第二章 MCS-51单片机的结构
并行I/O接口
单片机是将CPU、RAM、ROM、定时计数器、中断逻辑，以及输入输出（I/O）接口电路等集成在一小块硅片上的单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。 单片机特点：体积小、可靠性高、性价比高等 应用领域：工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器、机电一体化产品等领域。
CPU
存储器
并 行 I/O 口
串 行 I/O 口
定时器/计数器
中断逻辑
发送数据
接收数据
外部计数脉冲
外部中断源
输 入 输 出 设 备
MCS-51系列单片机
注意：今后将会经常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！
2.1.1 MCS-51单片机内部组成
8051单片机在一块芯片中集成了： ＊一个面向控制的8位CPU ＊ 256B片内RAM(低128B作数据存储器，高128位包含2l个特殊功能寄存器SFR) ＊ 4KB片内程序存储器ROM。 ＊ 4个8位并行I/O接口 ＊ l个全双工作串行I/O接口。 ＊ 2个16位定时器/计数器T0/Tl。 ＊ 为五个中断源配套的两级优先级嵌套的中断结构
40个引脚双排直插DIP封装,分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。
2.1.2 MCS-51单片机引脚功能
⒈ 电源: ⑴ VCC ? /3.3V/2.7V； ⑵ VSS ? 2.输入/输出引脚(32条) P.0-P0.7: 在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，作准双向输入/输出接口。在接片外存储器或扩展I/O接口时，分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。 P1.0-P1.7:作为准双向通用I/O接口使用。 P2.0-P2.7: 作为准双向I/O接口；当接有片外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用作高8位地址总线。
P3.0-P3.7:有两种功能。 第一，做准双向通用I/O口使用； 第二，用于串行口、中断源输入、计数器、片外RAM选通等功能。 注意： 由于第二功能信号都是单片机的重要控制信号，因此在实际使用时，总是先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用的才作为通用I/O接口线使用。
⑶ RST/VPD:复位/备用电源。 ① RST（Reset）功能：复位信号输入端。 当该引脚上至少保持连续两个机器周期(24个振荡器周期)的高电平就可实现系统复位。复位期间不产生ALE及PSEN信号。 ② VPD功能：在Vcc掉电时，接备用电源。 VPD:对HMOS芯片为片内RAM掉电保护备用电源，Vcc掉电期间，该引脚如接备用电源VPD（＋5V＋0.5V）
复位后单片机内寄存器的状态
PC： 0000H TMOD： 00H Acc： 00H TCON： 00H B： 00H TH0： 00H PSW： 00H TL0： 00H SP： 07H TH1： 00H DPTR：0000H TL1： 00H P0～P3：FFH SCON： 00H IP：×××00000B SBUF： 不定 IE：0××00000B PCON： 0×××0000B
图2-4(a) 加电自动复位电路 图2-4(b) 按键手动复位电路
⑷ EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 ① EA功能：内外ROM选择端。 80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外(80C31芯片无内ROM，全部在片外)。 当EA保持高电平时，先访问内ROM；当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时，自动转向执行外ROM中的程序。 当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，EA接地。 ② Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。
外部方式时钟电路如图 2-5(b)所示，主要用于多单片机系统。引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时外部的脉冲信号是经XTAL2引脚注入，而将XTAL1接地。
图 2-5(a) 内部方式时钟电路 图 2-5(b) 外部方式时钟电路
中央处理器CPU包括运算器和控制器，运算器实现算术运算和逻辑运算。可以对半字节（4位）、单字节（8位）等数据进行操作。控制器实现内部时钟和时序管理、指令提取与译码等功能，由6个特殊功能寄存器组成。
特殊功能寄存器 1). 累加器A：累加器（Accumulator）是使用最频繁的寄存器，它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果，8位。 指令系统中字节操作指令一般用A作为累加器的助记符，当进行位操作时，一般用ACC表示。
2). 通用寄存器B：8位，主要用于乘除运算。乘法运算时，B是乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中。除法运算时，B是除数;除法操作后，余数存于B中。不作乘除用时，可作为一般数据寄存器使用，8位。 3). PSW：8位寄存器，用于反映程序执行的状态信息。在状态字中，有些位状态是根据指令执行结果，由硬件自动完成设置的，而有些状态位则必须通过软件方法设定。
表2-3 PSW的各位定义
CY：进位标志。用于表示Acc.7有否向更高位进位。 加减运算时，保存最高位进位、借位状态。 AC：半进位标志。用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。 例：78H+97H 0111 1000 +1001 0111 ? 进位 CY=1
没有半进位AY=0
RS1、RS0：工作寄存器组选择位。 P：奇偶校验位，它用来表示累加器A内容中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则为0。 例：某运算结果是78H（01111000），P=0。
F0：用户标志位。作为软件标志，由编程人员决定何时使用。 F0 、F1 — 用户标志 OV：溢出标志位。 有符号数运算时，如果发生溢出，OV置“1”，否则清“0”。
4)．程序计数器PC
※ 16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，可寻址64KB的程序存储器空间。
※自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行 PC+1→PC
5）数据指针寄存器DPTR
宽度：16位 功能：通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用 使用：既可作一个16位寄存器用，也可作两个8位寄存器来用，即： DPH： DPTR高位字节，地址为83H DPL： DPTR低位字节，地址为82H 与程序计数器PC的对比：PC虽为16位，但在物理上是独立的，不属SFR的范畴，没有对应的RAM地址，不可寻址。
6）堆栈指针SP
宽度：8位 功能：用来指定堆栈的栈顶位置，初值为07H。它是加1计数.（向上生长） 堆栈中数据存取按先进后出、后进先出的原则。用PUSH和POP指令操作
堆栈的功能主要有以下三点： ①?保护断点。 ②?保护现场。 ③?用于数据的临时存放。
时序 时序就是进行某种操作时，各种数据、控制信号先后出现的顺序。时序是用定时单位来描述的，MCS—51系列单片机的时序定时单位共有四个，从小到大依次是振荡周期，机器周期，指令周期。
80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。
时钟周期:
机器周期:
它是将时钟脉冲十二分频后的脉冲信号。机器周期是时钟周期的十二倍。
指令周期:
指CPU执行一条指令占用的时间(用机器周期表示)。80C51指令可分为三类：单机周指令、双机周指令和四机周指令。 MCS-51典型的指令周期为一个机器周期，少数是单字节双周期、双字节双周期指令，只有乘法和除法指令占用4个机器周期。
80C51的存储器配置 片内程序存储器4KB（ROM 0000H~0FFFH） 片内数据存储器128B（RAM 00H~7FH）
8051在物理结构上有四个存储空间： 片内程序存储器、片外程序存储器、 片内数据存储器、片外数据存储器。
片外
片外
程序存储器
数据存储器
2.3.1 程序存储器
※作用:用于存放编好的程序和表格、常数。 ※容量：8051片内有4K字节ROM.片外用16位地址线最多可扩展64K字节ROM，两者是统一编址的。 ※地址范围：0000H～FFFFH，共64KB。其中: 低段4KB：0000H～0FFFH ,80C51和87C51在片内， 80C31在片外。 高段60KB：1000H～FFFFH。在片外。 ※访问：用MOVC指令 ※空间指针：以PC作为16位地址指针，每读一个字节，PC+1→PC，这是CPU自动形成的。
※控制信号:PSEN和EA。 ※ 选择方法: ★如果EA端保持高电平，8051执行片内前4KB ROM地址(0000H～0FFFH) 中的程序。当寻址范围超过4KB（1000H～FFFFH）时，则从片外存储器取指令。 ★当EA端保持低电平时，8051的所有取指令操作均在片外程序存储器中进行，这时片外存储器可以从 0000H开始编址。
※地址范围：00H～7FH 共128B。 ※访问:MOV指令 ※空间分配: 工作寄存器区 位寻址区 数据缓冲区
1. 内部数据存储器
80C51内RAM的三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。
内部128B RAM地址分配
寄存器区
布尔区
片内数据存储器空间分布图
通用RAM区 (80B)
位地址区 (16B)
7FH
寄存器3组 寄存器2组 寄存器1组 寄存器0组
位地址区
. .
00H
30H 2FH 20H 1FH
. .
3).数据缓冲区(字节寻址区) 范围：内RAM中30H～7FH 功能：存放各种数据和中间结果，起到数据缓冲的作用。 堆栈也建立在其中 4).内部数据存储器高128单元 范围 ：80H～FFH 功能：供给专用寄存器使用，