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第二章 MCS-51系列单片机的结构及原理
2.1 MCS-51系列单片机的特征和结构
2.1.1 MCS-51系列单片机特征
美国Intel公司推出MCS-51系列高档8位单片机至今20多年来，51系列单片机经久不衰，并得到了极其广泛的应用。它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。
MCS-51系列单片机的典型产品为8051、8031和8751。通常MCS-51这个术语泛指以8051为内核的单片机。8051是ROM型单片机，内部有4KB的掩膜ROM，即单片机出厂时，程序已由生产厂家固化在程序存储器中。
8051内部结构具有如下特征：①面向控制的8位CPU；②4kbytes 程序存储器（ROM），128bytes的数据存储器（RAM）；③可以寻址64KB的片外程序存储器和片外数据存储器；④32根双向和可单独寻址的I/O线；⑤一个全双工的异步串行口；⑥两个16位定时/计数器；⑦5个中断源，两个中断优先级；⑧有片内时钟振荡器；⑨采用高性能的HMOS生产工艺生产；⑩有布尔处理（位操作）能力；含基本指令111条，其中单机器周期指令64种。
2.1.2 MCS-51系列单片机的内部总体结构
图2-1所示为MCS-51单片机的基本结构，它由8个部件组成，即中央处理器（CPU），片内数据存储器（RAM），片内程序存储器（ROM/EPROM），输入输出接口（Input/Output，简称I/O口，分为P0口、P1口、P2口和P3口），可编程串行口，定时/计数器，中断系统及特殊功能寄存器（SFR），各部分通过内部总线相连。
图2-1 MCS-51单片机的基本结构
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2.2 MCS-51系列单片机的引脚功能和总线结构
2.2.1 MCS-51系列单片机的引脚功能
8051芯片采用40引脚的双列直插封装，如图2-2（a），分为地址总线，数据总线，控制总线3类见图2-2（b）。在40条引脚中有两条专用于住电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出引脚。
（a）引脚图 （b）总线结构图
图2-2 MCS-51系列单片机的引脚及总线结构
40条引脚的功能分别是： 1.主电源引脚Vcc和Vss Vcc（40脚）接+5V电压； Vss（20脚）接地。
2.外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在主控电路中它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2（18脚）：接外部晶体管的另一端。在主控电路中接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振
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荡器的信号直接到内部时钟发生器的输入端。
3.控制与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP （1）RST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使主电路复位。
在设计主电路是此引脚与Vss引脚之间连接一个约8.2K?的下拉电阻，与Vcc引脚之间连接约10μF的电容，以保证可靠地复位。Vcc掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。当Vcc主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。
（2）ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端也以不变的频率周期地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可以做对外输出时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。对于有EPROM时，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。
（3）PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收和输出）8个LS型的TTL输入电路。
（4）EA/VPP（31引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在8051内值超过0FFFH，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是不是有内部程序存储器。当扩展EPROM时，在对EPROM编程期间，此引脚也用于施加5伏的编程电源。
4. 输入/输出引脚P0口、P1口、P2口和P3口
（1）P0口（39脚～32脚）：是双向8位三态I/O口，在外部存储器，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。外部扩展存储器时，当做数据总线（如图2-2中的P0.0～P0.7为数据总线接口）；外部扩展存储器时，当作地址总线（如图2-2中的P0.0～P2.7为地址总线接口），不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
（2）P1口（1脚～8脚）：是8位准双向I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。P1口只作I/O口使用，其内部有上拉电阻。
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（3）P2口（21脚～28脚）：是8位准双向I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。扩展外部存储器时，当作地址总线使用，作一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。
（4）P3口（10脚～17脚）：是8位准双向I/O口，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能如表2-1所示。
作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和方法与P1口相同。值得注意的是，P3口的每一条引脚均可独立定义第一功能的输入输出或第二功能。
表2-1 P3口第二功能
2.2.2 三总线结构
单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入和用户I/O口外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。这些引脚构成了三总线形式。引脚功能分类如图2-2（b）所示。
（1）地址总线AB：地址总线宽度16位，因此外部存储器直接寻址范围64KB。16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址A0~A7，P2口直接提供高8位地址A8~A15。
（2）数据总线DB：数据总线宽度为8位，由P0口提供。
（3）控制总线CB：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET，EA，
PSEN，ALE组成。
2.3 MCS-51系列单片机的主要组成部分
2.3.1 CPU
8051的CPU是由运算器和控制器组成。
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（1）运算器：
它包括算术、逻辑部件ALU、累加器Acc、寄存器B、暂存器YMP1和YMP2、程序状态寄存器PSW、布尔处理器以及十进制调整电路等。运算器主要用来实现数据的传送、数据的算术运算和逻辑运算、位变量处理等。
运算部件ALU的功能十分强大，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、或“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘除的需要，还设置了B寄存器。在执行乘法指令时，用来存放其中一个乘数的高8位数；在执行除法运算指令时，B中存放除数及余数。主控电路指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与CPU中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”、等操作。在实现位操作时，借用了程序状态标志寄存器（PSW）中的进位标志位Cy作为操作的“累加器”。运算部件中的累加器Acc是一个8位的累加器（Acc也可简称为A）。需要说明的是Acc的进位标志Cy就是布尔处理器进行以位操作的一位累加器。8051的程序状态寄存器PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。
（2）控制器：
控制部件是主控电路的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码器以及信息传送控制部件。它以主振频率为基准发出CPU时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的操作，用来控制电路的各部分的运行。
通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器（Central Processing Unit），简称CPU。
2.3.2 存储器
8051片内有4KB的程序存储器和128B数据存储器。除此之外还可以在片外扩展64KB的程序存储器和64KB的数据存储器。图2-3为存储器结构图。
其中，内部存储器的4KB是与外部存储器公共的，地址是从0000H～FFFFH， 64KB外部的程序存储器和数据存储器的地址都是0000H～FFFFH，128B的片内数据存储器地址是从00H～80H。
以下分别介绍这些存储器： （1）程序存储器
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