MCS-51系列单片机硬件和原理详解

（1）基本组成

8051单片机功能结构示意如图5-39所示。

8051单片机包括中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元。

图5-39 8051单片机功能结构示意图

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）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，其中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形表。

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

定时器/计数器是两个16位的可编程序定时器/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）接口是4组8位I/O接口（P0、P1、P2或P3），用于外部数据的传输。

全双工串行接口有一个，用于与其他设备间的串行数据传送，该串行接口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

中断系统有两个外中断、两个定时器/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。

时钟电路最高频率达12MHz，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机要外置振荡电容。

以上各个部分通过片内8位数据总线DB（Data Bus）相连接。

需要特别指出的是，MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构，程序存储器与数据存储器分开，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构，程序存储器与数据存储器合二为一。

（2）引脚及功能

MCS-51系列单片机中各种芯片的引脚是互相兼容的，如8051、8751和8031均采用40脚双列直插封装（DIP）方式。当然，不同芯片之间的引脚功能也略有差异。8051单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能，其中有些第二功能是8751芯片所专有的。MCS-51系列单片机引脚分布如图5-40所示。

各引脚功能简要说明如下。

1）电源及时钟电路引脚：

VCC（40脚）为电源端，VSS（20脚）为接地端。

XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的一端。在芯片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。

XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的另一端。在8051芯片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率即晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。

图5-40 MCS-51单片机的引脚分布

2）控制信号引脚RST，ALE，和：

RST/VPD（9脚）：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是VPD，即备用电源的输入端。当主电源VCC发生故障，降低到低电平规定值以下时，将+5V电源自动接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，从而使复位后能继续正常运行。

（30脚）：地址锁存允许信号端。当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。平时不访问片外存储器时，ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。此引脚的第二功能在对片内带有4KBEPROM的8751编程写入时，作为编程脉冲输入端。

（29脚）：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲，作为读取片外存储器的选通信号。

（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM，并执行内部程序存储器中的指令，但当程序计数器的值超过OFFFH时，将自动转去执行外部程序存储器内的程序。当引脚接低电平时，CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，不管是否有片内程序存储器。对于无片内ROM的8031或8032，需外接EPROM，此时必须将引脚接地。

3）I/O端口P0，P1，P2和P3：

P0（P0.0～P0.7）：通道0，双向I/O端口。第二功能是在访问外部存储器时可分时用作低8位地址线和8位数据线，在编程和检验时（对8751）用于数据的输入和输出。

P1（P1.0～P1.7）：通道1，双向I/O端口，在编程和检验时用于接收低位地址字节。

P2（P2.0～P2.7）：通道2，双向I/O端口。第二功能是在访问外部存储器时，输出高8位地址，在编程和检验时，用于接收高位地址字节和控制信号。

P3（P3.0～P3.7）：双向I/O端口，它除作为一般准双向I/O端口外，每个引脚还具有第二功能。

（3）存储器配置

8051片内有ROM（程序存储器，只读）和RAM（数据存储器，可读可写）两类，它们有各自独立的存储地址空间，与一般微型计算机的存储器配置方式不相同。

8051的存储器在物理结构上分为程序存储器空间和数据存储器空间，共有4个物理上相互独立的存储空间：片内程序存储器空间；片外程序存储器空间；片内数据存储器空间；片外数据存储器空间。这种程序存储器和数据存储器分开的结构形式，称为哈佛结构。但从用户使用角度来看，8051单片机存储器地址空间可以分为以下三类：

1）片内、片外统一编址0000H～FFFFH的64K程序存储器地址空间（16位地址，包括片内ROM和片外ROM）。

2）64K片外数据存储器地址空间，地址范围0000H～FFFFH。

3）256字节片内数据存储器地址空间（8位地址，包括128字节的片内RAM和特殊功能寄存器的地址空间）。8051存储器空间配置如图5-41所示。

①程序存储器地址空间。8051的程序存储器用于存放编好的程序和表格。8051芯片内具有4KB的ROM，8751芯片内具有4KB的EPROM，8031芯片内无程序存储器。MCS-51的片外最多能扩展64KB。片内、外的ROM是统一编址的，当端保持高电平，8051的程序计数器PC在0000H～FFFFH地址范围内是执行片内ROM中的程序；当PC在1000H～FFFFH地址范围时，其自动执行片外程序存储器中的程序。当保持低电平时，只能寻址外部程序存储器，片外存储器可从0000H开始编址。

MCS-51的程序存储器中有7个单元具有特殊功能，其中0000H为MCS-51复位后PC的初始地址；0003H为外部中断0入口地址；000BH为定时器0溢出中断入口地址；0013H为外部中断1入口地址；001BH为定时器1溢出中断入口地址；0023H为串行口中断入口地址；002BH为定时器2溢出中断入口地址（8052所特有）。使用时通常在这些入口处都安放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址，或者从0000H启动地址跳转到用户设计的初始程序入口处。

(www.xing528.com)

图5-41 8051存储器空间配置

②数据存储器地址空间。数据存储器用于存放运算中间结果、标志位、待调试的程序，以及用来暂存数据或缓冲等。数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间：一个是片内256B的RAM；另一个是片外最大可扩充64KB的RAM。片外数据存储器与片内数据存储器空间的低地址部分（0000H～00FFH）是重叠的，8051有MOV和MOVX两种指令，用以区分片内、片外RAM空间。

片内数据存储区在物理上又可分为两个不同的区。

①00H～7FH单元：低128字节的片内RAM区，对其访问可采用直接寻址或间接寻址的方式。

在低128字节RAM中，00H～1FH共32个单元通常作为工作寄存器区，共分为4组，每组由8个单元组成通用寄存器，分别为R0～R7。每组寄存器均可选为CPU当前工作寄存器，通过PSW状态字中RS1、RS0的设置来改变CPU当前使用的工作寄存器。

②高128字节的RAM：特殊功能寄存器。

MCS-51中共有21个专用寄存器SFR，又称为特殊功能寄存器，这些寄存器离散地分布在片内RAM的高128字节中。

累加器ACC（EOH）是8051最常用、最繁忙的8位特殊功能寄存器，许多指令的操作数取自于ACC，许多运算的中间结果也存放于ACC。在指令系统中用A作为累加器ACC的助记符。

PSW是一个8位特殊功能寄存器，其各位包含了程序执行后的状态信息，供程序查询或判别用。

CY（PSW.7）是进位标志位。在执行加法（或减法）运算指令时，如果运算结果最高位（位7）向前有进位（或借位），CY位由硬件自动置1；如果运算结果最高位无进位（或借位），则CY清0。CY也是8051在进行位操作（布尔操作）时的位累加器，在指令中用C代替CY。

AC（PSW.6）是半进位标志位。当执行加法（或减法）操作时，如果运算结果（和或差）的低半字节（位3）向高半字节有半进位（或借位），则AC位将被硬件自动置1；否则AC位被自动清0。

F0（PSW.5）是用户标志位。用户可以根据自己的需要对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，以作为软件标志。

RS0和RS1（PSW.3和PSW.4）是工作寄存器组选择控制位。这两位的值可决定选择哪一组工作寄存器为当前工作寄存器组。由用户用软件改变RS1和RS0值的组合，以切换选用的工作寄存器组。8051上电复位后，CPU自动选择第0组为当前工作寄存器组。

OV（PSW.2）是溢出标志位。当进行补码运算时，如有溢出，即当运算结果超出-128～+127的范围时，OV位由硬件自动置1；无溢出时，OV=0。

PSW.1为保留位。8051未用，8052作为F1用户标志位。

P（PSW.0）是奇偶校验标志位。每条指令执行完后，该位始终跟踪指示累加器A中1的个数。如结果A中有奇数个1，则P=1；否则P=0。常用于校验串行通信中的数据传送是否出错。

DPTR是一个16位的特殊功能寄存器，其高位字节寄存器用DPH表示（地址83H），低位字节寄存器用DPL表示（地址82H）。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DPH和DPL使用。

DPTR主要用以存放16位地址，以便对64KB片外RAM作间接寻址。

（4）中断技术

中断技术是计算机的一个重要技术，中断能力是衡量微型计算机能力的重要标志之一。51系列单片机的中断系统是8位单片机中功能较强的，可以提供5个中断源，具有两个中断优先级，可实现两级中断嵌套。

能发出中断请求信号的设备称为中断源，8051共有5个中断源，因此有5个中断入口地址，它是进入中断服务子程序的指路标。各中断源的中断入口地址是固定的，CPU响应任一中断源的中断请求后，PC的内容为该中断源的中断入口地址，5个中断源具体入口地址如表5-4所示。

表5-4 中断源具体入口地址

复位后各中断源属同一优先级——低优先级，在同一优先级中，5个中断源按上述自然优先级排列，其中INT0的自然优先级最高，串行口中断的最低。几个同一优先级的中断源同时申请中断时先响应自然优先级较高者。

（5）定时/计数功能及应用

51系列单片微机的定时/计数功能可以用作定时控制、延时及对外部计数脉冲进行计数。下面介绍8051定时/计数器的结构和工作原理。

1）定时/计数器结构。8051单片机内有两个16位可编程定时/计数器。定时/计数器实质上就是一个加1计数器，其控制电路受软件控制、切换。16位的定时/计数器分别由两个8位专用寄存器组成，即：T0由TH0和TL0构成；T1由TH1和TL1构成。其访问地址依次为8AH～8DH，每个寄存器均可单独访问，这些寄存器是用于存放定时或计数初值的。此外，其内部还有一个8位的定时器方式寄存器TMOD和一个8位的定时控制寄存器TCON。这些寄存器之间是通过内部总线和控制逻辑电路连接起来的。TMOD主要是用于选定定时器的工作方式；TCON主要是用于控制定时器的启动和停止，此外TCON还可以保存T0、T1的溢出和中断标志。定时/计数器结构框图如图5-42所示。

图5-42 定时/计数器的结构框图

2）工作原理。

①计数脉冲提供方式：

a.置于计数方式时，计数脉冲从片外由P3.4（T0）或P3.5（T1）引入，下降沿触发计数器加1。

b.置于定时方式时，Ti由内部时钟频率定时，每一个机器周期使T0或T1加1计数。

②工作过程：Ti使用前先初始化编程，决定工作方式；再利用送数指令（MOV）将计数初值送入THi和TLi；之后用指令启动Ti开始计数。未计满数前溢出标志（TCON的TFi）为0。计满数溢出时，CPU自动将计数器清0，并自动将溢出标志TFi置1。

3）定时/计数器的控制。定时/计数器使用时要初始化编程，T0、T1使用前要用指令向TMOD写入工作方式字，向TCON写入命令字，向T0、T1写入计数初值。

①工作方式寄存器TMOD：用于设定工作方式（或称为模式）。

TMOD的高4位用来控制T1，低4位用来控制T0。以低4位为例说明如下。

GATE：启动计数方式控制位。GATE=0为软启动，即用指令SETBTR0即可使T0开始计数；GATE=1为硬启动，即除用指令SETBTR0外，还须置P3.2或P3.3管脚为高电平才能开始计数。

C/T：计数/定时方式控制位。C/T=0为定时方式；C/T=1为计数方式。

M1、M0：工作方式（模式）控制位。M1M0=00、01、10、11分别为工作方式0、1、2、3。各方式含义、特点及用途此处从略。

②控制及标志寄存器TCON：用于控制定时器的启、停、溢出标志以及外部中断触发方式。TCON可按位寻址。