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第 2 讲： MCS-51 的硬件结构

电气工程系赵志衡

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MCS-51 单 片 机 原 理 及 设 计MCS-51 单 片 机 原 理 及 设 计

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本讲课程主要内容（1）51的资源（2）51的外观及引脚简介（3）51的CPU

（4）51的存储器结构（5）51的I/O端口（6）复位电路（7）时钟电路

MCS-51 单 片 机 的 硬 件 结 构MCS-51 单 片 机 的 硬 件 结 构

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51 的资源 包括：微处理器 （ 8 位 CPU ） 数据存储器（ RAM ） 程序存储器（ ROM/EPROM ） I ／ O 口 （ P0 口、 Pl 口、 P2 口、 P3

口） 同时具有串行通讯、定时器 / 计数器、中断系统

及特殊功能寄存器（ SFR ）。

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资源的简单说明

1 ．数据存储器（ RAM ）： 51 片内为 128 个字节， 52 为 256 字节。片外最多可外扩至 64k 。

2 ．程序存储器（ ROM/EPROM ）： 8031 不含； 8051 为 4k ROM ，但用户不可改写。 8751 则为 4k EPROM 。 片外最多可外扩至 64k

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资源的简单说明

3 ．中断系统：具有 5 个中断源，分为 2 个中断优先级。

4 ．定时器 / 计数器： 2 个 16 位定时器 / 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 ． P0~P3 口：为 4 个并行 8 位 I/O 口。

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资源的简单说明

7 ．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，是一个具有特殊功能的 RAM 区。

8 ．微处理器（ CPU ）：为 8 位的 CPU ，且内含一个 1 位的位处理器，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。

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51 片内结构

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资源的特点 MCS-51 单片机的硬件结构具有功能

部件种类全，功能强等特点。 特别指出： MCS-51 除具有 8 位数

据处理运算能力外，还具有 1 位处理功能，这使得 51 在逻辑电路仿真、过程控制方面是非常有效。

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51 的外观及引脚

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引脚的分类（ 1 ）电源及时钟引脚： Vcc 、 Vss 、 XTAL1 、

XTAL2.

（ 2 ）控制引脚： PSEN 、 ALE 、 EA 、 RESET

（ 3 ） I/O 口引脚： P0 、 P1 、 P2 、 P3 。

MCS-51 属于三总线结构：数据总线（ DB ）地址总线（ AB ）、控制总线（ CB ）。

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引脚功能分类

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1 电源及时钟引脚• 电源引脚： Vcc （ 40 ） +5V 、 Vss （ 20 ） GND

• 时钟引脚： XTAL1 、 XTAL2.

采用片内振荡器时，这两个引脚接晶振；采用外部振荡器时， XTAL1 接地， XTAL2 接外部振荡器的输出端。

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2 控制引脚• RST ／ VPD （ 9 脚）：当振荡器启振后，

在此引脚加上两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。在单片机正常工作时，此脚应为 <0.5V 低电平。

另外，此引脚可接上备用电源，系统掉电时向内部 RAM 供电，使其保持数据。

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• ALE ／ PROG （ 30 脚）：当访问单片机外部存储器时， ALE （地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于 16 位地址的低 8位的锁存信号。

即使不访问外部锁存器， ALE 端仍有正脉冲信号输出，此频率约为时钟振荡器频率的

1 ／ 6 。但在执行某些指令时会不发出 ALE 信号，因而用户不能用做时钟源或定时。

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• PSEN （ 29 脚）：是访问外部程序存储器的读选通信号。

• EA （ 31 脚）：当 EA 端保持高电平时， 51 先访问内部程序存储器，但在 PC （程序计数器）值超过 0FFFH 时（对于 8051 、 8751 来说），将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

当 EA 保持低电平时，不管是否有内部程序存储器，只访问外部程序存储器。

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3 I/O 口引脚• P0 口：双向 8 位三态 I/O 口，此口为地址

总线（低 8 位）及数据总线分时复用口可带 8 个 LSTTL 负载。

• P1 口： 8 位准双向 I/O 口，可带 4 个 LSTTL 负载。

• P2 口： 8 位准双向 I/O 口，与地址总线（高 8 位）复用，可带 4 个 LSTTL 负载。

• P3 口： 8 位准双向 I/O 口，双功能复用口。

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51 的中央处理器（ CPU ）• 运算部件：运算部件包括算术逻辑部件 ALU 、

位处理器、累加器 A 、寄存器 B 、暂存器以及程序状态字 PSW 寄存器等。该模块的功能是实现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。

• 控制部件：控制部件是单片机的神经中枢，以主振频率为基准（每个主振周期称为振荡周期），控制器控制 CPU 的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环节组织在一起。

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运算部件 :ALU 、 A 、 B• ALU ：功能强大，它不仅可对 8 位变量进行逻

辑“与、或、异或”、循环、求补和清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算， ALU 还具有位处理操作，如置位、清零、求补、测试。转移及逻辑“与、或”等操作。

• 累加器 A ： ALU 中的主要寄存器，大部分指令都用到它。

• 寄存器 B ：是为执行乘法和除法操作设置的，在不执行乘、除法操作的一般情况下可把它当作一个普通寄存器使用。

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程序状态寄存器： PSW

• PSW.1 是保留位，未用。• Cy （ PSW.7 ）进位标志位，在执行算术和逻辑指令时，可

以被硬件或软件置位或清除，在位处理器中，它是位累加器。• Ac （ PSW.6 ）辅助进位标志位。• F0 （ PSW.5 ）标志位，它是由用户使用的一个状态标志位。• RS1 、 RS0 （ PSW.4 、 PSW.3 ）：寄存器区选择控制位• OV （ PSW.2 ）：溢出标志位。• P （ PSW.0 ）奇偶标志位。每个指令周期都由硬件来置位或清除，以表示累加器 A 中值为 1 的位数的奇偶数。

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运算部件： PSW

• 工作寄存器的选择： RS1 RS0软件写入 0 0 区 0 （选择内部 RAM 寄存器地址 00H～

07H ）

0 1 区 1 （选择内部 RAM 寄存器地址 08H~0FH ）

1 0 区 2 （选择内部 RAM 寄存器地址 10H～ 17H ）

1 1 区 3 （选择内部 RAM 寄存器地址 18H～ 1FH ）

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控制部件• 时序图 每 2 个振荡周期作为 1 个状态周期，每个状态周期分为 2

个时相 P1 、 P2 ，每 6 个状态周期作为 1 个机器周期。

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51 的存储器结构• 程序存储器• 内部数据存储器• 特殊功能寄存器（ SFR ）• 位地址空间• 外部数据存储器

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存储器简单介绍• 程序存储器 用来存放程序的存储器，存储器中

存放的实际上是由用户程序形成的二进制码（机器码），该存储器必须具有非易失性。外部可扩展 64k 字节。

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存储器简单介绍• 内部数据存储器 MCS51 单片机内部有 128 个字节的随机存取存储器 RAM ，作为用户的数据寄存器、它能满足大多数控制型应用场合的需要，用作处理问题的数据缓冲器。52 系列具有 256 字节的内部 RAM 。

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存储器简单介绍• 特殊功能寄存器（ SFR） 特殊功能寄存器反映了MCS51 的状态，

实际上是 MCS51 的状态字及控制字寄存器。 51 单片机通过写 SFR 来控制相应功能部件（定时器、串口、中断等）的工作方式，同时 SFR也综合的、实际的反映了整个单片机基本系统内部的工作状态。例如，前面提到的 PSW 程序状态字寄存器，就是一个特殊功能寄存器。

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存储器简单介绍• 位地址空间 MCS51 单片机内部具有 211 个可寻址

的位，他们存在于内部 RAM （ 128 个）、和 SFR （ 83 个）中。用来存放一些位变量。

有相应的位操作指令来控制其读写。

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存储器简单介绍• 外部数据存储器 当片内的 RAM 不够用时， MCS51

可在片外扩展 64k 的数据存储器。

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程序存储器• 程序存储器中存放程序和表格，最多外

扩 64k 。由程序计数器（ PC ）控制程序的执行， PC 中存放的是将要执行的下一条指令的地址，是由单片机内部硬件自动生成的，且自动加一。复位后 PC 值为0000H ，因而程序总是从程序存储器的 0000H 处开始执行。

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程序存储器• 一些指令会影响到 PC 的连续性，例如跳转类，中断响

应等。• 例如中断，单片机响应不同的中断后， PC被硬件赋予

不同的值。称为单片机的中断入口地址： 外部中断 0 （ INT0 ） 0003H

定 时 器 0 （ T0 ） 000BH

外部中断 1 （ INT1 ） 0013H

定 时 器 1 （ T1 ） 001BH

串 行 口 0023H

由于程序存储器的起始部分具有特殊意义，在编制程序时主程序中最好有跳转指令，在中断程序中也要有跳转指令。

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内部数据存储器• MCS51 内部数据存储器（ RAM ）共有 128 个

字节，地址 00H~7FH 。 51 对内部数据存储器有丰富的操作指令。

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特殊功能寄存器（ SFR ）• SFR 共 21 个，存在于单片机中的一部分 RAM 单元中，

地址范围 80H~FFH ，呈离散分布。

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特殊功能寄存器（ SFR ）• SFR 简介

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特殊功能寄存器（ SFR ）

• 可位寻址的 SFR 位地址

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SFR• 累加器 A 累加器 A 是一个最常用的专用的寄存器，大部分单操作数指

令的操作数取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数取自累加器，加、减、乘、除算术运算指令的运算结果都存放在累加器A 或 B 寄存器中。

• 寄存器 B 在乘、除指令中，用到 B 寄存器。不进行算数操作时，可作

为一般寄存器使用。• 程序状态字寄存器 PSW PSW 是一个 8 位寄存器，它包含了程序状态信息。

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SFR

• 栈指针 SP 栈指针 SP 是一个 8 位专用寄存器，它指示出堆栈顶部

在内部 RAM 块中的位置， 51 单片机栈向上生成，且后入先出。系统复位后， SP初始化为 07H ，使得堆栈事实上由 08H 单元开始，考虑到 08H～ 1FH 单元分别属于工作寄存器区 1～ 3 ，若在程序设计中要用到这些区，则最好把 SP 值改置为 1FH 或更大的值。例如 SP＝ 60H ， CPU 执行一条 A 累加器进栈指令， push a;

执行后寄存器状态： (61H)=A ，（ sp ）＝ 61H 。

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SFR

• 数据指针 DPTR 数据指针 DPTR 是一个 16 位的 SFR ，其

高位字节寄存器用 DPH表示，低位字节寄存器用 DPL表示。 DPTR 即可以作为一个 16 位寄存器来用，也可以作为两个独立的 8 位寄存器 DPH 和 DPL 来用。

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SFR

• 端口 P0~P3

特殊功能寄存器 P0～ P3 分别为 I/O 端口 P0~P3 的锁存器。即每一个 8 位 I/O 口都为 RAM 的一个单元（ 8 位）。

在 MCS51 中， I/O 口和 RAM 统一编址，所有访问 RAM 的指令，都可用来访问 I/O 口。对于片外数据存储器和扩展的 I/O 口，也是统一编址的。

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SFR

• 串行数据缓冲器 SBUF

串行数据缓冲器 SBUF 用于存放欲发或已接收的数据，它在 SFR 块中只有一个字节地址，但是物理上由两个独立的寄存器组成，一个发送一个接收。

• 定时器 /计数器 51 单片机有 2 个 16 位定时 / 计数器 T0 、 T1 ，他们各由两个独立的 8 位寄存器组成，分别是 TH0 、 TL0 ； TH1 ， TL1 。不能把 T0 、 T1 作为 16 位寄存器操作。

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位地址空间• MCS51 中共有可寻址的位 211 个，构成了 8051 的位地址空间。在 RAM 区，有可寻址 128 位，其位地址为 00~7FH 。可位寻址 RAM 的字节地址为 20H~2FH 。

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位地址空间

• 可位寻址的 SFR 。共 83 位

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外部数据存储器• 当内部 RAM 不够使用时，可以外扩数据

存储器，最多 64k 。

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MCS51 存储器结构的特点• 地址重叠性• 程序存储器与数据存储器操作指令不同• 位地址空间共有两个区域• 堆栈区可自由设定• 片外数据存储器与 I/O口统一编址

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MCS51 存储器结构示意

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I/O 端口• 简介 MCS51 单片机具有 4 个双向 8 位 I/O 口，每个口都

有一个锁存器。 P0 口是三态双向口，作为数据和低 8 位地址的分

时复用口，由 ALE 信号作为地址锁存。 P1 口准双向口，供用户使用。 P2 口准双向口，作为高 8 位地址使用，当扩展的

外部存储器小于 64k 时，即有未用到的 P2 口线，可作为一般 I/O 口使用。

P3 口准双向口，即可作为一般 I/O 口使用，也可作为第二功能口使用。

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P3 口的第二功能

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I/O 口的内部结构• 每一位引脚由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。

注意读锁存器、读引脚的不同。• 双向口与准双向口 P0 口双向口，没有上拉电阻，可以处于浮空、高阻状

态。 P1 、 P2 、 P3 口含有上拉电阻，当外部维持低电平时，要能提供源电流；外部低电平消失后，自动拉高。

作为输入口使用时必须先置 1 ，关断输出驱动器。

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I/O 口的内部结构

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I/O 口的读操作• 读锁存器 读锁存器指令是从锁存器中读取数据，进行处理，并把处理

后的数据重新写入锁存器中，这类指令称为读、修改、写指令。在 ANL 、 ORL 、 XRL ； JBC ； CPL ； 等指令中，当目的操作数为某一 I ／ O 口或 I ／ O 口的某一位时，这些指令均为读、修改、写指令。

• 读引脚 读引脚指令一般都是以 I/O 端口为源操作数的指令，执行读

引脚指令时，打开三态门，输入口状态。例如，读 P1 口的输入状态时，读引脚指令为： MOV A ， P1 。

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注意： I/O 口锁存器写的特别之处• 当给口锁存器写入某一状态后，相应的口引脚是否呈现

锁存器的状态，是与外电路的联接有关。 例如，用 I/O口线驱动外部三极管基极时，该口线

位锁存器写入“ 1”后使外部三极管导通，而三极管一旦导通后，基极电平为“ 0”。口锁存器与引脚状态不一致

• 当给一个准双向口输出“ 0” 后，输出驱动器打开，管脚电位拉低为“ 0” ，此时如将该管脚作输入脚使，将无法输入高电平。

作为初学者，在设计 8051系统时，对 51的 I/O管脚要统一规划使用，一个管脚不能既作为输入，又作为输出。换言之，一个管脚如果第一次用其为输入，一直用其作为输入管脚。

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复位电路• 复位为单片机提供了初始化手段，当 RST 引脚

保持 24 个时钟周期以上的高电平将引起复位。• 在复位有效期间（即高电平）， ALE 引脚为高

电平，且内部 RAM 不受复位的影响。• 复位后的部分寄存器状态（ 1 ） PC=0000H

（ 2 ） PSW=00H 选择工作寄存器 0 区（ 3 ） SP=07H

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复位电路

现在采用专门的复位管理芯片，例如 TL7705

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时钟电路• 可以由内部方式或者外部方式产生时钟

晶振

1.2MHz~12MHz

电容

20pF~100pF

典型值： 30pF

目前，有些型号晶振频率更高

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时钟电路• 外部方式

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END

复习 8051硬件结构预习 8051指令系统