MCS-51单片机的内部结构

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前言

51系列单片机包括下列部件
1个8位CPU
1个片内振荡器及时钟电路
4KB ROM程序存储器
128B RAM数据存储器
可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路
32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O接口）
两个16位的定时/计数器
1个可编程全双工串行接口
5个中断源和两个优先级嵌套中断结构

一、CPU

CPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。

1. 运算器
   运算器的功能是进行算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较、BCD码十进制调整等
   逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作
   位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位C为位累加器，用来处理位操作。可对位置 “1”、对位清零 、位判断等。
   操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。

   2.程序计数器PC（注：PC是不可以被用户寻址） 程序计数器PC是16位的寄存器，用来存放即将要执行的指令地址，可对64KB程序存储器直接寻址。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。

   3.指令寄存器 指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器，经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。

二、存储器

1.存储器结构

MCS-51的储存器结构与常见的微型计算机的配置方法不同,主要特点是:程序存储器和数据存储器的寻址空间是分开的，各有自己的寻址方式、控制信号和功能。

前面我们讲到了51单片机有64KB的程序存储器，其中呢有4KB的程序存储器0000H~0FFFH的4KB地址范围是在单片机的片内还是片外，由EA引脚决定
存储器映像图。

程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。

数据存储器存放程序运行中所需要的常数和变量。

程序计数器PC是16位的寄存器，用来存放即将要执行的指令地址，可对64KB程序存储器直接寻址。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。

2.物理上有4个存储器地址空间

3.逻辑上有3个存储器地址空间

4.程序存储器

程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。程序储存器以程序计数器 PC 作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64KB。
对于内部无ROM的单片机，如8031单片机，必须外部扩展程序存储器，地址从0000H～FFFFH都是外部程序存储空间，/EA 应始终接地。
对于内部有ROM的单片机，/EA引脚可接高电平，使程序从内部ROM开始执行。当PC值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。外部程序存储器地址空间为1000H～FFFFH；/EA引脚也可接低电平，此时内部ROM将不起作用。

5.程序存储器中的几个特殊地址的使用

三、外部数据存储器

用于存放随机读写的数据。
MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口实行统一编址，最多可扩展64KB外部数据存储器。

四、内部数据存储器

前面我们说到，51单片机有128B 的数据存储器，即128个字节的数据存储器
那么让我们来看看是怎么区分的
内部数据存储器是使用最多的地址空间，存放随机读写的数据，分为：通用寄存器区、堆栈区、运算操作数存放区
那么有同学就有疑问了，51不是只有128B的内部数据存储器，哪来的高128单元，原因是我们现在是用的52即增强型的了，所以讲的也是52的了
注： 对51基本型单片机只有00H-7FH单元128字节的RAM区。对52增强型的单片机还有80H-FFH组成的高128字节RAM区（共256字节RAM ）。

（1）内部RAM——寄存器区（地址为0～1FH的前32个单元）

内部RAM的前32个单元，共分为4组，每组含8个寄存器，在组中按R7～R0编号，地址从00H～1FH。
CPU使用哪一组寄存器，由程序状态字中的RS0、RS1的设置来决定。

初始化时或复位时，自动选中0组。
一旦选中一组，其它三组只能作为数据存储器使用，而不能作为寄存器使用。
设置多组寄存器可以方便保护现场。

（2）内部RAM——位寻址区

片内20H～2FH字节单元，即可作为一般的RAM区使用进行字节操作，也可以对单元中的每一位进行位操作，共有16个字节寻址单元，按位计算有128位，位地址为：00H～7FH
例：清除位地址00H单元
CLR 00H ；对某位清0
MOV 20H, #00H ；
或 AND 20H, #0FEH

（3）内部RAM——用户RAM区

除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用RAM区。
单元地址为30H~7FH。共80个字节单元。
注意：对于用户RAM区，只能以存储单元（字节地址）的形式来使用，一般用作堆栈区。

（4）堆栈区

8XX51单片机的堆栈设在内部RAM区，深度不大于128字节，初始化时SP指向07H。

注： 对51基本型单片机只有00H-7FH单元128字节的RAM区。对52增强型的单片机还有80H-FFH组成的高128字节RAM区（共256字节RAM ）。

五、特殊功能寄存器

专用寄存器：做为专门规定的、有特定的用途寄存器。也就是用于存放相应部件的控制命令、状态、或者数据的寄存器，共22个专用寄存器，其中有21个为可寻址的 。 特殊功能寄存器用英文缩写SFR （Special Fuction Register）表示。 具体见下表，表中标注了各SFR的名称、字节地址、可寻址位的位地址和位名称。

21个特殊功能寄存器的名称及主要功能介绍如下，详细的用法见后面各节的内容。
A—累加器，自带有全零标志Z，A=0则Z=1；A≠0则Z=0。该标志常用于程序分支转移的判断条件。
B—寄存器，常用于乘除法运算。
PSW—程序状态字。主要起着标志寄存器的作用，其8位定义如下。

CY：进/借位标志
反映最高位的进位借位情况，加法为进位、减法为借位。
CY=1，有进/借位 ； CY=0，无进/借位。
AC：辅助进/借位标志
反映高半字节与低半字节之间的进/借位，
AC=1有进/借位； AC=0无进/借位 。
FO：用户标志位。可由用户设定其含义。
RS1，RS0：工作寄存器组选择位。
OV：溢出标志
反映补码运算的运算结果有无溢出
有溢出 OV=1，无溢出OV=0。
（计算机中设立了溢出标志位OV，通过最高位的进位（符号位的进位CY和次高位的进位CY-1异或产生））
例如

溢出OV：两个补码数相加时结果超出补码表示范围而产生
进位CY：当运算结果超出计算机位数的限制（8位，16位），会产生进位，他是由最高位计算产生的，在加法中表现为进位，在减法中表现为借位。

-：无效位。
P：奇偶标志
运算结果有奇个“1”，P=1；运算结果有偶个“1”，P=0。

SP—堆栈指针。8XX51单片机的堆栈设在片内RAM，
对堆栈的操作包括压入（PUSH）和弹出（POP）两种方式，并且遵循先进后出、后进先出的原则，同时，SP指向的存储内容总是有用的，地址的生产方向是向上（高地址）生成，操作时先修改SP，后压栈或出栈，并按字节进行操作。

DPTR——数据指针寄存器
用来存放16位地址值，以便用间接寻址或变址寻址片外存储器。DPTR可分成DPL和DPH两个8位寄存器分别使用。
P0、P1、P2、P3——I/O端口寄存器
是四个并行I/O端口映射入SFR中的寄存器。通过对该寄存器的读/写，可实现从相应I/O端口的输入/输出。

例如：
指令 MOV P1，A 实现了把A累加器中的内容从P1端口输出的操作；
指令MOV A，P3 实现了把P3端口线上的信息输入到A中的操作。

此外还有如下寄存器，它们将在后面章节介绍：
IP——中断优先级控制寄存器。
IE——中断允许控制寄存器。
TMOD——定时器/计数器方式控制寄存器。
TCON——定时器/计数器控制寄存器。
TH0、TL0——定时器/计数器0。
TH1、TH1——定时器/计数器1。
SCON——串行端口控制寄存器。
SBUF——串行数据缓冲器。
PCON——电源控制寄存器。

注： 在52子系列中，高128字节RAM和SFR的地址是重叠的，究竟访问哪一块可通过不同的寻址方式加以区分，访问高128字节RAM采用寄存器间址，****访问SFR则只能采用直接寻址（易错），访问低128字节RAM时，两种寻址均可采用。

六、时钟电路

单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作时间基准，8XX51单片机的时钟信号通常有两种电路形式：
内部振荡方式和外部振荡方式。

★电容器C01、C02起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为 5～30PF。

外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机。这种方式适宜用于使单片机的时钟与外部信号保持一致。外部振荡方式如图1-4所示。

七、单片机的时序单位

单片机的时序单位有：
振荡周期：晶振的振荡周期，又称时钟周期，为最小的时序单位。单片机工作的基本频率信号，是单片机内的最高频率，由单片机振荡电路产生或外部振荡电路提供；
振荡周期(或时钟周期)：Tosc=1/fosc
状态周期：振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。因此，一个状态周期包含2个振荡周期。
状态时间：S＝2Tosc


机器周期（MC）：1个机器周期由6个状态周期及12个振荡周期组成。是计算机执行一种基本操作的时间单位。
机器周期=12Tosc
指令周期：指令周期是执行一条指令所需要的时间，指令周期是以机器周期的倍数来表示。如单周期、双周期和四周期指令等

例：单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位：
振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us
状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us
机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us
指令周期=(1～4)机器周期=1～4us

八、复位电路

复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。复位操作通常有2种基本形式：上电复位 和 开关复位

上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。当单片机已在运行过程中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。通常选择
C=10uf

(1)复位的作用

①得到一个可知的上电状态;
②工作时可随时重新初始化硬件，重新开始;
③协调多个器件同步工作;
④电源稳定后再工作，靠复位来确定单片机开始工作;
⑤在上电后控制程序开始的准确时间;

(2)几个重要的复位状态：

PC = 0000H
P0、P1、P2、P3 = 0FFH
PSW= 00H
SP = 07H

九、引脚功能

8XX51单片机有44引脚的
方形封装形式和40个引脚的双
列直插式封装形式，最常用的
40个引脚封装，见图1-6.

总结

本章我们讲到了，51单片机的结构，这也是最基本的知识，毕竟硬件决定物理世界，有哪些硬件决定能实现哪些功能，只有了解底层的硬件结构，才能让我们更好地编写代码。所以说本章可以说是重中之重，知识点也多，注意辨析。把这一章看懂了，说明51单片机入门了。