1.2 MCS-51单片机结构和原理

1.2.1 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚

MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。8051内部有4KB ROM，8751内部有4KB EPROM，8031片内无ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。因此以8051为例，说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。

1．8051单片机的基本组成

8051单片机的基本组成如图1-3所示。各部分情况介绍如下：

（1）中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。

（2）内部数据存储器（内部RAM）8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读/写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。

（3）内部程序存储器（内部ROM）8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始表格常数，因此称之为程序存储器，简称内部ROM。

（4）定时器/计数器8051共有2个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数功能，当定时/计数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。

（5）并行输入输出（I/O）口MCS-51共有4个8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入输出。在项目实践中我们使用了P1口，通过P1口P1.0连接1个汽车信号灯。

（6）全双工串行口MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。

（7）中断控制系统MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。

（8）时钟电路MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6MHz和12MHz。

从上述内容可以看出，MCS-51虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括。因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。

2．MCS-51的信号引脚

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列如图1-4所示。

（1）电源及时钟引脚（4个）

● V_SS（20）：地线。

● V_CC（40）：+5V电源。

● XTAL1（19）和XTAL2（18）：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，这两个引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

（2）控制线引脚（4个）

● ALE（30）：地址锁存控制信号。

在系统扩展时，ALE用于控制把P 0口输出的低8位地址锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。

● （29）：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。

● （31）：访问程序存储器控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当信号为高电平时，对ROM的读操作则是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。

● RST（9）：复位信号。当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

（3）并行I/O引脚（32个，分成4个8位口）

● P0.0～P0.7：通用I/O引脚或数据/低位地址总线复用引脚。

● P1.0～P1.7：通用I/O引脚。

● P2.0～P2.7：通用I/O引脚或高位地址总线引脚。

● P3.0～P3.7：通用I/O引脚或第二功能引脚。

1.2.2 MCS-51单片机的数据存储器

MCS-51单片机的数据存储器分为内部RAM和外部RAM，RAM的配置图如图1-5所示。8051片内RAM共有128B，分成工作寄存器区、位寻址区、通用RAM区三部分。

基本型单片机片内RAM地址范围是00H～7FH。增强型单片机（如80C52）片内除地址范围在00H～7FH的128B RAM外，又增加了80H～FFH的高128B的RAM。增加的这一部分RAM仅能采用间接寻址方式访问（以与特殊功能寄存器SFR的访问相区别）。

片外RAM地址空间为64KB，地址范围是0000H～FFFFH。与程序存储器地址空间不同的是，片外RAM地址空间与片内RAM地址空间在地址的低端0000H～007FH是重叠的。这就需要采用不同的寻址方式加以区分。访问片外RAM时采用专门的指令MOVX实现，这时读（）或写（）信号有效；而访问片内RAM使用MOV指令，无读写信号产生。另外，与片内RAM不同，片外RAM不能进行堆栈操作。

1．内部数据存储器低128单元

8051的内部RAM共有256个单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H～7FH）和高128单元（单元地址80H～FFH），低128单元的配置情况见表1-2。

低128单元是单片机的真正RAM存储器，按其用途划分为三个区域：

（1）寄存器区8051单片机片内RAM低端的00H～1FH共32B，分成4个工作寄存器组，每组占8个单元。

● 寄存器0组：地址00H～07H

● 寄存器1组：地址08H～0FH

● 寄存器2组：地址10H～17H

● 寄存器3组：地址18H～1FH

在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称为当前寄存器组。到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中RS₁、RS₀位的状态组合来决定。

通用寄存器为CPU提供了就近数据存储的便利，有利于提高单片机的运算速度。此外，使用通用寄存器还能提高程序编制的灵活性。因此，在单片机的应用编程中应充分利用这些寄存器，以简化程序设计，提高程序运行速度。

（2）位寻址区 位的含义：1盏灯亮或者说1根线的电平的高低，可以代表2种状态：0和1。实际上这就是1个二进制位，用bit表示。字节的含义：1根线可以表示0和1，2根线可以表示00、01、10、11共4种状态，而3根线可以表达0～7共8种状态，计算机中通常将8根线放在一起，同时计数，就可以表示0～255一共256种状态。这8根线或者8位就称为一个字节（BYTE）。

内部RAM的20H～2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此，把该区称为位寻址区。位寻址区共有16个RAM单元，计128位，位地址为00H～7FH。MCS-51具有布尔处理机功能，这个位寻址区可以构成布尔处理机的存储空间。这种位寻址能力是MCS-51的一个重要特点。表1-3为片内RAM位寻址区的位地址表。

（3）用户RAM区 在内部RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下80个单元，这就是供用户使用的一般RAM区，其单元地址为30H～7FH。对用户RAM区的使用没有任何规定或限制。但在一般应用中常把堆栈开辟在此区中。

2．内部数据存储器高128单元

内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80H～FFH。因这些寄存器的功能已作专门规定，故而称之为专用寄存器（Special Function Register, SFR），也可称为特殊功能寄存器。

8051共有21个专用寄存器，现对其中部分寄存器进行简单介绍。

1）程序计数器（PC——Program Counter）。PC是一个16位的计数器，它总是存放着下一个要取的指令的16位存储单元地址，它的作用是控制程序的执行顺序。其内容为将要执行指令的地址，寻址范围达64KB。PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的。因此，用户无法对它进行读写。但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。因地址不在SFR之内，一般不计作专用寄存器。

2）与运算器相关的寄存器（3个）。

① 累加器（ACC——Accumulator）。累加器为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，功能较多，地位重要。它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。MCS-51单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。

② B寄存器。B寄存器是一个8位寄存器，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。此外，B寄存器也可作为一般数据寄存器使用。

③ 程序状态字（PSW——Program Status Word）。程序状态字内部含有程序在运行时的相关信息，其详细情况见表1-4。现说明如下：

进位标志CY（Carry），可简写为C，它的用途如下：

● 当CPU在做加法运算时，若有进位，则CY=1；否则CY=0。

● 当CPU在做减法运算时，若有借位，则CY=1；否则CY=0。

● 作为位处理的运算中心即位累加器。

辅助进位标志AC（Auxiliary Carry）

● 在相加的过程中，若两数的bit3相加后有进位产生，则AC=1；否则AC=0。

● 在相减的过程中，若bit3不够减，必须向bit4借位，则AC=1；否则AC=0。

用户标志位F0（Flag Zero）

● 由用户根据程序执行的需要通过软件来使它置位或清除。

RS1、RS0：工作寄存器组选择位

● 80C51的RAM区域地址00H～1FH单元（32B）为工作寄存器区，共分四组，每组有8个8位寄存器，用R0～R7表示。

● RS1、RS0可以用软件来置位或清零以确定当前使用的工作寄存器组。

溢出标志OV（Overflow）

● 当两个数相加时，若bit6及bit7同时有进位或没有进位，则OV=0；否则OV=1。

● 当两个数相减时，若bit6及bit7同时有借位或没有借位，则OV=0；否则OV=1。

● 根据执行运算指令后OV的状态，可判断累加器中的结果是否正确。

奇偶位标志P（Parity）

● 对于累加器的内容，若等于1的位有奇数个，则P=1；否则P=0。

3）与指针相关的寄存器（3个）。

① 数据指针（DPTR）。数据指针为16位寄存器，它是MCS-51中一个16位寄存器。编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用，即：

DP H DPTR高位字节

DP L DPTR低位字节

DPTR通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用，由于外部数据存储器的寻址范围为64KB，故把DPTR设计为16位。

② 堆栈指针（SP——Stack Pointer）。堆栈是一个特殊的存储区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”的原则存取数据的。堆栈共有两种操作：进栈和出栈。

MCS-51单片机由于堆栈设在内部RAM中，因此SP是一个8位寄存器。系统复位后，SP的内容为07H，使得堆栈实际上从08H单元开始。但08H～1FH单元分别属于工作寄存器1～3区，若程序中要用到这些区，最好把SP值改为1FH或更大的值。一般地，堆栈最好在内部RAM的30H～7FH单元中开辟。SP的内容一经确定，堆栈的位置也就跟着确定下来，由于SP可初始化为不同值，因此堆栈位置是浮动的。

4）与接口相关的寄存器（7个）。

① 并行I/O接口P0、P1、P2、P3，均为8位；通过对这4个寄存器的读和写，可以实现数据从相应接口的输入和输出。

② 串行接口数据缓冲器SBUF。

③ 串行接口控制寄存器SCON。

④ 串行通信波特率倍增寄存器PCON（由于一些位还与电源控制相关，所以又称为电源控制寄存器）。

5）与中断相关的寄存器（2个）。

① 中断允许控制寄存器IE。

② 中断优先级控制寄存器IP。

6）与定时/计数器相关的寄存器（6个）。

① 定时/计数器T0的2个8位计数初值寄存器TH0、TL0，它们可以构成16位的计数器，TH0存放高8位，TL0存放低8位。

② 定时/计数器T1的2个8位计数初值寄存器TH1、TL1，它们可以构成16位的计数器，TH1存放高8位，TL1存放低8位。

③ 定时/计数器的工作方式寄存器TMOD。

④ 定时/计数器的控制寄存器TCON。

3．专用寄存器中的字节寻址和位地址

MCS-51系列单片机有21个可寻址的专用寄存器，其中有11个专用寄存器（字节地址能被8整除的）是可以位寻址的。MCS-51专用寄存器地址见表1-5。对专用寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。

1.2.3 MCS-51单片机的程序存储器

MCS-51的程序存储器用于存放编好的程序和表格常数，以8051为例，其配置图如图1-6所示。8051片内有4KB的ROM，8751片内有4KB的EPROM，8031片内无程序存储器。MCS-51的片外最多能扩展64KB程序存储器，片内外的ROM是统一编址的。如端保持高电平，8051的程序计数器PC在0000H～0FFFH地址范围内（即前4KB地址）是执行片内ROM中的程序，当PC在1000H～FFFFH地址范围时，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，片外存储器可以从0000H开始编址。

MCS-51的程序存储器中有些单元具有特殊功能，使用时应予以注意。

其中一组特殊单元是0000H～0002H。系统复位后，PC=0000H，单片机从0000H单元开始取指令执行程序。如果程序不从0000H单元开始，应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，以便直接转去执行指定的程序。

还有一组特殊单元是0003H～002AH。共40个单元，这40个单元被均匀地分为5段，作为5个中断源的中断地址区。其中：

● 0003H～000AH外部中断0中断地址区

● 000BH～0012H定时器/计数器0中断地址区

● 0013H～001AH外部中断1中断地址区

● 001BH～0022H定时器/计数器1中断地址区

● 0023H～002AH串行中断地址区

中断响应后，按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序。因此，在中断地址区中理应存放中断服务程序。但通常情况下，8个单元难以存下一个完整的中断服务程序。因此，通常也是从中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址去。