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MCS-51 单 片 机 原 理 及 设 计. 第 2 讲： MCS-51 的硬件结构. 电气工程系 赵志衡 TEL:86413623 E-mail:zhzhhe@hit.edu.cn. MCS-51 单 片 机 的 硬 件 结 构. 本讲课程主要内容. （ 1 ） 51 的资源 （ 2 ） 51 的外观及引脚简介 （ 3 ） 51 的 CPU （ 4 ） 51 的存储器结构 （ 5 ） 51 的 I/O 端口 （ 6 ）复位电路 （ 7 ）时钟电路. 51 的资源. 包括：微处理器 （ 8 位 CPU ）
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MCS-51 单 片 机 原 理 及 设 计 第2讲：MCS-51的硬件结构 电气工程系 赵志衡 TEL:86413623 E-mail:zhzhhe@hit.edu.cn
MCS-51 单 片 机 的 硬 件 结 构 本讲课程主要内容 （1）51的资源 （2）51的外观及引脚简介 （3）51的CPU （4）51的存储器结构 （5）51的I/O端口 （6）复位电路 （7）时钟电路
51的资源 包括：微处理器 （8位CPU） 数据存储器（RAM） 程序存储器（ROM/EPROM） I／O口 （P0口、Pl口、P2口、P3口） 同时具有串行通讯、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。
资源的简单说明 1 ．数据存储器（RAM）：51片内为128个字节，52为256字节。片外最多可外扩至64k。 2．程序存储器（ROM/EPROM）： 8031不含； 8051为4k ROM，但用户不可改写。 8751则为4k EPROM。 片外最多可外扩至64k
资源的简单说明 3．中断系统：具有5个中断源，分为2个中断优先级。 4．定时器/计数器：2个16位定时器/计数器，具有四种工作方式。 5．串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。 6．P0~P3口：为4个并行8位I/O口。
资源的简单说明 7．特殊功能寄存器（SFR）：共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。 8．微处理器（CPU）：为8位的CPU，且内含一个1位的位处理器，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。
资源的特点 MCS-51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。 特别指出：MCS-51 除具有8位数据处理运算能力外，还具有1位处理功能，这使得51在逻辑电路仿真、过程控制方面是非常有效。
引脚的分类 （1）电源及时钟引脚：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2. （2）控制引脚：PSEN、ALE、EA、RESET （3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3。 MCS-51属于三总线结构：数据总线（DB）地址总线（AB）、控制总线（CB）。
1 电源及时钟引脚 • 电源引脚： Vcc（40）+5V、 Vss（20）GND • 时钟引脚： XTAL1、XTAL2. 采用片内振荡器时，这两个引脚接晶振；采用外部振荡器时， XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器的输出端。
2 控制引脚 • RST／VPD（9脚）：当振荡器启振后，在此引脚加上两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。在单片机正常工作时，此脚应为<0.5V低电平。 另外，此引脚可接上备用电源，系统掉电时向内部RAM供电，使其保持数据。
ALE／PROG（30脚）：当访问单片机外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于16位地址的低8位的锁存信号。ALE／PROG（30脚）：当访问单片机外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于16位地址的低8位的锁存信号。 即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率约为时钟振荡器频率的 1／6。但在执行某些指令时会不发出ALE信号，因而用户不能用做时钟源或定时。
PSEN（29脚）：是访问外部程序存储器的读选通信号。PSEN（29脚）：是访问外部程序存储器的读选通信号。 • EA（31脚）：当EA端保持高电平时，51先访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时（对于8051、8751来说），将自动转向执行外部程序存储器内的程序。 当EA保持低电平时，不管是否有内部程序存储器，只访问外部程序存储器。
3 I/O口引脚 • 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带8个LSTTL负载。 • P1口：8位准双向I/O口，可带4个LSTTL负载。 • P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可带4个LSTTL负载。 • P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口。
51的中央处理器（CPU） • 运算部件：运算部件包括算术逻辑部件ALU、位处理器、累加器A、寄存器B、暂存器以及程序状态字PSW寄存器等。该模块的功能是实现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。 • 控制部件：控制部件是单片机的神经中枢，以主振频率为基准（每个主振周期称为振荡周期），控制器控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环节组织在一起。
运算部件:ALU、A、B • ALU：功能强大，它不仅可对8位变量进行逻辑“与、或、异或”、循环、求补和清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算，ALU还具有位处理操作，如置位、清零、求补、测试。转移及逻辑“与、或”等操作。 • 累加器A：ALU中的主要寄存器，大部分指令都用到它。 • 寄存器B：是为执行乘法和除法操作设置的，在不执行乘、除法操作的一般情况下可把它当作一个普通寄存器使用。
程序状态寄存器：PSW • PSW.1是保留位，未用。 • Cy（PSW.7）进位标志位，在执行算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清除，在位处理器中，它是位累加器。 • Ac（PSW.6）辅助进位标志位。 • F0（PSW.5）标志位，它是由用户使用的一个状态标志位。 • RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器区选择控制位 • OV（PSW.2）：溢出标志位。 • P（PSW.0）奇偶标志位。每个指令周期都由硬件来置位或清除，以表示累加器A中值为1的位数的奇偶数。
运算部件：PSW • 工作寄存器的选择： RS1 RS0 软件写入0 0 区0（选择内部RAM寄存器地址00H～07H） 0 1 区1（选择内部RAM寄存器地址08H~0FH） 1 0 区2（选择内部RAM寄存器地址10H～17H） 1 1 区3（选择内部RAM寄存器地址18H～1FH）
控制部件 • 时序图 每2个振荡周期作为1个状态周期，每个状态周期分为2个时相P1、P2，每6个状态周期作为1个机器周期。
51的存储器结构 • 程序存储器 • 内部数据存储器 • 特殊功能寄存器（SFR） • 位地址空间 • 外部数据存储器
存储器简单介绍 • 程序存储器 用来存放程序的存储器，存储器中存放的实际上是由用户程序形成的二进制码（机器码），该存储器必须具有非易失性。外部可扩展64k字节。
存储器简单介绍 • 内部数据存储器 MCS51单片机内部有128个字节的随机存取存储器RAM，作为用户的数据寄存器、它能满足大多数控制型应用场合的需要，用作处理问题的数据缓冲器。52系列具有256字节的内部RAM。
存储器简单介绍 • 特殊功能寄存器（SFR） 特殊功能寄存器反映了MCS51的状态，实际上是MCS51的状态字及控制字寄存器。51单片机通过写SFR来控制相应功能部件（定时器、串口、中断等）的工作方式，同时SFR也综合的、实际的反映了整个单片机基本系统内部的工作状态。例如，前面提到的PSW程序状态字寄存器，就是一个特殊功能寄存器。
存储器简单介绍 • 位地址空间 MCS51单片机内部具有211个可寻址的位，他们存在于内部RAM（128个）、和SFR（83个）中。用来存放一些位变量。 有相应的位操作指令来控制其读写。
存储器简单介绍 • 外部数据存储器 当片内的RAM不够用时，MCS51可在片外扩展64k的数据存储器。
程序存储器 • 程序存储器中存放程序和表格，最多外扩64k。由程序计数器（PC）控制程序的执行，PC中存放的是将要执行的下一条指令的地址，是由单片机内部硬件自动生成的，且自动加一。复位后PC值为0000H，因而程序总是从程序存储器的0000H处开始执行。
程序存储器 • 一些指令会影响到PC的连续性，例如跳转类，中断响应等。 • 例如中断，单片机响应不同的中断后，PC被硬件赋予不同的值。称为单片机的中断入口地址： 外部中断0（INT0） 0003H 定 时 器0（T0） 000BH 外部中断1（INT1） 0013H 定 时 器1（T1） 001BH 串 行 口 0023H 由于程序存储器的起始部分具有特殊意义，在编制程序时主程序中最好有跳转指令，在中断程序中也要有跳转指令。
内部数据存储器 • MCS51内部数据存储器（RAM）共有128个字节，地址00H~7FH。51对内部数据存储器有丰富的操作指令。
特殊功能寄存器（SFR） • SFR共21个，存在于单片机中的一部分RAM单元中，地址范围80H~FFH，呈离散分布。
特殊功能寄存器（SFR） • SFR简介
特殊功能寄存器（SFR） • 可位寻址的SFR位地址
SFR • 累加器A 累加器A是一个最常用的专用的寄存器，大部分单操作数指令的操作数取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数取自累加器，加、减、乘、除算术运算指令的运算结果都存放在累加器A或B寄存器中。 • 寄存器B 在乘、除指令中，用到B寄存器。不进行算数操作时，可作为一般寄存器使用。 • 程序状态字寄存器PSW PSW是一个8位寄存器，它包含了程序状态信息。
SFR • 栈指针SP 栈指针SP是一个8位专用寄存器，它指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置，51单片机栈向上生成，且后入先出。系统复位后，SP初始化为07H，使得堆栈事实上由08H单元开始，考虑到08H～1FH单元分别属于工作寄存器区1～3，若在程序设计中要用到这些区，则最好把SP值改置为1FH或更大的值。例如SP＝60H，CPU执行一条A累加器进栈指令， push a; 执行后寄存器状态： (61H)=A，（sp）＝61H。
SFR • 数据指针DPTR 数据指针DPTR是一个16位的SFR，其高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。DPTR即可以作为一个16位寄存器来用，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL来用。
SFR • 端口P0~P3 特殊功能寄存器P0～P3分别为I/O端口P0~P3的锁存器。即每一个8位I/O口都为RAM的一个单元（8位）。 在MCS51中，I/O口和RAM统一编址，所有访问RAM的指令，都可用来访问I/O口。对于片外数据存储器和扩展的I/O口，也是统一编址的。
SFR • 串行数据缓冲器SBUF 串行数据缓冲器SBUF用于存放欲发或已接收的数据，它在SFR块中只有一个字节地址，但是物理上由两个独立的寄存器组成，一个发送一个接收。 • 定时器/计数器 51单片机有2个16位定时/计数器T0、T1，他们各由两个独立的8位寄存器组成，分别是TH0、TL0；TH1，TL1。不能把T0、T1作为16位寄存器操作。
位地址空间 • MCS51中共有可寻址的位211个，构成了8051的位地址空间。在RAM区，有可寻址128位，其位地址为00~7FH。可位寻址RAM的字节地址为20H~2FH。
位地址空间 • 可位寻址的SFR。共83位
外部数据存储器 • 当内部RAM不够使用时，可以外扩数据存储器，最多64k。
MCS51存储器结构的特点 • 地址重叠性 • 程序存储器与数据存储器操作指令不同 • 位地址空间共有两个区域 • 堆栈区可自由设定 • 片外数据存储器与I/O口统一编址
I/O端口 • 简介 MCS51单片机具有4个双向8位I/O口，每个口都有一个锁存器。 P0口是三态双向口，作为数据和低8位地址的分时复用口，由ALE信号作为地址锁存。 P1口准双向口，供用户使用。 P2口准双向口，作为高8位地址使用，当扩展的外部存储器小于64k时，即有未用到的P2口线，可作为一般I/O口使用。 P3口准双向口，即可作为一般I/O口使用，也可作为第二功能口使用。
I/O口的内部结构 • 每一位引脚由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。 注意读锁存器、读引脚的不同。 • 双向口与准双向口 P0口双向口，没有上拉电阻，可以处于浮空、高阻状态。 P1、P2、P3口含有上拉电阻，当外部维持低电平时，要能提供源电流；外部低电平消失后，自动拉高。 作为输入口使用时必须先置1，关断输出驱动器。
I/O口的读操作 • 读锁存器 读锁存器指令是从锁存器中读取数据，进行处理，并把处理后的数据重新写入锁存器中，这类指令称为读、修改、写指令。在ANL、ORL、XRL； JBC； CPL； 等指令中，当目的操作数为某一I／O口或I／O口的某一位时，这些指令均为读、修改、写指令。 • 读引脚 读引脚指令一般都是以I/O端口为源操作数的指令，执行读引脚指令时，打开三态门，输入口状态。例如，读P1口的输入状态时，读引脚指令为：MOV A，P1。
注意：I/O口锁存器写的特别之处 • 当给口锁存器写入某一状态后，相应的口引脚是否呈现锁存器的状态，是与外电路的联接有关。 例如，用I/O口线驱动外部三极管基极时，该口线位锁存器写入“1”后使外部三极管导通，而三极管一旦导通后，基极电平为“0”。口锁存器与引脚状态不一致 • 当给一个准双向口输出“0”后，输出驱动器打开，管脚电位拉低为“0”，此时如将该管脚作输入脚使，将无法输入高电平。 作为初学者，在设计8051系统时，对51的I/O管脚要统一规划使用，一个管脚不能既作为输入，又作为输出。换言之，一个管脚如果第一次用其为输入，一直用其作为输入管脚。
复位电路 • 复位为单片机提供了初始化手段，当RST引脚保持24个时钟周期以上的高电平将引起复位。 • 在复位有效期间（即高电平），ALE引脚为高电平，且内部RAM不受复位的影响。 • 复位后的部分寄存器状态 （1）PC=0000H （2）PSW=00H 选择工作寄存器0区 （3）SP=07H
