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1、第二章 MCS-51单片机的内部结构,2.1 MCS-51系列单片机的内部结构 2.2 MCS-51的寻址空间与存储器结构 2.3 MCS-51的并行I/O口 2.4 CPU时序及辅助电路,2.1 MCS-51单片机逻辑结构与引脚功能,一、MCS-51系列单片机的基本组成,8051单片机包括：,面向控制的8位CPU和指令。 4K字节的程序存储器（ROM或EPROM）。 128字节的数据存储器。 可编程并行I/O口PO-P3，有32位双向输入/输出线。 一个全双工串行口。 两个16位定时器/计数器。 五个中断源，两个中断优先级的中断结构。 一个片内时钟振荡器和时钟电路。 可寻址64K字节的程序存
2、储器和64K字节的外部数据存储器。,二、MCS-51系列单片机的内部结构,MCS-51系列单片机的内部结构框图,8051单片机按其逻辑功能可分为运算器、控制器、存贮器、I/O口几大部分，其中：,DPTR（数据存贮器指针）：为指示RAM的地址而设置的16位寄存器； B（乘法寄存器）：作乘法运算使用的寄存器，亦可作一般用途； SP堆栈指针：用来指示堆栈的栈顶地址； 特殊功能寄存器：是为存放内部器件的工作方式和状态信息而设置的寄存器，8051单片机内共有21个特殊功能寄存器，在结构上它们也是片内RAM的一部分，只不过指定作特殊用途而已。,通用寄存器：供用户直接使用的数据寄存器，单片机内共有128个通
3、用寄存器，其中包括四组工作寄存器（R0-R7），共有32个存贮单元。这些通用寄存器除了按字节操作外，其中有一部分（地址20H-2FH）能按位进行操作。 由于单片机的RAM具有多种用途，而且一般在单片机系统中还扩展有片外的ROM和RAM，因此其存贮器系统的结构具有一定的特点。,1、CPU,CPU由运算器、控制器及一些特殊功能寄存器组成、其结构形式与工作原理和一般的微处理器相同。可执行下述算术/逻辑运算。 1.1、运算器算术与逻辑运算部件ALUALU由加法器和其他逻辑电路等组成。它的功能是，完成各种算术运算和逻辑运算，它可以进行加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算和与、或、非、异或、取反、取
4、补等逻辑运算。以及循环移位、位操作等。,带进位和不带进位的加法 带进位的减法 两个八位无符号数的乘法和除法 加1或减1操作 逻辑“与”、“或”、“异或”操作、字节取反操作 左右循环移位操作 半字节交换 二十进制（BCD码）调整 比较和条件转移的判断等操作 “位”操作：置位、清零、取反、条件判断、逻辑“与”、“或”等操作,寄存器,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，在算术运算和逻辑运算时，通常用累加器A存放一个参加操作的数，作为ALU的一个输入，而ALU的运算结果又存入累加器A中。 寄存器B寄存器B一般用于乘、除法指令，它与累加器A配合使用。运算前
5、，寄存器B中存放乘数或除数；运算后，B中保存了乘积的高位字节或商的余数部分。此外，寄存器B可作为存放中间结果的暂存寄存器使用。,程序状态字寄存器PSW 运算操作过程中的一些状态信息存放在程序状态字寄存器PSW中，PSW寄存器的字节地址是DOH，PSW各位的符号与定义如下：C进位标志（CY），有进位或借位时，C=1，否则C=0； Cy=1提示无符号数运算超出范围。在进行位操作时，CY作为位累加器C，也称为布尔累加器。此外，循环移位指令和比较转移指令也会影响CY标志。 AC辅助进位标志，当累加器中A3向A4有进位或错位时AC=1，否则AC=0；F0用户标志位，可由用户置“1”，或置“0”，作为某一
6、种状态的标志；,OV溢出标志，计算机中，带符号数通常是用补码表示的对于单字节二进制补码，其所能表示数的范围是 -128到 +127，如果运算结果超出了这个数值范围，就称为溢出。 一般两个同号数相加或两个异号数相减，有可能发生溢出； 而两个同号数相减或两个异号数相加，则不会发生溢出。,当两个正数相加，若和超过+127时，其结果的符号由正变负，即得出负数，这时OVl。同理，两负数相加，结果应为负数，但因和数为-241-l28，有溢出而使结果为正数，此时OV=1。,在乘法运算时，OV=1表示结果超过了255，即乘积分别在寄存器B和A中；反之表示乘积在A中。 在除法运算时，OV=1表示除数为0，不能进
7、行除法，反之除数不为0，可以进行除法。,P奇偶标志，累加器A中“1”的个数为奇数时P=1，否则P=0； RS1，RS0：工作寄存器组选择控制位。 0 0 0组（内部RAM地址00H07H） 0 1 1组（内部RAM地址08H0FH） 1 0 2组（内部RAM地址10H17H） 1 1 3组（内部RAM地址18H1FH）MCS51单片机的零标志z不包含在PSW寄存器中，而直接安排在累加器A中,1.2 控制器,程序计数器PC程序计数器PC（Program Counter）是16位专用寄存器，其内容表示下一条要执行的指令时，PC的内容有自动加1的功能。当CPU顺序地执行指令时，PC的内容以增量的规律
8、变化着，于是当一条指令取出后，PC就指向下一条指令的地址，如果不按顺序执行指令，转移到某地址再继续执行指令，这时在跳转之前必须将转向的程序的入口地址送往程序计数器，以便从该入口地址开始执行程序。由此可见，PC实际上是一个地址指示器，改变PC中的内容就可以改变指令执行的次序，即改变程序执行的路线。当系统复位后，PC=0000H，CPU便从这一固定的入口地址开始执行程序。,堆栈指针SP堆栈是为暂存数据或返回地址而在RAM区专门开辟的一个数据存放区，并按照“后进先出”的原则进行操作。堆栈指针SP（Stack Pointer）是一个8位寄存器，用它存放栈顶的地址。进栈时，SP自动加1，将数据压入SP所
9、指定的地址单元；出栈时，将SP所指示的地址单元中的数据弹出，然后SP自动减1，因此，SP总是指向栈顶。系统复位后，SP初始化为07H，所以第一个压入堆栈的数据存放到08H单元，即堆栈区为从07H单元开始的一部分连续存储单元。,SP的内容是可编程的，因而可将堆栈区定位到内部数据存储器的任意位置。堆栈的大小可用“深度”表示，用户在设定堆栈区时应该考虑到堆栈的深度，以便能满足子程序嵌套时的需要。,数据指针DPTR数据指针DPTR（Data Pointer）是一个16位的地址寄存器，专门用来存放16位数据存储器的地址，以便对外部数据存储器RAM读写数据，作间接寄存器使用。它可指向64K字节范围内的任一
10、存储单元，也可以分成高字节DPH和低字节DPL两个独立的8位寄存器，这为修改DPTR的内容提供了方便。 指令寄存器、指令译码器和CPU定时控制CPU从程序存储器内取出的指令首先要送到指令寄存器，然后送入指令译码器，由指令译码器对指令进行译码，即把指令转变成执行该指令所需要的信号，使计算机正确地执行程序所要求的各种操作。,三、 MCS-51 单片机的引脚功能,40只引脚双列直插封装（DIP）,44只引脚方形封装方式为（4只无用）,40只引脚按其功能来分，可分为3类：（1）电源及时钟引脚: Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。（2）控制引脚： /PSEN、/EA、ALE、RESET （即RST
11、）。（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。 电源引脚（1）Vcc：+5V电源；（2）Vss：接地。 时钟引脚 （1）XTAL1（19脚）：如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（2） XTAL2 （18脚）：接外部晶体的另一端。,并行I/O：共4个口，32根I/O线。P0口：8位双向I/O口。 当使用片外存储器（ROM及RAM）时，作低八位地址和数据总线分时复用。能驱动8个LSTTL负载。P1口：8位、准双向I/O口。P2口：8位、准双向I/O口。当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。P3口：8位、准双向I
12、/O口，具有内部上拉电路。P3提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。P3口可以驱动4个LSTTL负载。,串行口： P3.0RXD串行输入口 P3.1TXD串行输出口 中断： P3.2外部中断0输入 P3.3外部中断1输入 定时器/计数器： P3.4定时器/计数器T0的外部输入 P3.5定时器/计数器T1的外部输入 数据存储器选通： P3.6WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。 P3.7RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。,控制线 RST/VPD复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。其第二功能为备用电源输入端
13、。 EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。EA=1，选择片内程序存储器（8051为4KB，80C52为8KB）；EA=0，则程序存储器全部在片外而不管片内是否有程序存储器。其第二功能Vpp为编程电压输入端，使用8751编程时，施加21V的编程电压。,ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。在访问片外存储器或I/O时，用于锁存低八位地址，以实现低八位地址与数据的隔离。由于ALE以1/6的振荡频率固定速率输出，可作为对外输出的时钟或用作外部定时脉冲。在EPROM编程期间，作输入。输入编程脉冲（PROG）ALE可以驱动8个LSTTL负载。 PSEN片外程序存储器读选通信号，低电平有效。
14、在从片外程序存储器取指期间，在每个机器周期中，当有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。,四、MCS-51的外部总线结构,2.2 MCS-51的寻址空间与存储器结构,8051在物理结构上有四个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。在逻辑上，8051有三个存储空间：片内外统一编址的64K字节的程序存储器地址空间（用16位地址）、片内128字节的数据存储器地址空间（用8位地址）、片外64K字节的数据存储器地址空间。在访问这三个不同的逻辑空间时，应采用不同的指令。,2.2 MCS-51的寻址空间与存储器结构,一、程序存储器,EA引脚接高电平时，程序从片内
15、程序存储器0000H开始执行，即访问片内存储器；当PC值超出片内ROM容量时，会自动转向片外程序存储器空间执行。EA引脚接低电平时，迫使系统全部执行片外程序存储器0000H开始存放的程序。对8031，由于片内无ROM/EPROM，必须使EA=0，程序存储器只能片外扩展，即0000H-FFFFH都是指向片外EPROM的。,在程序存储器中，有六个地址单元被保留用于某些特定的地址，如表所示。,表 5种中断源的中断入口地址外部中断0 0003H定时器0 (T0) 000BH外部中断1 0013H 定时器1 (T1) 001BH 串行口 0023H,单片机复位后，程序计数器PC的内容为0000H，即系统
16、从0000H单元开始执行程序。一般在0000H-0002H单元存放一条绝对转移指令，而用户设计的主程序应从跳转后的地址开始存放，以便CPU复位后，PC从0000H起始地址跳转到用户程序去执行。5个中断源的中断入口地址间隔都只有8个单元，存放中断服务程序往往是不够用的。所以通常在这些入口存放一条绝对转移指令，使程序转到相应的中断服务程序的起始地址。,二、数据存储器,数据存储器用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲以及标志位等。所以数据存储器由读写存储器RAM构成。8052片内RAM有256字节，片外最大可扩展64K字节RAM。片内和片外RAM是独立编址的，用不同的指令来访问不同的数据存储器，即用MOV指令访问片内RAM，而用MOVX指令访问片外RAM。 片内数据存储器片内数据存储器的配置如图所示。片内数据存储器为8位地址，（8052）最大可寻址256个单元（00H-FFH），这是最灵活的地址空间。它由工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区组成，不同的地址区域内，功能不完全相同。,
