在本章中，主要講以下幾個部分：（2H）MCS-51單片機的內部結構及功能；（重點難點）MCS-51單片機的引腳功能；最小系統(tǒng)應用舉例；第二章MCS-51單片機結構及工作原理一、MCS-51單片機的內部結構及其功能(P8)

單片機定義：中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM（EPROM，E2PROM）、定時計數(shù)器CTC和多個輸入/輸出接口I/O等集成在一塊晶體芯片上，構成一臺功能獨特的、完整的單片微型計算機。圖2.1MCS-51系列8051單片機的內部結構框圖SFR1.MCS-51的基本特性：

8位CPU，片內振蕩器(晶振)4KB(Byte)ROM，128BRAM；

21個特殊功能寄存器（SFR,特殊功能寄存器）；

32根I/O線；P0.0-P0.7；P1.0-P1.7；P2.0-P2.7；P3.0-P3.7；可尋址各64K外部數(shù)據(jù)、程序存貯器空間；

2個16位的定時器／計數(shù)器；中斷結構：具有兩個優(yōu)先級，五個中斷源；一個全雙工的串行口；有位尋址功能，適于布爾處理的位處理機。▽2.各部分的功能（P15）（1）CPU

由運算器ALU(ArithmeticalandlogicalUnit)和控制器C(Controller)組成。1）ALU：8位的算術/邏輯運算核心部件。通過內部總線掛在其周圍的暫存器TMP1，TMP2，累加器ACC，寄存器B，程序狀態(tài)標志寄存器PSW以及布爾處理機就組成了整個運算器的邏輯電路。除了位操作有專門的位處理機完成外，運算器ALU主要完成：算術運算、邏輯運算、移位功能。▽①程序狀態(tài)標志寄存器PSW(ProgramStateWord)：是一個8位的寄存器。用來存放運算結果的一些特征。各位的定義如下：（P15）各位定義如下：CY：進/借位標志。操作結果在最高位有進位位(在加法時)或有借位位（減法時）。則CY=1，否則CY=0AC：輔助進位標志。8位運算低四位是否有半進位。OV：溢出標志位。有正負數(shù)兩個數(shù)運算,結果超出+127~-128DF0:

用戶標志位。P:

奇偶標志位。累加器A中的1的個數(shù)為奇，則P=1；否則P=0.F1RS1、RS2組選擇標志，用于選擇內部RAM中4組工作RS(Register)寄存器中的一組。如表2-1所示(P18)。F1：用戶標志位。用戶可以用于存1位數(shù)據(jù)(有些產品不支持).F1地址RAM空間說明7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)…堆棧區(qū)只能字節(jié)尋址30H工作單元2FH位地址：00H~7FH16個字節(jié)的128位可以實現(xiàn)位尋址，也可以字節(jié)尋址…20H1FH3區(qū)…2區(qū)四個工作寄存器組(32)1區(qū)00H0區(qū)表2-2RAM空間分配示意圖則：CY=1,AC=0,P=1,OV=D7CY⊕D6CY=1⊕0=1PSW=85H例：兩個數(shù)11000011與10101010相加，運算結果對于標志位的影響。設：F1=0，F(xiàn)0=0，RS1=RS0=0，②累加器ACC：8位專用RS，用于存放操作數(shù)或中間結果，是CPU中使用最頻繁的一個RS，也是21個SFR中的一個。

ACC與ALU直接相連，加、減、乘、除、移位以及其他邏輯運算都要使用ACC作為數(shù)據(jù)的存放地。另外，外部數(shù)據(jù)的讀/寫也都必須使用ACC。

ACC有兩種表達：A和ACC。

A表示寄存器；

ACC表示用地址表達的寄存器(存儲器)。如ACC.0~ACC.7。③算術／邏輯運算ALU

：實現(xiàn)算數(shù)運算與邏輯運算的功能，其運算結果的狀態(tài)送PSW中。④寄存器B

：用于乘、除法操作，8位RS，是21個SFR中之一，B用來存放第二操作數(shù)，同時運算結束后用于存放乘法的高位字節(jié)或除法的余數(shù)部分。⑤暫存器：暫存數(shù)據(jù)信息。⑥布爾處理機是51單片機ALU所具有的一種功能，即：位處理能力。單片機指令系統(tǒng)中一共有17條位操作指令，片內數(shù)據(jù)存儲器中的20H~2FH中的位地址單元和SFR（特殊功能寄存器）中地址能8整除的寄存器構成位尋址空間，以及借用PSW（程序狀態(tài)字）中的進位標志C作為位操作“累加器”，構成了51單片機內的布爾處理機。可對直接尋址的位變量進行位處理，如置位、清零、取反、測試轉移以及邏輯“與”、“或“等位操作。

2）控制器C：CPU的大腦中樞，它包括定時控制邏輯，指令RS，譯碼器，16位的地址指針DPTR及程序計數(shù)器PC，堆棧指針SP以及RAM地址RS，16位地址緩沖器等。①程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）：16位專用RS，用于存放下一條要執(zhí)行指令在程序存儲器中的地址。基本工作方式有以下三種（P16）程序計數(shù)器自動加1（順序執(zhí)行）；執(zhí)行有條件轉移或無條件轉移指令時，PC將被置入新的數(shù)值，從而使程序的流向發(fā)生變化（轉移）；執(zhí)行子程序調用或中斷調用，完成下列操作：i）PC的現(xiàn)行值保護，以便處理完中斷后返回。ii）將子程序入口地址或中斷向量的地址送入PC。（調用）②數(shù)據(jù)指針DPTR：16位專用地址指針RS，主要用于存放16位地址，作間接尋址RS使用。也可拆成兩個8位RS，DPH和DPL，它們片內RAM中占據(jù)的地址分為83H和82H。(P21)▽CPUALU控制器C程序狀態(tài)標志寄存器PSW累加器ACC算術／邏輯運算B寄存器暫存器布爾處理器程序計數(shù)器PC地址指針DPTR指令RS指令譯碼器存儲器及存儲空間(ROM/RAM)--P17

MCS-51單片機物理上有4個相互獨立存儲空間：片內程序存儲器，片外程序存儲器，片內數(shù)據(jù)存儲器，片外數(shù)據(jù)存儲器。這些存儲器結構的物理特點是：*

程序存儲器(ROM)和數(shù)據(jù)存儲器(RAM)地址空間是相互獨立的;*

片內數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間也是相互獨立的.

所以從邏輯上又可分為3個存儲空間：片、外統(tǒng)一編址的程序存儲器，片內數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。（課本P18圖2.4）▽存儲器及存儲空間(ROM/RAM)(P18)128B的片內數(shù)據(jù)存儲器21個特殊功能寄存器4KB▽表2-2MCS-51存儲器空間配置MCS-51采用40引腳雙列直插式封裝(DIP)形式，如圖2.2所示(P13)。

4個并行口（P0~P3）共有32根引腳，可分別用作地址線、數(shù)據(jù)線和I／O線；

6根控制信號線；

2根電源線。二、MCS-51單片機的引腳功能（p13）圖2.2

MCS-51單片機的引腳圖P0P2P1P3VSS40只引腳按功能分為3類：（P13）

（1）電源、地及時鐘（晶振）引腳:Vcc、GND(Vss);XTAL1、XTAL2。（2）控制引腳：PSEN、EA、ALE、RESET（即RST）。（3）I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口的外部引腳。2.引腳的功能如下：

①主電源：GND（Vss）(Pin20：地)Vcc(Pin40：+5v)。②外接晶振：XTAL1、XTAL2；（P16）⑴XTAL1（Pin19）：片內晶振器輸入端，當使用外部晶振器，作為晶振信號的輸入端。⑵XTAL2（Pin18）：片內晶振器輸出端，當使用外部晶振器，此端懸空。如2-2（b）所示。(a)內部晶振方式（11.0592MHz）(b)外部晶振方式圖2-2MCS-51的晶振方式Pin19Pin19Pin185~30pF5~30pF采用內部時鐘方式時，如圖2.3(a)所示，片內的高增益反相放大器通過XTALl、XTAL2端外接作為反饋元件的片外晶體振蕩器(呈感性)與電容組成的并聯(lián)諧振回路構成一個自激振蕩器，向內部時鐘電路提供振蕩時鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率，一般晶體可在1.2～12MHz之間選擇，電容C1、C2可在5～30pF之間選擇，電容的大小對振蕩頻率有微小的影響，可起頻率微調作用。

采用外部時鐘方式時，如圖2.3(b)所示，外部振蕩信號通過XTAL1端直接接至內部時鐘電路，這時內部反相放大器的輸入端(XTAL2端)應懸空(此接法適用于CHMOS型51單片機)。通常外接振蕩信號為低于12MHz的方波信號。圖2.14常見的兩種單片機復位電路圖③控制信號引腳（P34）⑴RST/VPD(Pin9)：復位信號系統(tǒng)/備用電源輸入引腳，輸入信號，有兩個作用：①RST端維持兩個機器周期以上的高電平時，即可將單片機復位。②當電源電壓下降時，此引腳可為備用電源輸入線，為片內RAM提供備用電源。復位電路如圖2.14所示。復位后各寄存器的特點為：四個I/O口P0～P3鎖存器均被初始化為0FFH；堆棧指針寄存器SP=07H；特殊功能寄存器SFR和程序計數(shù)器PC被清0；其它各專用RS均被寫成00H；內部RAM不受復位影響，上電后RAM內容為隨機。

(Pin30）：地址鎖存允許信號有三個作用:1）在存取片外存儲器時，每機器周期有效兩次的信號輸出，用于鎖存低位地址字節(jié)（P0口）。2）用于外部時鐘和定時。ALE端仍以上述不變的頻率(振蕩器頻率的1/6)周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，可作為對外輸出的時鐘脈沖或給定時器使用。3）在進行EPROM編程時，作為編程脈沖輸入端。⑵ALE/⑶（Pin29）：程序輸出允許信號（Pin27）

外部程序存儲器（EPROM）“選通”信號線，當CPU讀取外部程序時，每個機器周期兩次有效。⑷/VPP（Pin31）：內部和外部程序存儲器選擇信號。程序memory選擇線/編程時電源輸入線，作用如下：①當=0

時CPU只能訪問片外ROM；（P11）②當

=1時，如果PC﹤﹦0FFFH（4KB）時，則CPU訪問片內ROM，否則CPU自動轉向外部EPROM。③EPROM，編程時，此引腳接21V編程VPP

；▽④

I/O口（P25）

準雙向端口工作特點：只有使端口鎖存器事先置“1”，才能使對應口的I/O引腳作為輸入線使用，而CPU執(zhí)行輸出操作時，不管端I/O口的狀態(tài)如何都能直接輸出信號。(P25~P28)

接口數(shù)據(jù)/地址I/O驅動能力備注P0雙向、A0~A7準雙向8個LSTTLP0為輸入口時，需加上拉電阻P1可按位編程4個LSTTLP2雙向、A8~A15準雙向4個LSTTL第二功能（見表2-4）通用I/O4個LSTTL表2-3P0~P3口的特點（1）MCS-51單片機有4個8位I/O端口P0～P3：P3P3口▽▽圖2.7P0口的位結構（2）輸入/輸出端口（P25）

P0口是一個真正的雙向數(shù)據(jù)總線口，并分時送出地址的低８位。圖2.7是P0口的位結構，它包括一個輸出鎖存器，兩個三態(tài)緩沖器，一個輸出驅動電路和一個輸出控制電路。其中輸出驅動電路由一對FET（場效應管）組成，其工作狀態(tài)受輸出控制電路的控制。A/D1101A/D0Q1=10V2V1輸出數(shù)據(jù)/地址時:(正真的雙向口)

控制=1A/DP0.XI/O口時:(準雙向口)

控制=0寫鎖存器輸出CL內部總線FET反相P0.X

內部總線P0.XQ做一般的I/O使用，先向口寫“1”（以防止內部總線之前寫入為“0”時，P0.X被鉗置為0.）

P0口作為I/O總線使用，不外加上拉電阻，作一般I/O口時，驅動電阻處于開漏狀態(tài)，故需外加上拉電阻。

P0:（P26）圖2.9P2口的位結構（2）輸入/輸出端口

P2當系統(tǒng)中接有外部存貯器時，P2口可用于輸出高八位地址，若當作通用I/O口用，P2口則是一個準雙向口。通道口P2

口的位結構如圖2.9所示。（P27）A/D1Q1=01V2V1輸出地址時:地址=1地址P2.XI/O口時:

地址=0寫信號鎖存器內部總線

P2.X

內部總線反P2.XQ做一般的I/O使用，先向口寫“1”。

P1~P3在不外加上拉電阻，可驅動3個LSTTL.

P2:選擇輸出功能圖2.10P3口的位結構（2）輸入/輸出端口

P3是一個多用途的端口，也是一個準雙向口。可以同P1口一樣作為第一功能口（即通用I/O端口），如2.10圖所示；也可以把每個位獨立定義為第二功能（即選擇輸出功能的控制線）（P28）通用的I/O口時，選擇輸出功能=1

內部總線P2.X如（讀/寫信號：RD/WR）寫鎖存器和選擇輸出功能均為“1”是，可使用P3的第二功能而上電復位后，二者均為“1”，滿足條件，用戶不用做任何工作。P3:表2.8P3口第二功能P3第二功能（P28）

最小系統(tǒng)應用舉例圖2.8P1口的位結構（3）輸入/輸出端口

P1口是一個標準的準雙向口，其位結構見圖2.8中。在組成應用系統(tǒng)時，它往往作通用的I/O口使用。作一般的I/O口時，內部總線P1.X只有在8032/8052中：

P1.0作為CTC的T2的外部輸入端。

P1.0作為CTC的T2的外部控制輸入端，用T2EX表示。P1:只是在8032/8052中，P1.0和P1.1是多功能的。除作一般雙向I/O口使用外，P1.0還用來作定時器／計數(shù)器2的外部輸入端，并以標識符T2表示；P1.1則可作為定時器／計數(shù)器2的外部控制輸入，以T2EX表示。三、MCS-51單片機最小系統(tǒng)應用舉例；

最小系統(tǒng)：使單片機正常運行，完成最簡單功能的系統(tǒng)。

8031無片內程序存儲器，因此，其最小系統(tǒng)必須在片外擴展EPROM。

8031最小系統(tǒng)包括：復位電路、時鐘電路、程序存儲器擴展電路。8051最小系統(tǒng)包括：復位電路、時鐘電路。圖2-88031最小應用系統(tǒng)圖2-8為8031外擴程序存儲器的最小應用系統(tǒng)。(P24)該系統(tǒng)僅完成數(shù)字量的輸入和輸出控制。A0~A7RST三總線分析：

80512716AB(地址總線)：P0.0~P0.7