第3章 51单片机硬件系统及体系结构

单片机（single chip microcomputer）是一种集成芯片，主要功能是在单硅晶片上集成微型计算机的主要功能。简单地讲单片机是一个微型计算机系统，内部集成了输入/输出口、中央处理器（CPU）、随机数据存储器（RAM）、只读程序存储器（ROM）、定时器/计数器、以及串行通信等主要功能器件。目前，常用的是8051系列，不同51系列单片机的内部结构基本相同，本章以8051单片机为例，从初学者入门的角度针对性地介绍51单片机硬件系统和体系结构。

3.1 单片机基本结构与引脚功能

3.1.1 单片机基本结构

本书所讲的51系列单片机指的是MCS-51系列单片机，可能不同厂家生产的51系列单片机从表面到内部资源不完全一样，但是芯片的内部结构是一致的，都采用了8051内核。51单片机内部基本模块包括中央处理器（CPU）、存储器（数据存储器RAM和程序存储器ROM）、并行I/O口、串行通信口、定时/计数器、中断系统等功能器件，内部模块之间通信由总线连接，51单片机内部结构框图如图3-1所示。

8051单片机的内部结构由运算器、控制器、存储器（ROM及RAM）、数据总线和I/O接口组成。中央处理器CPU包括运算器、控制器以及若干寄存器等部件。

运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器PSW、暂存器TMP1和暂存器TMP2等部件，运算器的功能是进行算术运算、逻辑运算和位运算。

1.累加器A

累加器为8位寄存器，是程序中最常用的专用寄存器，在指令系统中累加器的助记符为A。作用：作为暂存寄存器，用于提供操作数和存放运算结果。直接与内部总线相连，一般信息传递和交换都要经过ACC。

2.寄存器B

B寄存器为8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B，其中B为乘数，乘法结果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除数取自A，除数取自B，除法的结果商数存放于A，余数存放于B中。在其他指令中，B寄存器也可作为一般的数据单元来使用。

3.程序状态字PSW

程序状态字是一个8位寄存器，它包含程序的状态信息。在状态字中，有些位状态是根据指令执行结果，由硬件自动完成设置的，而有些状态位则必须通过软件方法设定。PSW中的每个状态位都可由软件读出，PSW的各位定义如下：

图3-1 51单片机内部结构框图

（1）CY：进位标志位

在执行某些算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清零。在算术运算中它可作为进位标志，在位运算中，它作累加器使用，在位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进位标志位。

（2）AC：辅助进位标志

进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置“0”。在进行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。

（3）F0：用户标志位

该位为用户定义的状态标记，用户根据需要用软件对其置位或清零，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。

（4）RS1和RS0：寄存器区选择控制位

该两位通过软件置“0”或“1”来选择当前工作寄存器区。

（5）OV：溢出标志位

当执行算术指令时，由硬件置位或清零来指示溢出状态。在带符号的加减运算中，OV=1表示加减运算结果超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（-128～127），即运算结果是错误的，反之，OV=0，即无溢出产生。

（6）P：奇偶标志位

每个指令周期由硬件来置位或清零，用以表示累加器A中1的个数的奇偶性，若累加器中1的个数为奇数则P=1，否则P=0。

51单片机各部分功能介绍如下：

1）中央处理器（CPU） 单片机的核心，完成运算和控制功能，MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。

2）内部数据存储器（内部RAM） 8051芯片中有128个RAM单元，用于存放可读写的数据，简称内部RAM。

3）内部程序存储器（内部ROM） 8051芯片内部有8KB掩膜ROM，用于存放程序或表格，因此称为程序存储器，简称内部ROM。

4）定时器/计数器 8051共有两个可编程的16位定时器/计数器，以实现定时或计数功能。

5）并行I/O口 MCS-51单片机共有4个可编程的8位I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入/输出。

6）串行口 MCS-51单片机有一个全双工的串行I/O口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。

7）中断控制系统 8051单片机拥有5个中断源，两个中断优先级的中断控制系统，以满足控制应用的需要。

8）时钟电路 由振荡电路得到一个基本的振荡信号，然后对振荡信号进行分频，从而得到相应的时钟。单片机的振荡电路有两种：内部振荡（电路设计时使用比较多）和外部振荡。

内部振荡如图3-2所示：MCS-51芯片的内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为放大器的输入端和输出端，将其余外接的晶体振荡器和微调电容相连，构成内部自激振荡器产生振荡时钟脉冲，电容C1和C2电容容量选择范围为5～30pF，系统允许的晶振频率为1.2～12MHz（此种情况电路设计时使用比较多）。

外部振荡：利用外部已有的时钟信号引入到单片机内部。对于HMOS 8051单片机外部时钟XTAL2用来输入外部时钟信号，XTAL1接地如图3-3所示；对于CHMOS 80C51单片机必须用XTAL1输入外部时钟信号，XTAL2悬空如图3-4所示。（注意：8051与80C51完全兼容，差别主要在芯片制造工艺上，80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进，8051采用HMOS工艺，高速度、高密度；80C51采用CHMOS工艺，高速度、高密度和低功耗）。

图3-2 单片机内部振荡

图3-3 HMOS8051单片机外部时钟

图3-4 CHMOS80C51单片机

9）时序定时51单片机共有4个，分别为振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期。

①振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源周期，振荡信号若采用内部振荡则周期为石英晶振频率的倒数。

②状态周期：振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号，振荡信号若采用内部振荡则状态周期为石英晶振频率/2的倒数。

③机器周期：完成一个基本操作所需的时间。

④指令周期：CPU执行一条指令所需要的时间，一般一个指令周期含有1～4个机器周期。

3.1.2 单片机引脚功能

51单片机一般采用40引脚双列直插（DIP）封装，图3-5为单片机引脚排列图。其中40个引脚可以分为4类：电源、控制、I/O端口和时钟引脚。

图3-5 单片机引脚排列图

单片机的引脚学习非常重要，通过引脚的功能定义可以对单片机进行硬件电路设计，尤其对于初学者知道每个引脚的功能方便对单片机开发应用。这里对单片机40个引脚从4大类分别详细介绍：

1.电源引脚

①40引脚VCC：供电电压5V。

②20引脚GND：接地。

2.I/O端口引脚

51单片机共有4个8位并行I/O端口，共32个可编程I/O引脚。每个端口介绍如下：

①P0口：32引脚（P0.7）～39引脚（P0.0）可作为普通的输入/输出端口用。访问外部存储器时，分时传送低8位地址信号和低8位数据信号。

②P1口：8引脚（P1.7）～1引脚（P1.0）只有通用I/O接口一种功能，作为普通的输入/输出端口用。

③P2口：28引脚（P2.7）～21引脚（P2.0）可作为普通的输入/输出端口用。访问外部存储器时传送高8位地址信号。

④P3：17引脚（P3.7）～10引脚（P3.0）可作为普通的输入/输出端口用。但大部分情况下用于第二功能，见表3-1。

表3-1 P3口的第二功能

3.时钟引脚

时钟引脚XTAL1和XTAL2，电路设计时多采用内部振荡方式产生时钟脉冲。详细介绍参见3.1.1节。

19引脚XTAL1：接内部时钟工作电路的输入。

18引脚XTAL0：接内部时钟工作电路的输出。

4.控制引脚51单片机的控制线共有4根，分别为、N、和。其中3根是复用线为、和具有两种功能。

1）复位引脚RST：9引脚RST为单片机上电复位输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上的高电平，单片机就可以实现复位操作。复位电路分为自动上电复位和手动复位，如图3-6、图3-7所示。

图3-6 自动上电复位

图3-7 手动复位

2）PSEN：29引脚PSEN为外部程序存储器ROM读选通信号。该引脚有效（低电平）时，当单片机读取外部程序存储器ROM的指令和数据时，每个机器周期内两次有效，PSEN相当于外部ROM芯片输出允许的选通信号。但读片内ROM和读片外RAM时，不会产生有效的P信号。

3）：30引脚为地址锁存允许/编程脉冲。访问外部存储器时，ALE用来锁存P0口送出的低8位地址信号。当ALE信号有效（高电平）时，P0口传送的是低8位地址信号；当ALE无效（低电平）时，P0口传送的是8位数据信号。

当不执行访问外部RAM指令时，ALE以时钟振荡频率1/6的固定频率输出，ALE信号可以作为外部芯片的时钟信号。但当CPU执行访问外部RAM时，ALE将丢失一个ALE脉冲。

：单片机对内部ROM编程时的编程脉冲输入端。

4）：31引脚为访问程序存储器控制信号。51型单片机的寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外，当EA为高电平时，先访问片内ROM，当程序长度超过4KB时将自动转向执行外部ROM中的程序。当为低电平时，单片机只访问外部ROM。

VPP：对片内EPROM编程，31引脚为高电平用于施加编程电源。

3.2 单片机存储器

51单片机存储器结构设计上采用哈佛结构，其程序存储器和数据存储器寻址空间完全分开，存储器包括内部数据、程序存储器、外部扩展的数据和程序存储器。51单片机存储器地址空间分配如图3-8所示。

3.2.1 程序存储器

51单片机芯片内部提供4KB字节的程序存储器，片外可用16位地址线扩展到64KB的ROM空间。CPU可以通过单片机31引脚选择由内部的程序区启动或者由外部的程序区启动，如图3-8所示：外部扩展ROM到64KB的空间，地址从0000H开始编码；，执行芯片内部程序，一旦程序存储器空间超过4KB字节时，CPU自动选择外部ROM执行程序。程序存储器有部分重叠，在某些单元被保留做特定程序入口地址见表3-2。

图3-8 51单片机存储器映像图

表3-2 特定程序入口地址表

3.2.2 数据存储器

51单片机数据存储器用于存放运算中间结果、数据暂存和数据缓冲、标志位等。数据存储器包括片内RAM和片外RAM两种，采用不同的方法访问，不存在重叠的现象，从图3-8所示片外RAM空间为64KB，地址范围从0000H～FFFFH，对51单片机低128B地址空间，00H～7FH为片内RAM作为处理问题的数据缓冲器；其地址分配如图3-9所示；51单片机有32个工作寄存器，00H～1FH为四组工作寄存器区，每组有8个工作寄存器见表3-3。CPU在复位后默认选择表3-3中第0组工作寄存器。

工作寄存器从20H～2FH为位寻址区，位寻址区的每一位可以由程序直接进行位处理，图3-9中给出了自己地址和位地址对应关系，竖向字节地址从20H～2FH，横向代表8位位地址分别为D7～D0，如图3-9中7FH为字节地址2FH，位地址D7位。

图3-9 片内RAM地址分配图

表3-3 工作寄存器地址列表

高128B地址空间，80H～FFH为特殊功能寄存器空间。其地址范围为80H～FFH，特殊功能寄存器地址空间分配如图3-10所示，详细描述见表3-4。

图3-10 特殊功能寄存器地址分配图

表3-4 特殊功能寄存器说明

表3-4中论述的特殊功能寄存器需要在程序中处理，实际应用中与硬件操作相结合，需要开发人员按功能需求进行控制。有部分寄存器将在定时/计数器、串口、中断内容中介绍，因为本书讨论单片机的软件编程采用C51来设计程序内容，所有对于采用C语言进行单片机编程的初学者SP、PSW、ACC、B、DPH、DPL不再是非常重要的特殊功能寄存器。所以这里主要讨论P0、P1、P2、P3端口锁存寄存器，P0～P4为4个8位特殊功能寄存器，分别是4个并行I/O端口的锁存器，每个端口有字节地址也有位地址，I/O线独立用作输出时，数据可以锁存，用作输入时，数据可以缓冲。

通过对P0～P3口地址的读和写改变I/O口状态，如下通过简单样例程序初步了解对P0口的读取和P2口的输出操作。

若对某个I/O口引脚进行操作，可以参考下面的样例程序。

3.3 单片机中断系统

3.3.1 中断定义

单片机中只有一个CPU，但在同一时间内可能会面临着处理很多任务的情况，在CPU执行过程中，外部发生了某一事件，如数据的输入和输出、定时/计数器溢出及一些更重要的中断请求CPU快速处理。CPU暂时中断当前的工作，转入处理所发生的事件，完成中断服务程序后，再回到原来被中断的地方，继续执行被中止的原程序过程。这样的处理模式称为中断。实现中断功能的部件称为中断系统。

对于初学者，学习中断，第一个问题先搞清楚中断的概念，第二个问题是中断优先级问题，如中断事件一旦发生，当多个中断源同时申请中断或者CPU正在处理某中断事件时，又有另一事件申请中断，CPU必须区分哪个中断源优先级更高优先处理，这时考虑中断优先处理问题，解决方案是优先级别高的事件可以中断CPU正在处理的低优先级的中断服务程序，待完成高优先级中断事件后，再继续执行被中断的低优先级中断事件，也可称为中断嵌套。

3.3.2 中断系统概述

51单片机系统有5个中断源，其中两个外部中断、3个内部中断，可分为2个优先级。

1）INT0单片机引脚P3.2，属于外部中断0。由定时/外部中断控制寄存器TCON中的IT0控制，TCON在3.3.3节中做详细介绍，当TCON中的IT0=1时是边沿触发，当IT0=0时是电平触发。

2）INT1单片机引脚P3.3，属于外部中断1。由定时/外部中断控制寄存器TCON中的IT1控制，TCON在3.3.3节中做详细介绍，当TCON中的IT1=1时是边沿触发，当IT1=0时是电平触发。

3）TF0定时/计数器T0溢出中断。定时功能时，计数脉冲来自芯片内部；计数功能时，计数脉冲来自芯片引脚P3.4脚。计数寄存器T0发生溢出时，发生中断请求。

4）TF1定时/计数器T1溢出中断。定时功能时，计数脉冲来自芯片内部；计数功能时，计数脉冲来自芯片引脚P3.5脚。计数寄存器T1发生溢出时，发生中断请求。

5）RI TI串行通信中断。单片机完成接收或者发送一组数据时，产生中断请求。

3.3.3 中断控制

3.3.2节中讨论的外部中断IT0、IT1和定时/计数TF0、TF1以及串行中断RI和TI，这些中断请求信号分别锁存在特殊功能寄存器TCON（定时/外部中断控制寄存器）和SCON（串行中断控制寄存器）中。其中TCON和SCON只有一部分用于中断控制，通过对中断控制寄存器各位进行配置，可实现各种中断控制功能。

（1）定时器/计数器控制寄存器TCON，字节地址88H，中断请求格式见表3-5。

表3-5 TCON中断请求格式

其中断有关控制位有4位，分别为IT0、IT1、IE0、IE1，功能如下：

1）IT0：外部中断0类型控制位，通过软件置“1”或清“0”，用于控制外部中断触发信号。当IT0=1时是边沿触发，单片机P3.2脚输入电平由高到低下降沿有效；当IT0=0时是电平触发。单片机P3.2脚输入低电平有效。

2）IE0：外部边沿触发中断0请求标志，当CPU采样到P3.2引脚出现有效中断请求信号时，触发IE0置“1”，当CPU响应该中断后，转向中断服务程序时由片内硬件自动清0（只适用于边沿触发方式）。

3）IT1：外部中断1请求方式控制位，使用方法和IT0相同。

4）IE1：外部边沿触发中断1请求标志位，使用方法和IE0相同。

（2）串行口中断控制寄存器SCON，字节地址98H，中断请求格式见表3-6。

表3-6　SCON中断请求格式

其中中断有关控制位有两个，分别为SCON低二位锁存串行口的接收中断和发送中断标志，功能如下：

1）RI：串行口接收中断标志。若串行口接收器以方式0工作，每接收完一个串行数据帧，RI被置1；RI被置1表示串行口接收器正在向CPU请求中断，同样RI标志必须由中断服务程序清“0”。

2）TI：串行口发送中断标志。串行口以方式0发送时，每发送完8位数据后由硬件使TI置1。TI=1表示串行发送器正向CPU发出中断请求，向串行口的数据缓冲器SBUF写入一个数据后就立即启动发送器继续发送。但是CPU响应中断请求后，转向执行中断服务程序时，TI并不清“0”，TI必须由用户的中断服务程序清“0”。

51单片机有两级中断优先级，中断优先级可以由程序设定，中断源是否响应中断通过中断寄存器IE控制，而中断优先级则有中断优先级寄存器IP控制，若优先级别相同，并且同时要求中断，解决方案是以内部查询逻辑确定响应次序，具体IE、IP控制如下：

（1）中断允许控制寄存器IE各位定义见表3-7。

表3-7　IE中断请求各位

其中与中断有关的控制位有6个，各位功能如下：

1）EX0：外中断0中断控制位。EX0=1，允许外部中断0中断，EX0=0，禁止外部中断0中断。

2）ET0：定时/计数器T0中断控制位。ET0=1，允许定时器T0中断，ET0=0，禁止定时器T0中断。

3）EX1：外部中断1中断控制位。EX1=1，允许外部中断1中断，EX1=0，禁止外部中断1中断。

4）ET1：定时/计数器T1中断控制位。ET1=1，允许T1中断，ET1=0，禁止T1中断。

5）ES：串行口中断控制位。ES=1允许串行口中断，ES=0，禁止串行口中断。

6）EA：中断允许位，EA=1，每个中断源是允许还是禁止，由各自的允许位决定。EA=0，CPU禁止所有中断。

（2）中断优先级控制寄存器IP各位定义见表3-8。

表3-8 IP中断请求各位

其中与IP有关的中断控制位有5个，各位功能如下：

1）PX0：外部中断0优先级控制位。PX0=1，声明外中断0为高优先级中断，PX0=0定义外中断0为低优先级中断。

2）PT0：定时器0优先级控制位。PT0=1，声明定时器0为高优先级中断，PT0=0定义定时器0为低优先级中断。

3）PX1：外部中断1优先级控制位。PX1=1，声明外中断1为高优先级中断，PX1=0定义外中断1为低优先级中断。

4）PT1：定时器1优先级控制位。PT1=1，声明定时器1为高优先级中断，PT1=0定义定时器1为低优先级中断。

5）PS：串行口中断优先级控制位。PS=1，串行口中断声明为高优先级中断，PS=0，串行口定义为低优先级中断。

系统复位后IP寄存器中各位均为0，此时全部设定为低中断优先级，中断执行过程中，低中断优先级被高中断优先级中断，但是高中断优先级无法被低中断优先级中断；同级中断不能互相中断，CPU按照硬件次序决定优先权。同级优先权级别如图3-11所示。

图3-11 同级优先权级别

对于IE控制位可以通过置“1”和清“0”允许或禁止中断源中断申请，IE中的EA位相当于中断允许的总开关，中断系统结构如图3-12所示。

图3-12 中断结构框图

3.3.4 中断处理

CPU对中断处理过程包括中断初始化、中断响应、保护现场、中断服务程序处理、中断撤销和中断返回。

1.中断初始化

中断初始化设置，对中断的允许位和中断优先级设置，包括TCON、SCON、IE、IP与中断有关的功能位置进行设置，如3.3.3节所述。

2.中断响应

单片机一旦响应中断，首先设置响应的优先级，通过执行硬件程序调用把断点地址压入堆栈，并与各中断源对应的中断服务程序首地址送到程序计数器PC，同时清除中断请求标志（TI和RI除外），从而控制程序转移到中断服务程序，中断响应过程由中断系统自动完成。

3.保护现场

CPU在执行任务过程中由于中断响应执行中断事件，为了在执行完中断服务程序后，回头执行原先程序时，知道程序原来在何处打断，各有关寄存器的内容如何，必须在转入执行中断服务程序前，将当前状态内容进行备份以便保护好现场。一旦缺乏现场保护和恢复现场，程序运行混乱，单片机无法正常工作。所以在进入中断服务子程序后，一般都要保护现场，再执行中断服务程序，返回主程序前再恢复现场，用户在编制中断处理程序时必须要考虑上述问题。

4.中断服务程序处理

中断服务程序一般以子程序的形式出现，所有的中断都要转去执行中断服务程序，进行中断服务。C51编辑器支持在C语言程序中直接编写51单片机的中断服务程序，C51编译器对函数的定义进行了扩展，无需考虑堆栈出栈保护问题，增加了一个扩展关键字inter-rupt。关键字interrupt是函数定义时的一个选项，加上此选项可以对函数定义为中断服务函数。定义中断服务函数的格式如下：

函数类型 函数名（形式参数）[interrupt n][using n]

关键字interrupt中的n是中断号，n的取值为0～31单片机芯片型号不同n不同。

在C语言中定义中断服务函数：

void intersvr0（void）interrupt 0 using 1//定义外部中断0，使用第一组寄存器。

5.中断请求撤销

CPU响应中断请求后，执行中断服务子程序，一旦中断任务执行完毕，必须清除中断请求标志，否则中断响应返回后将再次进入该中断，从而进入死循环。

中断撤销方式有4种方式：

1）对定时/计数器T0、T1中断，CPU响应中断时就用硬件自动清除相应的中断请求标志TF0或TF1。

2）对外部中断INT0、INT1，若采用边沿触发方式，CPU响应中断后，内部硬件自动复位中断标志IE0或IE1。

3）对串行中断，CPU响应中断后并不自动清除相应的中断标志位TI或RI，用户应在串行中断服务程序中用软件清除TI或RI。

4）若CPU对中断引脚的信号缺乏控制能力，可以利用单稳态触发器对中断信号进行整形，使其符合要求。

6.中断返回

中断任务处理完成后，CPU需要返回到中断的地方继续执行。同时需把保存现场内容从堆栈中弹出，恢复寄存器和存储单元的原有内容。正常中断响应时间至少为3～8个机器周期，如果有同级或高级中断服务，将延长中断响应时间。

以上为中断内容的详细描述，关于中断的实际应用在中断章节第8章单片机外部中断控制项目中重点介绍。

3.4 单片机定时/计数系统

单片机定时/计数器可以实现定时控制、频率测量、脉宽测量、信号发生等功能，其工作方式灵活、编程简单，减轻CPU工作负担同时简化单片机外围电路设计。定时/计数器有定时和计数两大功能，对外部事件脉冲计数是计数器；对片内机器周期脉冲计数是定时器。51单片机有两个定时/计数器T0和T1，在使用过程中与特殊功能寄存器TMOD和TCON息息相关。

3.4.1 定时/计数器结构及工作原理

51单片机定时/计数器内部结构框图如图3-13所示，内部设置两个定时/计数器T0和T1，具有计数器和定时器两种工作方式以及4种工作模式，在特殊功能寄存器TMOD中都有一个控制位，它选择T0及T1为定时器还是计数器。

用作定时器时，每个机器周期寄存器加1，每输入一个脉冲计数值加1，脉冲数乘以脉冲间隔时间为定时时间；用作计数器时，单片机输入端P3.4或者P3.5有一个输入脉冲负跳变时加1，此时脉冲源为间隔不等的外部脉冲发生器，对外部事件计数。

图3-13中可以看到，定时器T0由TL0（低8位）和TH0（高8位）构成，定时器T1由TL1（低8位）和TH1（高8位）构成。TCON则用于控制定时器T0和T1的启动和停止计数，同时管理定时器T0和T1的溢出标志等。程序开始时需对TL0、TH0、TL1和TH1进行初始化，定义其工作方式。

图3-13 定时/计数器结构框图

3.4.2 定时/计数器特殊控制寄存器TMOD、TCON

特殊功能寄存器TMOD和TCON用于控制和确定定时/计数功能和工作模式，寄存器的内容由软件设定，系统复位时所有位均被清零。

1.定时/计数器工作方式寄存器TMOD

TMOD低4位控制定时器T0，高4位控制定时器T1，字节地址89H，只能字节寻址，TMOD各位定义见表3-9：

表3-9 TMOD各位定义

M1、M0：工作方式选择位，定时/计数器有4种工作方式由M1、M0定义见表3-10：

表3-10 M1和M0工作方式

C/T：定时/计数方式选择位。

C/T=1时为计数方式，内部计数器的输入来自单片机引脚P3.4和P3.5端口的外部脉冲，负跳变脉冲有效。

C/T=0时为定时工作方式，内部计数器的机器周期脉冲计数，用作定时器。

GATE：选通控制。

GATE=0时TR0或者TR1为1时，定时/计数器选通工作，与INT0或者INT1无关。

GATE=1时INT0或者INT1引脚为高电平且TR0或者TR1为1时，定时/计数器选通开始工作。

2.定时/计数器控制寄存器TCON

TCON是逐位定义8位寄存器，可字节寻址也可以位寻址，字节地址为88H，TCON各位定义见表3-11：

表3-11 TCON各位定义

1）TF1：定时/计数器T1溢出标志。当定时/计数器1溢出时，由硬件置位，CPU响应中断后由硬件自动对TF1清“0”。

2）TR1：定时/计数器T1运行控制位。靠软件置位或清除，当TR1=1时启动T1运行，TR1=0则T1停止运行。

3）TF0：定时/计数器0溢出标志。当定时/计数器0溢出时，硬件置位，申请中断，进入中断服务后被硬件自动清除。

4）TR0：定时/计数器0运行控制位。软件置位时，T0工作，清“0”时停止工作。

5）IE1：外部沿触发中断1请求标志，检测到在INT引脚上出现外部中断信号的下降沿时，硬件置位，请求中断，进入中断程序后被硬件自动清除。

6）IT1：外部中断1控制位，IT1=1时，后沿触发，IT1=0时，低电平触发。

7）IE0：外部沿触发中断0请求标志，检测到在INT引脚上出现外部中断信号的下降沿时，硬件置位，请求中断，进入中断程序后被硬件自动清除。

8）IT0：外部中断1控制位，IT0=1时，后沿触发，IT0=0时，低电平触发。

3.4.3 定时/计数器工作方式

定时/计数器具有定时和计数两种功能，每种功能具有4种工作方式，TMOD控制寄存器通过对M0、M1的设置选择4种不同工作方式，把计数初始值写入TH和TL中控制计数长度；通过对TCON的有关位置数和清零启动定时器工作和停止计数。定时/计数器T1与定时/计数器T0的描述完全一致，下面以T0为例讨论4种工作方式。

1.工作方式0

当M1 M0=00时T0工作在工作方式0模式下，其工作方式0电路结构如图3-14所示，工作方式0是13位定时/计数器，其中TL0的高3位没有使用，计数器由TH0的高8位和TL0的低5位构成。当TL0低5位溢出时向TH0进位，TH0溢出向中断标志TF0进位，申请中断。关于T0计数溢出通过查询TF0是否置位或者产生定时器T0中断获得。

图3-14 T0工作方式0电路结构图

当C/T=0时，多路开关接通振荡脉冲的12分频输出，13位计数器依次进行计数。这就是定时工作方式。

当C/T=1时，多路开关与引脚（P3.4）相连，外部计数脉冲由引脚T0输入。当外部信号电平发生1到0跳变时，计数器加1，此时T0为外部事件计数器。

当GATE=0时，封锁或门输出常为1，使得引脚P3.2输入信号无效。TR0控制定时器T0开启和关闭，当TR0=1时，启动定时器T0，TR0=0则关闭控制开关停止计数。

当GATE=1且TR0=1时，或门与门全部打开，外部信号电平通过INT0开启或者关闭定时器计数，输入1电平时，计数工作，输入0电平时，停止计数。

（1）作为计数工作

计数范围：1～2¹³

计数值计算公式：计数值=2¹³-计数初值

针对T0定时器，其计数初值为TH0高8位和TL0低5位的初始值。

（2）作为定时器工作

定时范围：1～2¹³机器周期

定时计算公式：定时时间=（2¹³-定时初值）×机器周期

针对T0定时器，其定时初值为TH0高8位和TL0低5位的初始值。

机器周期时间=12/f_osc，其中f_osc为晶体振荡频率。

2.工作方式1

当M1 M0=01时，定时/计数器处于工作方式1，方式1和方式0工作模式几乎完全相同，区别就在于工作方式1定时器寄存器TH0和TL0是16位计数结构，定时/计数器电路结构如图3-15所示。

图3-15 定时/计数器工作方式1电路结构图

方式16位定时/计数器，TH0作为高8位，TL0为低8位，有关控制状态字（GATA、、TF0、TR0）和工作方式0相同。

（1）作为计数器工作

计数范围：1～2¹⁶

计数值计算公式：计数值=2¹⁶-计数初值

针对T0定时器，其计数初值为TH0高8位和TL0低8位的初始值。

（2）作为定时器工作

定时范围：1～2¹⁶机器周期

定时时间计算公式：定时时间=（2¹⁶-定时初值）×机器周期

针对T0定时器，其定时初值为TH0高8位和TL0低8位的初始值。

机器周期时间=12/f_osc，其中f_osc为晶体振荡频率。

3.工作方式2

当M1 M0=10时，定时/计数器处于工作方式2。此时定时器寄存器TL0配置为可以自动重装载的8位计数器，TH0作为预置寄存器。TL0计数溢出时，TF0置1同时TH0中的内容重装载到TL0中，TH0的内容由软件预置，重装载后内容不变。电路结构如图3-16所示。

图3-16 定时/计数器工作方式2电路结构图

初始化时，TL0和TH0赋初值，当TL0计数溢出时，置位TF0的同时把预置寄存器TH0中的初值自动加载TL0，TL0重新计数。如此反复，这一过程省去了用户程序中重装指令，有利于提高定时精度，但这种工作模式计数值有限，最大只能到256。所以这种工作方式很适合于连续定时和计数应用。

（1）作为计数器工作

计数范围：1～2⁸

计数值计算公式：计数值=2⁸-计数初值

针对T0定时器，其计数初值为TH0高8位和TL0低8位的初始值。

（2）作为定时器工作

定时范围：1～2¹⁶机器周期

定时时间计算公式：定时时间=（2⁸-定时初值）×机器周期

针对T0定时器，其定时初值为TH0高8位和TL0低8位的初始值。

机器周期时间=12/f_osc，其中f_osc为晶体振荡频率。

4.工作方式3

当M1 M0=11时，定时/计数器处于工作方式3，此时T0分成两个独立的8位计数器TL0和TH0。其中TL0既可作计数器，也可作为定时器使用，前3种工作方式下，定时/计数器的使用完全相同，但是在工作方式3下，两个定时/计数器工作是不同的，电路结构如图3-17所示。

图3-17 定时/计数器工作方式3电路结构图

TH0规定只用作定时器，由T1控制位TR1和TF1控制，计数溢出置位TF1、TR1控制TH0定时的启动和停止。由于TL0既能作定时器也能作计数器使用，而TH0只能作定时器不能作计数器，因此在工作方式3模式下，定时/计数器0可以构成两个定时器或者一个定时器和一个计数器。

总之，若T0设置为工作方式3，T1只能设置为方式0、1、2，因为T0占据TR1和TF1，此时TF1作为串行口波特率发生器，计数溢出输入串行口，决定串行通信的速率。

经过上述对定时/计数器的讨论，对定时/计数器初始化，首先设定定时器工作方式，设置TMOD工作方式控制字，根据需要给赋初值确定定时时间或计数初值；设置中断允许寄存器IE控制字，开放中断和设定中断优先级；设置TCON启动或禁止运行。关于定时/计数器的实际应用在第10章单片机定时控制项目中重点介绍。

3.5 单片机串行通信系统

51单片机具有一个全双工的串行通信端口，能同时进行发送和接收。它可以作为UART（通用异步接收和发送器）使用，也可作为同步移位寄存器使用。

串行通信都具有多种操作模式，常用于数据通信的传输方式有单工、半双工、全双工和多工方式。

单工方式：通信双方数据按一个固定方向传送，这种传输方式单向传输用途有限，常用于串行口打印数据传输与简单系统间数据采集。

半双工方式：通信双方具有收发器，数据可实现双向传送，但不能同时进行，通信时以某种协议实现收/发开关转换。

全双工方式：通信双方具有收发器，允许双方同时进行数据双向传送，但传输方式线路和设备较复杂。

多工方式：通过使用多路复用器或多路集线器，采用频分、时分或码分复用技术，利用线路资源，实现同一线路上资源共享功能。

3.5.1 串行通信结构与原理

51单片机是一个可编程全双工串行通信口，用作异步通信方式（UART），与串行传送外部设备相连接，或用于通过标准异步通信协议进行全双工51单片机多机系统，也可以通过同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器来扩充I/O口。

图3-18为51单片机串行口结构原理图，通过单片机引脚RXD（P3.0串行数据接收端）和引脚TXD（P3.1串行数据发送端）与外围电路进行通信，既可以用于网络通信，亦可实现串行异步通信，还可以构成同步移位寄存器使用。51单片机内部的SBUF串行口缓冲寄存器（SBUF）是一个可寻址的专用寄存器，包括接收器和发送器，可实现全双工通信。具有相同的名字和地址空间，因为只有一个能被CPU读出数据，另一个只能被CPU写入数据，所以不会出现冲突。通信过程只要向发送缓冲器写入数据即可发送数据，从接收缓冲器读出数据即可接收数据。如果在串行口的输入、输出引脚加上电平转换器，将串口转换为标准的RS232接口实现与PC等设备通信。

3.5.2 串行控制与状态寄存器

1.串行中断控制寄存器（SCON）

串行口控制与状态寄存器（SCON）是一个逐位定义的8位寄存器，用于定义串行口工作方式以及实施接收和发送控制，字节地址为98H，位地址98H～9FH。SCON各位结构定义见表3-12。

1）SM0、SM1串行口工作方式选择位，两个选择位对应4种工作方式，其实f_osc为晶振频率，表3-13所示SM0和SM1工作方式选择位。

图3-18 串行口结构图

表3-12 SCON各位结构定义

表3-13 SM0和SM1串行口工作方式选择位

2）SM2：多机通信控制位。工作方式0中，SM2置0，工作方式1中，若SM2为1，则只有接收到有效停止位时，RI置1被激活。SM2位主要用于工作方式2和方式3，当SM2=1时，只有当接收到第9位数据（RB8）为1时，才把接收到的前8位数据送入SBUF，且置位RI置1发出中断申请，否则会将接收到的数据放弃。当SM2=0时，则接收数据RI不会被激活。

3）REN：允许串行接收位。REN用于控制数据接收的允许和禁止，由软件置位或者清除，当REN=1时，允许串行接收，REN=0时，禁止串行接收。

4）TB8：在方式2或方式3中，为要发送的第9位数据。也可作为奇偶校验位，根据需要由软件置1和清零，在多机通信中，该位用于表示地址帧或者数据帧。

5）RB8：接收到数据第9位。在方式0中不使用RB8。在方式1中，若（SM2）=0，RB8为接收到的停止位。在方式2或方式3中，RB8为接收到的第9位数据。

6）TI：发送中断标志。在方式0中，第8位发送结束时，由硬件置位。在其他方式的发送停止位前，由硬件置位。TI置位既表示一帧信息发送结束，同时也是申请中断，可根据需要，用软件查询的方法获得数据已发送完毕的信息，或用中断的方式来发送下一个数据。在任何工作方式中，都必须由软件清除TI。

7）RI：接收中断标志位。在方式0，当接收完第8位数据后由硬件置位。在其他工作方式中，在接收到停止位的中间时刻由硬件置位。RI=1时，申请中断，要求CPU读数。在工作方式1中，SM2=1且未接收到有效的停止位时，不会对RI置位。任何工作方式中，都必须由软件清除RI。

2.电源控制寄存器（PCON）

PCON主要是为CHMOS型51单片机实现电源控制而设置的专用寄存器，其中最高位是SMOD，它是与串行口的波特率设置有关的选择倍增位。单元地址是87H，表3-14所示为PCON电源管理寄存器各位定义如下：

表3-14 PCON电源管理寄存器各位定义

SMOD：串行口波特率倍增位，当SMOD=1时，方式1或者3，波特率=定时器1溢出率/16；方式2，波特率=定时器1溢出率/32；当SMOD=0时，方式1或者3，波特率=定时器1溢出率/32；方式2，波特率=定时器1溢出率/64。

GF1、GF0：通用标志位，用户使用软件置位、复位。

PD：掉电方式位。

IDL：待机方式位，当IDL=1，则进入待机工作位。如果PD=1、IDL=1，则进入掉电工作方式。复位时PCON所有位均为0。

3.5.3 串行通信工作方式

8051单片机全双工串行口具有4种工作方式，可通过软件编程选择。

（1）方式0为移位寄存器输入/输出方式。可外接移位寄存器扩展I/O口，也可以外接同步输入/输出设备。其数据传输波特率固定为f_osc/12，8位串行数据由RXD（P3.0引脚）输入或输出，同步移位时钟由TXD（P3.1引脚）输出。

串行数据发送：CPU将数据写入发送寄存器时，立即启动发送，内部定时保证写入SBUF与激活发送之间有一个完整的机器周期，将8位数据以f_os/12的固定波特率从RXD输出，低位在前，高位在后。发送完一帧数据后，发送中断标志TI由硬件置位。

串行数据接收：当REN=1且接收中断标志RI位清除时，启动接收过程。当（RI）=0和（REN）=1同时满足时，开始接收。当接收到第8位数据时，将数据移入接收寄存器，并由硬件置位RI。

（2）方式1为波特率可变的10位异步通信接口方式。其传输波特率由定时/计数器1的计数溢出率来决定，波特率=2^SMOD×（定时器1溢出率）/32，发送或接收一帧信息为10位，包括1个起始位0，8个数据位和1个停止位1。

串行数据发送：当执行任何一条写SBUF的指令时，启动串行数据发送。在串行口由硬件自动加入起始位和停止位，构成一个完整的帧格式，在移位脉冲作用下串行数据从TXD引脚输出。发送完一帧数据后TXD一直维持在“1”状态下，由硬件置位TI通知CPU可以发送下一个字符。

数据接收：当REN=1且RI位清除后，串行口采样RXD引脚，若在RXD引脚上监测到一个1～0的跳变，立即启动一次接收过程。只有当RI=0且停止位为1或者SM2=0时，停止位进入RB8，8位数据才能进入接收寄存器，并由硬件置位中断标志RI；否则信息丢失。所以在方式1接收时，应先用软件清零RI和SM2标志。

（3）方式2为固定波特率的11位UART方式。波特率由PCON中的选择位SMOD来决定，当SMOD=1时，传输波特率为f_osc/32，当SMOD=0时，传输波特率为f_osc/64。发送和接收的一帧信息为11位，即1个起始位，9个数据位和1个停止位。发送时可编程位TB8可赋值0或者1，接收时可编程位进入SCON中的RB8。

数据发送：发送的串行数据由TXD端输出一帧信息为11位，附加的第9位来自SCON寄存器的TB8位，用软件置位或复位。准备好第9个数据位之后，当CPU执行一条数据写入SUBF的指令时，就启动发送器发送。发送一帧信息后，置位中断标志TI，其过程与方式1相同。

数据接收：方式2的接收过程也与方式1基本相同，不同之处在于第9个数据位，串行口把收到的8位数据送入SBUF，把收到的第9位数据送入RB8。

（4）方式3为波特率可变的11位UART方式。除波特率外，其余与方式2相同。

3.5.4 波特率设置

波特率是串行通信中的一个重要概念。波特率（bitpersecond）是单位时间里传输的数据位数，单位为波特（或bit/s）。如数据传送速率是200字符/s，每个字符包含10位，则传送波特率为2000波特。波特率的倒数就是传送每位数据所需要的时间。相互通信的双方必须具有相同的波特率，否则无法成功地完成数据通信。

在串行通讯中，收发双方的数据传送率（波特率）要有一定的约定。51单片机串行口的4种工作方式，方式0和2的波特率是固定的，而方式1和3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率控制。

1.工作方式0

波特率由振荡器频率f_osc确定：波特率=f_osc/12

定时器T1工作方式0：溢出所需周期数=8192-x，x为初始值。

2.工作方式1

波特率由定时/计数器T1的溢出率和SMOD共同决定，其中：

波特率=2^SMOD×（定时器1溢出率）/32

T1溢出率=T1计数率/产生溢出所需的周期数

定时器T1工作于方式1：溢出所需周期数=65536-x，x为初始值。

3.工作方式2

波特率由振荡器频率f_osc和SMOD（专用寄存器PCON的最高位）确定。

波特率=2^SMOD×f_osc/64，若SMOD=1时，波特率=f_osc/32；若SMOD=0时，波特率=f_osc/64。

定时器T1工作于方式2：溢出所需周期数=256-x，x为初始值。

4.工作方式3

波特率由定时/计数器T1的溢出率和SMOD共同决定，其中：

波特率=2^SMOD×（定时器1溢出率）/32

T1溢出率=T1计数率/产生溢出所需的周期数

上述讨论中T1计数率取决于它工作在定时器状态还是计数器状态。当工作于定时器状态时，T1计数率为f_osc/12；当工作于计数器状态时，T1计数率为外部输入频率，此频率应小于f_osc/24。产生溢出所需周期与定时器T1的工作方式、T1的预置值有关。因为方式2为自动重装入初值的8位定时/计数器模式，所以用它来做波特率发生器最恰当。

注意：进行单片机电子系统设计时，时钟频率一般选用11.05926MHz时，可以获得标准的波特率，所以51单片机选用这个看起来很“怪”的晶振。因为方式0和2波特率是固定传输，方式1和3波特率是可变的，表3-15给出方式1和方式3常用波特率设置。

表3-15 常用波特率设置表

单片机的串行通信方法较为多样，传统的串行通信方式是通过单片机自带的串行口进行RS232方式的通信。串行通信适合远距离数据传送，处于两地的计算机之间，采用串行通信成本低廉，另外关于51单片机串行通信应用在第12章单片机串口通信项目中重点介绍。

3.6 本章小结

本章主要阐述了51单片机硬件系统以及体系结构的基础知识，从51单片机的引脚配置、存储器、中断、定时/计数器以及串行通信几个方面进行了重点介绍。通过本章的学习，对于初学单片机的读者对单片机的一些基础知识有了入门了解，为后面单片机软件的学习和综合系统设计打下坚实的基础。