MCS-51系列單片機的內部結構

8051是MCS-51系列單片機的典型產品，其特性與我們實驗的STC89C52RC完全相同，這里以8051為例簡介一下單片機的基本知識。

8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數據存儲器(RAM)、定時/計數器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數據總線、地址總線和控制總線等三大總線，現在我們分別加以說明：

中央處理器：

中央處理器(CPU)是整個單片機的部件，是8位數據寬度的處理器，能處理8位二進制數據或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統(tǒng)協調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。

圖1

數據存儲器(RAM)：

8051內部有128個8位用戶數據存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數據，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數據，所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數據，運算的中間結果或用戶定義的字型表。

程序存儲器(ROM)：

8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數據或表格。

定時/計數器(ROM)：

8051有兩個16位的可編程定時/計數器，以實現定時或計數產生中斷用于控制程序轉向。

并行輸入輸出(I/O)口：

8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數據的傳輸。

全雙工串行口：

8051內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數據傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。

中斷系統(tǒng)：

8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。

時鐘電路：

8051內置頻率達12MHz的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。

單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數據存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與 數據存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續(xù)產品16位的 MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結構。

下圖是MCS-51系列單片機的內部結構示意圖。

MCS-51的引腳說明：

MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源 和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用?，F在我們對這些引腳的功能加以說明：

·Pin20:接地腳。

·Pin40:正電源腳，正常工作或對片內EPROM燒寫程序時，接 5V電源。

·Pin19:時鐘XTAL1腳，片內振蕩電路的輸入端。

·Pin18:時鐘XTAL2腳，片內振蕩電路的輸出端。

8051的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。

·輸入輸出(I/O)引腳：

Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳，Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳，這些輸入輸出腳的功能說明將在以下內容闡述。

·Pin9:RESET/Vpd復位信號復用腳:

當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數器PC指向 0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址 開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下表：

8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見下圖。此外，RESET/Vpd還是一復用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內部RAM的數據不丟失。

·Pin30:ALE/nPROG當訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內部程序存儲器時，ALE端將有一 個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一 個脈沖。

如果單片機是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。

·Pin29: nPESN當訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負脈沖選通信號，PC的16位地址數據將出現在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令數據放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。

·Pin31:EA/Vpp程序存儲器的內外部選通線，8051和8751單片機，內置有4kB的程序存儲器，當EA為高電平并且程序地址小于 4kB時，讀取內部程序存儲器指令數據，而超過4kB地址則讀取外部指令數據。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內 部無程序存儲器的8031,EA端必須接地。

在編程時，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓。