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第4章单片机微型机的组成原理4.1微型计算机的结构及指令执行过程4.2MCS-51单片计算机的组成原理4.3MCS-51存储器配置4.4时钟电路及时序4.5输入输出端口4.6复位电路4.7MCS-51单片机的引脚功能第一节微型计算机的结构及指令执行过程指令执行过程分为两个过程：取指令；

分析执行指令取指令执行指令PC指令数据程序计数器（PC）：PC是一个自动加1计数器（16位），它提供将要执行指令的地址。指令寄存器译码地址译码程序计数器地址寄存器累加器A运算器①②存储器内部数据总线外部地址总线AB数据缓冲器外部数据总线DB寄存器区外部控制总

线CB内部控制信号时钟及清零取指过程例:MOVA,#09H74H09H;把09H送到累加器A中执行过程PC=0000H0001H0000H0002H0111010000001001(PC)(PC)0001H0002H0000H外部控制总线CB取指过程(P

C)执行过程你知道PC的作用吗？第一节微型计算机的结构及指令执行过程单片机——将通用微计算机基本功能部件集成在一块芯片上构成的一种专用微计算机系统单片机=CPU+程序存储器+数据存储器+定时器/计数器+内

外中断+可编程I/O+可编程全双工串行口+…第二节MCS-51单片计算机的组成原理80C51=(8位)CPU+4KBROM+128BRAM+(2×16)T/C+(4×8)I/O+1个UART+5个中断源87C52INTELMCS-51系列单片机一览表CPU

（中央处理器，CentralProcessingUnit）CPU=控制器+运算器通用寄存器，也称为工作寄存器，总共有4组（区），每组（区）内有8个，分别命名为：R0，R2，R3，R4，R5，R6，R7。M

CS-51单片机每次只能选择一个通用寄存器组（区）进行工作。4个寄存器区的选择是由程序状态子PSW中RS0、RS1两位来控制。被选择的通用寄存器组（区）称为当前通用寄存器组（区）。一、寄存器1通用寄存器（1）程序计数器（ProgramCounter——PC）——指

向ROM存储单元的地址指针0000HPC指针……xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxROM0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH永远存放着下一条指令的

地址具有16位字长→可寻址范围216（=65536字节=64KB）具有自动加1功能→顺序运行程序功能具有可被指令修改功能→跳转运行程序功能复位时，PC值为0→复位后程序从0开始运行2专用寄存器（2）累加器（ACC

UMULATER——A）具有8位字长是利用率最高的寄存器——存放操作数或中间运算结果的寄存器（3）B寄存器（MultiplicationRegister）具有8位字长主要用在乘除法中（4）程序状态字寄存器（Pr

ogramStateWord——PSW）具有8位字长各位都具有特殊含义状态信息通常自动形成，但也可用指令修改——存放程序运行过程中的各种状态信息的寄存器CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0O

VF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0按位置定义的名称按功能定义的名称CY（PSW.7）——进位标志在进

行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”。10010011+11110000————————CY=110000011进位标志位CYCYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1

RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：1、根据CY判断有无进位或

借位；2、在位操作中CY可作为位累加器用。举例AC（PSW.6）——辅助进位标志在进行加或减运算时，如果操作结果的低四位数向高四位产生进位或借位时，将由硬件置“1”，否则清“0”。01001111+10100001—

———————AC=111110000半进位CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PS

W.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0举例用途：1、根据AC判断加减运算时有无半进位或半借位；2、在BCD码调整运算中要用到AC标志F0（PSW.5）和F1（PSW.1）——用户标志位可作为用户自行定义的一个状态标志举例定义F0为门的开

关状态，F0=0→开；F0=1→闭定义F1为灯的开闭状态，F1=0→开；F1=1→闭CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW

.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：在程序运行中判断门或灯的工作状态RS1和RS0（PSW.4和PSW.3）——工作寄存器组指针用途：用于指定CPU的当前工作寄存器组CYACF0

RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2P

SW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0OV（PSW.2）——溢出标志在有符号数加减运算或无符号数乘除运算中若有异常结果，OV硬件置1，否则硬件清0。CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1

P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：判断运算的结果是否

正确，正确=0；出错=1OV=C6YC7Y=10=101010100（+84）+01101001（+105）——————————————CY=010111101→（-67）D6有进位D7无进位10111101→11000010→1100

0011正数的补码是它本身，负数的补码是除符号位外每位求反，然后末尾加111111011（-5）+11110000（-16）——————————————CY=111101011→（-21）D7有进位D6有进位OV=C6YC7Y=11=011101

011→10010100→10010101→运算出错→运算正确举例举例P（PSW.0）——奇偶标志位该位始终跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”举例若A=10011111，则P=0若A=11000001，则P=1CY

ACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2P

SW.1PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途：用于串行通讯中的数据校验，判断是否存在传输错误。堆栈是个特殊的存储区，主要功能是暂时存放数据和地址，通常用来保护断点和现场。它的特点是按照先进后出的原则存取数据，这里的进与出

是指进栈与出栈操作。SP中的8位二进制数就是堆栈顶部的地址值，术语称为“指向栈顶”。（5）堆栈指针寄存器（StackPoint——SP）假若有8个RAM单元，每个单元都在其右面编有地址，栈顶由堆栈指针SP自动管理。每次进行压入或弹出操作以后，堆栈指针便自动调整以保持指示堆栈

顶部的位置。这些操作可用图说明。（6）其它专用寄存器数据指针寄存器（DataPointer——DPTR）具有16位字长，可寻址范围216（64KB）具有可被指令修改功能→可变更数据地址可拆为2个8位的独立寄存

器DPL和DPH……0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH35H77HF4H94H9EHDPTR指针……xxHxxHxxHxxHxxHROMRAMDPLDPH0000H0001H0002

H0003H0004HFFFFH——指向ROM或RAM存储单元的地址指针第三节MCS-51的存储器配置计算机存储器地址空间的两种结构形式：普林斯顿结构和哈佛结构。RAM和ROM统一编址RAM和ROM分别编址80C51在物理结构上有4个存储空间：片内程序存储器

片外程序存储器片内数据存储器片外数据存储器在逻辑上，即从用户使用的角度上，80C51有三个存储空间。片内外统一编址的64KB程序存储器地址空间256B片内数据存储器的地址空间64KB片外数据存储器地址空间用户角度看80C51存储器

配置由于三个空间的地址有重叠，所以在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令（见指令系统），以产生不同的存储空间的选通信号。下面分别叙述程序存储器和数据存储器的配置特点。一、程序存储器程序存储器用来存储编写好的程序和常数。由于PC是16位的，因此51系列可以寻址64KB的程序存储器。

8051单片机内部有4KB的ROM，亦可外接最大64K的外部ROM，由EA引脚的电平来确定运行时选择从哪个ROM从读取程序。8031无内部ROM，只能外接ROM现在的绝大多数单片机均包含内部FlashR

OM。a）同时使用片内和片外ROMb）ROM地址分布当EA引脚接高电平（开关接A点）时，4KB以内的地址在片内ROM，大于4KB的地址在片外ROM中（图中折线），两者共同构成64KB空间；当EA引脚接低电平（开关接B点）时，片

内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（图中直线）。ROM的6个特殊存储器单元——引导汇编程序跳转0000H：复位后程序自动运行的首地址0003H：外部中断0入口地址000BH：定时器0溢出中断入口地址0013H：外部中断1入口地址001BH：定时器0溢出中断入口地址

0023H：串行口中断入口地址程序一般应安排在0030H地址以后……跳转指令跳转指令跳转指令跳转指令跳转指令0000H0001H0002H0003H0004H0030H主程序首指令二内部数据存储器(RAM)作用：存放程序运行结

果字长：8位数量：256B（80C51）30H低128B（00H～7FH）为普通RAM区高128B（80H～FFH）为特殊功能寄存器区①工作寄存器区（00H-1FH）②可位寻址区（20H-2FH）③用户RAM区（30H-7FH）①②③30H（1）内部数据寄存器（低128字

节RAM区）①区共有32个字节单元（分4组每组8单元，工作寄存器R0～R7）任一时刻CPU只能选用一组工作寄存器为当前工作寄存器组通过PSW的RS1和RS0标志位（工作寄存器组指针）进行设置①30HCPU复位后RS1和RS0默认

值为0，即默认第0组为当前工作寄存器组。②区共有16个字节单元（字节地址20H～2FH），又可分为128个位单元（位地址00H～7FH）——可以两种方式存取数据。②30H③区共有80个字节单元（30H～7FH），是用户RAM区。③30H此区可作为堆栈区和中间数据存储区

使用。【注意】：51单片机片内RAM中，①区和③区只能按字节进行数据存取操作，②区则可按字节和位两种方式存取操作。（2）专用寄存器（高128字节RAM区）在80H～FFH的高128字节RAM区中，离散地分布有21个特殊功能寄存器SFR（SpetialFunctionRe

gister)，又称为特殊功能寄存器区。30HSFR是单片机内部资源的组织、管理单元字节地址末位是0或8的SFR，都具有位地址。88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH三外部数据存储器外部数据存储器寻址空间为64K只能间接寻址R0，R1和DPTR为间接寻址寄存器。C

PU微操作必须在统一的时钟控制下才能正确进行。一.时钟电路内部时钟方式微调电容:C1、C2≈30pF晶振：石英晶体封裝80C51时钟振荡频率通常为6～12MHzALE时钟S1S4S6S5S3S2读操作码读操作码(无效)(a)1字节1周期指令读下一指

令S1S4S6S5S3S2读操作码读第二字节(b)2字节1周期指令读下一指令S1S4S6S5S3S2读操作码读操作码(无效)(c)1字节2周期指令读下一指令S1S4S6S5S3S2外部时钟方式第四节时钟电路及时序时序是各种微操作动作在时间上的顺序关

系二.CPU时序（1）时序的概念时序关系：在时钟信号CL触发下，输出端Q电平具有跟随输入端D电平的功能，在没有CL触发时，D与Q端是信号隔离的——数字锁存功能。t1t2t3tQDCL0时钟端CL输入端D输出端Q以D触

发器为例D触发器逻辑符号时序的定时单位共有4个参数：拍（或振荡周期）P、状态周期（或时钟周期）S、机器周期、指令周期•一个状态（S）包含2个拍（P）;•一个机器周期由6个S或12个P组成；•一个指令周期约为1～4个机器周

期。（2）51单片机的取指/执行时序CPU的指令都是按照时序要求设计的每条指令的执行都是从S1P2开始的每个机器周期最多可执行2个字节指令（3）51单片机访问外部RAM时序访问外部RAM的操作包括读操作和写操作，主要区别是利用不同的P3第二功能口。写操作

时要用到WR输出命令，读操作时要用到RD输入命令。第五节输入输出端口（I/O口）MCS-51单片机有4个8位的并行I/O端口，记作P0～P3。每个端口都包含一个同名的特殊功能寄存器，P0～P3。对并行IO口的控制是通过对同名特殊功能寄存器的控制实现的。地址、数

据和控制：三总线结构1.P0口P0.n=1个锁存器+2个三态缓冲器+1个输出控制电路（非门X+与门A+电子开关MUX）+1个输出驱动电路（场效应管V2+V1）P0口可作为通用I/O口实现输入/输出功能，也可作

为单片机地址/数据线实现外设扩展功能。漏极开路与上拉电阻的概念→封锁与门A≡0→地址/数据端与A输出无关控制端=0→MUX下通→/Q与V1栅极直通→V2截止→V1漏极开路为使漏极开路的V1有效，必须通过外接上拉电阻与电源连通

，上拉电阻的阻值一般为10kΩ。注意：P1、P2、P3口无需外接上拉电阻（已有内部上拉电阻）读锁存器内部总线写锁存器读引脚锁存器QDP1.nQVCCP1.n内部上拉电阻读锁存器内部总线写锁存器读引脚锁存器QDP1.nQVCCP1.n内部上拉电阻锁存

器QDP3.nQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚第二输出功能VCC内部上拉电阻锁存器QDP3.nQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚第二输出功能VCC内部上拉电阻3412第二输入功能VP0口的通用IO口工作方式（控制端=0）输出时：D端=1→/Q=0→V1截止→P0.n=1D端=0→/

Q/=1→V1导通→P0.n=0读引脚时：P0.n→读引脚三态门1→内部总线（需要先写“1”）读锁存器：Q端→读锁存器三态门2→内部总线P0口的地址/数据分时复用方式（控制端=1）“地址/数据”端无条件输入/输出，是严格意义上的双向口“地址/数据”方式下没有漏极开路问题，无需外接上拉电阻2

.P1口P1.n=1个锁存器+1个场效应管驱动器V+2个三态门缓冲器读锁存器内部总线写锁存器读引脚锁存器QDP1.nQVCCP1.n内部上拉电阻读锁存器内部总线写锁存器读引脚锁存器QDP1.nQVCCP1.n内部上拉电阻V21P1口包含P1.0～P1.7共八个相同结构的电路P1.0～P1.7中的

8个锁存器组合成1个SFR——P1（90H）P1口具有输出、读引脚、读锁存器三种通用IO口工作方式读锁存器内部总线写锁存器读引脚锁存器QDP1.nQVCCP1.n内部上拉电阻读锁存器内部总线写锁存器读引脚锁存器QDP1.nQVCCP1.n内部上拉电阻输出时：D端=1→/Q=0→V截止→

P1.n=1D端=0→/Q=1→V导通→P1.n=0V21读引脚时：P1.n→读引脚三态门1→内部总线读锁存器时：Q端→读锁存器三态门2→内部总线场效应管V的状态会影响P1.n的状态：如V导通→P1.n电平≡0（钳位）→读引脚可能出错可见，P1口作为输

入口时是有条件的（应先写1），而输出时无条件，因此，称P1口为准双向口。读锁存器内部总线写锁存器读引脚锁存器QDP1.nQVCCP1.n内部上拉电阻读锁存器内部总线写锁存器读引脚锁存器QDP1.nQVCCP1.n内部上拉电阻V为正确读出P1.n

引脚电平，需设法在读引脚前先使V截止令D=1→/Q=0→V截止→读P1.n→不会出错3.P2口锁存器QDP2.nQP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCC内部上拉电阻MUX多路开关锁存器QDP2.nQP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCC内部上拉

电阻MUX多路开关P2.n=1个锁存器+2个三态缓冲器+1个输出控制单元+1个输出驱动单元VP2口可以实现通用I/O口和地址输出口两种功能输出时：D端=1→Q端=1→V截止→P2.n=1D端=0→Q端=0→V导通→P2.n=0读引脚时：P2.n→读引脚三态门→内部总线（需要先写“1”）读锁存

器：Q端→读锁存器三态门→内部总线P2作为通用I/O口时（控制端=0）锁存器QDP2.nQP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCC内部上拉电阻MUX多路开关锁存器QDP2.nQP2.n读锁存

器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCC内部上拉电阻MUX多路开关V输出时：地址端=1→V截止→P2.n=1地址端=0→V导通→P2.n=0P2作为地址输出口时（控制端=1）锁存器QDP2.nQP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCC内部上拉电阻MUX多路开关锁存器QDP2.nQP2

.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCC内部上拉电阻MUX多路开关V4.P3口P3.n=1个锁存器+2个三态缓冲器+1个第二功能控制单元+1个输出驱动单元锁存器QDP3.nQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚第二输出

功能VCC内部上拉电阻锁存器QDP3.nQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚第二输出功能VCC内部上拉电阻3412第二输入功能V锁存器QDP3.nQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚第二输出功能VCC内部上拉电阻锁存器QDP3.nQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚第二输出

功能VCC内部上拉电阻P3口具有通用IO口工作方式+第二功能方式输出时：D端=1→Q=1→V截止→P1.n=1D端=0→Q=0→V导通→P1.n=0读引脚时：P1.n→读引脚三态门1→内部总线（需先写1）读锁存器时：Q端→读锁存器三态门2→内部总线34

12第二输入功能V第二输出功能=“1”(与非门开锁)P3口的第二功能方式：输出时：第二输出功能=1→与非门输出0→V截止→P3.n=1第二输出功能=0→与非门输出1→V导通→P3.n=0输入时：P3.n→驱动门4→第二输入功能（

也需先使V截至）D端写“1”(与非门开锁)锁存器QDP3.nQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚第二输出功能VCC内部上拉电阻锁存器QDP3.nQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚第二输出功能VCC内部上拉电阻3412第二输入功

能VP3口第二功能定义引脚名称第二功能定义P3.0RXD串行通信数据接收端输入P3.1TXD串行通信数据发送端输出P3.2外部中断0请求端口输入P3.3外部中断1请求端口输入P3.4T0定时器/计数器0外部计数输入端口输入P3.5T1定时器/计数器1外部计数输入端口输入P3.6片

外数据存储器写选通输出P3.7片外数据存储器读选通输入INT0WRINT1RDP0～P3并行口的基本用途1、可作为并行IO输入通道（例如，按键/开关连接通道）2、可作为并行IO输出通道（例如，数码管显示器连接通道）3、可作为串行通信通道（例如，双

机通讯的连接通道）4、可作为外部设备的连接通道（例如，存储器扩展通道）P0～P3小结1.结构2.功能B0HA0H90H80HSFR地址★第二功能★★总线端口★★★★准双向IO口P3P2P1P0★★★内部上拉电阻★★★输出控制★★M

UX开关★★★★D锁存器P3P2P1P0第六节复位电路除P0～P3、SP、SBUF外，其余寄存器的复位初值均为0复位：使单片机恢复原始默认状态的操作。复位条件：在RST/VPD引脚端出现两个机器周期以上的高电平（≥3V

）状态。复位方式上电复位按键复位复合复位80C51的40条引脚，可分为端口线、电源线和控制线三类。在绘制电路原理图时，经常采用元器件的逻辑符号，80C51逻辑符号如图所示。第七节MCS-51单片机的引脚功能51系列单片机一般采用40只引脚的双列直插式（DIP——Dual

In-linePackage）封装结构除DIP封装外，51单片机还采用44只引脚的方形扁平(QFP——QuadFlatPackage)封装方式（4只引脚无用）。DIP引脚分布电源及晶振引脚（共4只）控制引脚（共4只）端口引脚（共32只

）三类（1）电源及晶振引脚VCC(40脚)：+5V电源引脚VSS(20脚)：接地引脚XTAL1(19脚)；外接晶振引脚（内置放大器输入端）XTAL2(18脚)：外接晶振引脚（内置放大器输出端）80C51V

cc80C512040Vss+5V80C51（2）控制引脚RST/VPD(9)：复位/备用电源引脚ALE/PROG(30)：地址锁存使能输出/编程脉冲输入PSEN(29)：输出访问片外程序存储器读选通信号EA/VPP(31)：外部ROM允许访问/编程电源输入10μF8.2K1080C51用到时

再介绍（3）端口引脚共计8只/组×4组=32只引脚：P0.0～P0.7（39～32脚）——P0口；P1.0～P1.7（1～8脚）——P1口；P2.0～P2.7（21～28脚）——P2口；P3.0～P3.7（10～17脚）——P3口。P0口～P3口是单片机对外联络的重要通道地址、数据和控

制：三总线结构本章小结1、单片机的CPU由控制器和运算器组成，在时钟电路和复位电路的支持下，按一定的时序工作。单片机的时序信号包括振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期。2、51单片机采用哈佛结构存储器，共有3个逻辑存储空间和4个物理存储空间。片内低128字节RAM中包含4个工作

寄存器组、128个位地址单元和80个字节地址单元。片内高128字节RAM中离散分布有21个特殊功能寄存器。3、P0～P3口都可作为准双向通用I/O口，其中只有P0口需要外接上拉电阻；在需要扩展片外设备时，P2口可作为其地址线接口，P0口可作为其地址线/数据线复用接口，此时它是真正的双向口。