《单片机原理及应用》教学课件
MCS-51系列单片机配置一览表
片内存储器（字节） 系列 无 Intel 51 子系列 片内ROM 有ROM 有EPROM 片内 RAM
定时器 计数器
并行 I/O
串行 /O
中 断 源
8031 80C31 8032 80C32
8051 80C51
(4K字节)
8751 87C51
《单片机原理及应用》教学课件 内部结构如下：
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1. 中央处理器（CPU）
组成：运算器、控制器。
8051的CPU包含以下功能部件： （1）8位CPU。 （2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。 （3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。 （4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。 （5）2个16位可编程定时器/计数器。 （6）32个（4×8位）双向可独立寻址的I/O口。 （7）1个全双工UART（异步串行通信口）。 （8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。 （9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz～12 MHz的时钟频率。 （10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。 （11）111条指令，大部分为单字节指令。 （12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。
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1.2.2
MCS-51单片机外部引脚
MCS-51系列单片机中，各类单片机都是相互兼容的， 只是引脚功能略有差异。8051单片机有40个引脚，分为端 口线、电源线和控制线三类。 1．电源线
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1.2 MCS-51单片机硬件结构及引脚
MCS-51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品 8051为核心，增加了一定的功能部件后构成的，因此，本 章以8051为主介绍MCS-51系列单片机 。 1.2.1 MCS-51单片机的内部结构 MCS-51单片机的组成： CPU(进行运算、控制)、RAM(数 据存储器)、ROM(程序存储器）、I/O口(串口、并口）、内 部总线 和中断系统等。组成框图如下：
128 128/ 256
2 2/3
15 32
1 1
5 5/6
《单片机原理及应用》教学课件 2. 存储器 MCS-51的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又 有片内和片外之分。 （1）程序存储器 一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。可寻址 空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。 MCS-51单片机按程序 存储器可分为内部无ROM 型（如8031）和内部有 EA ROM型（如8051）两种， 连接时 引脚有区别。程序存 储器结构如右图所示：
《单片机原理及应用》教学课件 （8）I/O口专用寄存器（P0, P1, P2, P3） 8051片内有4个8位并行I/O接口P0, P1, P2和P3，在SFR中 相应有4个I/O口寄存器P0, P1, P2和P3。 （9）定时器/计数器（TL0, TH0, TL1和TH1） MCS-51单片机中有两个16位的定时器/计数器T0和T1，它 们由4个8位寄存器（TL0, TH0, TL1和TH1）组成，2个16位定 时器/计数器是完全独立的。可以单独对这4个寄存器进行寻址， 但不能把T0和T1当做16位寄存器来使用。 （10）串行数据缓冲器（SBUF） 串行数据缓冲器 SBUF 用于存放需要发送和接收的数据， 它由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要 发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器SBUF进行的。 （11）其他控制寄存器 除上述外，还有IP, IE, TCON, SCON和PCON等几个寄存 器，主要用于中断、定时和串行口的控制，
《单片机原理及应用》教学课件 内部RAM的 20H～2FH单元为 位寻址区，既可作 为一般单元用字节 寻址，也可对它们 的位进行寻址。位 地址为00H～7FH。 CPU能直接寻址这 些位（称MCS-51 具有布尔处理功 能），位地址分配 如右表所示。
《单片机原理及应用》教学课件 3．特殊功能寄存器 （SFR）
MCS-51有21个特殊 功能寄存器（也称为专用寄 存器），包括算术运算寄存 器、指针寄存器、I/O口锁 存器、定时器/计数器、串行 口、中断、状态、控制寄存 器等，它们被离散地分布在 内部RAM的80H～FFH地址 单元中（不包括PC） ，共 占据了128个存储单元，构 成了SFR存储块。其字节地 址可被8整除的SFR可位寻 址。SFR反映了MCS-51单 片机的运行状态。特殊功能 寄存器分布如右表所示。
《单片机原理及应用》教学课件 4．I/O接口 I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的 必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负 载能力。 8051内部有4个8位并行接口P0, P1, P2, P3，有1个全 双工的可编程串行I/O接口。 5．定时器/计数器 8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器，均为 二进制加1计数器，分别命名为T0和T1。 T0和 T1均有定时器和计数器两种工作模式。在定时器 模式下，T0和T1的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经 12分 频后提供。在计数器模式下， T0 和 T1 的计数脉冲可以从 P3.4和P3.5引脚上输入。对T0和T1的控制由定时器方式选 择寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON完成。
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6．中断系统
中断： 指 CPU 暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执行 中断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。 中断系统：指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。 中断源：指能产生中断请求信号的源泉。 8051 可处理 5 个中断源（ 2 个外部， 3 个内部）发出的中 断请求，并可对其进行优先权处理。外部中断的请求信号可以 INT1 INT0 从P3.2, P3.3（即 和 ）引脚上输入，有电平或边沿 两种触发方式；内部中断源有 3 个， 2 个定时器 / 计数器中断源 和1个串行口中断源。 8051的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级 控制器IP等电路组成。
《单片机原理及应用》教学课件 （6）数据指针DPTR（Data Pointer） 数据指针DPTR是16位的专用寄存器，即可作为16位寄存器 使用，也可作为两个独立的 8 位寄存器 DPH （高 8位） 、 DPL （低8位）使用。 DPTR主要用作16位间址寄存器，访问程序存 储器和片外数据寄存器。 （7）堆栈指针SP（Stack Pointer） 堆栈是一种数据结构，是内部RAM的一段区域。堆栈存取 数据的原则是“后进先出”。堆栈指针SP是一个8位寄存器，用 于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。 MCS-51单片机的堆栈地址向大的方向变化（与微机堆栈地 址向小的方向变化相反）。系统复位后， SP 初值为 07H ，实际 应用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针 SP进行初始化， 一般设置SP为60H。 设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时 断点和现场的保护与恢复。
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（2）数据存储器
一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空 间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。 片外RAM： 最大范围：0000H～FFFFH， 64KB；用指令MOVX访问。 片内RAM： 最大范围：00H～FFH， 256B；用指令MOV访问。又分 为两部分：低128B（00～7FH） 为真正的RAM区，高128B （80～FFH）为特殊功能寄存器 （SFR）区。如右图所示。
单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域 《单片机原理及应用》教学课件
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1.1
典型单片机性能概览
典型单片机有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Motorola、 AVR等。 MCS-51为主流产品，性能如表1.1.1。 MSP430为低功耗产品，功能较强，性能如表1.1.2。 EM78为低功耗产品，价格较低，性能如表1.1.3。 PIC为低电压、低功耗、大电流LCD驱动、低价格产品， 性能如表1.1.4。 Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种 全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能 力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。性能如表1.1.5。 AVR为高速、低功耗产品，支持ISP、IAP，I/O口驱动 能力较强。性能如表1.1.6。
（2）累加器A （Accumulator） 累加器A是8位寄存器，又记做ACC，是一个最常用的专用 寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。 （3）寄存器B 寄存器B 是8位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也 作通用寄存器用。
（4）工作寄存器 内部 RAM 的工作寄存器区 00H ～ 1FH 共 32 个字节被均匀地 分成四个组（区），每个组（区）有 8 个寄存器，分别用 R0 ～ R7表示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1还经常 用于间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器 （PSW）第3、4位设置工作寄存器区。
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（1）运算器
组成：8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、 8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态 字寄存器PSW（Program Status Word）、8位暂存寄存 器TMP1和TMP2等。 功能：完成算术运算和逻辑运算。
（2）控制器
组成：程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR （Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻 辑和振荡器OSC等电路。 功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器 中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时 控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产 生执行本条指令所需的全部信号。