第二部分　微机原理 第2章 MCS-51单片机 的内部结构 主讲教师：喻红

主要内容 MCS-51单片机结构及工作原理 MCS-51单片机引脚 CPU时序 MCS-51单片机存储器结构

2.1 MCS-51单片机结构 MCS-51单片机是高性能的8位单片机，除内置程序存储器有区别外，内部结构和引脚相同。 8031：内部无程序存储器； 8051：ROM型单片机，内含4K字节ROM。 8751：EPROM型单片机，内含4KEPROM。 3

微型计算机（μC） （1）定义：以微处理器为核心，配上存储器、输入/输出接口电路和系统总线所组成的计算机。 （2）基本结构： 1）CPU 2）存储器 3）输入/输出 接口电路 4）总线

P3 P1 P2 可编程 串行I/O口 P0 外部中断 基准频率源 控制 128/256B 数据存储器 4KB/8KB 程序存储器 2/3个16位 定时/计数器 振荡器及 定时电路 CPU 64KB 总线扩展控制 并行I/O口 内部中断 计数脉冲 串行 输出 串行 输入 5

基本特性 CPU ：8位 存储器： 128字节RAM 21个专用寄存器（亦称特殊功能寄存器SFR） 4K字节ROM存储器 并行口：4个8位并行口 串行口：1个全双工的串行口 定时器/计数器：2个16位的定时器/计数器 中断系统：5个中断源,两个中断优先级 寻址范围：64K字节（程序存储区和外部数据存储区各64K）

2.2 CPU CPU：单片机的核心部分，是单片机的指挥和执行部件。包含两个基本部分：运算器和控制器 运算器：进行算术和逻辑运算，存储运算结果并作相应标记。 控制器：控制计算机各部分协调工作。

2.2.1 运算器 1．算术逻辑运算部件ALU：完成各种算术运算和逻辑运算 2．寄存器——存放运算结果和状态 2.2.1　运算器 1．算术逻辑运算部件ALU：完成各种算术运算和逻辑运算 2．寄存器——存放运算结果和状态 (1)累加器A( Accumulator register) (2)寄存器B (3)程序状态字PSW( Program Status Word Register) (4)暂存器TMP1和TMP2 3．布尔处理机

1．算术逻辑单元（ALU） 　　ALU由加法器和其他逻辑电路组成，能完成各种算术运算和逻辑运算，如算术加、减、乘、除和逻辑与、或、异或、取反以及循环移位、数据传送、程序转移等操作。

2．寄存器 （1）累加器ACC( Accumulator register) 　　累加器ACC是最常用的8位专用寄存器。通过暂存器与ALU相连。进入ALU作算术操作和逻辑操作的操作数很多来自ACC，操作的结果也常送回ACC。 （2）寄存器B 　　与累加器配合，执行乘、除法指令，并保存部分计算结果。

（3）程序状态字PSW（字节地址：D0H） 1）四个状态标志位 寄存当前指令执行的某些状态；反映指令执行结果的一些特征。 2）设定标志位 C：进位标志位 AC：半进位标志位 P：奇偶标志位 OV：溢出标志位 2）设定标志位 F0、F1标志位：用户标志位 RS1、RS0：工作寄存器组 指针

程序状态字 Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P ① 进位标志Cy( Carry flag)： 加法（减法）时最高位D7有进（借）位，则Cy=1，否则Cy=0； 进行位操作时，起着“位累加器”的作用，称为布尔累加器。 循环移位和比较转移指令影响Cy

程序状态字 Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P ②辅助进位标志AC( Auxiliary Carry flag)： 加（减）法运算时，如果低半字节的最高位D3有进（借）位，则AC=1，否则AC=0； AC在作BCD码运算而进行二～十进制调整时有用。

程序状态字 Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P ③用户标志F0、F1： 　　用户定义的状态标志。可通过软件对它置位、清零；在编程时，常测试其状态进行程序分支。

程序状态字 Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P ④工作寄存器区选择位RS1、RS0: (Register bank select bit) 　　可通过软件置位或清零，以选定4个工作寄存器区中的一个区作为当前工作寄存器。 RS1 RS0 寄存器区 0区 1 1区 2区 3区

程序状态字 Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P ⑤溢出标志OV： Overflow flag 　　作有符号数进行算术运算时，若计算结果超出-128~+127范围，则OV置1，否则置0。

程序状态字 Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P ⑥奇偶标志P: Parity flag 该标志始终跟踪累加器A中内容的奇偶性，根据A中1的个数的奇偶自动令P置位或清零：奇为1，偶为0。 此标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验数据传输的正确与否。

3．布尔处理机 布尔处理机是单片机CPU中运算器的一个重要组成部分。它有相应的指令系统，可提供17条位操作指令，硬件有自己的“累加器”（进位位C）和自己的位寻址RAM和I/O空间，是一个独立的位处理机。

2.2.2 控制器 控制器：用来控制计算机工作的部件。 程序计数器PC( Program Counter )； 2.2.2　控制器 控制器：用来控制计算机工作的部件。 程序计数器PC( Program Counter )； 指令寄存器IR；( Instruction Register) 指令译码器ID；( Instruction Decoder ) 堆栈指针SP；( Stack Pointer) 数据指针DPTR；( Data Pointer) CPU定时控制

1．程序计数器PC ( Program Counter )； 　　系统复位后，PC=0000H。 2．指令寄存器、指令译码器和CPU定时控制 指令寄存器（IR）：存放所取出的指令 指令译码器（ID）：对指令进行译码 定时和控制电路：根据指令发出时序控制信号。

指令执行过程 基本概念 指令：是计算机执行某种操作的命令。指令通常由操作码和操作数两部分组成。 操作码：表示计算机执行什么具体操作。 操作数：表示参加操作的数或操作数所在的地址。 程序：为完成某项工作，将一系列指令有序地组合。 地址：存储单元的编号。

执行指令： 第一阶段为取指令，并在取得指令操作码后进行译码； 第二阶段为执行指令，即取操作数，然后按操作码的性质对操作数进行操作。 例：LD A,2 ;把数2送入A累加器中 　　ADD A,6 ;累加器A和数6相加，结果存入A中 　　上面程序转化为计算机可识别的机器语言 　 0011 1110 ；LD A,2的操作码 　0000 0010 ；LD A,2的操作数2 　 1100 0110 ；ADD A,6的操作码 　 0000 0110 ；ADD A,6的操作数6

3．堆栈指针SP( Stack Pointer) 堆栈：内存RAM中开辟的一个特定的存储区（07H~7FH），专门用来暂时存放数据或存放地址。 特点：堆栈向上生长，数据存取遵循“后进先出LIFO”原则，总是对栈顶操作： 压栈：使SP的内容增1后作数据压入操作； 出栈：先把栈顶的数据弹出，然后使SP的内容减1。 堆栈指针SP(81H)：8位专用寄存器，用来存放栈顶地址。 系统复位后，SP=07H。可通过SP指定堆栈位置。

4．数据指针DPTR（Data Pointer） DPTR可分为DPH(83H)和DPL(82H)两个独立寄存器。 DPTR可指向64K字节范围内的任一存储单元。 可以作为指针使用，用来指向外部存储器的地址 比如：MOVX A,@DPTR，就是把外部存储器DPTR单元的内容送给A

2.3 MCS-51的引脚及片外总线结构 MCS－51系列单片机有40个引脚，用HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装。 三总线结构： 地址总线、数据总线、控制总线

2.3.1　MCS-51的引脚功能

1．电源引脚（2）： VCC、VSS： 2．时钟电路引脚（2）： XTAL1 、XTAL2 3．控制信号引脚（4）：RST/VPD、 ALE/PROG、PSEN、EA/VPP 4．I/O口（32）：P0、P1、P2、P3

1．主电源引脚 　VCC：接＋5V电源正端； VSS：接＋5V电源地端 2．外接晶体引脚 　　XTAL1：芯片内部振荡电路输入端 　　XTAL2：芯片内部振荡电路输出端

MCS－51单片机的振荡器有内部和外部两种方式。 内部方式：外接晶体，与片内反向放大器构成片内振荡器 既然是内部，为何叫为外接晶体？ 外部方式： 采用外部时钟。

时钟电路 （1）内部时钟电路

时钟电路 （2） 外部时钟电路

一、时序的基本概念 　　时序：CPU执行一条指令的各个微操作所对应的脉冲信号遵循的时间顺序。 　　时序图：直观展现CPU的时序。把执行一条指令时对应信号线上有关信息的变化按时间序列以特定的波形表示出来。 　　时序严格规定了单片机内部和外部各功能部件相互配合协调工作的时间关系。

按指令的执行过程，定义了四种周期： 1．振荡周期：为单片机提供定时信号的振荡源的周期； 2．时钟周期：振荡脉冲二分频，又称为状态周期S； 3．机器周期：完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。机器周期由6个状态周期（12个振荡周期）组成。 4．指令周期：CPU执行一条指令所需要的时间，可包含1~4个机器周期

　　4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（例如，波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。 例：单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位： 振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us 状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us 机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us 指令周期=(1～4)机器周期=1～4us

3．控制信号线 （1）RST/VPD：复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端 ★ 复位：使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 ★ 掉电时内RAM备用电源输入

二、复位 　　时钟电路工作后，该引脚上出现持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上的高电平，单片机就可完成复位操作 。

三、复位电路 1．上电复位 2．手动复位

（2）ALE/PROG： ( Address Latch Enable) 　地址锁存允许/编程脉冲输入。 　①用ALE锁存从P0口输出的低8位地址 　②在对片内EPROM编程时，编程脉冲由此输入。 （3）PSEN： ( Program Store Enable) 　外部程序存储器读选通信号

（4）EA/VPP：外部访问允许/编程电压输入 　②8051/8751中 EA＝1，单片机使用片内ROM/EPROM； EA＝0，单片机片内程序存储器失效，而使用片外程序存储器。 　③对片内EPROM编程时，此脚接编程电压。

4．I/O口： MCS-51单片机有4个8位并行I/O口，其中： 　　P0口：地址/数据总线； 　　P1口：通用输入输出接口 　　P2口：高8位地址总线； 　　P3口：多功能口。

2.3.2 MCS-51的外部总线结构 MCS-51的外部总线 1．地址总线AB 2．数据总线DB 3．控制总线CB

2.4 MCS-51的存储器结构 存储器：计算机中用于存放程序和数据的部件。 程序存贮器和数据存贮器的地址空间严格分开，用不同的地址指针、寻址方式、控制信号将这两种存储空间分开。

2.4.1 8051的存储空间 片内 存储器 片外 程序 数据 片外数据存储器 片内数据存储器 片外程序存储器 片内程序存储器 程 序 存 2.4.1　8051的存储空间 片内 存储器 片外 程序 数据 片外数据存储器 片内数据存储器 片外程序存储器 片内程序存储器 程 序 存 储 器

2.4.2 程序存储器 程序存储器：用于存放程序和固定表格 ； 存储器种类：ROM、EPROM、EEPROM 2.4.2　程序存储器 程序存储器：用于存放程序和固定表格 ； 存储器种类：ROM、EPROM、EEPROM 地址指针：16位程序计数器PC，可寻址64k； 外部访问允许引脚 EA： EA=1：4k内访问片内程序存储器， 4k外访问片外程序存储器； EA=0：访问片外程序存储器。 对程序存储器的访问，使用指令：MOVC ；

程序存储器中的特定单元：

2.4.3 数据存储器 数据存储器：用于存放数据、运算的中间结果和标志等；RAM （1）片内数据存储器：8位地址，最大256个字节存储单元。 2.4.3　数据存储器 数据存储器：用于存放数据、运算的中间结果和标志等；RAM （1）片内数据存储器：8位地址，最大256个字节存储单元。 （2）片外数据存储器：16位地址，最大可扩展至64K字节存储空间； （3）地址指针：8位工作寄存器R0、R1；16位数据指针DPTR，可寻址64k。 （4）访问指令：对片内RAM使用：MOV； 对片外RAM使用：MOVX；

片内数据存储器： 工作寄存器区 位寻址区 数据缓冲区 专用寄存器区 （特殊功能寄存器） Special Functional Register

特殊功能寄存器 88 定时器/记数器控制寄存器 TCON 81 堆栈指针 SP 89 定时器/记数器方式控制 TMOD 87 电源控制寄存器 PCON A8 中断允许控制寄存器 IE 99 串行口数据缓冲器 SBUF B8 中断优先级控制寄存器 IP 98 串行口控制寄存器 SCON B0 P0~P3口锁存器 80 90 A0 P0~P3 8B 定时器/记数器1（低字节） TL1 83 数据地址指针 82 DPTR 8D 定时器/记数器1（高字节） TH1 D0 程序状态字 PSW 8A 定时器/记数器0（低字节） TL0 F0 B寄存器 B 8C 定时器/记数器0（高字节） TH0 E0 累加器 A

MCS-51复位后内部寄存器状态 特殊功能寄存器 初始状态 ACC 00H TCON B TH0 PSW TL0 SP 07H TH1 DPL TL1 DPH SCON P0～P3 0FFH SBUF 不定 IP XXX00000B PCON 0XXXXXXXB IE 0XX00000B TMOD PC 0000H

问题 1．8051单片机包含哪些主要逻辑功能部件？ 2．8051是低电平复位还是高电平复位？ 3．8051的工作寄存器分成几个组？每组多少个单元？ 4．8051复位后，工作寄存器位于哪一组？ 5．在8051的21个特殊功能寄存器中，哪些特殊功能寄存器具有位寻址功能？ 6．8051的EA端、ALE端、PSEN端各有什么用途？ 7．8051的时钟周期、机器周期、指令周期是如何分配的？当振荡频率为10MHz时，一个机器周期为多少微秒？ 8．在8051扩展系统中，片外程序存储器和片外数据存储器共处同一地址空间，为什么不会发生总线冲突？ 9. 8051的P3口具有哪些第二功能？ 10．程序状态字PSW的作用是什么？常用的状态标志有哪几位？作用是什么？ 11．在程序存储器中，0000H、0003H、000BH、0013H、001BH、0023H这6个单元有什么特定的含义？ 12．8051单片机复位后，内部各寄存器处于什么状态？