第二章 51单片机硬件结构

这一章节主要介绍经典8051微控制器由什么组成的组成结构、功能特点以及引脚等功能

8051系列微控制器由什么组成是美国Intel公司于八十年代推出的系列产品。包括8031、80518751，80328052，8752等它们都是在同一基本构架上进行功能或资源的增、减或改变而来的，习惯上可统称MCS51微控制器由什么组成、8051微控制器由什么组成或51微控制器由什么组成

典型8051微控制器由什么组成采用的是CPU加上功能模块的传统微型计算机结构模式。CPU与各功能模块通过内蔀总线相连接进行信息交互。

• 只读存储器/程序存储器ROM
• 定时器/计数器（每个单片机都必须要有）

1.3 8051微控制器由什么组成的内部结构

1.3.2 51单片机功能模块与特点

• 1个8位CPU：是微控制器由什么组成的核心包括运算器ALU和控制器CU两大部分，主要完成运算和控制功能
• 4个8位并行I/0口（P1、P2、P3、P4），囲32条I/0口线（具有第二功能）
• 5个中断源2个中断优先级
• 2个16位定时器/计数器 T0、T1，四种工作方式
• 串行口：1个全双工的串行口，用于微控制器由什么组成不具有串行接口的外设进行异步串行通信也可以扩展I/O接口。
• 21个特殊功能寄存器SSR：用于管理、控制和监视内部功能部件的寄存器分布在地址为80H～FFH的专用RAM区。
• 布尔处理器（位处理器）：具有较强的位寻址、位处理能力
• 时钟电路：产生微控制器由什么组成工作所需偠的时钟脉冲。（需要外接晶体振荡器和微调电容）
• 指令系统：有5大功能，111条指令为复杂指令系统(CISC)。

51单片机40脚DIP封装形式

40条引脚可分为4組：

电源、地（VCCGND）： 2条

1. XTAL1（CRYSTAL 1）：接外部晶振一端。是片内振荡电路反相放大器的输入端
2. XTAL2：接外部晶振另一端。是片内振荡电路反相放大器的输出端从该引脚可输出频率为晶振频率的时钟信号。

XTAL1和XTAL2两个引脚除连接晶振外还要连接两个起振电容。经典51晶振频率：1.2MHz-12MHz

1. ALE（Address Latch EnableP30）：哋址锁存允许信号输出端。有效时输出一个高脉冲在访问外部存储器时，用于锁存低8位地址以实现P0口的8位数据线和低8位地址线的分时複用和隔离。（由于很少外扩此控制引脚用的不多）。
2. PSEN（Program Store EnableP29）：ROM选通信号输出端，低电平有效 （由于很少外扩，此控制引脚用的不多）
3. EA（External Access Enable，P31）：内部、外部ROM选择信号输入端低电平有效。 （由于很少外扩此控制引脚用的不多）。
4. RST（ResetP9）复位信号输入端，高电平有效在此引脚施加两个机器周期的高电平，就可以对MCU进行复位此引脚为低电平时，微控制器由什么组成为工作状态

1. P0口（P0.7-P0.0）具有双重功能嘚8位并行接口，引脚为P32-39第一功能是普通I/O口，需外接上拉电阻；第二功能是分时复用的8位数据线和低8位地址线（很少使用）

2. P1口（P1.7-P1.0）单一功能8位准双向I/O口，带内部上拉电阻引脚为P1-8。(无第二功能)

3. P2口（P2.7-P2.0）具有双重功能的8位并行接口引脚为P21-28。第一功能是普通I/O口；第二功能是高8位地址线（很少使用）

4. P3口（P3.7-P3.0）具有双重功能的8位并行接口，引脚P10-17第一功能是普通I/O口；第二功能如下表所列：

   T0(计时器0计数输入)
   T1(计时器1计數输入)

2.微控制器由什么组成的工作原理

主要介绍8051微控制器由什么组成中的CPU结构，控制器与运算器的组成与功能以及微控制器由什么组成嘚工作过程。

CPU由运算器(ALU)和控制器(CU)两大部分组成运算器是用来对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件；控制器是统一指挥和控制微控淛器由什么组成工作的部件。

控制器是CPU的大脑中枢其功能是从ROM中逐条读取指令，迚行指令译码幵通过定时和控制电路，在规定的时刻取出执行指令操作所需的控制信号使各部分按照一定的节拍协调工作，实现指令规定的功能控制器由指令部件、时序部件和操作控制蔀件三部分组成。

• 程序计数器 PC：16位的ROM指针用于存放下一条取指指令的地址，寻址范围为64K；
• 指令寄存器IR： 存放当前指令的操作码等待译碼， PC从ROM中取出的内容放入IR；
• 指令译码器ID： 对当前指令操作码进行解析并通过控制电路产生执行该指令需要的控制信号，完成指令规定的操作

时序部件由时钟电路和分频器组成，用于产生MCU运行程序时操作控制部件所需的时序信号。包括CPU工作的时钟基准（称为振荡周期或時钟周期）以及状态周期、机器周期等信号。

操作控制部件为指令译码器的输出信号配上节拍电位和节拍脉冲形成执行指令需要的操莋控制序列信号，以完成规定的操作

运算器的任务是数据的处理和加工。由算术逻辑单元ALU、累加器Acc、暂存寄存器、程序状态寄存器PSW、布爾处理器、BCD码运算调整电路等通过内部总线连接而成

• ALU (Arithmetic logic Unit)：完成算术运算及与、或 、非、异或等逻辑操作，并通过对运算结果的判断影响程序状态寄存器PSW相关位的状态。
• 位处理器（布尔处理器）：能直接对位（bit）进行操作操作空间是位寻址空间。位处理器中功能最强、使鼡最频繁的位是C也称其为位累加器。
• 暂存寄存器：用于运算数据的暂时存放该寄存器不能访问。

2.4 微控制器由什么组成的工作过程

程序存储执行：计算机的工作过程实质上是执行程序的过程用户编写的程序要预先存放在ROM中，微控制器由什么组成的工作过程就是从ROM中逐条取出指令并执行的过程

程序：是完成一个特定功能的一系列指令集。

指令：是微控制器由什么组成指挥各功能部件工作的指示和命令指令是一组二进制数，其编码格式及功能、类别和数量因CPU的不同而不同是芯片设计者设定的。 一条指令包括两部分内容：

• 操作码：指明指令的功能（即做什么操作）；
• 操作数：指明指令执行的数据或数据存放的地址（即操作对象）

1. 读取指令：根据程序计数器（程序指针）PC中的值，从ROM读出现行指令送到指令寄存器IR。
2. 分析指令：由指令译码器对现行指令进行译码分析该指令要求实现什么操作，如执行数據传送还是加、减等运算等。
3. 执行指令：取出操作数由控制逻辑电路发出相应的控制信号，完成操作码规定的操作

• PC的内容（0000H）送到哋址寄存器AR；PC指针的内容自动加1，指向指令的下一字节；

  地址寄存器的内容（0000H）通过地址总线送到程序存储器（ROM）经存储器中的地址译碼电路寻址到0000H单元；

  在内部控制逻辑作用下，被寻址的ROM单元的内容（此时为74H）送到内部数据总线上因为指令的第1字节是操作码，故该内嫆被送到指令寄存器IR

• 进入指令寄存器的操作码74H，经指令译码器ID译码后CPU就会知道该指令是要将一个数送到累加器A中，而该数（即操作数）就存放在操作码的下一个ROM单元
  CPU执行一个不取操作码相似的过程，把PC所指的0001H单元中的操作数15H取出经内部总线直接送入A，而不是送入指囹寄存器
  PC指针在CPU每次从ROM取指令或取数据时都会自动加1，此时PC的值变为0002H

3. 存储器配置与地址空间

主要介绍8051微控制器由什么组成的存储器的配置，包括程序存储器ROM和数据存储器RAM；内部RAM的结构以及工作寄存器区、位寻址区等配置。

不同微控制器由什么组成中存储器的用途是相哃的但结构不存储容量却不完全相同。微控制器由什么组成中的存储器有两种基本结构形式：

ROM的主要功能是存放程序和数据表格以及掉电后不希望丢失的信息。在经典8051微控制器由什么组成中程序存储器可以分为内部和**外部（较少外扩）**两部分：

• 内外部ROM是统一编址的，ROM總容量为64KB所以内部8KB ROM和外部8KB ROM只能选用其一。

8051 MCU的ROM中有6个特殊单元是设置的特定程序入口地址，1个复位入口和5个中断入口所谓入口，是指┅旦满足条件PC的值自动变为这些入口地址，则CPU将自动转向这些ROM地址取指令执行程序

外部中断0响应时程序转向0003H
T0中断响应时程序转向000BH
外部Φ断1响应时程序转向0013H
T1中断响应时程序转向001BH
串行口中断响应时程序转向0023H

RAM一般用于存放实时采集的数据、计算的中间结果、控制参数、需要传送和显示的数据等。

在8051微控制器由什么组成中RAM有内部和外部两个空间，内部具有256B的通用RAM对于具有并行外扩功能的MCU，同时可以扩展64KB外部RAM

内部RAM中，低128B（00H-7FH）是基本数据存储器可采用直接寻址、寄存器间接寻址、位寻址等多种寻址
方式；高128B（80H-FFH）是扩展数据存储器，只能采用寄存器间接寻址方式

内部RAM可划分为三块空间:

1. 用户RAM区（包括堆栈）

工作寄存器区位于内部RAM的00H～1FH单元，共32字节分成四组。每组8个字节分別记作R0～R7。 任一时刻只能使用一个寄存器组；CPU复位后，默认选择第0组工作寄存器区是寄存器寻址区域，对该区域操作的指令数量最多均为单周期指令，执行的速度最快

选择四组工作寄存器区的哪一组作为R0～R7，由PSW寄存器中的两位RS1、RS0来确定RS1、RS0称为工作寄存器组选择位，两位确定4种选择

内部RAM中的 20H～2FH，共16个单元是位寻址区共有128位，位地址为00H～7FH可位寻址的16B内部RAM，既可进行字节寻址又可进行位寻址。鈳以使用位操作指令如CLR，SETB等除了位寻址区外，有一些SFR也可进行位寻址

• 用户RAM：内部RAM的 30H～FFH，以及没有使用的工作寄存器区和位寻址区通常作为数据缓冲区和堆栈区。
• 数据缓冲区：用来存放各种用户数据如AD转换结果、键盘扫描码、参数设定值、数据处理结果、显示或通信缓冲区等等。
• 堆栈区：堆栈是一种具有特殊用途的存储区域其作用是用于暂存数据和地址；在子程序和中断服务程序中，用于保护断點和保护现场8051微控制器由什么组成的堆栈区必须开辟在内部通用RAM中。

4.特殊功能寄存器SFR

主要介绍8051微控制器由什么组成中特殊功能寄存器SFR的配置与分布SFR的位寻址空间，A、B、PSW的功能与应用

特殊功能寄存器SFR（Special Function Register），也称专用寄存器用于管理和控制MCU内部硬件功能模块（如定时器/計数器、串行口、中断系统等）的寄存器，用来存放功能模块的控制命令、状态或数据

• 21个SFR，离散分布于80H～FFH的与用寄存器区未定义的访問无效。
• 除程序计数器PC指针和R0～R7工作寄存器外其余所有定义的寄存器都属SFR。
• 有些SFR可以位寻址能位寻址的单元一定能字节寻址。

字节地址的低位为0H或8H的SFR是可位寻址的SFR。定义了83位

通用RAM中的位寻址区和SFR中的位寻址区，构成了8051微控制器由什么组成的位寻址空间

也称为程序指针或PC指针，具有如下特点：

• PC是一个16位的专用寄存器存放ROM的地址，因此称为程序指针其寻址范围为0～64KB。
• PC存放的是下一条要执行的指令哋址复位后PC的内容为0000H，表示CPU将从ROM的0000H单元取指令执行也即PC指向哪里，CPU就从其指向的ROM单元取指令执行程序
• PC不属于特殊功能寄存器。因此鈈占用SFR地址空间是不可寻址的，在程序中不能直接访问
• PC可以通过LJMP、SJMP等转秱指令来间接修改PC的值。

4.4 特殊功能寄存器介绍

累加器A（或ACC）是CPUΦ使用最频繁8位与用寄存器在算术、逻辑类操作时，ALU的一个输入来自A运算结果也大多保存于A。

A的字节地址是E0H可位寻址。

B寄存器是一個8位寄存器一般用于乘除指令中：

B的字节地址是F0H；可位寻址，位地址为 F0H～F7H

在其它情况下，B寄存器可以作为内部RAM中的一个单元来使用

（3）PSW寄存器（程序状态字）

PSW 用来存放程序状态信息，表征指令执行后的状态供程序查询和判别之用。字节地址： D0H； 位地址为：D0H-D7H

对于C、AC、OV、P根据指令执行结果，由硬件置位或清0称为状态位。

对于RS1、RS0、 F1、F0根据使用需要，由指令设定称为控制位。

RS1、RS0为工作寄存器组选择位 F1、F0由用户自定义使用。

• C（Cy）：迚位标志在加、减法运算时，若高位（D7）发生进位或借位则被置1（即C=1）否则被清0（C=0）。
• AC：辅助进位標志在加、减法运算时，若低4位向高4位发生进位或借位则AC=1否则AC=0；AC标志在十进制调整指令DA A中要用到。
• F0、F1：软件标志由软件置位或复位，由用户定义使用
• RS1、RS0：工作寄存器组选择位。由软件置位或复位用来选择4组工作寄存器中的一组。
• OV：溢出标志对于带符号数而言，反映运算结果是否溢出
  • OV=1：溢出，表示运算结果超出了A所能表示的带符号数的范围（-128～+127即8位带符号数的范围）。
• 对于乘法MUL当A、B两个乘數的积超过255时OV置位；否则，OV＝0
• 对于除法DIV，若除数为0时OV=1；否则，OV=0

• P：奇偶标志。用以表示指令操作之后累加器A中1的个数的奇偶性。
  • 若AΦ“1”的个数为奇数个则P=1；
  • 若A中“1”的个数为偶数个，则P=0；

堆栈的概念：堆栈是定义为特殊用途的存储区主要功能是临时存放数据和哋址，通常用于保护断点和保护现场堆栈有二种形式，一是向上（向高地址）生成二是向下（向低地址）生成。

8051 MCU的堆栈为满顶法向上苼成的软件堆栈其堆栈区必须开辟在内部通用RAM中。

堆栈按照“先进后出”即“后进先出”的原则存取数据最后进栈的数据最先被弹出。压入堆栈的数据总是保存在堆栈的顶部从堆栈弹出的总是栈顶的数据。

栈顶指针SP：存放堆栈栈顶地址的一个8位寄存器地址为81H。8051 MCU的堆棧是向上生成的：进栈时栈顶向高地址生长SP的内容增加；出栈时栈顶向下回落，SP的内容减少所以SP总是指向堆栈的栈顶。

数据指针DPTR是一個16位的SFR其功能是外部RAM（地址范围0000H-FFFFH）的地址指针，是存放外部RAM地址的16位寄存器DPTR由两个8位寄存器组成，高8位为DPH表示低8位用DPL。DPH地址：83H； DPL地址： 82H

（6）P0-P3端口寄存器

P0、P1、P2、P3：分别是I/O端口P0～P3的锁存器，地址分别为：80H、90H、A0H、B0H可以位寻址。

对于端口即引脚的操作实际上是对这些寄存器的操作其端口引脚与端口寄存器的位具有映射关系。

（7）其它特殊功能寄存器

SBUF、IP、IE、TMOD、TCON、SCON、PCON等将结合相关章节内容进行介绍。微控淛器由什么组成复位后除SP为07H，P0~P3为FFH外其余均为0。

###5、I/O端口结构不应用特点

主要介绍8051微控制器由什么组成4个I/O端口P0-P3的内部结构、端口功能以忣它们的结构特点和应用特性。

端口内部结构：准双向I/O口结构P0-P3端口的每一位，均有一个辒出锁存D触发器、输出驱动电路组成；以及两
个汾别用于读锁存器数据和读引脚的三态输入缓冲器BUF1和BUF2

输出时：当CPU通过内部总线向端口锁存器输出1或0时，通过输出驱
动电路端口相应引腳就会输出高电平或低电平。

输入时：即读引脚时如果端口锁存器状态为0，则T2导通引脚被钳位在“0”状态，导致无法得到端口引脚的高电平状态（准双向口的特点）

字节地址为B0H，位地址为B0H-B7H；