图2-12 MCS-51各通道某位的结构
P0，P1，P2和P3端口的功能不完全相同，电路形式也不—样。现把它们的不同之处分述如下：
(1) P0和P2口内部各有一个二选一的选择电路，受CPU内部控制器控制。若控制端使选择电路中电子开关MUX打向上方，则P0口的“地址/数据”端和P2口的“地址”端信号均可经过输出驱动器输出；若MUX开关打向下方，则端口锁存器中的信号得以输出。因此，P0和P2口除作为输入/输出数据外都有第二功能：P0口的第二功能先是用于传送外部存储器低8位地址，后是传送外部存储器的读写数据；P2口的第二功能用于传送外部存储器的高8位地址。
(2)P1和P3端口虽无选择电路，但彼此之间是有差别的。P1口比较简单，无第二功能，仅作输入/输出数据之用。P3口除作为输入/输出数据外还有第二功能，但P3口各位的第二功能并不相同。例如，P3.0的第二功能可以接收串行数据，是作为输入引脚来用的；P3.1的第二功能可以发送串行数据，是作为输出线来用的。
2.2.1.4 MCS-51单片机复位方式
单片机的工作方式是进行系统设计的基础，也是单片机应用工作者必须熟悉的问题。通常，MCS-51单片机的工作方式包括：复位方式、程序执行方式、节电方式以及EPROM的编程和校验方式等四种。
单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51的RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，持续时间要有24个时钟周期以上。例如，若MCS-51单片机时钟频率为12MHz，则复位脉冲宽度至少应为2us。单片机复位后，其片内务寄存器状态如表2-5所列。这时，堆栈指针SP为07H，ALE、PSEN、P0、Pl、P2和P3口各引脚均为高电平，片内RAM中内容不变。
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表2-5 复位后的内部寄存器状态
2.2.2 MCS-51单片机时序
单片机时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺。因此，微型计算机中的CPU实质上就是一个复杂的同步时序电路，这个时序电路是在时钟脉冲推动下工作的．在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行指令的指令码，然后对指令码译码，并由时序部件产生一系列控制信号去完成指令的执行；这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU时序。
CPU发出的时序信号有两类：一类用于片内各功能部件的控制，这类信号很多，但对于用户是没有意义的．故通常不作专门介绍；另一类用于片外存储器或I/O端口的控制，需要通过器件的控制引脚送到片外，这部分时序对于分析硬件电路原理至关重要，也是每个计算机工作者普遍关心的问题。
在单片微型计算机中，由于CPU、存储器、定时器/计数器、中断系统和I/O端口电路等都集成在同一块芯片上，因此单片机的时序通常要比微处理器简单一些。
2.2.2.1 机器周期和指令周期
为了对CPU时序进行分析，首先要为它定义一种能够度量各时序信号出现时间的尺度。这个尺度常常称为时钟周期、机器周期和指令周期。 (1) 时钟周期
时钟周期T又称为振荡周期，由单片机片内振荡电路OSC产生，常定义为时钟脉冲频率的倒数，是时序中最小的时间单位。例如，若某单片机时钟频率为lMHz，则它的时钟周期1us。因此，时钟周期的时间尺度不是绝对的，而是一个随时钟脉冲频率而变化的参量。但时钟脉冲毕竟是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏．使计算机的每一步工作都统一到它的步调上来。因此，采用时钟周期作为时序中最小时间单位是必然的。
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(2) 机器周期
机器周期定义为实现特定功能所需的时间。通常由若干时钟周期T构成。因此，微型计算机的机器周期常常按其功能来命名，且不同机器周期所包含的时钟周期的个数也不相同。例如，Z80 CPU中的取指令机器周期由4个时钟周期T构成，而存储器读/写机器周期所需的时钟周期数是不固定(最少有4个T)的。由WAIT引脚上的电平决定。
MCS-51的机器周期没有采用上述方案，它的机器周期时间是固定不变的，均由12个时钟周期T组成，分为6个状态(s1-s6)，每个状态又分为P1和P2两拍。因此，一个机器周期中的12个振荡周期可以表示为S1P1，S1P2，S2P1，S2P2，…，S6P2。
(3) 指令周期
指令周期是的序中的最大时间单位，定义为执行一条指令所需的时间。由于机器执行不同指令所需的时间小同。因此不同指令所包含的机器周期数也不相同。通常。包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令，等等。
指令的运算速度和指令所包含的机器周期数有关，机器周期数越少的指令执行速度越快。MCS-51单片机通常可分为单周期指令、双周期指令和四周期指令等三种。
四周期指令只有乘法和除法指令两条，其余均为单周期和双周期指令。 2.2.2.2 MCS-51指令的取指/执行时序
单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段；取指令阶段简称取指阶段，单片机在这个阶段里可以把程序计数器PC中的地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。指令执行阶段可以对指令操作码进行译码．以产生一系列控制信号完成指令的执行。图2-13给出了MCS-51指令的取指/执行时序。
由图2-13可见，ALE引脚上出现的信号是周期性的，每个机器周期内出现两次高电平。出现时刻为S1P2和S4P2，持续时间为一个状态S。ALE信号每出现一次，CPU就进行一次取指操作，但由于不同指令的字节数和机器周期数不同，因此取指令操作也随指令不同而有小的差异。
按照指令字节数和机器周期数，MCS-51的111条指令可分为6类，分别对应干6种基本时序。这6类指令、是单字节单周期指令、单字节双周期指令、单字节四周期指令，双字节单周期指令、双字节单周期指令和三字节双周期指令。为了弄清楚这些基本时序的特点。现将几种主要时序作一简述：
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图2-13 MCS-51指令的取指/执行时序
(1) 单字节单周期指令时序
这类指令的指令码只有一个字节(如INC A 指令)，存放在程序存储器ROM中，机器从取出指令码到完成指令的执行仅需一个机器周期，如图2-13(a)所示，
图2-19中，机器在ALE第一次有效(S1P1)时从ROM中读出指令码，把它送到指令寄存器IR，接着开始执行。在执行期间，CPU一方面在ALE第二次有效(S4P2)时封锁PC加\，使第二次读操作无效。另一方面在S6P2时完成指令的执行。 (2) 双字节单周期指令时序
双字节单周期指令时序如图2-13(b)所示，MCS-51在执行这类指令时需要分两次从ROM中读出指令码。ALE在第一次有效时读出指令操作码，CPU对它译码后便知道是双字节指令，故使程序计数器PC加“1”，开在ALE第二次有效时读出指令出第二字节(也使PC加“1”一次)，最后在S6P2时完成指令的执行。 (3) 单字节双周期指令时序
单字节双周期指令时序如图2-13(c)所示，这类指令执行时，CPU在第一机器周期S1期间从程序存储器ROM中读出指令操作码，经译码后便知道是单字节双周期指令，故控制器自动封锁后面的连续三次读操作，并在第二机器周期的S6P2时完成指令出执行。
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2.3 MCS-51单片机指令系统及汇编语言 2.3.1 MCS-51单片机指令系统 2.3.1.1指令格式
指令格式是指指令码的结构形式。通常，指令可以分为操作码和操作数两部分。其中，操作码部分比较简单，操作数部分则比较复杂，常常随计算机类型的不同面有较大差别。
在最原始的计算机中，操作数部分可以包括4部分地址，故称为4地址计算机。这种计算机的指令格式为：
其中，操作码字段用于指示机器执行何种操作，是加法操作还是减法操作，是数据传送还是数据移位操作，等等；“第一操作数地址”用于指示两个操作数中的第一操作数在内存中的地址；“第二操作数地址”可以使机器在内存中找到参加运算的第二个操作数；“结果操作数地址”用于存放操作结果；“下一条指令地址”指示机器按此地址取出下一条该执行指令的指令码。这种指令格式的缺点是指令码太长，严重影响了指令执行的速度。
MCS-51单片机指令格式采用了地址压缩技术，它把操作数字段的4个地址压缩到一个。故称为单地址指令格式，指令的具体格式为：
其中，“操作数或操作数地址”字段相当于四地址机中的“第一操作数地址”字段；“第二操作数地址”和“结果操作数地址”合而为一，由累加器A充任，物理地址为E0H，在操作码中隐含；“下一条指令地址”由程序计数器PC充当，PC自动加“1”就能使MCS-51连续按序执行程序。因此，在指令执行前，用户通常必须安排一条传送指令，预先把第二操作数传送到累加器A。这样，累加器A在指令执行后就可自动获得结果操作数。 2.3.1.2指令的三种表示形式
指令是计算机用于控制各功能部件完成某一指定动作的指示和命令。指令不同，各功能部件听完成的动作也不一样，指令的功能也不相同。因此，根据题目要求，选用不同功能指令的有序组合就构成了程序。计算机执行不同的程序就可完成不同的运算任务。
指令的表示形式是识别指令的标志，也是人们用来编写和阅读程序的基础。通常，指令有二进制、十六进制和助记符等三种表示形式，指令的这三种表示形式各有各的用处，是人们学习、掌握和使用好计算机的重要手段。
指令的二进制形式是一种可以直接为计算机识别和执行的形式，故又称为指令的机器码或汇编语言源程序的目标代码。指令的二进制形式具有难读、难写、难记
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