MCS-51系列单片机的硬件结构

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1.计算机是一种能够高速而精确地进行各种数据处理的机器。至今，计算机的发展已经经历了四代，微型计算机是第四代计算机的产物，而单片机是微型机的一种。当前计算机的发展趋势是微型化、巨型化、网络化和智能化。

根据设计目标，计算机可分为通用计算机和专用计算机；根据用途，有科学计算、数据处理和工业控制计算机；根据规模和功能，有巨型机、大型机、中型机、小型机、和微型机。

常用的数制有十进制、二进制、十六进制，计算机中均用0、1来存储数据。要求掌握十进制、二进制、十六进制整数之间的转换。机器中有符号数，是用“0”表示正，用“1”表示负。一般n位机器数的最高位为符号位，其余（n-1）位为数值部分。无符号数没有符号位，机器的全部有效位都用来表示数的大小。原码、补码和反码都是带符号数在机器中的表示方法。原码是数的真值，但其符号部分用0或1表示的一种机器数；反码是对原码除符号位外各位求反后得到的一种机器数；负数的补码可通过对原码除符号位外，各位求反加“1”得到。

计算机是由硬件和软件组成的，计算机的硬件组成为运算器、控制器、存储器和输入/输出设备；运算器和控制器是计算机硬件的核心，称为中央处理器（CPU）。计算机中的程序称为软件，包括系统软件和应用软件。硬件是计算机赖以工作的物质基础，而软件是计算机系统工作的灵魂。

计算机的工作可以认为是信息加工的过程，计算机中的信息是指数据或指令。指令是指示计算机执行某种操作的命令，指令是以一组二进制码表示的，称为机器指令。计算机只能识别和执行机器指令。在计算机中指令是依次地存储于存储器中的。指令的编码规则称为指令格式；一条指令的二进制码位数称为指令的长度；不同类型的计算机，指令的长度和格式是不一样的，所能执行的指令类型和数目也不同。通常把一台计算机所能执行的全部指令的集合称为指令系统。指令包含操作码和操作数两个部分，操作码用来表示执行什么样的操作，如传送、加法等，操作数用以指出参加操作的数据或数据的存储地址。计算机中作为一个整体来进行处理和运算的一组数据或指令的二进制编码，统称为“机器字”，简称“字”，CPU一次可处理的二进制数的位数称为字长，字长是衡量计算机性能的一个重要指标，字长为字节的整数倍。

计算机采取程序存储的工作方式。存储器的职能是存储程序和数据。了解存储器的主要技术指标和分类、内存外存常用何种存储器、半导体存储器的特点是什么。运算器是计算机进行算术和逻辑运算的功能部件，控制器控制计算机系统的各种操作，输入/输出设备通过输入/输出接口电路与主机相连。了解常用外设有哪些。总线是计算机中各个功能部件之间传送信息的公用通道，是连接各个功能部件并为它们服务的一组信息传递导线，总线可分为单向总线和双向总线，并行总线和串行总线，若按传递信息的属性不同，可分为地址总线、数据总线和控制总线。

微型计算机是第四代计算机的产物，而单片机是微型机的一种。

将计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和输入/输出接口都集成在一个大规模集成电路芯片上的微型计算机称为单片机。单片机面向控制应用领域。给单片机配上适当的外围设备和软件，便可构成一个单片机应用系统。单片机应用系统可分为基本系统和扩展系统两大类，扩展系统和基本系统的区别在于有无程序存储器、数据存储器和I/O接口电路等扩展部件。MCS-51系列的典型产品为8051、8751和8031，均为8位单片机，MCS-96系列为16位单片机。单片机具有体积小、可靠性高、控制功能强、使用方便、性能价格比高、容易产品化等特点。单片机主要应用在：智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统、家用电器等，对各个行业的技术改造和产品的更新换代起重要的推动作用。

2.

8051、8751和8031均为8位单片机，其内部结构是基本相同的。都具有如下硬件资源：面向控制的8位CPU、128B内部RAM数据存储器、32位双向输入/输出线、一个全双工的异步串行口、二个16位定时器/计数器、五个中断源、2个中断优先级、时钟发生器、可以寻址64KB的程序存储器和64KB的外部数据存储器。MCS-51内部有一个功能很强的8位微处理器CPU，它由算术逻辑运算部件（ALU）、布尔处理器、控制器和工作寄存器组成。8051内部有4KBROM，8751内部有4KBEPROM，而8031内部无程序存储器。

时钟电路控制着计算机的工作节奏，是计算机的心脏。时钟可由内部振荡器产生，也可由外部振荡器提供。CPU取出一条指令至该指令执行完所需的时间称为指令周期。大多数8051指令执行时间为一个机器周期或两个机器周期。一个机器周期由12个时钟构成，所以一个机器周期M=12/fosc （fosc为振荡器频率）。

单片机可通过上电自动复位和人工复位，使CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作（需掌握复位以后内部各寄存器的状态）。若系统有外部扩展的接口电路，则也需与单片机同步复位，以保证CPU有效地对外部电路进行初始化编程。两者复位电路的不同，需保证两者同步复位。

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3.存储器组织程序存储器空间为64KB，其地址指针为16位的程序计数器PC。8051内部RAM数据存储器的空间为128B。内部RAM低128B中不同的地址区域从功能和用途方面，可划分为三个区域：工作寄存器区、位寻址区、堆栈和数据缓冲器区。 8051内部RAM的0～1FH为四组工作寄存器区，寄存器组的选择由PSW中的RS1、RS0两位决定，每组有8个工作寄存器R0～R7，四组共32B。内部RAM的20～2FH为位寻址区域，这16个单元的每一位（16×8）都有一个位地址，它们占据位地址空间的0～7FH。30～7FH为数据缓冲区，8051的堆栈一般设在30～7FH的范围内，栈顶位置由栈指针SP指出，复位以后SP为07H，一般应对SP初始化来具体设置堆栈区。在实际的8051应用系统中，内部RAM的0～7FH，除了实际用到的工作寄存器、位标志和堆栈区以外的单元，都可以作为数据缓冲器使用，存放输入的数据或运算的结果。 8051内部的I/O口锁存器以及定时器、串行口、中断等各种控制寄存器和状态寄存器都称为特殊功能寄存器，它们离散地分布在内部RAM 80H～FFH的地址空间（8051有21个特殊功能寄存器）。而其中部分地址能被8整除的字节地址单元可以位寻址，即有些特殊功能寄存器，既能用字节地址访问又可以用位地址访问其中的某些位。

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4.定时器/计数器单片机内部均有定时器/计数器。定时器/计数器是单片机重要的内部资源，定时器与计数器的工作原理是相同的，定时器/计数器是根据输入的脉冲进行加1或减1计数，当计数器溢出时，将溢出标志位置1，表示计数到预定值。当输入的是标准脉冲（如系统脉冲）时，计数的目的是为了得到时间，此时即为定时器；若输入的不是标准脉冲，只是计输入脉冲数，此时即为计数器。 8051的定时器/计数器是根据输入的脉冲进行加1计数，当计数器溢出时，将溢出标志位置1，表示计数到预定值。其方式寄存器TMOD决定了定时器/计数器是工作在定时器方式还是工作在计数器方式，并控制定时器/计数器的工作方式以及计数时是否受外部引脚的控制。控制寄存器TCON控制定时器/计数器的启停（TRi）、寄存定时器/计数器的溢出状态（TFi）。

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5.并行口 8051有四个双向8位输入/输出口P0～P3，每个口都有锁存器、输入/输出缓冲器。四个并行口硬件组成有相同又有不同，其不同是与各个口所担负的作用与功能相关联的。如P0口无内部上拉电阻，P1口、P3口无多路开关，P3口的每位可定义第二I/O功能等。各个口在不同作用时的信息内容和信息流向是不同的。如P0、P2口的多路开关就决定了当前口是作为通用I/O口与外部的输入/输出设备之间交换信息，还是作为系统扩展的地址/数据总线使用，多路开关的切换由其控制端决定。系统扩展时，通常P0口作为8位数据总线；P2口作高8位地址总线，P0口同时作低8位地址总线。P0口的低8位地址总线与8位数据总线是分时复用的，需使用地址锁存器锁存低8位地址。16位地址总线共同完成对外部存储器64KB范围寻址。 =0决定访问外部程序存储器，、是扩展的外部数据存储器或I/O口的读写控制信号。

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6.中断系统 CPU正在运行程序时，外部发生了某一事件，请求CPU处理，CPU暂时中断当前程序，转入处理这一事件，处理完后，再回到原来被中断的地方继续原来的工作，这个过程叫中断。实现中断功能的部件称为中断系统。 8051有5个中断源，可编程为2个优先级，实现两级中断嵌套。5个中断源分别为外部中断和内部中断。外部中断是引脚P3.2和P3.3输入的两个中断源和。内部中断是定时器/计数器T0和T1的溢出中断，以及串行口的收发中断RI/TI。 5个中断源相应的控制位和标志位在TCON和SCON的相应位中，对于中断系统结构图，弄清楚各信号的来源、作用，哪些是CPU控制自动完成的，哪些是用户软件完成的，中断的撤销是如何完成的等。 MCS-51中断优先权的控制原则是：（1）高优先级中断请求可以打断低优先级中断，而低优先级的中断请求不能打断高优先级中断服务。（2）不能打断同级中断。（3）同一优先级中的中断源同时请求中断时，按照同优先级查询顺序确定中断优先级。 8051优先级查询顺序由高到低为：IE0（）、TF0、IE1（）、TF1、RI/TI。

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6.串行口 MCS-51有一个全双工的异步串行通信接口，有四种工作方式供选择，可以同时发送和接收数据，SBUF是其数据发送和接收缓冲器，SCON是串行口的控制寄存器，PCON.7是串行口波特率加倍位SMOD。其波特率可由定时器T1的溢出率确定。二.寻址方式和指令系统指令是指挥计算机执行某种操作的命令。一台计算机所能识别的全部指令的集合称为指令系统。指令查找操作数的方法称为寻址方式。MCS-51系列单片机共有7种寻址方式：寄存器寻址、立即寻址、直接寻址、寄存器间接寻址、基址寄存器加变址寄存器间接寻址、相对寻址、位寻址。各寻址方式有相应寻址空间。 PSW是程序状态字寄存器，用于保存数据操作的结果标志 MCS-51的111种指令可划分五类：数据传送类、算术操作类、逻辑操作类、控制转移类、布尔变量（位）操作类。三.汇编语言程序设计汇编语言是面向机器的语言。用汇编语言进行程序设计的过程和用高级语言进行程序设计类似。单片机汇编语言程序设计与所使用的机器的内部结构有密切的关系伪指令也称汇编命令。一般伪指令汇编时不产生机器语言指令，仅提供汇编信息。一般的方法:按照程序设计的基本步骤,\画出程序流程图，\编写出汇编语言程序简单（顺序）程序设计、分支程序设计、循环程序设计、子程序设计。数据传送程序、简单的加减程序、延时程序、逻辑运算程序、位变量的逻辑操作程序、十进制BCD码加法程序、BCD码与ASCII码的转换程序、十六进制与ASCII码的转换程序、简单常用子程序，定时器程序设计。四.单片机存储器扩展单片机是将CPU、存储器、I/O接口均集成在一个芯片上的微型计算机，在组成实际应用系统时，所需的最小配置，称最小应用系统。一般在片外加接晶振、复位等电路是必需的，片内无程序存储器的单片机需扩展程序存储器。单片机的时钟可以由内部产生，也可以由外部产生。单片机的复位有上电自动复位和人工复位。外部扩展电路的应用系统还应系统复位。所谓驱动是增加系统到负载的能力。锁存是延长数据存在的时间。缓冲是指将数据和总线进行一定的隔离，防止数据对总线的干扰。译码是对在总线上的芯片按照地址线进行选择，使得在某一时刻只有一个芯片被选中工作。 MCS—51具有很强的系统扩展能力，可以扩展64KB的程序存储器和64KB的数据存储器或输入/输出口。 MCS-51系列单片机都是通过片外引脚进行系统扩展的。片外引脚可以构成三总线结构，即地址总线、数据总线和控制总线。所有的外部芯片都通过这3条总线进行扩展。数据总线（DB）：由P0口提供，该口为三态双向口，其宽度为8位。地址总线（AB）：由P0口提供低8位A7～A0，P2口提供高8位A15～A8。地址总线宽度为16位，故可寻址范围为64KB字节。由于P0口还要作数据总线口，所以P0是分时复用的。P0口输出的低8位地址数据必须用锁存器锁存。P2口具有输出锁存功能。控制总线（CB）：系统扩展用控制线主要有、、、ALE、。 · ：外部数据存储器（RAM）或外部扩展I/O口的读控制信号。 · ：外部数据存储器（RAM）或外部扩展I/O口的写控制信号。 · ：外部程序存储器的读允许控制信号。 ·ALE：P0口地址锁存允许信号。 · ：选择片内或片外程序存储器

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五. 单片机输入/输出接口扩展在单片机中已经集成了输入/输出接口电路，但单片机本身的I/O口电路，只有数据锁存和缓冲功能，没有状态寄存和命令功能。而在构成一个实际的较复杂的MCS-51单片机应用系统时一般需要进行输入/输出接口的扩展。在单片机应用系统中，I/O口的扩展是为外部设备提供一个输入、输出通道。外部设备的功能是多种多样的，所使用的信息有数字式的，也有模拟式的，其信息可能是并行的，也可能是串行的，外设工作速度通常与CPU也不匹配，所以必须有各种各样的接口电路来完成不同功能的外设与CPU的连接，完成数字式信号和非数字式信号之间的转换，完成并行数据和串行数据之间的转换，协调外设与CPU的速度等。由于MCS-51系列单片机的I/O口与外部数据存储器是统一编址的，均在64KB的外部数据存储器空间，因而扩展I/O口与扩展数据存储器类似。I/O口通过总线扩展时，P2口提供地址总线高8位，P0口分时提供地址总线低8位和数据总线，控制总线主要是（读）和（写）。 8255A是一种通用的可编程的并行接口电路，具有3个8位并行口PA、PB和PC，有3种工作方式。D/A和A/D转换是过程控制和实时控制等应用中常用到的模拟量和数字量之间转换的电路芯片。DAC0832是8位的D/A转换芯片，DAC0832有数据锁存器、片选、读写控制信号线等，可与MCS-51扩展总线直接接口。ADC0809是一种8路模拟输入，8位数字输出的逐次逼近式A/D转换芯片，ADC0809具有三态输出的数据总线，可与MCS-51直接接口。七.单片机外围设备及接口输入/输出设备是单片机应用系统中的重要组成部分，原始的数据信息需通过输入设备输入到计算机，计算机的处理结果通过输出设备显示、打印和实现各种控制功能。单片机应用系统中常用的外部设备有七段显示器、键盘、打印机等。七段发光显示器在单片机应用系统中广泛应用，有共阴极、共阳极两种结构。在MCS-51单片机应用系统中，使用最广的是软件译码的显示器接口，有静态显示方式或动态显示方式。应用系统中键数量少时，常采用独立式按键。而在键较多时采用行列式（矩阵式）键盘。由于机械触点的弹性作用，按键或键盘在闭合及断开瞬间均有抖动过程，会出现一系列负脉冲，从而造成键抖动。通常采用软件延时的方法去抖动。识别按键的过程称为键扫描。键扫描通常有行扫描法和行反转法。串行接口实际上是一种串并转换电路，RS-232C是广为使用的一种串行通信总线标准，RS-232C电平与TTL电平需进行转换。七.单片机应用系统的设计和开发单片机应用系统的设计和开发是单片机应用系统的设计，从总体设计，硬件设计到软件设计. 这就是我们现在学习的单片机,希望初学者可以参考以下