第二章 MCS-51系列单片机的结构和原理单片机俞萍版

单片机与接口技术 俞萍版本

第二章：MCS-5l系列单片 机的结构和原理 主讲 喻萍

2012年2月

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内容§2.1 内部组成 §2.2 存储器 §2.3 并行输入/输出端口结构 §2.4 引脚、时钟电路与CPU时序 §2.5 复位电路

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§2.1 MCS-5l系列单片机的内部 组成

MCS-51系列单片机简介MCS-51系列单片机是美国Intel公司的高性能8位 单片微机。

按其存储器配置状态可分3种： 片内ROM型 片内EPROM型 外接EPROM型(无ROM)

按其功能可分8种类型：

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1.基本型该类型的典型产品是8051 特性：8位CPU;片内RAM有128字节；片内ROM有4K 字节；21个特殊功能寄存器；4个并行8位并行I/O 口，一个全双工串行口；2个16位定时器/计数器； 5个中断源、2个中断优先级；一个片内时钟振荡 器和时钟电路。 基本型的产品还有 8031、8051、8751 8031AH、8051AH、8751H、8751BH等 8051AH与8051不同点在于采用了HMOS工艺制造

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2.增大内部存储器的基本型内部RAM和ROM容量比基本型单片机增大一倍。如 8052AH、8032AH、8752BH。

3. 低功耗基本型这类产品型号中带有“C”字，采用CHMOS工艺，其 特点为低功耗。产品有80C51BH、80C31BH、87C51。

4. 高级语言型如8052AH-BASIC芯片内固化有MCS BASIC52解释程 序。

5. 可编程计数阵列(PCA)型该类产品具有两个特点：一个是有5个比较/捕捉模 块；另一个是有一个增强的多机通信接口。该类产品 有83C51FA、80C51FA、87C51FA、83C51FB等。

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6. A/D型该系列单片机带有8路8位A/D;半双工同步串行 接口；拥有16位监视定时器；扩展了A/D中断和串行 口中断，使中断源达到7个；具有振荡器失效检测功 能。该类产品有83C51GA、80C51GA、87C51GA等。

7. DMA型。实现高速数据传送该产品分为两类。一类产品是DMA、GSC型，产品 有83C152JA、80C152JA、80C152B等。另一类产品是 DMA、FIFO型，产品有83C452、80C452、87C452P。

8. 多并行口型此类单片机是在80C51基础上，新增加和P1口相 同8位准双向P4口和P5口，还增加在内部具有上拉电 阻的8位双向口P6口。该类产品有83C451、80C451。

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51与52子系列： 51子系列：主要产品8031、8051、8751、89C51 52子系列：主要产品8032、8052、8752、89C52 无 ROM EPROM EEPROM

51与52的区别在于： 51子系列RAM有128B;ROM有4KB;2个16位定时

器/计数器; 52子系列RAM有256B;ROM有8KB;3个16位定时 器/计数器; 8051是最早最典型产品，其它均以此为核心再增加 部分功能部件构成。因此具有相同的系统结构。以 8051为例介绍系统结构、工作原理、资源特性和使 用方法。

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图2-1 8051内部结构原理框图1.2~12MHz ROM RAM

2个16位 计数器

8位CPU

片外存储器 寻址能力 64KB 5个中 断源

4个8位并 行口 1个串 行口

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§2.2 存储器

MCS-51单片机

的存储器结构与常规的微型计 算机的配置不同，它把程序存储器和数据存 储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号 和功能。 程序存储器：存放程序和始终保留的常数。 数据存储器：存放程序运行中所需的常数或 变量。

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§2.2 存储器

从物理地址空间看，MCS-51单片机有四个存储器 地址空间： 片内程序存储器：4KB 片外程序存储器：0~64KB

片内数据存储器：128B 片外数据存储器： 0~64KB

从逻辑地址空间看，MCS-51单片机有三个存储器 地址空间： 片内片外统一的程序存储器：64KB 片内数据存储器：128B

片外数据存储器： 0~64KB

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图2-3 8051存储器地址空间图64KB 60KB

4KB

128B

如何区别三个不同的逻辑空间呢？不同的指令!

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一、程序存储器ROM1. 程序存储器可寻址的地址空间为64K字节。

以16位的程序计数器PC作地址指针。 2. 4KB片内ROM和片外ROM是统一编址的。 3. 片内ROM和片外ROM的选择由EA引脚上的电平 先内后外 控制 EA=1:PC=0~4KB,CPU访问内部ROM(4KB) PC=4KB~64KB,CPU访问外部ROM(60KB) EA=0:内部ROM被忽略，CPU总是从外ROM读， 外ROM空间可达64KB(0~64KB)

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一、程序存储器ROM4. PSEN:片外程序存储器选通信号 5. 几个特殊单元：ROM中有几个特殊单元

0000H~0002H:MCS-51复位后，PC=0000H, 因此系统从0000H单元开始读取指令，并执 行程序，它是系统执行程序的起始地址。 常在此放一条跳转指令。 0003H~002AH:5个中断源的中断服务程序的 入口地址(5×8=40)。

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二、片内数据存储器RAM1. RAM从物理上或逻辑上都分为两个地址空

间: 内部数据存储器128B:地址为00~7FH, 用MOV指令访问； 外 部 数 据 存 储 器 64KB : 地 址 为 0000 ~ FFFFH,用MOVX指令访问。 因此，二者可以实现地址重叠。 2. 内部数据存储器的使用最为灵活，它被分 成物理上独立的、且性质不同的三个地址 区间 。

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RAM 片 内 数 据 存 储 器

21个专用 寄存器

共128 个单元

80个单元

16个单元

32个单元

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每组都有8个寄存器，各组都 工作寄存器区(00H~1FH)

工作寄存器与RAM地址对照表任一时刻只能选用其中一组， 正在使用的那组称当前寄存器组

以R0 ~ R7作寄存器单元编号

未被用作工作寄存器组的RAM 单元可作为一般RAM使用

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工作寄存器区(00H~1FH)当前寄存器组由程序状态字PSW(专用功能寄 存器)中的D4和D3位(即RS1和RS0)来决定

PSW的状态与工作寄存器组的对应关系如表2-4

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位寻址区(20H~2FH)既可作为一般RAM单元使用，进 行字节操作；也可对单元中的每 一位进行位操作，因此称之为位 寻址区 16个字节共有128位(16×8) 位地址区间是00H~7FH 每位都可视作“软

件触发器” 由程序直接进行位处理。通常把 各种程序状态标志、位控制变量 设在位寻址区内

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位寻址区的位地址分配表

位地址 00H~ 7FH

字节地址 20H~ 2FH