1、第二章 MSC-51單片機的結構和原理第一節 MCS-51單片機的內部組成及信號引腳第二節 MCS-51單片機的中央處理器CPU第三節 MCS-51的內部存儲器第四節 I/O端口、時鐘電路與時序第五節 MCS-51單片機工作方式第六節 MCS-51單片機的存儲器第一節 MCS-51單片機的內部組成及信號引腳MCS-51系列單片微型機計算機包括8031、8051、8751等型號，其代表型號是8051。8051內部組成方框圖如圖2-1所示，本書也將主要以8051單片機的代表來介紹MCS-51系列單片機的工作原理。通常計算機須由三大基本單元，即中央處理器、存儲器和輸入/輸出設備組成。下一頁返回第一節

2、 MCS-51單片機的內部組成及信號引腳一、MCS-51單片機的基本組成8051單片機的結構組成如圖2-1所示，各部分情況介紹如下：1.中央處理器顧名思義，這是單片機的核心部分。也有人將其稱為MCU，在這些公司提供的器件使用手冊上還有P的寫法，都是同一個意思。8051單片機的CPU由算術邏輯部件（ALU）、累加器（ACC）、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態寄存器（PSW）等運算部件，以及指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）、數據指針寄存器（DPTR）、程序指針寄存器（PC）、堆棧指針（SP）等控制部件組成。上一頁下一頁返回第一節 MCS-51單片機的內部組成及信號引腳2.內部數據

3、寄存器（ 內部RAM）MCS-51的CPU能處理8位二進制。8051芯片中共有256個RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128個單元，用于存放可讀寫的數據。因此，通常所說的內部數據存儲器就是指前128單元，簡稱內部RAM。3.內部程序存儲器（內部ROM）根據有無片內ROM，8051單片機有三個品種，即無ROM版本為8031、工廠掩膜只讀ROM版本為8051、EPROM版本為8751.8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數據或表格，簡稱內部ROM。上一頁下一頁返回第一節 MCS-51單片機的內部組成及信號引腳4.定時器/計數器8051有兩個

4、16位定時器/計數器（T0,T1），它們由特殊功能寄存器TMOD和TCON分別選擇它們的工作方式和表示它們的狀態。在定時器功能中，每個機器周期定時器加1，可以認為它是機器周期計數器，由于1個機器周期包含12個振蕩周期，定時器計數到的脈沖為振蕩頻率的1/12。5.并行I/O口MCS-51共有四個8位的I/O口(P0、P1、P2、P3)，以實現數據的并行輸入輸出。上一頁下一頁返回第一節 MCS-51單片機的內部組成及信號引腳6.串行口MCS-51單片機有一個全雙工的串行口，以實現單片機和其他設備之間的穿行數據傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發器使用，也可作為同步移位器使用。7.中斷

5、控制系統MCS-51單片機的中斷功能較強，以滿足控制應用的需要。8051共有5各中斷源，即外部中斷2個，定時/計數中斷2個，串行中斷1個。全部中斷分為高級和低級兩個優先級別。上一頁下一頁返回第一節 MCS-51單片機的內部組成及信號引腳8.時鐘電路MCS-51芯片的內部有時鐘電路，但石英晶體和微調電容需外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列。系統允許的最高晶振頻率為12MHZ。從上述內容可以看出，MCS-51雖然是一個單片機芯片，但作為計算機應該具有的基本部件它都包括，因此實際上它是一個簡單的微型計算機系統。上一頁下一頁返回第一節 MCS-51單片機的內部組成及信號引腳二、MCS-51的信號引

6、腳MCS-51微處理器采用40引腳的雙列直插封裝（DIP）方式，如圖2-2所示，仔0條引腳中，有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶振引腳，4條控制引腳和3條I/O引腳。下面分別敘述各引腳的功能。主電源引腳VSS和VCC：VSS（20）接地，VCC（40）正常操作時接+5V電源。外接晶振引腳XTAL1和XTAL2：當外接晶體振蕩器時，XTAL1和XTAL2分別接在外接晶體兩端；當采用外部時鐘方式時，XTAL1接地，XTAL2接外來振蕩信號。上一頁下一頁返回第一節 MCS-51單片機的內部組成及信號引腳控制引腳RST/VPD,ALE/ 、 、 。對于RST/VPD：當振蕩器正常運行時，在此引腳上出

7、現兩個機器周期以上的高電平使微處理器復位；VCC掉電期間，此引腳可接備用電源，以保持內部RAM的數據。 ：當訪問外部存儲器時，由微處理器的P2口送出地址的高8為，P0口送出地址的低8位，數據通過P0口傳送。 ：是程序存儲器讀選通信號，低電平有效。上一頁下一頁返回第一節 MCS-51單片機的內部組成及信號引腳EA/VPP(31)：當EA端保持高電平時，訪問內部程序存取器（4KB），但當PC（程序計數器）值超過0FFFH時，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，則只訪問外部程序存儲器（從0000H地址開始），而不管微處理器內部是否有程序存儲器。輸入輸出引腳P0.0P0.7（39

8、32）：P0口是一個漏極開路型準雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它是分時多路轉換的地址（低8位）和數據總線，在訪問期間激活了內部的上拉電阻。在EPROM編程時，它接收指令字節，而在驗證程序時，則輸出指令字節。驗證時，要求外接上拉電阻。上一頁下一頁返回第一節 MCS-51單片機的內部組成及信號引腳P1.0P1.7（18）：P1口是帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。在EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址。P2.0P2.7（2128）：P2口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它送出高8位地址。在對EFROM編程和程序驗證期間，它接收高8位地址。P3.0P3.7（1

9、017）：P3口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。在MCS-51中，這8個引腳還兼有專用功能。上一頁返回第二節 MCS-51單片機的中央處理器CPU一、運算器運算器包括算術邏輯部件ALU、位處理器、累加器A、寄存器B、暫存器以及程序狀態寄存器PSW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。ALU的功能十分強，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還具有一般的微機ALU所不具備的功能，即位處理操作，它可以位（bit）變量進行處理，如置位、清零、求補、測試轉移及邏輯“與”、“或”

10、等操作。下一頁返回第二節 MCS-51單片機的中央處理器CPU由此可見，ALU在算術運算及控制處理方面能力是很強的。累加器A是一個8位的累加器，從功能上看，它與一般微機的累加器相比沒什么特別之處，但需要說明的是A的進位標志Cy是特殊的，因為它同時又是位處理器的一位累加器。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做一個普通寄存器使用。MCS-51的程序狀態寄存器PSW是一個8位可讀寫的寄存器，它的不同位包含了程序狀態的不同信息，掌握并牢記PSW各位的含義是十分重要的，因為在程序設計中，經常會與PSW的各個位打交道。PSW各位的定義如表2-1所示。上一頁下一頁

11、返回第二節 MCS-51單片機的中央處理器CPU二、控制器控制部件是微處理器的神經中樞，以主振頻率位基準。控制器控制CPU的時序，對指令進行譯碼，然后發出各種控制信號，將各個硬件環節組織在一起。CPU的時序為每個機器周期（12個振蕩周期）由6個狀態周期組成，即S1、S2、S6，而每個狀態周期由兩個時相P1，P2組成。上一頁下一頁返回第二節 MCS-51單片機的中央處理器CPUCPU功能的強弱，主要可以用下幾個指標來衡量：（1）內部總現寬度，也稱字長、位數。位數越大運算精度越高，運算速度越快。（2）指令數。指令越多、編程越靈活。（3）執行每條指令所需時間或每秒鐘平均執行指令條數，常用的MIPS表

12、示每秒鐘執行指令的百萬條數。（4）尋址方式越多、對某一空間的尋址越靈活。MCS-51有5種尋址方式，MCS-96有6種尋址方式，Z80有6種尋址方式，MC6805有10種尋址方式。上一頁返回第三節 MCS-51的內部存儲器一、內部數據存儲器的結構（圖2-3）MCS-51數據存儲器在物理上和邏輯上都分為兩個地址空間：一個內部和一個外部數據存儲器空間。訪問內部數據存儲器，用MOV指令，訪問外部數據存儲器用MOVX指令。MCS-51內部數據存儲器共有128個字節單元。內部數據存儲器的00H1FH（共32個單元）為4個寄存器工作區，每區8個寄存器，表示為R0R7，如表2-2所示。由于每個寄存器區的8個

13、寄存器都記為R0R7，因此每次只能選擇一個寄存器區工作。寄存器工作區的選擇是通過狀態標志寄存器PSW的第3、4位，即RS1、RS0進行。下一頁返回第三節 MCS-51的內部存儲器內部數據存儲器20H2FH（16個單元）既可按字節尋址，作為一般工作單元，又可以按位CPU直接尋址，進行位操作。二、堆棧及堆棧指示器堆棧實際上是一種數據結構（如圖2-4所示），是只允許在其一端進行數據插入和數據刪除操作的線性表。數據寫入堆棧稱為壓入運算（PUSH），也叫入棧。數據從堆棧中讀出稱之為彈出運算（POP），也叫出棧。堆棧的最大特點就是“后進先出”的數據操作規則，常把“后進先出”寫為LIFO（Last-In.F

14、irst-Out），即先入棧的數據存放在棧的底部。堆棧有兩種類型:向上生長型和向下生長型。上一頁下一頁返回第三節 MCS-51的內部存儲器不論是數據進棧還是數據出棧，都是對堆棧的棧頂單元進行的，即對棧頂單元的寫和讀操作。為了指示棧頂地址，要設置堆棧指示器SP，其內容就是堆棧棧頂的存儲單元地址。MCS-51系列微處理器的堆棧是以棧頂滿的形式工作的。在執行PUSH期間，壓入數據前，SP加1；反之，在執行POP期間，彈出數據前，SP減1.SP寬為8位。由于堆棧指針可以由指令改變，因此堆棧可以設置在片內RAM中任一連續空間內。復位后，SP初始化值位07H，所以，堆棧從08H單元開始。上一頁下一頁返回第

15、三節 MCS-51的內部存儲器三、程序存儲器程序存儲器空間為0000HFFFFH，共64KB，其結構如圖2-5所示。其中低4KB（0000H-0FFFH）可以在單片機外部（8031），也可以在內部（8051、8751）。對沒有片內ROM的8031，只要在硬件設計時使 ，就可以使程序執行始終在外部ROM中進行；對有片內ROM的8051和8751，只要在硬件設計時使 ，程序開始執行的前4KB總是在片內ROM中，超過0FFFH（4KB）時，在片外ROM中。上一頁下一頁返回第三節 MCS-51的內部存儲器無論 ，還是 ，都由16位程序計數器（PC）作為尋址裝置。在整個程序存儲器的64KB空間中，000

16、0H0023H空間只能用于存放中斷服務子程序的向量地址，還有一組特殊單元是0003H002AH，共40個單元。這40個單元被均勻地分為五段，作為五個中斷源的中斷地址，如表2-3所示。上一頁返回第四節 I/O端口、時鐘電路與時序一、MCS-51的I/O端口輸入/輸出口也稱為I/O端口。 MCS-51單片機的四個I/O端口都是8位雙向口，這些端口在結構和特性上是基本相同的，但又各具特點。 I/O端口的作用在單片機中是一個集數據輸入緩沖、數據輸出驅動及鎖存等多項功能為一體的電路。8051共有32根引腳全部為I/O端口，分為4個8位口。8051單片機的4個端口都是雙向的，每個端口都包含鎖存器（特殊功能

17、寄存器中P0P3，地址分別為80H、90H、0A0H、0B0H）、輸出驅動器和輸入緩沖器。下一頁返回第四節 I/O端口、時鐘電路與時序每個端口的每一根引腳都可以獨立地用作輸入或輸出引腳。P0端口是三態雙向端口，稱為數據總線端口，因為只有該端口能直接用于對外部存儲器的讀/寫數據操作。P0端口還用以輸出外部存儲器的低8位地址。P1端口是8位準雙向端口，作通用I/O端口使用，在輸出驅動器部分，P1端口有別于P0端口，它接有內部上拉電阻。P1端口的每一位可以獨立地定義為輸入或者輸出，因此，P1端口既可以作為8位并行I/O端口，又可作為8位I/O端口。上一頁下一頁返回第四節 I/O端口、時鐘電路與時序P

18、2端口是8位準雙向I/O端口，P2端口可作通用I/O端口使用。P2端口電路中比P1端口多了一個多路轉換電路MUX，這又正好與P0端口一樣。但通常應用情況下，P2端口是作為高位地址線使用，此時多路轉換開關應倒向相反方向。當外接程序存儲數據時，P3端口給出地址的高8位，此時不能用作通用I/O端口。P3端口是一個8位的準雙向I/O端口。它具有多種功能：可以作為一般準雙向I/O端口，具有字節操作和位操作兩種工作方式；也可以用8條I/O線獨立地作為串行I/O端口和其他控制信號。上一頁下一頁返回第四節 I/O端口、時鐘電路與時序P1、P2、P3口的輸出緩沖器可驅動4個TTL電路。對于HMOS芯片單片機的I

19、/O口，在正常情況下，可任意由TTL或NMOS電路驅動。HMOS及CMOS型單片機的I/O由集電極開路或漏極開路的輸出來驅動時，不必外加上拉電阻。P0端口輸出緩沖器能驅動8個TTL電路，驅動MOS電路須外接上拉電阻，但P0端口用作地址/數據總線時，可直接驅動MOS的輸入而不必外加上拉電阻。如果MCS-51本書的I/O端口不能滿足用戶需要時，可以擴展I/O端口，MCS-51單片機外部RAM存儲器和外部擴展的I/O端口是同一編址的，CPU對它們的操作指令也相同，在外部64KB的RAM空間內，可以劃出一個區域作為擴展I/O端口的地址空間，因此I/O端口的擴展幾乎是不受限制的。上一頁下一頁返回第四節

20、I/O端口、時鐘電路與時序二、時鐘電路MCS-51單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器或陶瓷諧振器，就構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。兩種不同的時鐘電路如圖2-6所示。上一頁下一頁返回第四節 I/O端口、時鐘電路與時序對于內部振蕩方式的外部電路，電容器C1、C2起穩定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在530pF。晶振頻率的典型值位12MHz，采用6MHz的情況也比較多。內部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩定，實用電路中使用較多。外部振蕩方式是

21、把外部已有的時鐘信號引入單片機內。這種方式適宜來使單片機的時鐘與外部信號保持同步。外部振蕩信號由XTAL2引入，XTAL1接地。為了提高輸入電路的驅動能力，通常使外部信號經過一個帶有上拉電阻的TTL反相門后介入XTAL2。上一頁下一頁返回第四節 I/O端口、時鐘電路與時序三、基本時序單位時序是用定是單位來說明的。MCS-51的時序定時單位共有4個，從小到大依次是：拍節、狀態、機器周期和指令周期。把振蕩脈沖的周期定義為拍節（用P表示）。振蕩脈沖經過二分頻后，就是單片機的時鐘信號，把時鐘信號的周期定義為狀態s。一個狀態包含兩個拍節，其前半周期對應的拍節叫拍節1（P1），后半周期對應的拍節叫拍節2（

22、P2）。上一頁下一頁返回第四節 I/O端口、時鐘電路與時序MCS-51采用定時控制方式，因此它有固定的機器周期。一個機器周期總共有12個拍節，分別記作s1p1， s1p2， s16p2。由于一個機器周期共有12個振蕩脈沖周期，因此機器周期就是振蕩脈沖的12分頻，當振蕩脈沖頻率為12MHz時，一個機器周期為1s當振蕩脈沖頻率為6MHz時，一個機器周期為2s.指令周期是最大的時序定時單位，執行一條指令所需要的時間稱之為指令周期。MCS-51的指令周期根據指令的不同，可包含有一至四個機器周期。上一頁返回第五節 MCS-51單片機工作方式一、復位方式當MCS-51系列單片機的復位引腳RST（全稱RES

23、ET）出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執行復位操作。如果RST持續為高電平，單片機就處于循環復位狀態。根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現復位操作。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。下一頁返回第五節 MCS-51單片機工作方式上電后，由于電容的充電和反相門的作用，使RST持續一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵K后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現上電或開關復位的操作。根據時間操作的經驗，可以依據實際情況給出這兩種復位電路的電容、電

24、阻參考值。通常的復位邏輯電路如圖2-7所示。上一頁下一頁返回第五節 MCS-51單片機工作方式二、程序執行方式單片機上電復位和上電或開關復位后，單片機便可進入連續執行程序的狀態。由于復位時已把PC值清零。所以，程序將從0000H單元開始執行。如果用戶需要從別的起始地址開始執行程序，則必須先把該起始地址輸入單片機，然后才能從該起始地址開始執行。單片機從執行程序開始除非遇到設定斷點或軟件出現故障，否則中途不會停止，一直至程序執行完為止。上一頁下一頁返回第五節 MCS-51單片機工作方式三、低功耗方式8051在掉電保護情況下，由備用電源給單片機低功耗供電，因此掉電保護方式實際上就進入了低功耗方式。但

25、與HMOS的8051不同，CHMOS的80C51卻有兩種低功耗方式，即待機方式和進入掉電保護方式。要想使單片機進入待機或掉電保護方式，只要執行一條能使IDL或PD位為1的指令就可以完成。如果使用指令使PCON寄存器IDL位置1，則80C51即進入待機方式。這是振蕩器仍然運行，并向中斷邏輯、串行口和定時器/計數器電路提供時鐘，但向CPU提供時鐘的電路被阻斷，因此CPU不能工作，與CPU有關的如SP、PC、PWS、ACC以及全部通用寄存器也都被“凍結”在原狀態。在待機方式下，中斷功能繼續存在。上一頁下一頁返回第五節 MCS-51單片機工作方式四、掉電保護方式單片機系統在運行過程中，如發生掉電故障，

26、將會丟失RAM和寄存器中的程序和數據，其后果有時是很嚴重的。為此MCS-51單片機設置有掉電保護措施，進行掉電保護處理，具體做法是，先把有用信息轉存，然后再啟用備用電源維持供電。所謂信息轉存是指當電源出現故障時，應立即將系統的有用信息轉存到內部RAM中。信息轉存是通過中斷服務程序完成的。信息轉存后還應維持內部RAM的供電，才能保護轉存信息不被破壞。為此，系統應裝有備用電源，并在掉電后立即接通備用電源。備用電源由單片機的RST/VPD引腳引入。上一頁返回第六節 MCS-51單片機的存儲器一、存儲器的分類程序存儲器一般采用只讀存儲器，因為這種存儲器在電源關斷后，仍能保存程序，在系統上電后，CPU可

27、取出這些指令予以重新執行。數據存儲器一般采用RAM芯片，這種存儲器在電源關斷后，存儲的數據將全部丟失。RAM器件有兩類，即靜態RAM(SRAM)和動態RAM(DRAM)。另外，隨著時代的發展還出現了許多新的或特殊的存儲器。下一頁返回第六節 MCS-51單片機的存儲器二、擴展存儲器的編址所謂存儲器編址，就是使用系統提供的地址線，通過適當連接，最終達到一個編址唯一對應存儲器中一個存儲單元的目的。由于存儲器通常都是由多片存儲芯片組成的，為此存儲器編址分為兩個層次，即存儲芯片的選擇和芯片內部存儲單元的選擇。芯片的選擇比較復雜，所謂的存儲器編址，實際上主要是研究芯片的選擇問題。總的來說，芯片的選擇共有兩

28、種方法：譯碼法和線選法。上一頁下一頁返回第六節 MCS-51單片機的存儲器所謂譯碼法就是使用譯碼器對系統的高位地址進行譯碼，以其譯碼輸出作為存儲芯片的片選信號。這是一種常用的存儲器編址方法，能有效地利用存儲空間，適用于大容量多芯片存儲器擴展。譯碼電路可以使用現有的譯碼器芯片，圖2-8位譯碼器芯片，表2-4為真值表。常用的譯碼形式有2-4譯碼，3-8譯碼以及4-16譯碼等。上一頁下一頁返回第六節 MCS-51單片機的存儲器三、程序存儲器的擴展程序存儲器擴展使用只讀存儲器芯片，只讀存儲器簡稱為ROM。MCS-51單片機程序存儲器的尋址空間為64KB，對于8051/8751片內程序存儲器為4KB的R

29、OM或EPROM，在單片機的應用系統中，片內的存儲容量往往不夠，特別是8031，片內沒有程序存儲器，必須外擴程序存儲器。圖2-9為程序存儲器的擴展圖。上一頁下一頁返回第六節 MCS-51單片機的存儲器CPU在由外部程序存儲器取指令時，16位地址的低8位（PCL）由P0口輸出，高8位（PCH）由P2口輸出，而指令的8位指令碼而通過P0口輸入。CPU讀取的指令有兩種情況：一是不訪問數據存儲器的指令；二是訪問數據存儲器的指令。在不執行MOVEX指令時，P2口專門用于輸出PCH中的內容，因有鎖存功能，可直接與外部存儲器的地址線相連。P0口除了輸出PCL中的內容外，還要輸入指令，所以，必須用ALE信號鎖存PCL。在每個機器周期中，允許地址鎖存信號ALE兩次有效，且在下降沿時鎖存PCL。ALE信號的頻率是振蕩頻率的1/6，可用來做外部時鐘和定時時鐘。對 而言，也是每個機器中期兩次有效，適用于選通外部程序存儲器，使指令由P0口進入片內。上一頁下一頁返回第六節 MCS-51單片機的存儲器MCS-51單片機應用系統中使用得最多的EPROM程序存儲器時Intel公司典型的27系列芯片，如2764、27128和27512等芯片。EPROM一般都有五種工作方式：（1）讀方式：一般系統工作在這種方式。進