单字节数据进行操作； 加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算； 与、或、异或、求补、循环等逻辑运算； 布尔处理器。

4. （2）程序计数器PC PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64KROM直接寻址。PC低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。 （3）指令寄存器 指令寄存器存放指令代码。 CPU执行指令过程： 由程序存储器（ROM）中读取指令代码送入指令寄存器，经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。

5. （4）定时与控制部件 时钟电路： MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。 有两种时钟生成电路，内部方式，外部方式。

6. 4k/8k字节程序存储器（ROM） 51系列4k字节；52系列8k字节 128/256字节数据存储器（RAM） 51系列128字节；52系列256字节 2/3个16位定时/计数器 51系列2个16位定时/计数器；52系列3个

7. 32条可编程I/O口线（4个8位并行I/O端口） 可寻址64k外部数据存储器（RAM）和64k外部程序存储器（ROM） 一个可编程全双工串行口； 五个中断源、两个优先级嵌套中断结构

8. 2 .1 .3 MCS-51系列单片机芯片引脚

9. ALE/ （30），ALE：允许地址锁存信号。（数据线、地址线复用）当访问外部存储器时，ALE信号负跳变将P0口上低8位地址送入锁存器。 ALE低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致 引脚分布（40脚双列直插封装（DIP）方式） 1）主电源引脚； 2）外接晶体或外部振荡器引脚；XTAL1、XTAL2 3）控制、选通或复用电源引脚：

10. 为编程脉冲输入端，对片内程序存储器进行 编程时，此脚输入编程脉冲。 非访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡频率输出，访问外部存储器时以1/12振荡频率输出。 RST（9脚）：复位信号 延续两个机器周期以上的高电平，复位有效。

11. （29脚）：访问外部程序存储器选通信号， 低电平有效。 /Vpp（31脚）：访问内部或外部ROM选择信号。 高电平时( ) ，访问内部ROM（PC指针超过4K， 0FFFH时，自动转向外部ROM），保持低电平，则访问外部ROM。（对于8031， 接低电平）

12. 4）I/O口引脚（32个引脚） 四个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3）; 每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。 P0口（32—39）低8位地址/数据线复用或I/O口。 P1口（1—8）常用的I/O口。 P2口（21—28）常用I/O口或高8位地址线。 P3口（10—17）双功能口。

13. 信号引脚的第二功能 P3口第二功能

14. 程序存储器（ROM）--用来存放程序和始终要保留的数据。程序存储器（ROM）--用来存放程序和始终要保留的数据。 2-2 MCS-51存储器 数据存储器（RAM）--用来存放程序运行中所需要的常数和变量。当然，全局数据也可以放在RAM中。 特点：程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）分开， 各有各的寻址系统、控制信号和功能。

15. 从物理空间上看： MCS-51单片机有四个存储器地址空间。 片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器

16. 程序存储器映象 数据存储器映象 8051存储器映象

17. 程序存储器以PC（程序计数器）作地址指针，可寻址空间为64K（0000H—FFFFH）字节。程序存储器以PC（程序计数器）作地址指针，可寻址空间为64K（0000H—FFFFH）字节。 8051/8751单片机内部分别驻留4K（0000H—0FFFH）字节ROM/EPROM。 8031则没有片内程序存储器。 2.2.1 程序存储器

18. 程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。 程序从外部存储器开始执行。 8031单片机 接低电平。 51系列单片机64K字节程序存储器统一编址。

19. 51系列单片机复位后PC=0000H，系统从0000H开始执行程序。安排一条跳转指令。51系列单片机复位后PC=0000H，系统从0000H开始执行程序。安排一条跳转指令。 0003H—0032H单元被保留专用于中断服务程序（入口地址）。 每个中断服务程序只有8个字节单元存放，显然不够，故此8个单元通常放一条跳转指令。指向被实际分配的中断服务程序段。

21. 中断服务程序首地址： 外部中断0（ ） 0003H 定时器0溢出中断 000BH 外部中断1（ ） 0013H 定时器1溢出中断 001BH 串行口中断 0023H 定时器2溢出/T2EX（负跳变） 002BH

22. MCS-51系列单片机的数据存储器在物理和逻辑上都分为两个地址空间。MCS-51系列单片机的数据存储器在物理和逻辑上都分为两个地址空间。 2-2-2 数据存储器 00H—7FH（0—127）128字节RAM区； 80H—FFH（128—255）128字节专用寄存器区。

23. 内部RAM低128字节（00H—7FH） 寄存器区 四个通用寄存器区，每个区有8个工作寄存器R0—R7 根据程序状态字PSW（特殊功能寄存器，地址D0H）中的D4D3位来指示的。通过对PSW的D4D3的修改，便能任意选择一个工作寄存器区。 D4D3=00—0区； D4D3=01—1区； D4D3=10—2区； D4D3=11—3区

24. 位寻址区 位寻址区（20H—2FH）16个字节。 16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H—7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。

25. 用户RAM区（数据缓冲区） 单元地址：30H~7FH 在此区域中，用户只能以存储单元（字节）形式使用。 通常将堆栈建立在此区域中。

26. 内部RAM高128字节（80H—FFH） 专用功能寄存器区（SFR） 2-2-3 外部数据存储器 以后介绍

27. 2-2-3 专用功能寄存器（SFR） 分布在RAM区域80H—FFH中，具体执行功能： 锁存器、定时器、串行口数据缓冲器、各种控制寄存器、状态寄存器等。

28. 常用专用功能寄存器 ●累加器ACC（最常用专用寄存器） 暂存寄存器，用于提供操作数和存放运算结果。 直接与内部总线相连。一般信息传递和交换都 要通过ACC。

29. ●寄存器B 乘法指令两个操作数分别取自A、B，其结果放在A、B寄存器队中；除法指令，被除数取自A，除数取自B，商放A，余数放B。

30. ●程序状态控制字PSW RS1，RS0--选择工作寄存器区； CY--高位进位标志，8位运算产生进位或借位； AC--辅助进位标志，半字节进位标志； OV--溢出标志位，用于带符号数运算的溢出。 P—奇偶校验标志位，A寄存器中奇偶性判别。 “1”的个数为偶P=0 “1”的个数位奇P=1 F0：用户标志位。

31. ●数据指针DPTR 16位寄存器，DPH，DPL 用来访问外部RAM的地址寄存器，地址范围64K。 ●端口P0—P3专用寄存器P0—P3 端口名和寄存器名一一对应 可采用直接寻址方式参与操作。MOV A，P0

32. ●串行数据缓冲器SBUF 存放欲发送或已接收的数据。虽然用一个缓冲器99H，但却以两个独立的缓冲器出现。一个发送，一个接收。 ●定时器/计数器 两个16为定时/计数器T0、T1。各有两个8为独立寄存器组成，TH0、TL0，TH1、TL1。 ●其他控制寄存器

35. P0口：地址/数据复用口 2-3 并行I/O端口电路

36. 锁存器：数据输出 三态输入数据缓冲器：数据输入 多路转换器MUX，控制电路 作为一般I/O口使用 数据输出时（写P0口）：由于锁存器的存在，故P0端口可以直接和外设相连。 内部写脉冲加在D触发器CP端，数据写入锁存器，由端口引脚输出。

37. 数据输入时（读P0口），有两种情况： 读引脚：读芯片引脚上的数据，“读引脚”缓冲器打开，通过内部数据总线读入；MOV指令的读口操作。 读端口：通过打开读锁存器缓冲器读锁存器Q端的状态，例如语句：ANL P0，A 。 作为地址/数据复用口使用 打开控制与门，使得内部地址/数据线与驱动场效应管栅极反相接通状态。

38. 根据端口特点，P0，P2口结构基本一致，内部有一个多路开关MUX，根据CPU控制可作为I/O口，也可作为外部存储器扩展时用作16位地址总线。根据端口特点，P0，P2口结构基本一致，内部有一个多路开关MUX，根据CPU控制可作为I/O口，也可作为外部存储器扩展时用作16位地址总线。 P1，P3口结构基本一致，为双向口。 注意，一般地说，P1口多用作I/O或位操作；而P3口多用于第二功能。

39. 端口功能 P0口：为三态双向口，扩展外部存储器时，它是地址总线和数据总线的复用（低8位）。低8位地址通过ALE信号负跳变将其锁存在外部锁存器中。单独作I/O口用时，由于输出电路是漏极开路，必须外接上拉电阻。能带8个LSTTL电路。

40. P1口：常用I/O口，每一位都能作为可编程的输入或输出线。输出端无需上拉电阻。P1口：常用I/O口，每一位都能作为可编程的输入或输出线。输出端无需上拉电阻。 P2口：可以作为输入口或输出口使用；但一般作为扩展系统的地址总线，输出高8位地址。与P0口一起组成16位地址总线。 P3口：双功能口。作为第一功能使用同P1口。第二功能如下表：

41. P3口第二功能

42. 振荡有两种方式：外部、内部 时钟发生器：将震荡频率2分频，为芯片提供一个两相时钟信号。 时序定时单位： （1）拍节P：振荡脉冲周期，用P表示； （2）状态S：时钟信号周期，用S表示； 2-4 振荡器\时钟及时序

43. （3）机器周期：MCS-51采用定时方式，因此有固定的机器周期，一个机器周期等于6个状态周期，12个振荡周期；（3）机器周期：MCS-51采用定时方式，因此有固定的机器周期，一个机器周期等于6个状态周期，12个振荡周期； （4）指令周期：执行一条指令所需要的时间。可包含一、二、三或四个机器周期。 时钟频率是振荡频率2分频；机器频率是振荡频率12分频。

44. 当振荡频率为12M时，一个机器周期是1微秒（s）当振荡频率为12M时，一个机器周期是1微秒（s） 频率=1/周期，周期=1/频率 一个振荡周期=1/12（s），一个机器周期是1（s）。 当振荡频率为6M时，一个机器周期是2微秒（s） MCS-51共有111条指令。按其长度可分为： 单字节指令、双字节指令、三字节指令。

45. 单字节单周期指令 例：INC A 双字节单周期指令 例：ADD A，DATA 单字节双周期指令例：INC DPTR

46. 当ALE（ALE信号为振荡频率6分频）正跳变时，对应单片机进行一次读指令操作。一个机器周期二次出现，在S1P2和S2P1及S4P2和S5P1期间。当ALE（ALE信号为振荡频率6分频）正跳变时，对应单片机进行一次读指令操作。一个机器周期二次出现，在S1P2和S2P1及S4P2和S5P1期间。 有效宽度为一个状态。 （1）单字节单周期指令：INC A 只需进行一次读指令操作（指令只有一个字节），当第二个ALE有效时，由于PC没有加1，读出的还是原指令。属于一次无效操作。

47. （2）双字节单周期指令：ADD A，#data ALE两次读操作都有效，第一次读操作码（指令第一字节），第二次读立即数（指令第二字节）。 （3）单字节双周期指令：INC DPTR 两个机器周期共进行四次读指令操作，但其后三次的读操作都是无效的。

48. MOVX：先在ROM中读出指令，然后对外部RAM进行读/写操作。MOVX：先在ROM中读出指令，然后对外部RAM进行读/写操作。 第一个机器周期和其他指令一样，第一次读指令 （操作码）有效，第二次读指令操作无效。第二机 器周期时，进行外部RAM访问（与 ， 信号有关） 与ALE无关（ALE保持低电平），因此不产生读指令操作（取指操作）。

49. P0、P2提供16位地址。 第一周期S4之后为读外部RAM送出地址； 第二周期，第一个ALE不出现，读选通 信号有效， 进行RAM读操作，从P0口将读出数据送单片机； 第二个机器周期的第二个ALE信号出现，进行外部ROM读操作，属无效操作。