3.1 概述：

MCS-51单片机芯片有许多种：

      如8051、8031、8751、80C51、80C31等。

      它由8个部件组成：

1、中央处理器（CPU）核心

2、时钟电路                   12MHz

3、程序存储器（ROM/EPROM）4KB

4、数据存储器（RAM）128B+128B SFR

5、并行I/O口（P0~P3）P0和P2兼作外总线

6、串行口          全双工串行口

7、定时器/计数器           2个16位

8、中断系统          5个中断源，高级和低级两级优先级别

    它们都是通过总线连接，并被集成在一块半导体芯片上，为单片微型计算机。

3.1.1 MCS-51单片机系列：

两大系列：MCS-51子系列和MCS-52子系列。

其中51子系列是基本型，而52子系列属于增强型。

片内ROM形式

  无 ROM EPROM

51子系统 8031 8051 8751

80C31 80C51 87C51

52子系统 8032 8052 8752

80C32 80C52 87C52

52子系列与51子系列相比，其功能增强的具体方面如下：

1、片内RAM从128字节增加到256字节；

2、片内ROM从4KB增加到8KB；

3、定时器/计数器从2个增加到3个；

4、中断源从5个增加到6~7个。

3.1.2 单片机芯片的半导体工艺：

MCS-51系列单片机采用以下两种半导体工艺生产：

① HMOS     芯片型号中不带有字母“C”的，功耗较大。

② HCMOS  芯片型号中凡带有字母“C”的，具有高速度、高密度、低功耗的特点。

例如：8051的功耗为630mW，

           80C51的功耗为120mW。

       在便携式、手提式或野外作业仪器设备或长期无人值守自动监测、监控仪表上是非常有意义的。因为在这些产品中最好使用HCOMS型单片机芯片。

3.1.3 片内ROM存储器的配置形式及应用环境：

① MCS-51单片机内程序存储器的配置形式有三种：

掩模ROM型   （由厂家一次写入，成本低）

EPROM型      （由用户可反复写入，成本较高）

无ROM型       （需在片外扩展）

各有特点，也各有其适用场合，可根据需要进行选择。

② 环境温度范围，划分为三个等级：

        民用级    0 ℃  ~+70 ℃

        工业级 -40 ℃  ~+85 ℃

        军用级 -65 ℃  ~+125 ℃

因此在使用中应该注意根据现场温度选择芯片。

3.2 中央处理器 CPU：

3.2.1 运算器：

1、算术逻辑单元     （ALU---Arithmetic Logic Unit）

2、累加器      （ACC---Accumulator）

3、寄存器       B

4、程序状态字  （PSW---Program Status Word）

5、布尔处理器

3.2.2 控制器：

1、程序计数器（PC---Program Counter）

2、指令译码器ID

3、数据指针（DPTR）

4、堆栈指针（SP---Stack Pointer）

3.2.1 运算器：

功能：运算部件

实现算术、逻辑运算、位变量处理、移位、数据传送

1、算术逻辑单元（ALU）8位用来完成二进制四则运算和布尔代数的逻辑运算，运算结果影响PSW的有关标志位。

2、累加器（ACC）8位存放操作数和中间结果，是CPU中使用最频繁的寄存器，大多数操作均通过它进行。

3、寄存器B 8位乘法时用于存乘数/积的高8位，除法时用于存除数/余数。

4、程序状态字（PSW）8位特殊功能寄存器

5、布尔处理器 1位 它以进位标志（CY）作为累加位  进行位操作

程序状态字PSW各位标志的含义：

CY（PSW.7）进位标志位

AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志

F0 （PSW.5）用户标志位

RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）工作寄存器组选择位

OV（PSW.2）溢出标志位

         PSW.1    未定义位

 P  （PSW.0）奇偶标志位

CY是PSW中最常用的标志位。由硬件或软件置位和清零。

**在字节运算时：

它表示运算结果是否有进位（或借位）。

加法时：有进位 CY 由硬件置“1”即CY=1;

               无进位 CY 被硬件置“0”即CY=0;

减法时：有借位 CY 由硬件置“1”即CY=1;

               无借位 CY 被硬件置“0”即CY=0;

**在位操作（布尔操作）时：

       CY作为累加器使用，其作用相当于字节操作的累加器ACC。

在指令中可作为转移的条件：

JC rel    ；cy=1转移

JNC rel  ；cy=0转移

位操作指令中做累加器：

ANL C,bit

ORL C,bit

SETB C

CLR C

CPL C

MOV C,bit

MOV bit,C

ANL C,/bit

ORL C,/bit

AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志

       当执行加减运算时，其运算结果产生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置“1”；否则AC位被自动清“0”。

       一般在BCD码运算时，系统用于进行十进制调整。

OV（PSW.2） 溢出标志位

       它反映运算结果是否溢出，溢出时则由硬件将OV位置“1”；否则置“0”。只有在补码运算时起作用。

       双进位位法判溢出：

OV与CY：

       溢出和进位是两种不同性质的概念

       溢出是指有正负号的两个数运算时，运算结果超出了累加器以补码所能表示一个有符号数的范围。

       而进位则表示两数运算最高位（D7）相加（或相减）有无进位（或借位）。

       因为使用时应加以注意。

FO（PSW.5）用户标志位

       用户可根据自己的需要对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，作为软件标志。

SETB  F0  ;置位

CLR    F0  ;复位0

P（PSW.0）奇偶标志位

P标志表明累加器ACC中1的个数的奇偶性。在每条指令执行完后，单片机根据ACC的内容对P位自动置位或复位。

若累加器ACC中有奇数个“1”，则P=1；

若累加器ACC中有偶数个“1”，则P=0；

3.2.2 控制器：

1、程序计数器（PC）16位计数器（重要）

      PC是程序的字节地址计数器，其内容是将要执行的（下一条）指令的地址，寻址范围达64KB。

      PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。

2、指令译码器ID

       当指令取出经指令寄存器IR送至指令译码器ID时，ID对该指令进行译码，即把指令转变成所需的电平信号，CPU根据ID输出的电平信号使定时控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，以便计算机能正确执行程序所要求的各种操作。

3、数据指针（DPTR）16bit

      数据指针DPTR为16位寄存器。它的功能是存放16位的地址，作为访问外部程序存储器和外部数据存储器时的地址。

编程时，DPTR即可按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。即：

DPH     DPTR的高8位

DPL      DPTR的低8位

4、堆栈指针（SP）8 bit

      SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。不论是数据进栈还是数据出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行的，即对栈顶单元的写和读操作。

3.3 MCS-51单片机外部特性：

      MCS-51系列单片机有40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装（DIP）。

      本节主要介绍引脚功能和引脚功能的复用。

3.3.1 引脚功能：

1、电源引脚Vcc和Vss

      Vcc为+5V电源端，Vss为电压接地端。

2、时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

      XTAL1和XTAL2是外接晶体引线端。当芯片使用内部时钟时，用于外接石英晶体和电容；当用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

3、控制信号引脚

4、I/O（输入/输出）端口（Port）P0、P1、P2、P3

       P0口（32脚~39脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个TTL负载。

       P1口（1脚~8脚）：是8位准双向I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个TTL负载。

       P2口（21脚~28脚）：是8位准双向I/O口。在访问外部存储器时，他可以作为高8位地址总线送出高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个TTL负载。

       P3口（10脚~17脚）：是8位准双向I/O口，P3口能驱动（吸收或输出电流）4个TTL负载。P3口除了作为一般的准双向通用I/O口使用外，每个引脚还有特殊功能。

3.3.2 引脚的第二功能：

1、P3口线的第二功能

2、EPROM存储器程序固化所需要的信号

      有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序需要提供专门的编程脉冲和编程电源。这些信号由引脚第二功能提供，即：

                        编程脉冲         30脚 （ALE/PROG）

                        编程电压21V   31脚 （EA/Vpp）

3、备用电源

      MCS-51系列单片机的备用电源是9脚（RST/Vpd）引入的。当主电源Vcc发生故障时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不被丢失。

3.4 MCS-51单片机时钟电路及CPU的工作时序：

3.4.1 时钟电路

1、NMOS型单