1、1第2講：MCS-51的硬件結構電氣工程系電氣工程系趙志衡趙志衡2本講課程主要內容（1）51的資源的資源（2）51的外觀及引腳簡介的外觀及引腳簡介（3）51的的CPU（4）51的存儲器結構的存儲器結構（5）51的的I/O端口端口（6）復位電路）復位電路（7）時鐘電路）時鐘電路351的資源 包括：微處理器 （8位CPU） 數據存儲器（RAM） 程序存儲器（ROM/EPROM） IO口 （P0口、Pl口、P2口、P3口） 同時具有串行通訊、定時器/計數器、中斷系統及特殊功能寄存器（SFR）。4資源的簡單說明1 數據存儲器（數據存儲器（RAM） 51片內為片內為128個字節個字節、52片內為片內為2

2、56字節。字節。 片外最多可外擴至片外最多可外擴至64k。2程序存儲器（程序存儲器（ROM/EPROM） 8031不含； 8051為4k ROM，但用戶不可改寫。 8751則為4k EPROM。 8951為4k flash 存儲器、8952為8k flash 存儲器 片外最多可外擴至64k5資源的簡單說明3中斷系統中斷系統：具有5個中斷源，分為2個中斷優先級。4定時器定時器/計數器計數器：2個16位定時器/計數器，具有四種工作方式。5串行口串行口：1個全雙工的串行口，具有四種工作方式。6P0P3口口：為4個并行8位I/O口。6資源的簡單說明7特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFR）：共有21個

3、，用于對片內各功能模塊進行管理、控制、監視。實際上是一些控制寄存器和狀態寄存器，是一個具有特殊功能的RAM區。 8微處理器（微處理器（CPU）：為8位的CPU，且內含一個1位的位處理器，不僅可處理字節數據，還可以進行位變量的處理。751片內結構8資源的特點 MCS-51的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。 特別指出：MCS-51 除具有8位數據處理運算能力外，還具有1位處理功能，這使得51在邏輯電路仿真、過程控制方面是非常有效的。951的外觀及引腳10引腳的分類（1）電源及時鐘引腳：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2.（2）控制引腳：PSEN、ALE、EA、RESET（3）I/O口

4、引腳：P0、P1、P2、P3。 MCS-51具有三總線：數據總線（數據總線（DB）、地址總線（）、地址總線（AB）、控制總線（）、控制總線（CB）11引腳功能分類后后繼繼課課程程會會繼繼續續講講解解121 電源及時鐘引腳 電源引腳： Vcc +5V、 Vss GND 時鐘引腳： XTAL1、XTAL2. 采用片內振蕩器時，這兩個引腳接晶振；采用外部振蕩器時， XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器的輸出端。132 控制引腳 RSTVPD（9腳）：當振蕩器啟振后，在此引腳加上兩個機器周期兩個機器周期以上的高電平將使MCS51復位。在其正常工作時，此腳應為0.5V低電平。 另外，此引腳可接備用電源

5、，系統掉電時向內部RAM供電，使其保持數據。 什么是機器周期？ P0口的分時復用（后面還有介紹）口的分時復用（后面還有介紹） P0口是51的1個8位并行I/O口。 51的P0口既作為數據總線，又作為地址總線（16位）的低8位，稱為分時復用。如何區分如何區分P0P0口發出的是地址還是數據呢？口發出的是地址還是數據呢？1415 ALEPROG：當MCS51訪問的外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出的脈沖下降沿用于16位地址的低8位的鎖存信號。解決解決P0口分時復用的問題。口分時復用的問題。 即使不訪問外部鎖存器，ALE端仍有正脈沖信號輸出，此頻率約為時鐘振蕩器頻率的 16。但在執行某些指令時會

6、不發出ALE信號，因而用戶不能用做時鐘源或定時。16 PSEN：是訪問外部程序存儲器的讀選通信號。 EA：當EA端保持高電平時，MCS51先訪問內部程序存儲器，但在PC（程序計數器）值超過0FFFH時（對于8051、8751來說），將自動轉向執行外部程序存儲器內的程序。 當EA保持低電平時，不管是否有內部程序存儲器，只訪問外部程序存儲器。173 I/O口引腳 P0口：雙向8位三態I/O口，為地址總線（低8位）及數據總線分時復用口，可帶8個LSTTL負載。 P0口的分時復用：口的分時復用：P0口既作為數據總線又作為地址總口既作為數據總線又作為地址總線的低線的低8位使用稱為分時復用。位使用稱為分時

7、復用。 P1口：8位準雙向I/O口，可帶4個LSTTL負載。 P2口：地址總線（高8位），可帶4個LSTTL負載。也可做8位準雙向I/O口。 P3口：8位準雙向I/O口，雙功能復用口。1851的中央處理器（CPU） 運算部件：運算部件包括算術邏輯單元ALU、位處理器、累加器A、寄存器B、暫存器以及程序狀態字PSW寄存器等。該模塊的功能是實現數據的算術、邏輯運算、位變量處理和數據傳送等操作。 控制部件：控制部件是微控制器的神經中樞，以主振頻率為基準（每個主振周期稱為振蕩周期），控制CPU的時序，對指令進行譯碼，然后發出各種控制信號，它將各個硬件環節組織在一起。19運算部件:ALU、A、B ALU

8、：功能強大，它不僅可對8位變量進行邏輯“與、或、異或”、循環、求補和清零等基本操作，還可以進行加、減、乘、除等基本運算，ALU還具有位處理操作，如置位、清零、求補、測試。轉移及邏輯“與、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：是為執行乘法和除法操作設置的，在不執行乘、除法操作的一般情況下可把它當作一個普通寄存器使用。20程序狀態字寄存器：PSW PSW.1是保留位，未用。 Cy（PSW.7）進位標志位，在執行算術和邏輯指令時，可以被硬件或軟件置位或清除，在位處理器中，它是位累加器。 Ac（PSW.6）輔助進位標志位。 F0（PSW.5）標志位，它是由用戶使

9、用的一個狀態標志位。 RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器區選擇控制位寄存器區選擇控制位 OV（PSW.2）：溢出標志位。 P（PSW.0）奇偶標志位。每個指令周期都由硬件來置位或清除，以表示累加器A中值為1的位數的奇偶數。21運算部件：PSW 工作寄存器的選擇： RS1 RS0軟件寫入 0 0 寄存器區0（內部RAM地址00H07H） 0 1 寄存器區1（內部RAM地址08H0FH） 1 0 寄存器區2（內部RAM地址10H17H） 1 1 寄存器區3（內部RAM地址18H1FH）22控制部件 時序圖 每2個振蕩周期作為1個狀態周期，每個狀態周期分為2個時相P1、P2，每6個狀態

10、周期作為1個機器周期。2351的存儲器結構 程序存儲器 內部數據存儲器 特殊功能寄存器（SFR） 位地址空間 外部數據存儲器24存儲器簡單介紹程序存儲器 用來存放程序的存儲器，存儲器中存放的實際上是由用戶程序形成的二進制碼（機器碼），該存儲器必須具有非易失性。外部可擴展64k字節。25存儲器簡單介紹內部數據存儲器 MCS51內部有128個字節的隨機存取存儲器RAM，作為用戶的數據寄存器、數據緩沖器。它能滿足大多數工程應用場合的需要。 52系列具有256字節的內部RAM。26存儲器簡單介紹特殊功能寄存器（SFR） 特殊功能寄存器反映了MCS51的狀態，實際上是MCS51的狀態字及控制字寄存器。微

11、控制器通過寫相應的寫相應的SFR來設定相關功能部件來設定相關功能部件（定時器、串口、中斷等）的工作方式（定時器、串口、中斷等）的工作方式，同時SFR也綜合的、實際的反映了整個微控制器系綜合的、實際的反映了整個微控制器系統內部的工作狀態統內部的工作狀態。例如，前面提到的PSW程序狀態字寄存器，就是一個特殊功能寄存器。27存儲器簡單介紹位地址空間 MCS51內部具有211個可尋址的位，他們存在于內部RAM（128個）、和SFR（83個）中。用來存放一些位變量。 有相應的位操作指令來控制其讀寫。28存儲器簡單介紹外部數據存儲器 當片內的RAM不夠用時，MCS51可在片外擴展64k的數據存儲器。29程

12、序存儲器 程序存儲器中存放程序和表格，最多外擴64k。由程序計數器（PC）控制程序的執行，PC中存放的是將要執行的下一條指令的地址，是由微控制器內部硬件自動生成的，且自動加一。復位后PC值為0000H，因而程序總是從程序存儲器的0000H處開始執行。30程序存儲器 一些指令會影響到PC的連續性，例如跳轉類，中斷響應等。 例如中斷，微控制器響應不同的中斷后，PC被硬件賦予不同的值，稱為中斷入口地址： 外部中斷0（INT0） 0003H 定 時 器0（T0） 000BH 外部中斷1（INT1） 0013H 定 時 器1（T1） 001BH 串 行 口 0023H 由于程序存儲器的起始部分具有特殊意

13、義，在編制程序時主程序中最好有跳轉指令，在中斷程序中也要有跳轉指令。31內部數據存儲器 MCS51內部數據存儲器（RAM）共有128個字節，地址00H7FH。51對內部數據存儲器有豐富的操作指令。32特殊功能寄存器（SFR） SFR共21個，存在于MCS-51中的一部分RAM單元中，地址范圍80HFFH，呈離散分布。33特殊功能寄存器（SFR） SFR簡介34特殊功能寄存器（SFR）可位尋址的SFR位地址35SFR累加器A 累加器A是一個最常用的專用的寄存器，大部分單操作數指令的操作數取自累加器，很多雙操作數指令的一個操作數取自累加器，加、減、乘、除算術運算指令的運算結果都存放在累加器A或B寄

14、存器中。寄存器B 在乘、除指令中，用到B寄存器。不進行算數操作時，可作為一般寄存器使用。程序狀態字寄存器PSW PSW是一個8位寄存器，它包含了程序狀態信息。36SFR棧指針SP 棧指針SP是一個8位專用寄存器，它指示出堆棧頂部在內部RAM塊中的位置，51的棧向上生成，棧指針先加1，再存儲、且后入先出。系統復位后，SP初始化為07H，使得堆棧事實上由08H單元開始，考慮到08H1FH單元分別屬于工作寄存器區13，若在程序設計中要用到這些區，則最好把SP值改置為1FH或更大的值。例如SP60H，MCU執行一條A累加器進棧指令， push a; 執行后寄存器狀態：（sp）61H， (61H)=A。

15、37SFR數據指針DPTR 數據指針DPTR是一個16位的SFR，其高位字節寄存器用DPH表示，低位字節寄存器用DPL表示。DPTR即可以作為一個16位寄存器來用，也可以作為兩個獨立的8位寄存器DPH和DPL來用。38SFR特殊功能寄存器P0P3 特殊功能寄存器P0P3分別管理I/O端口P0P3。每一個8位I/O口都可視為RAM的一個單元（8位）。 在MCS51中，I/O口和RAM統一編址，所有訪問RAM的指令，都可用來訪問I/O口。對于片外數據存儲器和擴展的I/O口，也是統一編址的。39SFR串行數據緩沖器SBUF 串行數據緩沖器SBUF用于存放待發送或已接收到的數據，它在SFR塊中只有一個

16、字節地址，但是物理上由兩個獨立的寄存器組成，一個發送一個接收。定時器/計數器 51內部有2個16位定時/計數器T0、T1，他們各由兩個獨立的8位寄存器組成，分別是TH0、TL0；TH1，TL1。不能把T0、T1作為16位寄存器操作。 52內部有3個16位的定時/計數器40位地址空間 MCS51中共有可尋址的位211個，構成了8051的位地址空間。在RAM區，有可尋址128位，其位地址為007FH。可位尋址RAM的字節地址為20H2FH。41位地址空間 可位尋址的SFR。共83位42外部數據存儲器 當內部RAM不夠使用時，可以外擴數據存儲器，最多64k。43MCS51存儲器結構的特點 地址重疊性

17、程序存儲器與數據存儲器操作指令不同 位地址空間共有兩個區域 堆棧區可自由設定片外數據存儲器與I/O口統一編址44MCS51存儲器結構示意45I/O端口簡介 MCS51具有4個雙向8位I/O口，每個口都有一個鎖存器。 P0口是三態雙向口，作為數據和低8位地址的分時復用口，由ALE信號作為地址鎖存。 P1口準雙向口，供用戶使用。 P2口準雙向口，作為高8位地址使用，當擴展的外部存儲器小于64k時，即有未用到的P2口線，可作為一般I/O口使用。 P3口準雙向口，即可作為一般I/O口使用，也可作為第二功能口使用。46P3口的第二功能47I/O口的內部結構 每一位引腳由鎖存器、輸出驅動器和輸入緩沖器組成

18、。 注意讀鎖存器、讀引腳的不同。 雙向口與準雙向口 P0口雙向口，沒有上拉電阻，可以處于浮空、高阻狀態。 P1、P2、P3口含有上拉電阻，當外部維持低電平時，要能提供源電流；外部低電平消失后，自動拉高。 作為輸入口使用時必須先置1，關斷輸出驅動器。48I/O口的內部結構(P1)49I/O口的讀操作讀鎖存器 讀鎖存器指令是從鎖存器中讀取數據，進行處理，并把處理后的數據重新寫入鎖存器中，這類指令稱為讀、修改、寫指令。在ANL、ORL、XRL； JBC； CPL； 等指令中，當目的操作數為某一IO口或IO口的某一位時，這些指令均為讀、修改、寫指令。讀引腳 讀引腳指令一般都是以I/O端口為源操作數的指令，執行讀引腳指令時，打開三態門，輸入口狀態。例如，讀P1口的輸入狀態時，讀引腳指令為：MOV A，P1。50注意：I/O口鎖存器讀寫的特別之處 當給口鎖存器寫入某一狀態后，相應的口引腳是否呈當給口鎖存器寫入某一狀態后，相應的口引腳是否呈現鎖存器的狀態，是與外電路的連接有關。現鎖存器的狀態，是與外電路的連接有關。 例如，用