3单片机的硬件结构

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1、 MSC-51单片机C语言简单入门教程 技术支持群：11313486 http:/ 红峰电子学习室 MCS51 单片机的硬件结构 MCS51 是美国Intel 公司的八位高档单片机系列，是在MCS48系列基础上发展而 成的，也是我国目前应用最广的一种单片机系列。在这个系列里，有 8031、8051、8751、80C51BH、80C31BH 等等。它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。为了叙述方便，今后如不作说明，则用 8051 代表MCS51系列单片机。本章主要以 8051为主线叙述MCS51 单片机的内部结构、引脚功能、工作方式和时序。 1、MCS51 单片机内部结构 1） MCS5

2、1 单片机基本组成 MCS51 单片机的基本组成框图如下图所示。从 8051 单片机的基本组成框图中我们可以看到，在该芯片上，集成了一个微型计算机，它包括： 一个8位的微处理器（CPU） 片内数据存储器RAM 128B256B ） 片内程序存储器ROMEPROM（4KB8KB） 4个8 位并行IO接口P0P3，每个端口既可作为输入，也可作为输出 2个16 位定时器计数器 5个中断源的中断控制系统 1个全双工的串行IO接口片内时钟振荡器 MSC-51单片机C语言简单入门教程 技术支持群：11313486 http:/ 红峰电子学习室 2）MCS51 单片机系列芯片 MCS51 系列单片机按制造工

3、艺可分为：HMOS 和 CMOS 两大类。一般 CMOS 工艺 芯片其型号编号中都有符号 C，如：80C51、80C31 等，其属于低功耗产品。 MCS51 系列单片机按其内部结构又可分为：基本型和增强型。 基本型又可分为 3 挡：8031/8051/8751、8032/8052、8044/8744/8344。8031 片内无程序存储器，必须外接程序存储器才能构成一个完整的微型计算机。8051 片内有 4K 掩膜ROM，其中程序是用户委托厂商在芯片生产时固化的。因此，出厂的产品都是具有特殊用途的专用单片机，大批量生产时，具有较高的性能价格比。8751 片内有4K 的EPROM，片内的程序由用户

4、固化或清除，使用方便，但价格相对较高，通常适用于研制样机。8032/8052 与8031/8051 对应相当，其区别主要有两点：一是 8052 片内有 8KROM，二是 8032/8052的T/C 为3 个，片内RAM 有256B。8044/8744/8344 也与 8051/8751/8031 对应相当，其区别是 8044 等片内有一通讯控制器，能实现 HDLC/SDLC 通讯协议，特别适宜于组成单片机通讯网。 增强型主要有增大内部存储器的基本型如：8052AH/8032AH/8752BH，此种类型的内部 ROM 和 RAM 容量比基本型的增大一倍；高级语言型：如 8052AHBASIC 片

5、内固化有 MCSBASIC52 解释程序，BASIC52 语言能与汇编语言混用；可编程计数阵列 PCA 型如：83C51FA、80C51FA、87C51FA、83C51FB、80C51FB、87C51FB 等；A/D 型如：83C51GA、 80C51GA、87C51GA 等；DAM/GSC 型如：83C152JA、80C152JA、80C152J、83C152JC、80152JC、80C152JD 等；DMA/FIFO 型如：83C452、80C452、87C452P 等；多并行口型如：83C451、80C451 等。 此外，由于 51 系列单片机的市场为主流，有许多大公司竞相开发了与 MC

6、S51 系列单片机完全兼容、且片内集成了更多功能部件的高性能单片机如：AD 公司的ADuC824/812、 ATMEL 公司的AT89CXXX 系列产品等。使51 系列单片机及其兼容单片机成为市场主流机 型，并占有很大的市场份额。常用MCS51 单片机性能见表 MSC-51单片机C语言简单入门教程 技术支持群：11313486 http:/ 红峰电子学习室 3） MCS51 CPU 内部结构 8051 单片机内部结构如下图所示。8051 单片机内部包含了作为微型计算机所需的基本功能部件，各功能部件相互独立而融为一体，集成在同一块芯片上。它由运算器、控制器、存储器（ROM 及RAM ）、I O

7、接口、定时器计数器和中断系统等组成。 CPU 是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，8051 内部CPU 是一个字长为 8 位 二进制的中央处理单元，也就是说它对数据的处理是按字节为单位进行的。CPU 由运算器 （ALU ）和控制器（定时控制部件等）两部分电路组成。 1运算器（ALU ） 运算器 ALU 由一个加法器、两个8 位暂存器、8 位的累加器ACC、B寄存器、程序状态寄存器 PSW 和一个性能卓著的布尔处理器组成。运算器 ALU 可以对 4位、8 位和 16 位数据进行算术运算和逻辑运算，并且能够完成数据传送、移位、判断和程序转移等操作。 MSC-51单片机C语言简单入门教程 技术

8、支持群：11313486 http:/ 红峰电子学习室 （1）累加器 ACC 累加器ACC，简称累加器 A，它是一个 8位寄存器，通过暂存器与 ALU相连。在 CPU 中，累加器 A 是工作最频繁的寄存器。在进行算术和逻辑运算时，通常用累加器 A 存放一个操作数，而 ALU的运算结果又存放在累加器 A中。 （2）寄存器 B 寄存器 B 也是一个 8 位寄存器。一般用于乘、除法指令，它与累加器配合使用。运算前，寄存器 B 中存放乘数或除数，在乘法或除法完成后，用于存放乘积的高 8 位或除法的余数。 （3）程序状态字寄存器 PSW PSW 是一个 8 位寄存器，它的各位用来存放指令执行后的状态信息

9、，作为程序查询或 判别的条件，在有些计算机中又叫标志寄存器。PSW 中各位状态信息通常是指令执行过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。它的各标志位定义如下： 其中，PSW7 为最高位，PSW0 为最低位。 进位标志位 Cy：在进行加法（或减法）运算时，如果运算结果的最高位 D7 有进位（或借位）时，Cy1；否则Cy0。在进行位操作时，Cy作为位累加器 C。此外，在进行移位操作和比较转移指令时也会影响 Cy标志位。 半进位标志位 AC：在进行加法（或减法）运算时，如果低半字节向高半字节有进位（或借位）时，AC1；否则AC0。AC标志用于校正 BCD码的运算结果，作为 BC

10、D码运算调整指令 DAA判断的依据。 用户标志位 F0：F0 标志位的状态是由用户根据自己的需要通过软件对其置位和复位。它可作为用户程序的流向标志。 工作寄存器选择控制位 RSl 和 RS0：8051CPU 有 4 组各 8 个 8 位的工作寄存器，每一组分别命名为 R0R7。这两位的值可决定选择哪一组工作寄存器为当前工作寄存器组。使用时由用户通过软件改变 RSl 和 RS0 的值来进行选择。工作寄存器 R0R7 的物理地址和RSl、RS0 之间的关系如下表所列。 MSC-51单片机C语言简单入门教程 技术支持群：11313486 http:/ 红峰电子学习室 8051 上电复位后，CPU 自

11、动选择第 0 组为当前工作寄存器组。R0R7 的物理地址变为0H07H。 溢出标志位 OV：当机器在执行带符号数算术运算时，如果运算结果超出了 8位数所能表示的范围（128+127） ，则 OV标志自动置 1；否则 OV0。 P S W 1：为无定义位。 奇偶标志位 P：用于标志运算结果的奇偶性。若累加器 A中 1 的个数为奇数；则 P1，否则 P0。 （4）控制器 控制器是用来控制计算机工作的部件，它包括程序计数器 PC、指令寄存器 IR、指令译码器 ID、堆栈指示器 SP、数据指针 DPTR、时钟发生器和定时控制逻辑等。 1、程序计数器 PC 程序计数器 PC 是一个 16 位的专用计数器

12、，PC 中的内容是将要执行的下一条指令的地址，改变 PC 的内容就可以改变程序的流向。 P C 具有自动加 1 功能。当 CPU顺序地执行指令时，首先根据 PC 所指地址取出指令， 然后 PC 的内容自动加 1，指向下一条指令的地址。如果跳转执行程序，在跳转之前必须将转向指令的地址装入 PC，然后从该处开始执行，完成了程序的跳转。 在MCS51 系列机中，当系统复位后，PC0000H，CPU 从这一固定人口地址开始执 行程序。 2、指令寄存器 IR 和指令译码器 ID 的功能是：根据 PC 所指地址，取出指令经指令寄存器 IR 送指令译码器 ID进行译码， 然后通过定时控制电路产生相应的控制信

13、号， 控制 CPU内部及外部有关器件进行协调动作，完成指令所规定的各种操作。 MSC-51单片机C语言简单入门教程 技术支持群：11313486 http:/ 红峰电子学习室 （5）堆栈指针 SP 在计算机中，当要解决程序调用和中断处理等问题时，通常采用堆栈技术来存放返回地址或现场的保护，堆栈技术是按照“后进先出”的原则进行数据的读写。在 MCS51 系列单片机中，堆栈是在片内 RAM 中开辟一个专用区，通常指向 07H7FH 中的一部分连续存储区作为堆栈区。堆栈示意图如上图所示。 堆栈有栈顶和栈底之分,堆栈的一端是固定的，称为栈底；另一端是浮动的，称为栈顶。当堆栈中无数据时，栈顶地址和栈底地

14、址重合。当数据进栈时，栈顶会自动地向地址增 1的方向浮动；当数据出栈时，栈顶又会自动地向地址减 1 的方向变化。 堆栈指针 SP是一个 8 位寄存器，具有自动加 1 或减1 的功能。用来存放栈顶地址。进栈时，SP 自动加 1，将数据压入 SP 所指向的地址单元；出栈时，将 SP 所指地址单元中的数据弹出，然后 SP自动减 1。 系统复位后，SP初始化为 07H，指向 07H的 RAM 单元，即堆栈区从 07H开始的一部分连续存储单元。 由于 08H1FH 单元为工作寄存器区， 在程序设计中有可能用到这些区域，所以用户在设置栈区时， 最好把 SP的值设置 30H以上为宜， 以免与工作寄存器区发生冲突。 （6）数据指针 DPTR 数据指针 DPTR 是一个 16 位的寄存器，专门用来存放 16 位地址指针，作为间接寻址寄存器使用。它可以对 64K 字节范围内的任一存储单元寻址。还可以分成两个 8 位独立的寄存器 DPL 和 DPH 使用，DPH 为 DPTR 的高 8 位，DPL 为 DPTR 的低 8 位。 MSC-51单片机C语言简单入门教程 技术支持群：11313486 http:/ 红峰电子学习室 2、单片机存储器结构 M C S51 的存储器有片内和片外之分。片内存储器集成在芯片内部；片外存储器又称