mcs-51单片机的内部结构

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MCS-51单片机内部数据存储器RAM结构详解

MCS-51 单片机内部数据存储器RAM 结构详解内部数据存储器低128 单元
8051 单片机的内部RAM 共有256 个单元，通常把这256 个单元按其功能划分为两部分：低128 单元(单元地址00H～7FH)和高128 单元(单元地址
80H～FFH)。

如图所示为低128 单元的配置图。

寄存器区
8051 共有4 组寄存器，每组8 个寄存单元(各为8)，各组都以R0～R7 作寄存单元编号。

寄存器常用于存放操作数中间结果等。

由于它们的功能及使用
不作预先规定，因此称之为通用寄存器，有时也叫工作寄存器。

4 组通用寄
存器占据内部RAM 的00H～1FH 单元地址。

在任一时刻，CPU 只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。

到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW 中
RS1、RS0 位的状态组合来决定。

通用寄存器为CPU 提供了就近存储数据的便利，有利于提高单片机的运算速度。

此外，使用通用寄存器还能提高程序编制的灵活性，因此，在单片机
的应用编程中应充分利用这些寄存器，以简化程序设计，提高程序运行速。

MCS-51单片机的内部结构及引脚

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谢谢
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谢谢！
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结构特点：
MCS-51系列单片机为哈佛结构（而非普林斯顿结构） 1）内ROM：4KB 2）内RAM：128B 3）外ROM：64KB 4）外RAM：64KB 5）I / O线： 32根（4埠，每埠8根） 6）定时/计数器：2个16位可编程定时/计数器 7）串行口：全双工，2 根 8）寄存器区：工作寄存器区、在内128B RAM中，分4个区， 9）中断源：5源中断，2级优先 10）堆栈：最深128B 11）布尔处理机：位处理机，某位单独处理 12）指令系统：五大类，111条
MCS-51单片机的内部结构及引脚
一、单片机硬件结构
内部结构引脚功能内存的配置 CPU时序 I / O接口
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二、概述
Intel MCS-51 系列单片机三个版本：8031、8051、 8751（8位机）
Intel MCS-96系列机：8096 （16位机）除此之外，Motorla公司、Zilog公司、Mcrochip相继推出产品，各系列产品内部功能、单元组成、指令系统不尽相同。 Intel公司单片机问世早，系列齐全，兼容性强，所以得到广泛使用。
作系统总线、扩展外存、I / O接口芯片
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5、串行输入/输出口（2条）串行通信、扩展I / O接口芯片
6、定时/计数器（16位、加1计数）计满溢出、中断标志置位、向CPU提出中断请求，与 CPU之间独立工作
7、时钟电路内振、外振。 8、中断系统五源中断、2级优先。
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第2章MCS-51单片机基本结构

令和四周期指令。
2.1.4
复位和复位电路
单片机在重新启动时都需要复位，MCS-51 系列单片机有一个复位引脚输入端RST。 1. MCS-51系列的单片机复位方法为：在RST上加
一个维持两个机器周期（24个时钟周期）以上
的高电平，则单片机被复位。 2. 复位时单片机各部分将处于一个固定的状态。
复位后单片机各单元的初始状态
R2 2 00
2 2u F
R S T/VP D
R1 1K
V ss
GND
未稳压电源
WDI R1 PFI MR R2 MAX813L P1.0
RESET
WDO
﹠
RST MCS-51
“看门狗”复位电路
2.1.5 MCS-51单片机的引脚功能
MCS-51单片机采用40脚双列直插式封装形式，主要包括以下几个部分： 1. 电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端，为十5V； Vss(20脚)：接地端，GND。 2. 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1为内部振荡电路反相放大器的输入端。 XTAL2为内部振荡电路反相放大器的输出端。 3. 控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA 4. I／O(输入／输出)端口P0、P1、P2和P3 5. MCS-51单片机P3口的第二功能
单片机各种周期的关系图
机器周期 S1 S2 S3 S4 S5 S6 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
时钟周期状态周期
1个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期
4、指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部
时间。每条指令执行时间都是有一个或几个机器周
期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指

第2章 MCS-51单片机结构与时序_110905

2.3.1 运算部件及专用寄存器组 2.3.2 控制部件及振荡器 2.3.3 单片机工作的基本时序
2.3.1 运算部件及专用寄存器组
运算部件以算术逻辑单元ALU为核心，包括一个位处理器和两个8位暂存寄存器（不对外开放），它能实现数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。累加器ACC 寄存器B 专用寄存器组程序状态字PSW 程序计数器PC 堆栈指针SP 数据指针寄存器DPTR
锁存器
A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 VCC VSS
地址总线 (AB)
数据总线 (DB)
VCC VSS
ห้องสมุดไป่ตู้(a)
(b)
MCS-51系列单片机引脚及总线结构
2.3 微处理器
Program State Word
accumulator
ALU －－Arithmetic and Logic Unit
图2.1 MCS-51单片机内部结构框图
1．算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B
算术逻辑单元不仅能完成8位二进制的加、减、乘、除、加 1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算，还能对8位变量进行逻辑"与"、"或"、"异或"、循环移位、求补、清零等逻辑运算，并具有数据传输、程序转移等功能。累加器(ACC，简称累加器A，地址E0H)为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁的寄存器。进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多来自于A，运算结果也常送回A保存。寄存器B（地址F0H ）是为ALU进行乘除法运算而设置的。若不作乘除运算时，则可作为通用寄存器使用。

第1章 MCS-51单片机结构

一个8位的CPU。程序存储器：4KBROM。
128字节RAM。
两个16位可编程定时器/计数器。可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。

32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）。
一个可编程全双工串行口。具有两个优先级嵌套的中断结构。
★ 掌握51系列单片机各存储空间的地址分配、使用特点。
位名称
1.3 特殊功能寄存器
CY：进/借位标志,反映最高位的进位借位情况，加法为进位、减法为借位。CY=1，有进/借位； CY=0，无进/借位。 AC：辅助进/借位标志,反映高半字节与低半字节之间的进/借位，AC=1有进/借位； AC=0无进/借位。 FO：用户标志位,可由用户设定其含义。 RS1，RS0：工作寄存器组选择位。 OV：溢出标志,反映补码运算的运算结果有无溢出有溢出 OV=1，无溢出OV=0。 -：无效位。 P：奇偶标志,运算结果有奇个“1”，P=1；运算结果有偶个“1”， P=0。

1.5 引脚功能
8XX51单片机有44引脚的方形封装和40个引脚的双列直插式封装形式，最常用的40个引脚DIP 封装。
各个引脚的功能如下： Vss:接地端。 Vcc:电源端，接+5V。 XTAL1，XTAL2: 接外部晶体或外部时钟。 RST/VPD：①复位信号输入。 ②接备用电源，当VCC掉电
在中断入口地址中通常用一条无条件转移指令，转到中断处理子程序。
1.2.2 外部数据储存器
用于存放随机读写的数据；

外部数据存储器和外部I/O口统一编址。控制信号相同，使用相同的MOVX指令访问。最多可扩展64KB外部数据存储器
1.2.3 内部数据储存器

MCS51单片机的结构

MCS51单片机的结构MCS-51单片机是Intel公司设计开发的一种高度集成的8位微控制器（microcontroller），主要应用于嵌入式系统中。

它采用了Harvard 架构，包含一个CPU核心、片内存储器、外围接口和定时器/计数器等功能模块。

在本文中，我将详细介绍MCS-51单片机的结构。

MCS-51单片机的结构主要分为以下几个部分：1.中央处理器（CPU）核心：MCS-51单片机的CPU核心采用了8位的数据总线和地址总线，以及一组功能强大的指令集。

该CPU支持多种指令，包括数据传送指令、算术逻辑指令、位操作指令和条件跳转指令等。

它还包括一个累加寄存器和标志寄存器，用于存储操作数和标志位信息。

2.存储器部分：MCS-51单片机包含片内存储器和片外存储器。

片内存储器主要用于存储程序代码和数据，包括ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）。

ROM用于存储程序代码，RAM用于存储数据和临时变量。

片外存储器通过地址线和数据线与单片机连接，可以扩展存储器容量。

3.输入输出（I/O）接口：MCS-51单片机通过多个I/O口与外部世界进行数据交互。

每个I/O 口包含一组引脚，可以用作输入或输出。

这些引脚可以通过配置寄存器来选择其功能。

MCS-51单片机还支持中断输入，可以用于实现外部设备的中断功能。

4.定时器/计数器（Timer/Counter）：MCS-51单片机内置了多个定时器/计数器模块，用于生成精确的时间延迟或测量外部事件的时间间隔。

定时器可以产生周期性的中断信号，用于实现定时任务。

计数器可以计数外部事件的脉冲数量，用于测量时间间隔。

5.串行通信接口：MCS-51单片机内置了一个串行通信接口，可以用于与其他设备进行数据传输。

该接口支持异步串行通信协议，如UART（通用异步收发器）或SPI（串行外围接口）等。

它可以通过配置寄存器来设置通信参数，如波特率和数据格式等。

6.时钟电路：MCS-51单片机需要一个精确的时钟源来驱动内部运算和外设操作。

MCS-51单片机的基本组成 - 单片机

MCS-51单片机的基本组成 - 单片机图1说明MCS-51系列单片机的基本组成。

1、8051单片机内部结构和功能1．中央处理器CPU（1）运算器1) 算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)2) 累加器ACC (Accumulator)3) 寄存器B4) 程序状态字PSW(ProgramStatusWord)程序状态字PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序运行的状态信息，以供程序查询和判断。

PSW程序状态字格式和含义如下:①Cy(PSW.7) 进位标志位。

Cy是PSW中最常用的标志位。

由硬件或软件置位和清零。

它表示运算结果是否有进位(或借位)。

如果运算结果在最高位有进位输出(加法时)或有借位输入(减法时)，则Cy由硬件置“1”，否则Cy被清“0”。

②AC(PSW.6) 辅助进位(或称半进位)标志。

当执行加减运算时，运算结果产生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置“1”；否则AC 位被自动清“0”。

③F0(PSW.5) 用户标志位。

用户可根据自己的需要对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，作为软件标志。

④RSl和RS0(PSW.4，PSW.3) 工作寄存器组选择位。

这两位的值决定选择哪一组工作寄存器为当前工作寄存器组。

由用户通过软件改变RSl和RS0值的组合，以切换当前选用的工作寄存器组。

其组合关系如表2-1所示⑤OV(PSW.2) 溢出标志位。

它反映运算结果是否溢出，溢出时则由硬件将OV位置“1”，否则置“0”。

⑥F1(PSW.1) 用户标志位，同F0(PSW.5）。

⑦P(PSW.0) 此位为奇偶标志位。

P标志表明累加器ACC中1的个数的奇偶性。

在每条指令执行完后，单片机根据ACC的内容对P位自动置位或复位。

若累加器ACC中有奇数个“1”，则P=1；若累加器ACC 中有偶数个“1”，则P=0。

5) 布尔处理器MCS-51的CPU是8位微处理器，它还具有1位微处理器的功能。

MCS-51单片机的内部结构

§ 2.2.2 控制器
1.程序计数器PC ( Program Counter )；
程序计数器PC：程序地址指示器，是16位专用寄存器，其内容表示下一条要执行的指令的16位地址。
PC具有自动加1的功能。系统复位后，PC=0000H。
§ 2.2.2 控制器
§2.2.1 运算器
（3）程序状态字PSW（字节地址：D0H）
寄存当前指令执行的某些状态；反映指令执行结果的一些特征。
1)四个状态标志位
C：进位标志位 AC：半进位标志位 P：奇偶标志位 OV：溢出标志位
2)设定标志位 F0、F1标志位：用户标志位 RS1、RS0：工作寄存器组指针
§2.2.1 运算器
（2）基本结构： 1)CPU 2)存储器 3)输入/输出接口电路 4)总线
§2.1 MCS-51单片机结构
总体结构
§2.1 MCS-51单片机结构
基本特性
•CPU :8位 •存储器:
•128字节RAM •21个专用寄存器（亦称特殊功能寄存器SFR） •4K字节ROM存储器 •并行口:4个8位并行口 •串行口:1个全双工的串行口 •定时器/计数器:2个16位的定时器/计数器 •中断系统:5个中断源,两个中断优先级 •寻址范围: 64K字节（程序存储区和外部数据存储区各64K）
RS1 RS0 00 01 10 11
寄存器区 0区 1区 2区 3区
§2.2.1 运算器
程序状态字
Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
⑤溢出标志OV： Overflow flag
作有符号数进行算术运算时，若计算结果超出-128~+127 范围，则OV置1，否则置0。
§2.2.1 运算器

第2章 MCS-51单片机的内部结构

P3.4 T0 P3.3 INT1 外部中断1请求外部中断请求计数器0外部输入计数器外部输入
当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”，个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“ I/O口作输入口使用时 P3.5 T1 计数器1外部输入计数器外部输入 P3.6 WR 外部数据存储器另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。 I/O口无高阻的另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。
2.4.2 内部数据存储器共128个字节， 128个字节， 128个字节字节地址为00H 7FH。 00H～字节地址为00H～7FH 00H～1FH：32个单 00H～1FH：32个单元，是4组通用工作寄存器区 20H～2FH：16个单 20H～2FH：16个单可进行128 128位的元，可进行128位的位寻址 30H FH：用户RAM 30H ～ 7FH ：用户 RAM 区，只能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。以及堆栈区。
I/O口引脚 2.2.3 I/O口引脚 P0口双向8位三态I/O I/O口地址总线（ (1) P0口：双向8位三态I/O口，地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。数据总线分时复用口，可驱动8 LS型TTL负载。负载 P1口准双向I/O I/O口可驱动4 LS型TTL负载负载。 (2) P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。转义引引脚与地址总线（高 8 位）复功能说明准双向I/O I/O口 (3) P2口：8位准双向I/O 口，与地址总线（脚可驱动4 LS型TTL负载负载。用，可驱动4个LS型TTL负载。RXD 串行数据接收端 P3.0 准双向I/O I/O口双功能复用口，可驱动4 (4) P3口：8位准双向I/O 口，双功能复用口，可驱动 4 P3.1 TXD 串行数据发送端 P3.2 INT0 外部中断0请求外部中断请求 LS型TTL负载负载。个LS型TTL负载。注意:准双向口与双向三态口的差别。注意:准双向口与双向三态口的差别。

MCS-51单片机内部结构

MCS-51单片机内部结构8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。

8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：·中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

·数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

·程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

·定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

·并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。

·全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

·中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

·时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。

单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。

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作为一般的寄存器用。
MCS-51的CPU：运算器 2.寄存器 (3) 程序状态字PSW
➢程序状态字是8位寄存器，用于指示程序运行状态信息。 ➢其中有些位是根据程序执行结果由硬件自动设置的，而有些位可由用户通过指令方法设定。
PSW中各标志位名称及定义如下：
位序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位标志 C AC F0 RS1 RS0 OV — P
程序状态字PSW
位序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位标志 C AC F0 RS1 RS0 OV — P
RS1，RS0：寄存器组选择位用于设定当前通用寄存器组的组号。通用寄存器组共有4组，其对应关系如下
RS1 RS0 寄存器组 R0~R7地址
0
0
组0
00~07H
0
1
组1
08~0FH
程序计数器PC
控制
堆栈指针SP
器数据指针DPTR
指令寄存器、译码器、定时
MCS-51的CPU：控制器
程序计数器PC（Program Counter）
✓ PC是一个16位计数器，其内容为单片机将要执行的指令机器码所在存储单元的地址。
✓ PC具有自动加1的功能，从而实现程序的顺序执行。 ✓ 由于PC不可寻址的，因此用户无法对它直接进行读
程序状态字PSW
位序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位标志 C AC F0 RS1 RS0 OV — P
C：也表示为 CY 进（借）位标志位 1. 在加减运算中，若操作结果的最高位有进位或有
借位时，CY 由硬件自动置1，否则就清0。 2. 在位操作中，CY 作为位累加器使用，参于进行位
➢D1位未定义。可用伪指令将它定义为F1，如同 F0一样，作为用户设定的软件标志位。 ➢ P：奇偶标志位。表示累加器A中数的奇偶性；在每个指令周期由硬件根据A的内容的奇偶性，对 P自动置位或复位。P=1，表示A中内容有奇数个1。
MCS-51的CPU
CPU: 运算器、控制器控制计算机各部分协调工作。
✓ 编程时，既可按16位寄存器使用，也可作为两个8位寄存器分开使用。DPH 为DPTR的高八位寄存器，DPL 为DPTR的低八位寄存器。
MCS-51的CPU：控制器
堆栈指针SP
进栈：使SP的内容增1后作数据压入操作；出栈：先把栈顶的数据弹出，然后使SP的内容减1。
乘法时，OV=1，表示结果大于255，结果分别存在A，B寄存器中。OV=0，表示结果未超出255，结果只存在A中。
除法时，OV=1，表示除数为0。OV=0，表示除数不为0。
程序状态字PSW
位序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位标志 CY AC F0 RS1 RS0 OV — P
写操作，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。 ✓ PC的寻址范围为64KB，即地址空间为0000～0FFFFH。
MCS-51的CPU：控制器
数据指针DPTR
✓ 数据指针DPTR为16位寄存器，它是MCS—51中唯一的一个16位寄存器。
✓ DPTR通常在访问外部数据存储器时作为地址指针使用，寻址范围为64KB。
第二章 MCS-51单片机的内部结构
➢ MCS-51单片机结构及工作原理 ➢ MCS-51单片机引脚及外部总线结构 ➢ CPU时序及辅助电路 ➢ MCS-51单片机存储器结构
MCS-51的总体结构
MCS-51系列单片机是高性能的8位单片机，该系列中有 8051、8031、8751等，这三种单片机除内置程序存储器有区别外，内部结构和引脚相同。其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼 MCS51系列单片机。
✓ 8031：内部无程序存储器ROM，须外接EPROM。 ✓ 8051：ROM型单片机，内含4K字节ROM。 ✓ 8751：EPROM型单片机，内含4K字节EPROM。
MCS-51的总体结构
MCS-51基本构成
➢ CPU :8位 ➢ 存储器:
➢128字节RAM ➢21个专用寄存器 ➢4K字节ROM存储器 ➢ 并行口:4个8位并行口 ➢ 串行口:1个全双工的串行口 ➢ 定时器/计数器:2个16位的定时器/计数器 ➢ 中断系统:5个中断源,两个中断优先级 ➢ 寻址范围: 64K字节（程序存储区和外部数据存储区各64K）
MCS-51的内部结构
MCS-51的CPU
CPU：单片机的核心部分，是单片机的指挥和执行部件。包含两个基本部分：运算器和控制器。
➢ 运算器：进行算术和逻辑运算，存储运算结果并作相应标记。
➢ 控制器：控制计算机各部分协调工作。
算术逻辑运算部件ALU
运累加器ACC 算 B寄存器
暂存寄存器TMP1、TMP2
1
0
组2
10~17H
1
1
组3
18~1FH
程序状态字PSW
位序 D7 D6 D5 DV — P
OV：溢出标志位
在带符号数（补码数）的加减中，OV=1表示运算的结果超出了累加器A的八位符号数表示范围（－128～ +127），产生溢出，因此运算结果是错误的。OV=0，表示未超出表示范围，运算结果正确。
器程序状态字寄存器PSW
BCD码调整电路等
程序计数器PC
控堆栈指针SP 制器数据指针DPTR
指令寄存器、译码器、定时
MCS-51的CPU：运算器
1.算术逻辑运算部件ALU：
完成各种算术运算和逻辑运算
2.寄存器：CPU内部没有单独的存储器，而是设置
了一些工作寄存器，暂存数据和状态等 (1)累加器ACC：可存放操作数和运算的中间结果； (2)寄存器B：主要用于乘、除运算。寄存器B也可
传送、位与、位或等位操作。另外某些控制转移类指令也会影响 CY 位状态。
程序状态字PSW
位序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位标志 C AC F0 RS1 RS0 OV — P
➢ AC：辅助进（借）位标志位。在加减运算中，当低四位向高四位进位或借位时此标志位由硬件自动置 1，否则就清0。 ➢ F0：用户标志位，由用户通过软件设定，用以控制程序转向。