第1章MCS51单片机的组成及结构

51单片机的结构及其组成在前面的五节课当中，我们讲述的都是一些基础概念的知识，从这节开始，我们就正式的切入到我们所在学习的对象--51单片机。

学习单片机的内部结构之前，我们先了解下我们现在正在使用的计算机的几大组成部份：计算机的五个组成部份：运算器：用于实现算术和逻辑运算。

计算机的运算和处理都在这里进行；控制器：是计算机的控制指挥部件，使计算机各部份能自动协调的工作；存储器：用于存放程序和数据；（又分为内存储器和外存储器，内存储器就如我们电脑的硬盘，外存储器就如我们的U盘）输入设备：用于将程序和数据输入到计算机（例如我们电脑的键盘、扫描仪）；输出设备：输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果以用户需要的形式显示或保存（例如我们的打印机）。

注：1、通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器（Central Processing Unit）,简称CPU。

2、通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称之为计算机的外部设备。

上面讲的是我们的个人办公计算机，那么51单片机的内部又有些什么部件组成呢？1、中央处理单元（8位）数据处理、测试位，置位，复位位操作2、只读存储器（4KB或8KB）永久性存储应用程序，掩模ROM、EPROM、EEPROM3、随机存取内存（128B、128B SFR）在程序运行时存储工作变量和资料4、并行输入/输出口（I / O）（32条）作系统总线、扩展外存、I / O接口芯片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。

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：4KB2）内RAM：128B3）外ROM：64KB4）外RAM：64KB5）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128B11）布尔处理机：位处理机，某位单独处理12）指令系统：五大类，111条上图就是我们要研究学习的对象，51单片机摧部结构图了。

51单片机的内部结构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。

第二章MCS51单片机的基本结构与工作原理一、8051单片机内部包含哪些主要逻辑功能部件？提示：（1）CPU—包括运算器和控制器。

其中运算器主要有运算逻辑部件ALU（实质上就是一个全加器）、累加器A、暂存器TMP（如B寄存器、数据指针DPTR）、程序状态字PSW（寄存程序运行的状态信息）；控制器主要有程序计数器PC（实质是加1计数器）、指令寄存器IR（存放指令操作码的专用寄存器）、指令译码器、定时控制逻辑电路（按指令的性质发出一系列定时信号）、条件转移逻辑电路。

（2）内部RAM。

共有256个RAM单元。

其中低128个单元（00H—7FH）供用户使用，高128个单元（80H—FFH）是专用寄存器，有着特殊逻辑功能（又名特殊功能寄存器SFR）。

（3）内部ROM。

8031内部无ROM，8051有4KB掩膜ROM。

（4）定时/计数器。

MCS51共有2个16位的定时/计数器（T0、T1）。

（5）并行I/O口。

MCS51共有4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）。

（6）串行口。

MCS51有1个全双工的串行口。

（7）中断控制系统。

MS51共有5个中断源，且分两个优先级别。

（8）时钟电路。

系统允许的最高晶振频率为12MHz（主要用于通信）。

二、MCS51问片内RAM、片外提示：（1（2）（片内外统一编址空间共64KB）、128个单元中的21个单元SFR，高128个单元中的107个空闲地址，用户不能使用。

切记！）、片外数据存储器（寻址空间64KB）。

（3）从功能上划分为程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间、外部数据存储器。

访问片内RAM的指令助记符是MOV；如MOV P1，A访问片外RAM的指令助记符是MOVX；如MOVX @DPTR ，A访问片外ROM的指令助记符是MOVC；如MOVC A，@A+PC三、MCS51单片机片内RAM按用途可以划分几个区域？各有什么作用？（片内RAM低128单元划分哪三个主要部分？各部分主要功能是什么？）提示：片内RAM是最灵活的地址空间，在物理上分成两个独立的功能不同的区域，即低128个单元（00H —7FH）的数据RAM区、高128个单元（80H—FFH）的特殊功能寄存器SFR区（见下一题的回答）。

MCS-51单片机原理和接口技术习题参考答案第一章绪论1-1解答：第一台计算机的研制目的是为了计算复杂的数学难题。

它的特点是：计算机字长为12位，运算速度为5000次/，使用18800个电子管，1500个继电器，占地面积为150m2，重达30t，其造价为100多万美元。

它的诞生，标志着人类文明进入了一个新的历史阶段。

1-2解答：单片微型计算机简称单片机。

一个完整的单片机芯片至少有中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器及I/O接口等部件。

1-3解答：单片机的发展大致经历了四个阶段：第一阶段（1970—1974年），为4位单片机阶段；第二阶段（1974—1978年），为低中档8位单片机阶段；第三阶段（1978—1983年），为高档8位单片机阶段；第四阶段（1983年至今），为8位单片机巩固发展阶段及16位单片机、32位单片机推出阶段。

1-4解答：Intel公司的MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列产品；Motorola公司的6801、6802、6803、6805、68HC11系列产品；Zilog公司的Z8、Super8系列产品；Atmel公司的AT89系列产品；Fairchild公司的F8和3870系列产品；TI公司的TMS7000系列产品；NS公司的NS8070系列产品；NEC公司的μCOM87（μPD7800）系列产品；National公司的MN6800系列产品；Hitachi公司的HD6301、HD63L05、HD6305。

1-5解答：（1）8031/8051/8751三种型号，称为8051子系列。

8031片内没有ROM，使用时需在片外接EPROM。

8051片内含有4KB的掩模ROM，其中的程序是生产厂家制作芯片时烧制的。

8751片内含有4KB的EPROM，用户可以先用紫外线擦除器擦除，然后再利用开发机或编程器写入新的程序。

（2）8032A/8052A/8752A是8031/8051/8751的增强型，称为8052子系列。

1-1 单片机及其特点单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer),简称单片计算机.就是将CPU,RAM,ROM,定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机.※其主要特点如下:片内存储容量较小:原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部扩展.通常ROM,RAM可分别扩展至64KB.可靠性高:因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机.系统软件(如:程序指令,常数,表格)固化在ROM中,不易受病毒破坏.许多信号的通道均在一个芯片内,故运作时系统稳定可靠.便于扩展:片内具有计算机正常运行所必需的部件,片外有很多供扩展用的(总线,并行和串行的输入/输出)管脚,很容易组成一定规模的计算机应用系统.控制功能强:具有丰富的控制指令:如:条件分支转移指令,I/O口的逻辑操作指令,位处理指令.实用性好:体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化.1-2 单片机的发展第1阶段(1971年—1978年),以MCS-48系列为代表,称4位单片机.在片内:CPU有4位或8位;ROM有1KB或2KB;RAM有64B或128B;只有并行接口,无串行接口;只有1个8位的定时/计时器;中断源只有2个.在片外:寻址范围只有4KB;芯片引脚有40个.第2阶段(1978年—1983年),以MCS-51系列为代表,称8位单片机.在片内:CPU有8位;ROM有4KB或8KB;RAM有128B或256B;有串/并行接口;有2个或3个16位的定时/计时器;中断源有5至7个.在片外:寻址范围有64KB;芯片引脚有40个.第3阶段(1983年以后),以MCS-96系列为代表,称16位单片机.在片内:CPU有16位;ROM有8KB;RAM有232B;有串/并行接口;有4个16位的定时/计时器;中断源有8个;增加了D/A和A/D转换电路.在片外:寻址范围有64KB;芯片引脚有48个或68个.※以上MCS-51系列以其优良的性价比,在我国得到了广泛的应用.1-3 单片机的应用单片机主要有单机应用和多机应用.单机应用:(一个系统使用一块单片机——普通应用模式)家用电器:如高档的洗衣机,空调器,电冰箱,彩电,DVD,音响,手机,高档电子玩具等电器,用单片机做自动控制.智能设备:用单片机改造普通仪器,仪表,读卡机等,使其(集测量,处理,控制功能为一体)智能化,微型化. 网络与通信的智能接口:在大型计算机控制的网络或通信电路与外围设备的接口电路中,用单片机来控制或管理,可大大提高系统的运行速度和接口的管理水平.工业测控:对工业设备(如机床,汽车,高档中西餐厨具,锅炉,供水系统,生产自动化,自动报警系统,卫星信号接收等)进行智能测控,大大地降低了劳动强度和生产成本,提高了产品质量的稳定性.多机应用:(一个系统使用多块单片机——高科技应用模式)功能弥散系统:并行多机处理系统:局域网络系统:单片机的发展趋势单片机从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。

MCS-51 单片机简介MCS－51是指由美国INTEL公司（对了，就是大名鼎鼎的INTEL）生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，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MCS－51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。

INTEL公司将MCS－51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。

一、MCS－51的CPU由运算器和控制器组成。

1．运算器运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心，再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。

累加器ACC是一个八位寄存器，它是CPU中工作最频繁的寄存器。

在进行算术、逻辑运算时，累加器ACC 往往在运算前暂存一个操作数（如被加数），而运算后又保存其结果（如代数和）。

寄存器B主要用于乘法和除法操作。

标志寄存器PSW也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、借位等。

其每位的具体含意如下所示：PSW CY AC FO RS1 RS0 OV －P对用户来讲，最关心的是以下四位。

（1）进位标志CY（PSW.7）。

它表示了运算是否有进位（或借位）。

如果操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为1，否则为0。

（2）辅助进位标志AC。

又称半进位标志，它指两个八位数运算低四位是否有半进位，即低四位相加（或减）是否进位（或借位），如有AC为1，否则为0。

（3）溢出标志位OV。

MCS－51反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时，此位为1，否则为0。

MCS-51单片机的基本结构XTAL1XTAL2VCC VSSMCS-51单片机的基本结构:1、微处理器CPU ：为8位的CPU ，且内含一个1位CPU （布尔处理器），不仅可以处理字节数据，还可以进行位变量的处理。

2、内部数据存储器（RAM ）：128字节片内RAM 。

（8052系列为256字节）3、内部程序存储器（ROM/EPROM/）:8031无此器件，8051为4KROM ，8751为4KEPROM 。

4、定时器/计数器：内含2个16位定时/计数器，具有四种工作方式。

5、串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。

6、中断控制系统：具有5个中断源，2级中断优先权。

7、P0、P1、P2、P3：为4个并行8位I/O 口。

8、特殊功能寄存器（SFR ）：共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。

实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM 区。

12346758910111213144039383735343633323130292827P1.0P1.1P1.4P1.3P1.2P1.5RST/VPD P1.7P1.6RXD P3.0TXD P3.1T0 P3.4T1 P3.5Vcc P0.0P0.3P0.2P0.1P0.4P0.6P0.5P0.7P2.7PSEN P2.6EA/VPP ALE/PROG 151617181920WR P3.6RD P3.7XTAL1XTAL2VSS262524232121P2.5P2.1P2.2P2.0P2.4P2.3INTO P3.2INT1 P3.389C511、电源、时钟电路VCC（40脚）—+5V电源VSS（20脚）—地XTAL1（19脚）—芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输入端。

XTAL2（18脚）—芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输出端。

MCS-51的时钟可由内部方式或外部方式产生。

1）内时钟方式利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡，用示波器便可以观察到XTAL2输入的正弦波，定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，连接方法如图2.2（a）所示。