第2章 MCS-51系列单片机的结构及原理MCS-51系列基本产品型号： 8051、8031、8751、8951称为 51子系列。 不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全 兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。2.1 MCS-51总体结构仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院主要功能部件n8位CPUn片内4KB程序存储器n片内128B数据存储器n可以寻址的64KB的片外数据和程序存储器n二十多个SFRn32根双向和可单单独寻址的I/O线n四个可编程并行I/O口n全双工串行I/O口n2个16位定时/计数器n5个中断源，2个优先级2.2 MCS-51单片机内部结构8位，+、算术运算，与 、或、非、异或 逻辑运算、循 环移位、位处理。工作寄存器R0R7 (8位)暂存运算数据和中间结果。 4个工 作寄存器区： 0区3区。累加器，需要ALU处理的数 据和计算结果多数要经过A 累加器。与A累加器配合执行乘、除运算 。也可用作通用寄存器。程序状态字，存放ALU运算过 程的标志状态：Cy AC F0 RS1 RS0 OV P数据指针(16位) ，存放片外存储器 地址，作为片外 存储器的指针。 可分成两个8位 寄存器DPH、 DPL使用。片内4K程 序存储器仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院堆栈指针SP，堆 栈是按“先进后出” 原则存取数据的存 储区。程序计 数器仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院2. 2.3 3 MCS-51MCS-51系列单片机的引脚功能系列单片机的引脚功能MCS-51MCS-51系列单片机的封装方式：系列单片机的封装方式：1、40脚双列直插封装（也称为DIP封装）44脚方形封装方式2、48脚DIP封装、52脚方形封装方式3、68脚脚方形封装方式8031 8051 8751n1I/O口线功能 4个8位并行 I/O 接口引脚 P0.0P0.7 、P1.0P1.7 、P2.0 P2.7和 P3.0P3.7为多功能引脚，可自动切换用 作数据总线、地址总线、控制总 线和I/O 接口外部引脚。 2控制线 ALE/ PROG ：地址锁存允 许信号端/输入编程脉冲 PSEN：外部程序存储器读选 通信号端 EA/VPP：程序存储器选择信 号端和编程电源输入端2控制线RST/VPD：复位信号端 和后备电源输入端。n输入10ms以上高电平脉冲， 单片机复位。nVPD使用后备电源，可实现 掉电保护。3. 电源及时钟引线 工作电源：VDD、VSS、 时钟输入：XTAL1、XTAL2 。复位电路： 1）上电复位2）外部信号复位单片机RSTK+5V2001K30F8031 8051 8751仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院多功能I/O口引脚nP0口（3239脚）： 8位双向并行I/O端口。 低8位地址总线和数据总线复用。 可带8个LSTTL负载nP1口 （18脚）： 8位准双向并行I/O端口 可带4个LSTTL负载nP2口（2128脚）： 8位准双向并行I/O端口 高8位地址总线 可带4个LSTTL负载仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院nP3口（1017脚）： 8位准双向并行I/O端口特殊第二功能 P3.0-RXD：串行数据接收端 P3.1-TXD：串行数据发送端 P3.2-INT0：外部中断0请求端 P3.3-INT1：外部中断1请求端 P3.4-T0：定时/计数器0外部事件记数输 入端 P3.5-T1：定时/计数器1外部事件记数输 入端 P3.6-WR：外部数据存储器写选通 P3.7-RD：外部数据存储器读选通仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院2.4 MCS-51MCS-51系列单片机的主要组成部分系列单片机的主要组成部分2.4.1 CPU2.4.2 存储器2.4.3 I/O接口三部分组成仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院n由运算部件和控制部件组成n作用是读入及分析指令，控制各个部件 进行指定的操作n主要部件： 算术/逻辑运算部件ALU 布尔处理器 定时/控制部件 寄存器2.4.1 CPU仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院2.4.22.4.2 MCS-51MCS-51存储器配置存储器配置仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院nMCS-51存储器为哈佛结构，即程序存 储器与数据存储器分开编址n4个物理空间：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仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院n n3 3个逻辑空间：个逻辑空间：6464KBKB程序存储器，编址为程序存储器，编址为00000000HFFFFHHFFFFH访问指令为：访问指令为：MOVCMOVC64KB64KB外部数据存储器，编址为外部数据存储器，编址为00000000FFFFHFFFFH访问指令为：访问指令为：MOVXMOVX256B256B内部数据存储器，编址为内部数据存储器，编址为0000HFFHHFFH访问指令为：访问指令为：MOVMOV仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院一、程序存储器8051 EA=1 片内 4KB 片外 60KB8031 EA=0 片外 64KB仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院51系列单片机64K字节程序存储器统一编址注意：当 接高电平时， 单片机从片内ROM的 4KB存储区中读取指令，而当地址超过0FFFH 后，就自动转向片外ROM取指令。当 接低电平时，CPU只能从片外ROM 取指令访问指令为：访问指令为：MOVCMOVC仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院保留单元，用于特定程序段 n0000H0002H：程序的起始，一般存放 一条绝对跳转指令 例：LJMP 0050Hn0003H002AH：5个中断服务程序 0003H 外部中断0 000BH 定时器0溢出中断 0013H 外部中断1 001BH 定时器1溢出中断 0023H 串行口中断 仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院二 数据存储器MOVXMOV仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院内部数据存储器n256字节，编址为00HFFHn分为两部分 00H7FH：内部数据RAM 80HFFH：特殊功能寄存器区访问指令为：MOV仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院内部数据RAM地址空间仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院构成布尔处理器的存储器空间位寻址区共16个字节，即168128位 每一位都对应一个位地址,其范围位：位地址为 00H7FH（0127） 例：MOV A，40H ；将地址为40H的8 位数据送入累加器AMOV C，40H ；将位地址为40H（字 节地址为28H的第0位） 的一位数据送入位累加器C2、20H2FH 可位寻址RAM区仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院3、30H7FH 内部RAM区只可字节寻址一般应用中把堆栈开辟的此区中仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院三、特殊功能寄存器区（SFR ）地址范围 80HFFH21个特殊功能寄存器占用26个字节，其余单元无定义 8032/8052：内部RAM与特殊功能寄 存器地址重叠空间，依靠不同寻址 方式实现区别访问RAM：间接寻址SFR：直接寻址仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院1、程序计数器PC用于存放下一条要执行指令的地址可寻址范围为065535（64K） 复位时，复位时，PC=0000HPC=0000H 2、累加器A（E0H） 可位寻址3、寄存器B（F0H）可位寻址仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院4、程序状态字寄存器PSW（DOH ）8 8位寄存器，相当于位寄存器，相当于80868086的的FLAGSFLAGS。 用于寄存当前指令执行后的状态。用于寄存当前指令执行后的状态。 格式：格式： 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 Cy AC F0 RS1 RS0 OV Cy AC F0 RS1 RS0 OV P P仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院PSW各位的定义nCy：高位进位标志位 有进位或借位时，Cy=1；否则，Cy=0 用作位累加器，用“C”表示nAC：辅助进位标志 低4位向高4位有进位或借位时，AC=1 ；否则，AC=0 常用于BCD码调整nF0：用户标志位仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院nRS1、RS0：选择工作寄存器组位 用于选择内部数据存储器区内4组工作 寄存器中的某一组nOV：溢出标志位nP：奇偶校验标志位 根据累加器A中1的个数由硬件置位或清 除 奇数个1，P=1；否则，P=0nPSW1：保留位，无定义仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院5、I/O端口P0P3 P0：80HP1：90HP2：A0HP3：B0H均可位寻址仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院6、堆栈指针SP（81H）8位专用寄存器，指示堆栈顶部在内部 RAM块中的位置，不可位寻址MCS-51堆栈为向上生长型如执行 PUSH A 操作复位后， SP=07H仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院7、数据指针DPTRDPH：83H DPL：82H不可位寻址特点：即可做16位，也可做两个8 位寄存器使用例：MOV DPTR，#2000HMOV DPH，#20HMOV DPL，#00H仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院8、其它SFR 略，见课本P15、P16地址能被8整除的SFR，可位寻址可位寻址的地址单元X最高有效位用X7表示最低有效位用X0表示例： P37 、P30仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院专用寄存器（除PC外）表1仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院专用寄存器（除PC外）表2仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院四、外部数据存储器最大扩展范围：64KB编址为：0000HFFFFH访问指令：MOVX访问地址：由DPTR或R0、R1提供访问方式为：MOVX16位数据指针， 寻址范围64K8位寄存器，提供 低8位地址，高8 位由P2口提供MCS-51的寄存器在片内RAM都有映像地址。使用时， 既可用寄存器名，也可用对应单元地址。仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院概述：4个并行I/O端口P0、P1、P2、P3，共32根I/O线每一个口都有一个8位的锁存器，复位后，初态 为1，即FFH4个I/O端口分别对应于内部RAM的四个特殊功 能寄存器2.3.4 并行I/O接口仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院一、内部结构（以P1口为例 ）DCLP1X锁存器QQ读锁存器内部总线写锁存器读引脚输入缓冲器VccR（上拉电阻 ） P1X 引脚特点：输出锁存，输入缓冲仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院二、第一功能：通用I/O口双向通道，即可输入又可输出可作8位并行I/O口，每一位也可单独使用， 应用位操作指令1、用作输出口可直接与外设相连，不必外加锁存器例： MOV P1，#OFH以P10位为例输出指令 ：MOV P1，A ；MOV P1，Rn MOV P1，#data ；MOV P1，Ri MOV P1，direct字节寻 址MOV P1.X , C位操作仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院P