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MCS-51单片机是美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括许多品种，如8031、8051、8751、8032、8052、8752等，其中8051是最早、最典型的产品，该系列其他单片机在8051的基础上进行了功能的增加或减少，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51单片机。
MCS-51单片机采用哈佛结构，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、多种I/O端口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成了一个小而完善的计算机系统，其内部结构如图2-1所示。
中央处理器（CPU）：是整个单片机的核心，具有8位数据宽度，能处理8位二进制数据。CPU负责整个单片机的正常工作，完成算术运算、逻辑运算、输入/输出控制、中断处理等操作。
程序存储器：一般大小为4KB，主要用于存放程序代码和一些原始数据或表格。
定时器/计数器：两个16位定时器/计数器可实现定时或计数功能。有些单片机还有第三个定时器，用于特殊用途，如自动重装载、波特率设置等。
并行I/O端口：4组8位I/O端口（P0、P1、P2和P3），用于实现与外部设备的数据交换和控制。
全双工串行口：内置一个全双工串行口，用于与其他芯片或设备的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以用作同步移位器。
中断系统：有5个中断源，分别为两个外部中断、两个定时器/计数器中断和一个串口通信中断，并具有2级的优先级别。
图2-1 MCS-51单片机的内部结构
时钟电路：用于产生整个单片机运行的脉冲时序，MCS-51单片机多数须外接振荡电容，但部分MCS-51单片机内置了时钟电路，片外不用配置振荡电容。
数据存储器（RAM）：有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能存放控制指令，用户只能访问，不能存放用户数据。所以，用户能使用的RAM只有128个单元，可存放读/写的数据、运算的中间结果或用户定义的字型表。数据存储器结构见表2-1。
表2-1 数据存储器结构
MCS-51单片机包含51子系列和52子系列，如8051、8052等，其中52系列比51系列功能多一些，除基本结构相同外，不同之处主要体现在：数据存储器容量为256字节（51系列为128字节）；程序存储器容量为8～32KB；有3个16位定时器/计数器；有6个中断源。在本书给出的MCS-51单片机的电路连接图或参考程序中，没有严格区分单片机AT89C51和AT89S51。
所有MCS-51单片机都包含了以上基本结构，编程基本兼容。但是，MCS-51单片机随着芯片技术的不断发展，内部结构越来越复杂，很多芯片除保持内部数据总线、地址总线和数据存储格式仍然为8位外，数据存储器和程序存储器容量、外部I/O端口控制、外部总线接口等发生了很大的变化。AD公司的ADU812集成了看门狗、温度采集模块等；C8051F系列的I/O端口进行了扩展，具备了串行总线接口、USB总线接口；P8xC591系列单片机内部集成了CAN总线接口。
MCS-51单片机中的80C51和80C52常采用40Pin的DIP封装或者44Pin的PLCC封装，如图2-2所示。
图2-2 80C51/80C52的引脚分布与封装图
1．电源及时钟信号引脚
V cc ：正常工作或对内部EPROM烧写程序时，接+5V电源。
GND：地。
XTAL1：时钟信号输入引脚，内部振荡电路的输入端。
XTAL2：时钟信号输出引脚，内部振荡电路的输出端。
2．输入/输出引脚
MCS-51单片机有4组8位I/O端口：P0、P1、P2和P3端口，P1、P2和P3为准双向端口，P0端口则为双向三态输入/输出端口。在DIP封装中，引脚39～32为P0.0～P0.7输入/输出引脚，引脚1～8为P1.0～P1.7输入/输出引脚，引脚21～28为P2.0～P2.7输入/输出引脚，引脚10～17为P3.0～P3.7输入/输出引脚。
MCS-51单片机的P0端口可以作为地址总线低8位和数据总线，P2端口可作为地址总线高8位，其逻辑结构如图2-3所示。电路中包含一个数据输出锁存器和两个三态数据输入缓冲器，还有一个数据输出的驱动和控制电路。这两组线用作CPU与外部存储器（程序/数据）和I/O端口扩展时的数据总线和地址总线，其中P0、P2端口可以构成16位地址总线。此外，在读取外部存储器数据时，P0端口既作为低8位地址总线，也作为8位数据总线使用，即地址总线与数据总线采用分时复用，这一特点与8086微处理器的AD0～AD15相同。CPU输出地址时，由地址锁存信号ALE通知地址锁存芯片（如74LS573/74LS373）锁存P0.0～P0.7引脚上的地址信息。
图2-3 P0与P2端口的逻辑结构
P2端口作为外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高8位输出（A8～A15），选通高位地址。P0端口作为低8位地址总线的输出，选通低位地址。当读取外部存储器数据时，P0端口送出低8位地址，同时P2端口送出高8位地址，合成16位地址信息。此时，ALE控制时序，先将低8位地址锁存，等外部存储器获取到地址信息后，P0端口随即送出或者读取8位数据。外部的程序存储器由PSEN信号选通，数据存储器则由
和
读/写信号选通。MCS-51单片机有16根地址线，故最大可外扩64KB的程序存储器和数据存储器。
图2-4所示为P1和P3端口逻辑结构。P1端口为8位准双向端口，每一位均可单独定义为输入或输出端口。当作为输入端口时，1写入锁存器，Q（非）=0，T 2 截止，内上拉电阻将电位拉至“1”，此时该端口输出1；当0写入锁存器，Q（非）=1，T 2 导通，输出0。
作为输入端口时，锁存器置1，Q（非）=0，T 2 截止，此时该位既可以把外部电路拉成低电平，也可由内部上拉电阻拉成高电平，因此P1端口称为准双向端口。作为输入端口使用时，有两种情况，一种是读锁存器的内容，进行处理后再写到锁存器中，这种操作是读→修改→写操作，如JBC（逻辑判断）、CPL（取反）、INC（递增）、DEC（递减）、ANL（与逻辑）和ORL（逻辑或）指令均属于这类操作。另一种是读P1端口状态时，打开三态门G 2 ，将外部状态读入CPU。
P3端口为准双向端口。P3端口的输入/输出、锁存器、中断、定时器/计数器、串行口与特殊功能寄存器有关。P3端口的第一功能和P1端口一样，可作为输入/输出端口，同样具有字节操作和位操作两种方式，在位操作模式下，每一位均可定义为输入或输出。P3端口第二功能表见表2-2。在MCS-51单片机实际应用场合中，P3端口的第二功能显得更为重要。
图2-4 P1和P3端口逻辑结构
表2-2 P3端口第二功能表
当P3端口工作为普通I/O端口时，第二功能信号线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端口的数据输出通路畅通无阻；而使用P3端口的第二功能时，对应的锁存器置高电平，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出。当P3端口的某个引脚为第二功能信号输入时，在输入通路增设一个缓冲器，输入的第二功能信号即从这个缓冲器的输出端取得，而作为I/O端口的输入端时，取自三态缓冲器的输出端。
3．控制线
RST：复位信号复用引脚。当89C51芯片通电后，时钟电路开始工作，在RST引脚上出现24个时钟周期（或者两个机器周期）以上的高电平就可以实现复位操作，系统恢复到初始状态。通电时，考虑到有一定的起振时间，该引脚上的高电平必须维持10ms以上才能保证有效复位。初始化后，程序计数器指向0000H，P0～P3端口全部为高电平，堆栈指针写入07H，指明堆栈的入口地址，其他专用寄存器被清0。RST由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
V cc 掉电期间，该引脚如果接备用电源（+5V±0.5V），可用于保存片内RAM中的数据，当 V cc 下降到某规定值以下，开始向片内RAM供电。
：地址锁存有效信号输出端。当访问外部程序存储器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。当外部程序存储是EPROM时，在编程期间，
将用于输入编程脉冲。
：片外程序存储器读选通信号输出端，也称片外取指信号输出端，该信号在每个机器周期内两次有效。当访问外部程序存储器时，此脚输出低电平选通信号。8位或16位地址数据将出现在P0和P2端口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0端口上，由CPU读入并执行。
EA/VPP：片外程序存储器的选用端，该引脚EA为低电平，则读取外部程序存储器指令。当EA为高电平并且程序地址小于4KB时，读取内部程序存储器指令，而超过4KB地址则读取外部指令。对内部无程序存储器的8031芯片，EA保持接地。另外，在对单片机内部EPROM进行编程时，EA/VPP引脚还要加上12V的编程电压。
MCS-51单片机的CPU由运算器和控制器构成，是单片机的核心部分。它的组成和工作原理与多数CPU有相似之处，具体介绍如下。
1．运算器
运算器以算术逻辑单元（ALU）为核心，包括累加器（A）、寄存器（B）、暂存寄存器、程序状态字寄存器（PSW）等部件。它的功能是完成算术和逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。
（1）算术逻辑单元由加法器和其他逻辑电路（如移位电路、控制门电路等）组成。它不仅能完成8位二进制数的加、减、乘、除、加1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算，还能对8位变量进行与、或、异或、循环移位、求补、清零等逻辑运算，并具有数据传送、程序转移以及位处理（布尔操作）等功能。
（2）累加器是一个8位寄存器，是CPU中使用最频繁的寄存器。通过暂存器与ALU相连，向ALU提供操作数并存放运算结果。
（3）寄存器是为ALU进行乘、除法运算而设置的，在乘、除法运算时用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果，不进行乘、除法运算时，还可作为通用寄存器使用。
（4）暂存寄存器暂时存储数据总线或其他寄存器送来的操作数，作为ALU的数据源，向ALU提供操作数。
（5）程序状态字寄存器是一个8位的特殊寄存器，它保存ALU运算结果的特征和处理状态，以供程序查询和判别。其中各位状态信息通常是指令执行过程中自动形成的，也可以由用户根据需要加以改变。PSW各位见表2-3。
表2-3 PSW各位
① CY（PSW.7）：进位标志。无符号数运算中，当加法或减法运算最高位有进位或借位时，CY=1；进行加法或减法运算时，最高位无进位或借位，CY=0。CY主要用在多字节的加减法运算中，CY可以写成C。
② AC（PSW.6）：辅助进位标志。无符号数运算中，进行加法或减法运算时，低4位向高4位有进位或借位，AC=1；低4位向高4位无进位或借位，AC=0。AC常作为计算机进行BCD码修正的判断依据。
③ F0（PSW.5）：用户标志位，无特别意义，供用户自定义。通过软件置位或清0，并根据F0=1或0来反映系统某一种工作状态，决定程序的执行方式。
④ RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：工作寄存器组选择位，可用软件置位或清0，用于选定当前使用的4个工作寄存器组中的某一组，具体对应关系见表2-4。
表2-4 RS1、RS0取值与工作寄存器组（R0～R7）的对应关系
⑤ OV（PSW.2）：溢出标志位，主要用于有符号数运算，运算结果超出范围时，OV=1；否则，OV=0。如为8位运算，结果超过了8位补码所能表示的范围时，OV=1。
⑥ P（PSW.0）：奇偶标志位。在执行指令后，单片机根据累加器的8位二进制数中“1”的个数的奇偶，自动给该标志置位或清0。若累加器的8位二进制数中“1”的个数为奇数，则P=1；若累加器A中“1”的个数为偶数，则P=0。该标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验传输的可靠性。
2．控制器
控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、数据地址指针（DPTR）、堆栈指针等组成。其功能是对来自程序存储器中的指令进行译码，通过定时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的功能。
1）程序计数器（Program Counter, PC）
PC是一个16位的专用寄存器，并具有自动加1的功能。当CPU要取指令时，PC的内容送到地址总线上，从而指向程序存储器中存放当前指令的单元地址，以便从程序存储器中取出指令，加以分析、执行。同时PC自动加1，指向下一条指令，以保证程序按顺序执行。也可以通过控制转移指令改变PC的值，实现程序的转移。
2）指令寄存器（Instruction Register, IR）
指令寄存器是一个8位寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码。指令译码电路是对指令寄存器中的指令进行译码，将指令转变为执行此指令所需要的电信号，再经定时控制电路定时产生执行该指令所需要的各种控制信号。
3）指令译码器（Instruction Decoder, ID）
指令译码器将指令寄存器中的指令进行译码，产生一定序列的控制信号，完成指令所规定的操作。
4）数据地址指针（DPTR）
数据地址指针（DPTR）是一个16位的专用地址指针寄存器，它由DPH和DPL这两个特殊功能寄存器组成。DPH是DPTR的高8位，DPL是DPTR的低8位。
DPTR用于存放16位地址，可对外部数据存储器RAM 64KB（0000H～0FFFFH）地址空间寻址。
5）堆栈指针（Stack Pointer, SP）
在计算机或单片机中处理子程序调用和中断操作等问题时，通常需要保存返回地址和保护现场信息。在MCS-51单片机中，堆栈用来保存返回地址和保护现场信息，堆栈是在RAM中专门开辟的一个特殊的存储区。堆栈区域的位置就由堆栈指针指定。堆栈的访问原则是先进后出、后进先出，即先进入堆栈的数据后移出堆栈，后进入堆栈的数据先移出堆栈。堆栈一端的地址是固定的，称为栈底；另一端的地址是动态变化的，称为栈顶。堆栈有两种操作方式：数据进栈和数据出栈。进栈和出栈都在栈顶进行。
堆栈主要用来暂时存放数据，有两种情况：一种是CPU自动使用堆栈，当调用子程序或响应中断、处理中断服务程序时，CPU自动将返回地址存放到堆栈中，通过堆栈传递参数。另一种是程序员使用堆栈，用堆栈暂时存放数据。堆栈指针中为栈顶的地址，即指向栈顶。堆栈指针具有自动加1、自动减1功能，当数据进栈时，先自动加1，然后CPU将数据存入；当数据出栈时，CPU先将数据送出，然后自动减1。
Intel公司的MCS-51单片机的存储器体系采用哈佛结构。在MCS-51单片机中，不仅在片内预留了一定容量的程序存储器、数据存储器以及众多的特殊功能寄存器（SFR），而且还具备外部存储器扩展功能，程序存储器和数据存储器的最大寻址空间均可达64KB，寻址和操作简单方便，其存储器结构如图2-5所示。
图2-5 MCS-51单片机存储器结构
由图2-5可见，MCS-51单片机的存储器在物理上设有四个空间，即内部程序存储器、外部程序存储器、内部数据存储器和外部数据存储器。但由于内、外部程序存储器统一寻址，事实上只有3个逻辑空间，即内、外部统一寻址的64KB程序存储器地址空间、内部256B数据存储器地址空间和外部64KB的数据存储器地址空间，通过指令区分访问内部数据存储器还是外部数据存储器。在访问这3个逻辑空间时，应分别采用不同形式的指令，如MOVC（访问程序存储器）、MOV（访问内部数据存储器）和MOVX（访问外部数据存储器）等。内部数据存储器空间在物理上又包含两部分：对于51子系列单片机（如8031），从00H～7FH共128字节是真正的内部RAM空间，而80H～FFH仅其中20余字节用作特殊功能寄存器（SFR）空间，访问其他字节是无意义的；对于52子系列的单片机（如8032或8052），00H～7FH的含义与51子系列相同，而80H～FFH是内部数据存储器高端地址和特殊功能寄存器（SFR）端口地址的重叠区域。
1．程序存储器
程序存储器（Program Memory）主要用于存放应用程序、表格和常数。由于MCS-51单片机采用16位的程序计数器和16位的地址总线，因而程序存储器可扩展的地址空间为64KB，并且这64KB地址在空间分布范围上是连续和统一的。
单片机应用系统中的程序存储器一般采用半导体只读存储器，即ROM。这种存储器在计算机运行时只能对其执行读操作，即使整机掉电后存于其中的信息也不会丢失，显然适合于存放用户程序、常数和表格等。
MCS-51单片机的程序存储器为固定的只读存储器（ROM）。如8051中含有4KB容量的掩膜ROM，8751中含有4KB容量的EPROM，89C51中含有4KB容量的FlashROM。而8031/8032中不设程序存储器，使用过程中必须外扩ROM。
MCS-51单片机的整个程序存储器可以分为内部和外部两部分，CPU访问外部ROM时，PSEN引脚上产生选通信号。CPU读取内/外部的指令由EA引脚所接的电平决定。
（1）当EA引脚接高电平时，CPU可访问内部和外部ROM，并且程序自内部ROM开始执行，PC值超出内部ROM容量时，会自动转向外部ROM中的程序。
（2）当EA引脚接低电平时，总是寻址外部ROM，且从0000H开始编址，系统全部执行外部ROM中的程序。
所以，内部集成了ROM的8051/8751/89C51等单片机正常运行时，EA引脚应接高电平；而内部无ROM的8031/8032等单片机，外部必须扩展足够容量的专用ROM器件，且EA引脚必须接低电平，以迫使单片机运行时只能从外部ROM读取指令。
2．内部数据存储器
MCS-51单片机的内部数据存储器是最灵活的地址空间，由于集成在芯片内部，因此存取速度快、效率高，但数量少，常用于存放运算的中间结果、数据缓冲以及设置特征标志等。内部数据存储器在物理上分为两个不同的功能区，如图2-6所示。
（1）内部数据区：对51子系列（如8031/8051/AT89C51等）为该地址空间的低128B（00H～7FH），对52子系列（如8032/8052/AT89C52等）为全部256B的存储空间（00H～FFH）。内部数据访问与存储使用指令MOV。以AT89C51为例，内部RAM地址00H～1FH分配给R0～R7寄存器组，具体地址分配见表2-5；内部RAM地址20H～2FH的位地址对应关系见表2-6。
（2）特殊功能寄存器（Special Function Register, SFR）区：地址空间的高128字节（80H～FFH）。对于52子系列，高128字节RAM区与SFR区是重叠的，访问时要通过不同的寻址方式加以区别，即访问高128字节RAM区时使用间接寻址方式，而访问SFR区时，则应使用直接寻址方式。对于51子系列，高128字节RAM区仅为SFR区。8051和8052系列单片机的主要特殊功能寄存器符号与含义见表2-7。
图2-6 MCS-51单片机内部RAM结构
表2-5 工作寄存器组（R0～R7）与内部RAM地址对应关系
表2-6 内部RAM地址20H～2FH的位地址对应关系
表2-7 8051和8052系列单片机主要特殊功能寄存器符号与含义
续表
如果将DPTR寄存器拆分为两个独立的8位寄存器DPH和DPL，则MCS-51单片机主要有27个特殊功能寄存器，其中8051系列有11个寄存器具有位寻址功能，8052系列单片机由于扩展了一个定时器/计数器，则有12个寄存器具有位寻址功能，这些寄存器中的每一位都具有位地址，具有定义的位可以直接按位访问，可进行位寻址的SFR的分布见表2-8所列。需要注意的是，PC不占据RAM单元，在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。对专用寄存器只能使用直接寻址方式，编写程序的时候既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。内部RAM及特殊功能寄存器各存储单元之间的数据传送用MOV指令。
表2-8 8051和8052系列单片机中可进行位寻址的SFR的分布
续表
注：表2-8中“—”表示该位没有使用，不能用指令进行读写操作；“*”表示该二进制位没有特殊含义，仅仅代表该寄存器的某一个二进制位，可以通过指令读写该位数据。
表2-5中，R0～R7寄存器组在汇编程序中可以通过设置RS1、RS0两个位，将寄存器分配到不同工作寄存器区，不同工作寄存器区的通用寄存器Rn（n=0～7）尽管编号n相同，但具有不同的RAM地址，因此通用寄存器共有8×4=32个。
表2-7中，寄存器T2CON、T2MOD、RCAP2L、RCAP2H、TL2、TH2是8052系列单片机扩展的定时器/计数器2的寄存器，在8051系列单片机中不存在。
由表2-8可知，能够按位访问的SFR其字节地址均为8的倍数，且每个SFR的字节地址为该寄存器最低位的位地址。比如：P2寄存器的字节地址为0A0H，最低位P2.0的位地址也是0A0H。由表2-6和表2-8可知，MCS-51单片机可以按位访问的位地址范围为00H～0F7H，其中位地址0AEH、0BEH、0BFH和0D1H共计4个位单元没有定义，读写操作没有意义；而ET2（0ADH）、PT2（0BDH）和T2CON的8个位适合具备定时器/计数器2的8052系列单片机，8051没有定时器/计数器2，读写操作没有意义。
3．外部数据存储器
由于MCS-51单片机内部数据存储器只有128B，往往不够用，这就需要扩展外部数据存储器。外部数据存储器最多可以扩到64KB，16位数据指针寄存器作为间接寻址的寄存器的地址指针，其寻址范围为64KB。当外部数据存储器小于256B时，可用R1、R0作为间接寻址寄存器的地址指针。访问外部数据存储器或扩展I/O口可用MOVX指令。