MCS-51系列单片机的总体介绍
MCS-51系列单片机是intel公司才采用HMOS技术制造的8位高档微机系列产品。
MCS-51系列单片机特性见表
型号 性能 | 8051 | 80C51 | 8751 | 8031 | 80C31 | 8052 | 8032 |
程序存储器 | 4KB ROM | 4KB ROM | 4KB EPROM | ―― | ―― | 8KB ROM | ―― |
数据存储器 | 128B | 128B | 128B | 128B | 128B | 256B | 256B |
程序存储器扩展 | 64KB | 64KB | 64KB | 64KB | 64KB | 64KB | 64KB |
数据存储器扩展 | 64KB | 64KB | 64KB | 64KB | 64KB | 64KB | 64KB |
最高时钟频率 | 12MHZ | 12MHZ | 12MHZ | 12MHZ | 12MHZ | 12MHZ | 12MHZ |
16位定时／计数器 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 3 | 3 |
并行I/O线 | 32 | 32 | 32 | 32 | 32 | 32 | 32 |
串行I/O线 | 同步方式或异步方式 |
中断线 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 6 | 6 |
单片机内部结构分析
80C51的内部结构示意图
从图中可以看到，在一个80C51单片机内部有以下一些功能部件：
● 一个8位CPU，用来运算、控制。
● 片内数据存储器RAM，对于51系列单片机而言，容量是128字节。
● 片内程序存储器ROM，对于89C51单片机而言，容量是4K（4096个单元）。
● 4个8位的并行I/O口，分别是P0、P1、P2、P3。
● 2个16位定时/计数器。
● 中断结构。
● 一个可编程全双工通用异步接收发送器UART。
● 一个片内振荡器用于时钟的产生。
● 可寻址64KB外部程序存储器和外部数据存储器的总线扩展结构。
80C51CPU的内部结构与功能。
1．运算器
80C51CPU中的运算器主要包括一个可以进行算术运算和逻辑运算的ALU（算术和逻辑运算单元）、8位暂存器TMP1和TMP2、8位累加器ACC、寄存器B、以及程序状态字PSW等。其中累加器ACC是一个8位的存储单元，是用来放数据的。但是，这个存储单元有其特殊的地位，是单片机中一个非常关键的单元，很多运算都要通过ACC来进行。以后在学习指令时，常用A来表示累加器。但有一些地方例外，比如在PUSH指令中，就必须用ACC这样的名字。一般的说法，A代表了累加器中的内容、而ACC代表的是累加器的地址。
2．B-8位寄存器
一般情况下，可以做为通用的寄存器来用，但是，在执行乘法和除法运算结时。B就参与其中，存放运算的一个操作数和运算后的一个结果。
3．PSW程序状态字
这是一个八位寄存器，用来存放当前有关指令执行结果的状态标志，因此我们可以了解CPU的当前状态，并作出相应的处理。
程序状态字PSW的各脚功能：
位 | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
含义 | CY | AC | F0 | RS1 | RS0 | OV | ――― | Ｐ |
各位的功能如下：
（１） ＣＹ：进位标志。80C51中的运算器是一种8位的运算器。8位运算器只能表示0~255。如果做加法，两数相加可能会超过255。这样最高位就会丢失，造成运算错误。为解决这个问题，设置一个进位标志。如果运算时超过了255，把最高位就进到这里来，这样就可以得到正确的结果了。
例：78H+97H（01111000+10010111）结果是10F，即100001111一共9位，但是存数的单元只能放下8位，也就是00001111。这样，结果就变成了78H+97H=0FH，显然不对，因此设置了CY位，在运算后，将最高位送到CY。只要在程序中检查CY是1还是0，就能知道结果究竟是0FH还是10FH，避免出错。
（２） AC：半进位标志。
例：57H+3AH（01010111+00111010）结果是91H，即10010001。就整个数而言，并没有产生溢出，所以CY=0。但是这个运算的低4位相加（7+A）却产生了进位，因此，运算之后AC=1。
（３） F0：用户标志位：由编程人员决定什么时候用，什么时候不用。
（４） RS1、RS0：工作寄存器组选择位。
（５） 0V：溢出标志位。
（６） P：奇偶校验位。它用来表示ALU运算结果中二进制数位1的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则为0。
例：运算结果是78H（01111000），显然1的个数为偶数，所以P=0。
4．DPTR（DPH、DPL）
由两个8位寄存器DPH和DPL组成16位的寄存器DPTR称之为数据指针，可以用它来访问外部数据存储器中的任一单元。如果用不到这一功能，也可以作为通用寄存器使用。
5．SP――堆盏指针
首先介绍一下堆盏的概念。日常生活中有这样的现象，家里洗的碗，一只一只摞起来，最后洗的碗放在最上面，而最早洗的碗则放在最下面。取时正好相反，先从最上面取，这种现象用一句话来概括：先进后出，后进先出。这种现象在很多场合都有，比如在建筑工地上堆放的材料，仓库里放的货物等，都遵循先进后出，后进先出的规律。
在单片机中，也可以在RAM中构造这样一个区域，用来存放数据，这个区域存放数据的规律就是先进后出，后进先出，称之为堆盏。为什么要这样来存放数据呢？存储器本身不是可以按地址来存放数据吗？知道了地址的确就可以知道里面的内容。但如果需要存放一批数据，每一个数据都需要记住其所在的地址单元，比较麻烦。如果规定数据一定是一个接一个地存放，那么只要知道第一个数据所在单元的地址就可以了。
80C51单片机是在内存（RAM）中划一块空间用于堆盏。但是用内存那一块不好确定，因为80C51是一种通用的单片机，做不同的项目时实际需求各不相同，有的需要多一些堆盏，而有的工作则不需要那么多，所以怎样分配都不合适。如何来解决这个问题？分不好就不分了，把分配的权利交给用户（单片机开发者），根据项目的需要去确定所以80C51单片机堆盏的位置是可以变化的，而这种变话体现在SP中值的变化。如果让SP的值等于27H，相当于是一个指针指向27H单元，同样，只要把SP单元中的数据改成其它值，那么这个区域在RAM中的位置马上就改变了。比如把SP中的值改为5FH，那么堆盏就到了RAM区后面的部分，程序中只要改变SP的值即可，很方便。实际的80C51单片机中，堆盏指针所指的位置并非就是数据存放的位置，而是数据存放的前一个位置。例如开始时指针是指向27H单元，那么在进行堆盏操作时，第一个存入数据的位置是28H单元，而不是27H单元，出现这种情况的原因与堆盏指令执行的过程有关，以后将在学习堆盏命令时会学到。
从上图还可以看到，图中有一些如TCON、TH1、TL1等，在单片机中有一些独立的存储单元用来控制这些部件，这些存储单元被称为特殊功能寄存器（SFR）。何谓特殊功能，就是指这些寄存器里面的内容是有特定含义的，不可以随便放数据。例如，有段程序中能这样写 MOV R7，#255，其它程序段里也许会出现MOV R7，#100之类的指令，即R7中可以送入任意数而不必但心出现问题。这类寄存器本身没有特定的用途，它相当于一个货物的中转站，在其中可以放任意内容。而指令MOV P1，#0FEH中的数0FE是有特定含义的，它取决于硬件及所要完成的任务。如要让P1.0所接的LED亮而其P1口其它引脚所接的LED不亮,就一定要送这个数到P1去,也就是说P1这一类的寄存器不能作为中转站来使用,送入其中的数是有特定的含义,称之为特殊功能寄存器.
特殊功能寄存器表
符号 | 地址 | 功能介绍 | 符号 | 地址 | 功能介绍 |
B | F0H | B寄存器 | TL1 | 8BH | 定时/计数器0（高8位） |
ACC | E0H | 累加器 | TL0 | 8AH | 定时/计数器0（低8位） |
PSW | D0H | 程序状态字 | TMOD | 89H | 定时/计数器方式控制寄存器 |
IP | B8H | 中断优先级控制寄存器 |
P3 | B0H | P3口锁存器 | TCON | 88H | 定时/计数器控制寄存器 |
IE | A8H | 中断允许控制寄存器 | DPH | 83H | 数据地址指针（高8位） |
P2 | A0H | P2口锁存器 | DPL | 82H | 数据地址指针（低8位） |
SBUF | 99H | 串行口锁存器 | SP | 81H | 堆盏指针 |
P1 | 90H | P1口锁存器 | P0 | 80H | P0口锁存器 |
TH1 | 8DH | 定时/计数器1（高8位） | PCON | 87H | 电源控制寄存器 |
TH0 | 8CH | 定时/计数器1（低8位） | | | |
6．控制器
80C51CPU中的控制器包括程序计数器PC、指令寄存器、制令译码器、振荡器和定时电路等。其中PC共有16位，因此，80C51单片机一共可以对16为地址线进行管理，即80C51单片机可以对64KB的程序存储器（ROM）进行直接寻址。
控制器的大部分功能对单片机的使用者来说是不可的，所以这里不作详细介绍了。
7．并行I/O口
80C51的32根I/O线分为4个双向并行口P0~P3。每一根I/O线都能独立地用作输入或输出；每一根I/O线均包含锁存器、输出驱动器和输入缓冲器（三态门）
P0口受内部控制信号的控制，可分别切换地址/数据总线、I/O口2种工作状态。
P1口只有I/O口一种工作状态。
P2口受内部控制信号的控制，可以有地址总线、I/O口2种工作状态。
P3口除了用作一般I/O口外，每一根线都可执行与口功能无关的第2种输入/输出功能。
8．串行I/O口
80C51有串行口，通过异步通信方式（UART）与串行传送信息的外部设备相连接，或用于通过标准的异步通信协议进行全双工通信。
9．定时/计数器
80C51内的可编程定时/计数器由控制位C/T来选择其功能。作为定时器，每个机器周期加1（计数频率为时钟频率的1/12）；作为计数器时，对应外部事件脉冲的负沿加1（最高计数频率为时钟频率的1/24）。
10．时钟
80C51内部有晶振感抗振荡器。其外接石英晶体形成谐振回路，产生时钟信号。若用外部时钟源，则XTAL1接地，XTAL2接外部时钟。片内时钟发生器将振荡器信号2分频，为芯片提供2相时钟信号。一个机器周期由6个时钟状态组成，每个时钟状态又由2个振荡脉冲组成，因此一个机器周期包括12个振荡脉冲。
80C51基本特性及引脚定义
80C51是8位（数据线是8位）单片机，片内有256BRAM及4KBROM。中央处理器单元实现运算和控制功能。内部数据存储器共256个单元，访问它们的地址是00H~FFH，其中用户使用前128个单元（00H~7FH），后128个单元被特殊功能寄存器占用。内部的2个16位定时/计数器用作定时或计数。并可用定时或计数的结果实现控制功能。80C51有4个8位并行口（P0、P1、P2、P3），用以实现地址输出及数据输入/输出。片内还有一个时钟振荡器，外部只需接入石英晶体即可振荡。
80C51采用40引脚双列直插式封装（DIP）方式。
80C51的引脚排列及逻辑符号
80C51的引脚定义及功能
1．主电源引脚VCC和VSS
VCC：电源端。工作电源和编程校验（+5V）。
VSS：接地端。
2．时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1和XTAL2分别用作晶体振荡器电路的反相器输入和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频率为晶振频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号。若采用外部振荡电路，则XTAL2用于输入外部振荡脉冲，该信号直接送至内部时钟电路，而XTAL1必须接地。
3．控制信号引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP
RST/VPD：为复位信号输入端。当RST端保持2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，使单片机完成了复位操作。第二功能VPD为内部RAM的备用电源输入端。主电源一旦发生断电，降到一定低电压值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使上电后能继续正常运行。
ALE/PROG：ALE为地址锁存允许信号。在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0扩展地址低8位的地址信号；在不访问外部存储器时，ALE也以时钟振荡频率的1/6的固定速率输出，因而它又可用作外部定时或其它需要。但是，在遇到访问外部数据存储器时，会丢失一个ALE脉冲。ALE能驱动8个LSTTL门输入。第2功能 PROG是内部ROM编程时的编程脉冲输入端。
PSEN：外部程序存储器ROM的读选通信号。当访问外部ROM时，PSEN产生负脉冲作为外部ROM的选通信号；而在访问外部数据RAM或片内ROM时，不会产生有效的PSEN信号。PSEN可驱动8个LSTTL门输入端。
EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。对80C51而言，它们的片内有4KB的程序存储器，当EA为高电平时，CPU访问片内程序存储器有两种情况：第1种是，访问地址空间在0~4KB范围内，CPU访问片内程序存储器；第2种是，访问的地址超出4KB时，CPU将自动执行外部程序存储器的程序，即访问外部ROM。当EA接地时，只能访问外部ROM。第2种功能VPP为编程电源输入。
4．4个8位I/O端口P0、P1、P2和P3
P0口（P0。0~P0。7）是一个8位漏极开路型的双向I/O口。第2功能是在访问外部存储器时，分别提供低8位地址线和8位双向数据总线。在对片内ROM进行编程和校验时，P0口用于数据的输入和输出。
P1口（P1。0~P1。7）：是一个内部带提升电阻的准双向I/O口。在对片内ROM编程校验时，P1口用于接收低8位地址信号。
P2口（P2。0~P2。7）：是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O口。第2功能是在访问外部存储器时，输出高8位地址信号。在对片内ROM进行编程和校验时，P2口用作接收高8位地址和控制信号。
P3口（P3。0~P3。7）：是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O口。在系统中，这8个引脚都有各自的第2功能。见下表
P3口的各引脚 | 第2功能 |
P3。0 | RXD（串行口输入） |
P3。1 | TXD（串行口输出） |
P3。2 | INT0（外部中断0输入） |
P3。3 | INT1（外部中断1输入） |
P3。4 | T0（定时/计数器的外部输入） |
P3。5 | T1（定时/计数器的外部输入） |
P3。6 | WR（片外数据存储器写选通控制输出） |
P3。7 | RD（片外数据存储器读选通控制输出） |
80C51的存储器和寄存器
MCS-５１系列单片机内集成有一定数量的程序存储器和数据存储器。对80C51来说，片内有256B的数据存储器及4KB的程序存储器。
1．程序存储器
程序存储器用于存放编写好的程序或常数。EA引脚接高电平，即可从内部程序存储器中（4KB）读取指令，超过4KB后，CPU自动转向外部ROM执行程序；EA引脚接低电平，则所有的读取指令操作均在外部ROM中。读取程序存储器中的常数表格用MOVC指令。
程序存储器的寻址空间为64KB，其中有7个单元具有特殊功能（中断入口地址），见下表
中断入口地址
地址 | 事件名称 |
0000H | 系统复位 |
0003H | 外部中断0 |
000BH | 定时器0溢出中断 |
0013H | 外部中断1 |
001BH | 定时器1溢出中断 |
0023H | 串行口中断 |
80C51被复位后，程序计数器PC的内容为0000H，因此系统必须从0000H单元开始取指令执行程序。一般在该单元中存入一条跳转指令，而用户设计的程序从跳转后的地址开始存放。AT89C51的内部程序存储器（4KB ROM）足可存放2000条双字节指令，AT89C52就更不用说了，因此很少用外部扩展ROM，也就用不到MOVX这条指令。
2． 内部数据存储器
数据存储器分为外部数据存储器和内部数据存储器。访问内部数据存储器用MOV指令，访问外部数据存储器用MOVX指令。
80C51的内部数据存储器分成2块：00H~7FH和80H~FFH。后128B用作特殊功能寄存器（SFR）空间，21个特殊功能寄存器离散分布在80H~FFH的地址空间内。具体请看（AT89C52内部寄存器一览表）
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