第二章 MCS－51单片机硬件结构（8031、8051、8751）
§２－１ MCS－51机主要功能
8位CPU
20多个特殊功能寄存器 ５个中断源（可屏蔽中断），２个优先级。 有较强的位处理功能 振荡器和时钟电路
４Ｋ字节的程序存贮器（ROM或EPROM） 128字节的RAM
４个并行Ｉ／Ｏ口，32线。（可控制） ２个16位定时／计数器（可编程控制） 另外：１个串行Ｉ／Ｏ口（２线）
片外可寻址的存贮器空间 程序存贮器（ROM）：K． 数据存贮器（RAM）：K
§２－2 MCS－51机引脚
P3～P0：四个并行I/O口线，共32线
XTAL1 XTAL1、XTAL2：芯片内部振荡电路输入/ XTAL2 P0 输出端 RESET EA：存储器选择信号 EA P2 ALE：地址锁存信号
ALE PSEN：程序存储器器读选择 PSEN P1 VCC VSS P3 RESET：复位信号 VCC、VSS：电源端
§２－3 CPU
一、算术逻辑运算部件ALU
算术运算：加、减、乘、除
功能：对８位无符号数进行 逻辑运算：与、或、异或、取反、清０、移位 位处理功能：与、或、置位、清０、取反、检测等
二、专用寄存器
MCS－51单片机中有０～255等256个内部存贮器（除内部程序存贮器之外）地址。MCS－51有128个RAM单元。有20多个特殊功能寄存器单元（都是８位）。RAM占用00H～7FH地址。余下的地址中部分提供给特殊功能寄存器。 1、 累加器Ａ （E0H） ① 使用频率高。
② 算术运算和逻辑运算必用。
③ 存放指令中的操作数和运算中部结果。
2、 寄存器Ｂ （F0H）
① 存放乘、除法指令中的被乘数和被除数。 ② 存放乘积的高位字节或除法的余数。 ③ 作一般的寄存器。
3、 程序状态字PSW （D0H）
D7 ～ D0 1 （DOH） Cy Ac Fo RS RS0 OV － P
① Cy ----- ALU 操作结果最高位（D7位）进位或错位标志。
位处理操作中作位累加器
② Ac ----- ALU操作结果D4进位标志（半进位标志）；CPU自用（用于BCD码操作） ③ Fo ----- 用户标志（由用户定义使用）
（指定当前使用的寄存器组） ④ RS0、RS1 ----- 选择工作寄存器组。
RAM中00H～1FH 32个单元分成四组。定义为工作寄存器组。
寄存器组0 对应RAM地址：00H～07H RS1RS0＝00 指定当前工作寄存器组为0组 寄存器组1 对应RAM地址：08H～0FH RS1RS0＝01 指定当前工作寄存器组为1组 寄存器组2 对应RAM地址：10H～17H RS1RS0＝10 指定当前工作寄存器组为2组 寄存器组3 对应RAM地址：18H～1FH RS1RS0＝11 指定当前工作寄存器组为3组 开机时，RS1RS0＝00
被指定的工作寄存器组中８个单元，既可以按其地址寻址，也可以分别用R0～R7寻址。
⑤ OV ----- 溢出标志，ALU操作结果超出符号数表示的范围（－128～＋127），OV＝１。
⑥ Ｐ ----- 奇偶标志，ALU操作结果（存放在A中）有偶数个1 P＝0
ALU操作结果（存放在A中）有奇数个1 P＝1
４、堆栈及栈指针SP （81H） ① 堆栈区在内部RAM中；
② 堆栈区单元向下延伸，既栈顶单元地址＞栈底单元地址； ③ 一次堆栈操作只将一个字节二进制数压入或弹出堆栈；
④ 栈指针SP总是指向栈顶单元，既SP的内容 = 栈顶单元地址； ⑤ 栈指针SP是一个8位寄存器（计数器），开机时SP＝07H，可更改内容；
⑥ “先进后出”原则。
５、数据指针DPTR （83H，82H） ① 16位的寄存器，可存放一个十六位的二进制数（地址数）； ② 可分成DPH（83H）和DPL（82H）2个8位的寄存器； ③ 用于片外存贮器（程序存贮器和数据存贮器）存取数据。
６、其他寄存器
P0 P0口锁存器 TMOD 定时／计数器方式控制寄存器 P1 P1口锁存器 TCON 定时／计数器控制寄存器 P2 P2口锁存器 TH0 定时／主数器0 （高字节） P3 P3口锁存器 TL0 （低字节） IP 中断优先级控制寄存器 TH1 定时／计数器1 （高字节） IE 中断允许控制寄存器 TL1 （低字节） SCON 串行控制寄存器 SBUF 串行数据缓冲器 PCON 电源控制寄存器
三、振荡器、时钟电路
MCS51机时钟的产生方式：内部方式和外部方式二种。
1、内部方式：（如右图）片内有反相放大器（作振荡器用） 和时钟电路 ① XTAL1 ---- 片内反相放大器输入端
XTAL2 ---- 片内反相放大器输出端和内部时钟输入端
② 外接定时元件，构成振荡器（时钟信号发生器） 晶振频率：1.2MHZ ～ 12MHZ（晶体或陶瓷谐振器） C：20PF～100PF
XTAL1 当C ＝ 60 ～ 70PF时，振荡器
有较高的频率稳定率。 XTAL2
2、外部方式
MCS51MCS51
外部时（NC）钟信号XTAL2XTAL2 外部时
XTAL1XTAL1 钟信号
HMOS产品 CHMOS产品
XTAL1
XTAL2
时钟电路
15SCM
时钟
8031、8051、8751 80C31、80C51、87C51
§２－4 MCS－51存贮器 （8051为例） 一、存贮器单元空间
（MCS－51）存贮器空间有四种
1、128个单元的RAM（地址00H～7FH），特殊功能寄存器（地址80H～FFH中能被8整除的地
址数及81H、82H、83H、H、8CH、8AH、8DH、8BH、98H、97H）
2、片内4ＫROM(程序存贮器) 地址：0000H～0FFFH
3、片外程序存贮器 Ｋ 地址：0000H～FFFFH
4、片外数据存贮器 Ｋ 地址：0000H～FFFFH
二、片内存贮器位空间
1、RAM中位空间
单元地址： （ 位地址） D7 D6D5D4D3D2D1D0
20H 07H ～ 00H 21H 0FH ～ 08H
. . . . . . 2FH 7FH ～ 78H
2、特殊功能寄存器。（80H～FFH中能被8整除单元）
单元地址： FOH B 位地址： F7H～F0H
EOH A(或ACC) E7H～E0H DOH PSW D7H～D0H
B8H IP BDH～B8H
B0H *P3 B7H～B0H A8H IE AFH～A8H A0H *P2 A7H～A0H 98H SCON 9FH～98H 90H *P1 97H～90H 88H TCON 8FH～88H 80H *P0 87H～80H
详见教材
128位 位存贮 空间
三、 程序存贮器的寻址。（8051为例）
1、当EA ＝１时，CPU使用片内存贮器（4Ｋ），PC值＝0000～0FFFH（4095）；
当PC值≥1000H（4096），CPU自动从1000H单元起使用外部程序存贮器。 2、EA ＝０时，CPU从0000H单元起使用外部程序存贮器。
。 注：8031内部无ROM，故EA必须接低电平（地）
§２－5 并行Ｉ／Ｏ口 一、 I／Ｏ口结构
片内有P0、P1、P2、P3四个并行的I/O口，共32线。结构见教材P23、P22图2．5。
以P1口为例介绍结构。
地址/数据
Vcc
控制
读锁存器
T0
P0.X
引脚
内部总线D P0.XQ
T1 锁存器
MUX写锁存器QCL
读引脚
P0口位结构
读锁存器
Vcc
内部总线D P1.XQP1.X 引脚锁存器 写锁存器QCL
读引脚
P1口位结构
读锁存器
地址控制
Vcc
内部总线写锁存器
D P2.XQCL
锁存器
MUX
P2.X引脚
Q读引脚
P2口位结构
读锁存器
第二输出功能
Vcc
内部上拉电阻
内部总线写锁存器
D P3.XQCL
锁存器
P3.X引脚
Q读引脚
第二输入功能
P3口位结构
二、功能
1、各口的8根I/O可同时使用，作8位并行I/O线。
可各自使用，作I/O线。
2、输出通过写I/O口锁存器（特殊功能寄存器）进行。
输入时，锁存器必须置1。
3、P2和P0一般用作外部地址总线和数据总线。
P2口提供（十六位地址数）高八位地址，P0口提供低八位地址和输入、输出数据。低八位地址和数据读/写分时复用P0口。
4、作外部地址和数据总线时：
P2口的锁存器内容不变，输出地址操作完，P2口又输出原锁存器内容；
P0口的锁存器置1，保证外部地址/数据总线操作完，P0输出处于高阻状态。 5、当P3口的锁存器内容＝1时，P3口具有特殊变异功能。
P3.0 RXD ---- 串行（I/O口）数据接收端 P3.1 TXD ---- 串行（I/O口）数据发送端 P3.2 INT0 ---- 外部中断0请求输入端 P3.3 INT1 ---- 外部中断1请求输入端
P3.4 T0 ---- 定时器/计数器0的外部输入端 P3.5 T1 ---- 定时器/计数器1的外部输入端 P3.6 WR ---- 外部数据存贮器写选通（输出端） P3.7 RD ---- 外部数据存贮器读选通（输出端）
6、P0、P2、P3口的第2种功能均由片内控制逻辑自动控制。
三、总线结构
1、总线由地址总线、数据总线和控制总线组成。
2、利用外接锁存器，在ALE信号控制下，将P0口的地址/数据线分开。
地址总线：P2和片外锁存器输出 数据总线：P0口
控制总线： PSEN ----- 程序存贮器读选择线
RD、WR ----- 数据存贮器读/写控制线。（可扩展数据存贮器和片外I/O口）
3、MCS－51机的控制总线中没有I/O读/写线。
§２－6 复位及节电运行方式 一、复位
复位片内复位电路结构框图。 RST
电路
斯密特 触发器１、复位条件：
在振荡器电路工作时，复位输入端RST上，至少保持2个机器（24个振荡）周期为高电平（触发器最低阀值电压）------ 实现一次复位操作。
２、结果：
ＰＣ：００００Ｈ Ｐ０～Ｐ３：０ＦＦＨ ＴＬ０：００Ｈ Ａ： ００Ｈ ＩＰ： ×××０００００ ＴＨ１：００Ｈ Ｂ： ００Ｈ ＩＥ：０××０００００ ＴＬ１：００Ｈ ＰＳＷ： ００Ｈ ＴＭＯＤ：００Ｈ ＳＣＯＮ：００Ｈ
ＳＰ： ０７Ｈ ＴＣＯＮ：００Ｈ ＰＣＯＮ：０×××××××
ＤＰＴＲ：００００Ｈ ＴＨ０：００Ｈ
不影响ＲＡＭ： ① 上电复位 ＲＡＭ内容为随机值 ② 非上电复位 ＲＡＭ不变
３、复位电路：
22u
9
+5VRST
1K 100Ω
二、节电工作方式
１、节电控制寄存器ＰＣＯＮ （８７Ｈ）
D1 D0 PD0IDL 冻结方式控制位 分别可由软件置位 掉电方式控制位
正常工作方式时(8051)功耗是125mA
2、冻结方式
① 工作电流↓80％～90％；
② CPU内部保持不变，内部时钟电路、定时器、串行口和中断系统工作； ALE = 0 PSEN = 1 ③ 结束冻结方式： 任何允许的中断请求信号复位 IDL（ = 0 ）
硬件复位
3、掉电方式
① 工作电流 10mＡ左右；
② 片内振荡器停止工作 --→ 芯片不工作，片内RAM、 特殊功能寄存器保持原值；
ALE = 0 PSEN = 0 ③ 结束掉电方式：硬件复位。
三、８７５１单片机
1、ＭＣＳ－５１系列单片机： 8031(或80C31) 片内无ROM
8051(或80C51) 片内有４ＫROM 8751(或87C51) 片内有４ＫEPROM
2、8751中４ＫEPROM可多次写入； 3、有一个可编程保密位。