第二章 51系列单片机结构原理

《单片机原理及应用》教学课件

单片机原理及应用主讲教师：聂志刚niezg@http://

《单片机原理及应用》教学课件

有关本课程学习的几点建议：本课程的前期基础课程是数字电路与微机原理 这方面知识掌握得不够好的请自己补上本课程是一门实践性、应用性很强的学科 仅仅听懂还不够,重在培养动手能力 硬件/软件同样重要、不可偏废 硬件是框架，软件是内容 预习、听课、复习、作业、实验环环都重要 用科学的方法学习

《单片机原理及应用》教学课件

1.1

典型单片机性能概览

典型单片机有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Motorola、 AVR等。 MCS-51为主流产品。 MSP430为低功耗产品，功能较强。 EM78为低功耗产品，价格较低。 PIC为低电压、低功耗、大电流LCD驱动、低价格产品。 Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种 全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能 力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。性能如表1.1.5。 AVR为高速、低功耗产品，支持ISP、IAP,I/O口驱动 能力较强。

《单片机原理及应用》教学课件

1.2 MCS-51单片机硬件结构及引脚MCS-51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品 8051为核心，增加了一定的功能部件后构成的，因此，本 章以8051为主介绍MCS-51系列单片机 。 1.2.1 MCS-51单片机的内部结构 MCS-51单片机的组成： CPU(进行运算、控制)、RAM(数 据存储器)、ROM(程序存储器)、I/O口(串口、并口)、内 部总线 和中断系统等。组成框图如下：

《单片机原理及应用》教学课件 内部结构如下：

《单片机原理及应用》教学课件

1. 中央处理器(CPU)组成：运算器、控制器。

8051的CPU包含以下功能部件： (1)8位CPU。 (2)布尔代数处理器，具有位寻址能力。 (3)128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。 (4)4KB内部掩膜ROM程序存储器。 (5)2个16位可编程定时器/计数器。 (6)32个(4×8位)双向可独立寻址的I/O口。 (7)1个全双工UART(异步串行通信口)。 (8)5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。 (9)时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz~12 MHz的时钟频率。 (10)外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。 (11)111条指令，大部分为单字节指令。 (12)单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。

《单片机原理及应用》教学课件

(1)运算器

组成：8位算术逻辑运算单元ALU(Arithmetic Logic Unit)、 8位累加器A(Accumulator)、8位寄存器B、程序状态 字寄存器PSW(Program Status Word)、8位暂存寄存 器TMP1和TMP2等。 功能：完成算术运算和逻辑运算。

(2)控制器组成：程序计数器PC(Program Counter)、指令寄存器I

R (Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻 辑和振荡器OSC等电路。 功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器 中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时 控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产 生执行本条指令所需的全部信号。

《单片机原理及应用》教学课件

MCS-51系列单片机配置一览表片内存储器(字节) 系列 无 Intel 51 子系列 片内ROM 有ROM 有EPROM 片内 RAM 定时器 计数器 并行 I/O 串行 I/O 中 断 源

8031 80C31 8032 80C32

8051 80C51(4K字节)

8751 87C51(4K字节)

128 字节

2x16

4x8位

1

5

Intel 52 子系列ATEML 89C系列 (常用型)

8052 80C52(8K字节)

8752 87C52(8K字节)

256 字节

3x16

4x8位

1

6

1051(1K)/2051(2K)/4051(4K) (20条引脚DIP封装) 89C51(4K)/89C52(8K) (40条引脚DIP封装)

128 128/ 256

2 2/3

15 32

1 1

5 5/6

《单片机原理及应用》教学课件

2. 存储器MCS-51的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又 有片内和片外之分。 (1)程序存储器 一般将只读存储器(ROM)用做程序存储器。可寻址 空间为64KB,用于存放用户程序、数据和表格等信息。 MCS-51单片机按程序 存储器可分为内部无ROM 型(如8031)和内部有 EA ROM型(如8051)两种， 连接时 引脚有区别。程序存 储器结构如右图所示：

《单片机原理及应用》教学课件

(2)数据存储器一般将随机存储器(RAM)用做数据存储器。可寻址空 间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。 片外RAM: 最大范围：0000H~FFFFH, 64KB;用指令MOVX访问。 片内RAM: 最大范围：00H~FFH, 256B;用指令MOV访问。又分 为两部分：低128B(00~7FH) 为真正的RAM区，高128B (80~FFH)为特殊功能寄存器 (SFR)区。如右图所示。

《单片机原理及应用》教学课件 内部RAM的 20H~2FH单元为 位寻址区，既可作 为一般单元用字节 寻址，也可对它们 的位进行寻址。位 地址为00H~7FH。 CPU能直接寻址这 些位(称MCS-51 具有布尔处理功 能),位地址分配 如右表所示。

《单片机原理及应用》教学课件

3.特殊功能寄存 器(SFR)MCS-51有21个特殊 功能寄存器(也称为专用寄 存器),包括算术运算寄存 器、指针寄存器、I/O口锁 存器、定时器/计数器、串行 口、中断、状态、控制寄存 器等，它们被离散地分布在 内部RAM的80H~FFH地址 单元中(不包括PC) ,共 占据了128个存储单元，构 成了SFR存储块。其字节地 址可被8整除的SFR可位寻 址。SFR反映了MCS-51单 片机的运行状态。特殊功能 寄存器分布如右表所示。

《单片机原理及应用》教学课件 (1)程序计数器PC(Program Count

er) 程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于SFR存储器块。 PC是一个16位的计数器，专门用于存放CPU将要执行的指令 地址(即下一条指令的地址),寻址范围为64KB,PC有自动 加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过 转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。

(2)累加器A (Accumulator) 累加器A是8位寄存器，又记做ACC,是一个最常用的专用 寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。 (3)寄存器B 寄存器B 是8位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也 作通用寄存器用。

(4)工作寄存器 内部RAM的工作寄存器区00H~1FH共32个字节被均匀地 分成四个组(区),每个组(区)有8个寄存器，分别用R0~ R7表示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1还经常 用于间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器 (PSW)第3、4位设置工作寄存器区。

(5)程序状态字PSW (Program Status Word) 程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态 信息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的， 但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其定义格式 如下页表所示。

《单片机原理及应用》教学课件

其中：Cy:进借位标志； AC:辅助进借位标志； F0 :用户标志； RS1、RS0:工作寄存器组(区)选择(如下表所示); OV:溢出标志位，有溢出时置1; P:奇偶标志位。A中有奇数个1时置1。

《单片机原理及应用》教学课件 (6)数据指针DPTR(Data Pointer) 数据指针DPTR是16位的专用寄存器，即可作为16位寄存器 使用，也可作为两个独立的8位寄存器DPH (高8位) 、DPL (低8位)使用。 DPTR主要用作16位间址寄存器，访问程序存 储器和片外数据寄存器。 (7)堆栈指针SP(Stack Pointer) 堆栈是一种数据结构，是内部RAM的一段区域。堆栈存取 数据的原则是“后进先出”。堆栈指针SP是一个8位寄存器，用 于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。 MCS-51单片机的堆栈地址向大的方向变化(与微机堆栈地 址向小的方向变化相反)。系统复位后，SP初值为07H,实际 应用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针SP进行初始化， 一般设置SP为60H。 设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时 断点和现场的保护与恢复。