第 2 章 MCS-51 单片机结构和原理

2.1 MCS-51 系列单片机特性2.2 从外部引脚初看 51 单片机2.3 从引脚使用二看单片机2.4 从内部结构三看 51 单片机2.5 并行输入 / 输出端口

2.1 MCS-51 系列单片机特性 MCS-51 系列单片机虽已有 10 多种

产品，但可分为两大系列：

MCS-51 子系列中主要有 8031 、 8051 、 8751 三种类型。

MCS-52 子系列也有 3 种类型 8032 、8052 、 8752 。各子系列配置见下表所示。

MCS-51 系列单片机特性

MCS—51 系列单片机芯片均为 40 个引脚 , HMOS 工艺制造的芯片采用双列直插（ DIP ）方式封装 , 其引脚示意及功能分类如图 2―3 所示。 CMOS 工艺制造的低功耗芯片也有采用方型封装 (PLCC) 的 , 但为44 个引脚 , 其中 4 个引脚是不使用的

2.2 从外部引脚一看 51 单片机

VCC （ 40 脚） : 接 +5 V 电源正端 ; VSS （ 20 脚） : 接 +5 V 电源地端

1. 主电源引脚 Vcc 和 V

ss

XTAL1 ：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部 TTL 时钟时，该引脚必须接地。XTAL2 ：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部 TTL 时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。

2. 外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2

/ALE PROG ：地址锁存允许信号 当 8051 上电正常工作后， ALE 引脚不断向外输出脉冲信

号，此频率为振荡器频率的 1/6 ，当 CPU 访问外部存储器时（振荡频率的 1/12 ）， ALE 输出信号作为锁存低 8 位地址的控制信号，不访问片外存储器时， ALE 端以振荡频率的 1/6 固定输出脉冲，因此 ALE 信号可用作对外输出时钟或定时信号。所以利用 ALE 引脚可以很方便的判断单片机是否正常工作。当单片机上电复位后，用示波器测 ALE 引脚，若有脉冲输出，则说明单片机最小系统外围电路连接正确，单片机正常工作。

PROG该引脚的第二功能

在对片内带有 4K 容量 EPROM 的 8751 编程时作为编程脉冲输入端。但是目前市面上很难买到 8751 芯片，通常都是 89C51 或 89S51 ，所以该引脚的第二功能可以不必了解

RST（ 9脚）：复位引脚对于微机系统都是必不可少的，该引脚可以保证程序跑飞后重新开始执行程序。对 51 单片机复位而言，高电平有效，只要在该引脚上输入两个机器周期以上的高电平，就可完成复位操作。 （ 29 脚）：访问外部程序存储器选通信号，

低电平有效。PSEN

引脚为高电平时， CPU 访问内部 ROM ，但当PC 指针超过 0FFFH 时（ 4K ），自动转向执行外部ROM ，引脚为低电平，则访问外部 ROM 。

/ PPEA V ：访问内部或外部 ROM 选择信号

PPV该引脚的第二功能 不必管

四个 8 位双向 I/O 端口（ P0 、 P1 、 P2 、 P

3 ） ;

每一条 I/O 线都能独立地作输入或输出。P0 口（ 32—39 ）低 8 位地址 / 数据线复用或 I

/O 口。P1 口（ 1—8 ） 常用的 I/O 口。P2 口（ 21—28 ）常用 I/O 口或高 8 位地址线。P3 口（ 10—17 ）常用 I/O 口 , 每个引脚还具有第二功能

I/O 口引脚（ 32 个引脚）

P3口第二功能

2.3 从引脚使用二看单片机

单片机最小系统的必备条件

1 、电源

2 、 EA 引脚

3 、晶体振荡电路

4 、复位电路

2.3.1 单片机最小系统的实现

单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的 , 而片内的时钟产生有两种方式 : 一种是内部时钟方式 ; 一种是外部时钟方式

片内振荡器及时钟信号的产生

采用内部时钟方式时 , 片内的高增益反相放大器通过 XTAL1 、 XTAL2 外接作为反馈元件的片外晶体振荡器（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器 , 向内部时钟电路提供振荡时钟。

振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率 , 一般晶体可在 1.2 ～ 12 MHz 之间任选 , 电容 C1 、 C2 可在 5 ～ 30 pF 之间选择 , 电容的大小对振荡频率有微小的影响 , 可起频率微调作用。

复位电路 通过某种方式 , 使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。 复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把 PC指针初始化为 0000H ，使单片机从 0000H单元开始执行程序。

如何进行复位呢？只要在单片机的 RST引脚上给出 2 个机器周期的高电平就可以完成复位操作（一般复位正脉冲宽度大于 10 ms ）。复位分为上电复位和外部复位两种方式。

（ a ） 上电复位电路 ; （ b ） 上电 / 外部复位电路

单片机最小系统

计算机在执行指令时 , 通常将一条指令分解为若干基本的微操作 , 这些微操作所对应的脉冲信号在时间上的先后次序称为计算机的时序。 振荡周期：振荡周期指为单片机提供定时信号的振荡源的周期或外部输入时钟的周期。 时钟周期（状态周期）： 2 个振荡周期为 1 个状态周期，用 S 表示。它分为 P1 节拍和 P2 节拍，通常在 P1 节拍完成算术逻辑操作，在 P2 节拍完成内部寄存器之间的传送操作。

2.3.2 时钟信号

机器周期：一个机器周期是指 CPU 访问存储器一次所需要的时间。 MCS － 51 的一个机器周期包括 12个振荡周期，分成 6 个状态： S1 ～ S6 ，每个状态又分为两拍，称为 P1 和 P2, 因此一个机器周期中的12 个振荡周期表示为 S1P1 、 S1P2……S6P1 、 S6P2

指令周期：指令周期即执行一条指令所占用的全部时间，通常为 1 ～ 4 个机器周期

例如 : 外接晶振为 12 MHz 时 , MCS—51 单片机的 4个时间周期的具体值为 : • 振荡周期 =1/12 μs; • 状态周期 =1/6 μs; • 机器周期 =1 μs;• 指令周期 =1 ～ 4 μs

2.3.3 复位状态

PSEN

MCS—51 单片机复位后 , 程序计数器 PC 和特殊功能寄存器复位的状态如下表。 复位不影响片内 RAM 存放的内容 , 而 ALE 、 在复位期间将输出高电平

PC=0000H 表示复位后程序的入口地址为 0000H;

PSW=00H, 其中 RS1(PSW.4)=0, RS0(PSW.3)=0, 表示复位后单片机选择工作寄存器 0 组 ;

SP=07H 表示复位后堆栈在片内 RAM 的 08H单元处建立 ;

P0 口～ P3 口端口电平为全 1 状态 ; 定时器 / 计数器、 串行口、 中断系统等特殊功

能寄存器复位后的状态对各功能部件工作状态的影响 , 将在后续有关章节介绍

2.4 从内部结构三看 51 单片机8051 内部集成了一台微型计算机的各个部分。

其中主要有 CPU 、存储器（ 4KB ROM 、 128B RAM ）、四个 8 位可编程 I/O 、定时 / 计数器、串行口等。

工作寄存器及特殊功能寄存器（ SFR ）

各部分通过内部总线相连。

单片机结构框图

频率基准源 计数器

内部总线

内中断 外中断 控制 并行 I/O口 串行输入/输出

8051

振荡器及定时电路

4K/8K字节程序存储器 ROM

128/256 字节数据存储器 RAM

2 个 16 位定时器/计数器

8051CPU

64K 字节总线扩展控制

可编程I/O口4×8 位

可编程串行口

2.4.1 中央处理器 CPU

中央处理器是单片机内部的核心部件 , 它决定了单片机的主要功能特性。 它由运算部件和控制部件两大部分组成

8051CPU 结构

运算部件以一个可进行 8 位算术运算和逻辑运算的单元 ALU 为核心 , 加上 8 位累加器 A 、 寄存器 B 、 暂存器 TMP1 和TMP2 、 程 序 状 态 寄 存 器 PSW （ FLAG ）及专门用于位操作的布尔处理机组成的，它能实现数据的算术逻辑运算 , 位变量处理和数据传送操作。

1 运算部件

ALU ：可对 4 位、 8 位和 16 位数据进行操作。不仅能完成加（带进位加）、 减（带借位减）、 乘、 除、 加 1 、 减 1 及 BCD加法的十进制调整等算术运算 ,还能进行逻辑“与”、 “或”、 “异或”、 求补、 清零等逻辑运算 , 并具有数据传送 , 程序转移等功能

算术逻辑单元 ALU

ACC简称累加器 A, 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。

累加器 ACC

程序状态字寄存器 PSW （ 8 位）是一个标志寄存器 , 它保存指令执行结果的特征信息 , 以供程序查询和判别。

寄存器 B

8 位寄存器，寄存器 B 是为 ALU 进行乘除法设置的，在进行乘除运算时， B 寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果，若不作乘除运算，则作为通用寄存器使用

程序状态字

CY （ PSW.7 ）——进位标志位。 AC （ PSW.6 ）——辅助进位（或称半进位）标志。 F0 （ PSW.5 ）——由用户定义的标志位。 RS1 （ PSW.4 ）、 RS0 （ PSW.3 ）——工作寄存器

组选择位。 OV （ PSW.2 ）——溢出标志位。 由硬件置位或清零PSW.1——未定义位。 P （ PSW.0 ）——奇偶标志位。

P—OVRS0RS1F0ACCY

PSW.7 PSW.0

程序状态字格式及含义

布尔处理（即位处理）是 MCS—51 单片机 ALU 所具有的一种功能。 单片机指令系统中的布尔指令集（ 17 条位操作指令） , 存储器中的位地址空间 , 以及借用程序状态标志寄存器 PSW 中的进位标志 CY 作为位操作“累加器” , 构成了单片机内的布尔处理机。

布尔处理机

2 控制部件控制部件是单片机的神经中枢，它包括程序计数器PC 、指令寄存器 IR 、指令译码器 ID 、振荡和定时电路等部件。

程序计数器 PC ：由两个 8 位的计数器 PCH 和 PCL 组成，共 16 位， PC实际上是程序的字节地址计数器， PC 中的内容可对 64KB 的 ROM （程序存储器）直接寻址，也可对片外 RAM寻址。指令寄存器 IR 、指令译码器 ID仅限于 CPU 对其操作，用户没有办法编程改变这些寄存器的值。

2.4.2 51 单片机存储器及存储空间MCS—51 单片机存储器从物理结构上可分为 : 片内、 片外程序存储器（ 8031 和 8032没有片内程序存储器）与片内、 片外数据存储器 4 个部分 ; 从寻址空间分布可分为 : 程序存储器、 内部数据存储器和外部数据存储器 3 大部分 ; 从功能上可分为 : 程序存储器、 内部数据存储器、 特殊功能寄存器、 位地址空间和外部数据存储器 5 大部分

MCS—51 系列单片机存储器包括片内 ROM （或 EPROM ）和 RAM 外 , 另外还有 128个字节的 RAM 区作为特殊功能寄存器（ SFR ）区。 片内、 片外程序存储器和数据存储器各自总容量为 64 KB 。

外部

52子系列内部ROM

内部

外部

RAM存储器（52子系列）

数据缓冲器

工作寄存器区

位寻址区（128位）

特殊功能寄存器（SFR）

FFH

80H

FFH

80H7FH30H2FH20H1FH00H

FFFFH

0000H

FFFFH

2000H1FFFH

1000H0FFFH0000H

EA=1 EA=0

程序存储器 内部数据存储器 外部数据存储器

FFFFH

0000H

2.4.3 程序存储器1 、程序存储器的编址

计算机的工作是按照事先编制好的程序一条条顺序执行的 , 程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数 , 它由只读存储器 ROM 或 EPROM 组成。

2. 程序运行的入口地址

实际应用时 , 程序存储器的容量由用户根据需要扩展， 而程序地址空间原则上也可由用户任意安排。 但程序最初运行的入口地址， MCS—51 单片机是固定的 , 用户不能更改。 程序存储器中有复位和中断源共 7 个固定的入口地址见下表

MCS—51 单片机复位和 中断入口地址

操作 入口地址

复位

外部中断 INTO

外部中断 INT1

定时器/记数器0溢出

定时器/记数器1溢出

串行口中断

定时器/记数器2溢出或T2EX端负跳变（MCS-52子系列） 002BH

0023H

001BH

0013H

000BH

0003H

0000H

2.4.4 内部数据存储器 MCS—51 系列单片机的内部数据存储器由读写存储器 RAM 组成 , 用于存储数据。 它由 RAM块和特殊功能寄存器（ SFR ）块组成 , 其结构如图所示。

第0组通用寄存器

第1组通用寄存器

第2组通用寄存器

第3组通用寄存器

位寻址区（位地址00H~7FH）

用户RAM区

2FH/30H

1FH/20H

17H/18H

0FH/10H

07H/08H

00H

7FH

即可位寻址，又可字节寻址

数据缓冲区、堆栈区、工作单元

R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7

内部 RAM块的 00H～ 1FH区 , 共分 4 个组 , 每组有 8 个工作寄存器 R0 ～ R7, 共 32 个内部 RAM单元。由 PSW中的 2 位 RS1 、 RS0来决定选哪一组为当前工作寄存器：

1 工作寄存器区（ 00H ～ 1FH ）

工作寄存器共有 4 组，通过程序状态字 PSW 中的 PSW.3 （ RS0 ）和 PSW.4 （ RS1 ）两位来选择哪 1 组寄存器工作。单片机上电复位后， RS1=RS0=0 ， CPU自动选择第 0 组为当前工作寄存器组。

根据需要，可利用传送类指令对 PSW字节操作或用位操作指令改变 RS1 和 RS0 的状态，以切换当前工作寄存器组，以实现快速现场保护。

2 位寻址区（ 20H ～ 2FH ） 20H ～ 2FH 单元为位寻址区 , 这 16 个单元（共计 128 位）的每 1 位都有一个 8 位表示的位地址 , 位地址范围为 00H ～ 7FH

单元地址 位地址

7FH 7EH 7DH 7CH 7BH 7AH 79H 78H 77H 76H 75H 74H 73H 72H 71H 70H

.

.

.

. 0FH 0EH 0DH 0CH 0BH 0AH 09H 08H 07H 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H

2FH2EH

.

.

.

..21H20H

3 数据缓冲区 30H ～ 7FH

30H ～ 7FH 是数据缓冲区，也即用户 RAM区，共 80 个单元。用户变量的定义都是在该缓冲区内。数据缓冲区主要为用户进行字节操作指令时提供字节变量定义。

在程序实际运行中 , 往往需要一个后进先出的 RAM区 , 在子程序调用、 中断服务处理等场合用以保护 CPU 的现场 , 这种后进先出的缓冲区称为堆栈。 MCS—51 单片机堆栈区不是固定的 , 原则上可设在内部 RAM 的任意区域内 , 但为了避开工作寄存器区和位寻址区 , 一般设在60H以后的范围内 栈顶的位置由专门设置的堆栈指针寄存器SP （ 8 位）指出。

4 堆栈与堆栈指针

MCS—51 单片机在使用堆栈之前，先给 SP赋值，以规定堆栈的起始地址，称为栈底。当数据压入堆栈后， SP自动加 1 ，即 RAM 地址单元加 1 ，以指出当前堆栈位置， 8051 的这种堆栈结构属向上生长型 , 如下图

注：用户编程只需要规定栈底地址后，不对堆栈操作，堆栈操作由编译器完成。

2.4.5 特殊功能寄存器 (SFR)

特殊功能寄存器 SFR, 又称为专用寄存器。 它专用于控制、 管理单片机内算术逻辑部件、 并行 I/O 口锁存器、 串行口数据缓冲器、 定时器 / 计数器、 中断系统等功能模块的工作 , SFR 的地址空间为 80H ～ FFH

先介绍部分特殊功能寄存器，其他在以后课程中介绍1 、累加器 ACC （ E0H）2 、寄存器 B （ F0H）3、程序状态寄存器 PSW（ D0H）4 、堆栈与堆栈指针5 、数据指针寄存器 DPTR注： PC 也为双字节寄存器，但是不在 80H ~ FFH范围内

数据指针寄存器 DPTR

16位寄存器，包括两个 8 位寄存器 DPL和 DPH，地址分别为 82H和 83H。 DPTR既可以作为一个 16位寄存器来处理，也可以作为两个独立的 8 位寄存器来使用。 DPTR 主要用于访问外部 RAM 时作为地址指针，也可访问 ROM 中的表格常数。

注：单片机中唯一的 16 位寄存器 注： PC也为 16 位寄存器，但存在控制部件中，不属于特殊功能寄存器

P0

87 86 85 84 83 82 81 80P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0

80H

P1

TL1TL0

TCON

PCON

SP 81H

83H82H

87H

88H

89H

8BH8AH

8DH8CH

90H

8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0

GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0

97 96 95 94 93 92 91 90P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0

TH1TH0

TMOD

DPHDPL

SMOD

98HSCON

寄存器 位地址/位定义 地址

B

ACC

PSW

IP

P3

IE

P2

SBUF 99H

A0H

A8H

B0H

B8H

D0H

E0H

F0H

A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3.0

BC BB BA B9 B8

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY AC F0 RS1 RS0 OV P

E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0

F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0功能名称

B寄存器

累加器

PS PT1 PX1 PT0 PX0

ES ET1 EX1 ET0 EX0 AC AB AA A9 A8

9F 9E 9D 9C 9B 9A 99 98SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI

程序状态寄存器

中断优先级控制寄存器

P3口数据寄存器

中断运行控制寄存器

P2口数据寄存器

串口发送/接收缓冲器

程序状态寄存器

P1口数据寄存器

T1计数器高8位T0计数器高8位

数据指针高8位电源控制寄存器

数据指针低8位堆栈指针寄存器

P0口数据寄存器

定时器控制寄存器

定时器方式控制寄存器T0计数器低8位T1计数器低8位

B.7 B.6 B.5 B.4 B.3 B.2 B.1 B.0

ACC.7 ACC.0

2.5 并行输入 / 输出接口 1. P0 口结构 P0 口作为低八位地址 / 数据分时复用口 , 也可作为通用 I/O 接口。 P0 口作为通用 I/O 使用时，必须外接上拉电阻

2.5 并行输入 / 输出接口 2 、 P1 口结构 P1只有一种功能 , 即通用输入输出 I/O 接口

2.5 并行输入 / 输出接口 3. P2 口结构 P2 口作为高八位地址线 , 也可作为通用 I/O 接口。

2.5 并行输入 / 输出接口 4 、 P3 口结构P3除作为通用输入输出 I/O 接口，还拥有第二功能，大多数情况下 P3 口作为第二功能。

并行 I/O口总结

  输入：MOV A,P0 该引脚无锁存功能，也可 位访问（先给端口写入１）

通用Ｉ／Ｏ方式　　　　　　　　　　　　　 输出： MOV　 P0,#data 　写端口，要锁存，

也可位访问，其中Ｐ０接上拉电阻

端口操作： ORL P0 ， #data 等“读　修改　写”指令，读的是锁存器。

地址 / 数据复用： 只有Ｐ０具有用于访问片外存贮器， MOVX ， MOVC 指令或执行外部程序存贮器中的程序

　　　　　　　　　

　　  高８位地址线：Ｐ２具有　　　　　有外部程序存贮器，执行时自动访问该外部存贮器 有外部ＲAＭ，且按１６位编址

ＭＯＶＸ　　Ａ ,@ ＤＰＴＲＭＯＶＸ　　 @ ＤＰＴＲ，ＡＭＯＶＣ　　Ａ ,@ Ａ＋ＰＣＭＯＶＣ　　Ａ ,@ Ａ＋ＤＰＴＲ

第２功能　 Ｐ３口有５个输入功能，３个输出功能　　　　　　　　

负载能力全部针对端口作为输出而言

P0 作为输出时可驱动 8 个 LS 型 TTL负载

P1 、 P2 、 P3 作为输出时可驱动 4 个 LS 型 TTL负载

端口负载能力和接口要求