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1、第2章 51系列单片机基本结构,8051是MCS-51系列单片机的典型产品，本书以这一代表性的机型进行系统地讲解。其他单片机与8051的系统结构相同，只是对8051进行一些扩充，使其功能更强、市场竞争力更强。本章主要包括以下内容： 51系列单片机的内部结构 51系列单片机的引脚资源 中央处理器（CPU） 存储器结构 51系列单片机的复位 51系列单片机的时钟和时序 51系列单片机的并行I/O口 掉电保护和低功耗设计 51系列单片机的最小系统,2.1 51系列单片机的内部结构,8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。其主要由中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据
2、存储器（RAM）、串行接口、并行I/0接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成。8051系列单片机的内部结构框架示意图，如图所示。,2.1.1 内部结构的主要组成部分,单片机的性能都反应在单片机所特有的结构和资源上。这里首先介绍一下8051单片机基本结构的主要组成部分。 1中央处理器（CPU） 2程序存储器（ROM） 3数据存储器（RAM） 4定时器/计数器 5并行输入输出（I/O）口 6全双工串行口 7中断系统 8时钟电路,2.1.2 单片机结构的类型,单片机结构的类型可以按照程序存储器和数据存储器的体系结构来划分，大致有两种类型： 哈佛（Harvard）
3、结构。这种结构程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）采用分开的形式。哈佛结构便于对程序和数据同时访问，可以减轻程序运行时的访存瓶颈，提高数据的吞吐率。 普林斯顿（Princeton）结构。这种结构中采用通用计算机广泛使用的程序存储器（ROM）与数据存储器（RAM）合二为一的方式，也称为冯诺伊曼结构。由于程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同。 例如，INTEL的MCS-51系列单片机普遍采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。,2.2 51系列单片机的引脚功能,Intel的8051是一个典型的单
4、片机，在后续MCS-51系列单片机的产品线中，均以其为核心电路发展起来的。它们具有和8051一致的硬件结构和软件特征。 随着半导体技术的发展，各种新型的单片机层出不穷，性能也得到不断提升，价格也越来越低。因此，本章在介绍51系列单片机时不局限于介绍基本的8051，而是以最新型的51系列单片机来进行介绍。这些新型的单片机在基本功能上和8051完全一致，从而在理解8051结构的同时，也熟悉了最新的单片机。,2.2.1 51系列单片机的引脚封装,MCS-51系列单片机有各种封装形式，这里均以双列直插DIP形式的封装来进行介绍。Intel的8051的典型引脚配置，如图所示。这是40Pin封装的双列直插
5、DIP式结构，其中正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。 Atmel公司的AT89S系列与MCS-51系列是兼容的，这里主要以AT89S52单片机来介绍51系列单片机的基本原理。AT89S52的40Pin双列直插封装的引脚配置，如图所示。,2.2.2 51系列单片机引脚功能,这里以AT89S52为原型，介绍51系列单片机的引脚功能。虽然市场上51系列单片机种类很多，但由于51系列单片机的引脚都基本兼容，因此这些内容同样适合于其他型号的单片机。 1电源引脚:电源引脚主要负责单片机的供电，有两根引脚。 2外接晶振或外部振荡器引脚:外接晶振或
6、外部振荡器引脚主要负责为单片机的运行提供时钟振荡器，主要有两根引脚。 3输入输出（I/O）端口引脚:AT89S52提供了4个8位并行I/O端口，基本的功能和其他51系列单片机完全一致，部分引脚有扩展功能。 4复位、控制和选通引脚:复位、控制和选通引脚主要负责单片机程序复位、编程控制及外部程序存储器的选通。,2.3 中央处理器（CPU）,中央处理器（CPU）是由运算器（ALU）、定时控制部件和寄存器通过总线连接而成的一个整体。中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件。CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 51系列单片机是8位数据总线的处理器，能处
7、理8位二进制数据或代码。AT89S52的CPU与8051的CPU完全兼容，这里以AT89S52为例进行介绍。,2.3.1 算术逻辑运算部件（ALU）,算术逻辑运算部件（ALU）是进行算术及逻辑运算的功能部件。AT89S52单片机的算术逻辑运算部件（ALU）包括运算器、累加器（A）、寄存器B、暂存器TMP、程序状态寄存器（PSW）、推栈指针SP、数据指针DPTR等。其可以进行加、减、乘、除四则运算，也可以进行与、或、非、异或等逻辑运算，还可以执行数据传送、移位、判断和程序转移等功能。 51系列单片机的ALU提供了丰富的指令系统和极快的指令执行速度，大部分指令执行时间为1s，乘法指令为4s。AT8
8、9S52的ALU与8051的ALU完全兼容，其位处理功能非常强，这对“面向控制”特别有用，指令功能极为丰富，8位并行处理能力极强。,2.3.2 控制器,控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件。其主要的功能是从程序存储器中提取指令，送到指令寄存器，再送入指令译码器进行译码。控制器通过定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需要的全部内部控制信息及CPU外部所需要的控制信号，如ALE、RD、WR等，使各部分协调工作，完成指令所规定的各种操作。 8051的控制器包括时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、程序地址寄存器、数据指针寄存器DPTR和堆栈指针SP等。,2
9、.3.3 通用寄存器,寄存器是用来存放信息的单元，其优点是存取速度快、方便，寄存器的数量是衡量一台计算机处理能力的重要标志。51系列单片机的寄存器可分为工作寄存器（即通用寄存器）、专用寄存器和特殊功能寄存器（SFR）。特殊功能寄存器是专为对应功能服务，在“数据存储器”一节将详细介绍。本小节主要介绍通用工作寄存器R0R7。 片内RAM的00H1FH（共32B）空间，开辟了4个工作寄存器区，每组共有8个8位的寄存器R0R7，通过对PSW的RS1和RS2进行设置，选择任意一组使用，其余3组被屏蔽。其优点是，避免进站保护、减少堆栈深度、节省出入栈指令和时间。不用的工作寄存器可作为片内RAM访问。,2.
10、3.4 专用寄存器,专用寄存器是专门为某些功能部件设计的寄存器。下面分别介绍这几种寄存器的功能。 1程序计数器PC:程序计数器PC是一个16位二进制的程序地址寄存器，专门用来存放下一条需要执行指令的内存地址，能自动加1。 2累加器A:累加器A（或者ACC）是运算过程中的暂存寄存器，是一个8位二进制寄存器，用于提供操作数和存放操作结果。 3寄存器B:寄存器B一般用于乘除法操作指令，也是一个8位二进制寄存器，由8个触发器组成，与累加器A配合使用。 4程序状态寄存器（PSW）:程序状态寄存器（PSW）是一个8位寄存器，用于存放指令执行后的有关状态，为后面的指令执行提供状态条件。 5堆栈指针SP:推栈
11、指针SP是在片内RAM中开辟一个存储区域，专门存放堆栈栈顶的地址。 6数据指针DPTR:数据指针DPTR是一个16位寄存器，是由8位寄存器DPH和DPL组合而成。,2.4 存储器结构,存储器是单片机的3大主要部件之一，主要用来储存信息（即数据和程序）。存储器按配置方法分为主存和外存。“主存”又称为“内存”，用于存放当前执行的数据和程序；“外存”用于存放暂不执行的数据和程序。目前单片机主要配置内存。 存储器结构分为独立的两部分：数据存储器（RAM）和程序存储器（ROM）。8051单片机的存储器可分为4个存储空间：片内程序存储器（片内ROM）、片外程序存储器（片外ROM）、片内数据存储器（片内RA
12、M）、片外数据存储器（片外RAM）。 这4类存储器与其对应的地址关系，如表所示。,2.4.1 程序存储器及其扩展,程序存储器设计人员编写的程序就存放在单片机的程序存储器中，也称为“只读程序存储器”（ROM）。程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串，只是程序代码则存放于程序存储器中。 1程序存储器:51系列单片机具有64KB程序存储器寻址空间，这64KB的地址空间是统一编址的，没有采用片内、片外分区的方式。 2程序存储器的扩展:51系列单片机为了满足不同应用的需要，除了设置有内部程序存储器外，还可以根据需要进行外部程序存储器扩展。外部程序存储器扩展时，采用P0和P2作为16位地址总线的低8位和
13、高8位，另外，P0口还分时复用为8位数据总线。,2.4.2 数据存储器及其扩展,数据存储器也称为“随机存取数据存储器”。51系列单片机的数据存储器在物理逻辑上分为两个地址空间，即片内数据存储区和片外数据存储区。片内RAM有256B的用户数据存储区域（不同的型号有分别），是用于存放执行的中间结果和过程数据的51系列单片机的。数据存储器均可读写，部分单元还可以位寻址，其结构示意图如图所示。,2.5 51系列单片机的复位,复位是使单片机的CPU以及系统的各个部件处于特定的初始状态，并使系统从初始状态开始工作。单片机的复位是一个很重要的内容，一般在系统上电，或者程序死机的时候需要进行单片机的复位。,2
14、.5.1 单片机的复位状态,单片机的复位状态是单片机在上电时，首先所处的一个特定的状态。在复位状态下，CPU和整个硬件资源，特别是特殊功能寄存器都处于初始化的状态。如表所示列出了在单片机复位状态下的初始值。,2.5.2 单片机的复位电路,单片机的复位电路是促使单片机进入复位状态的硬件结构。单片机的复位是很重要的，复位操作可以完成单片机的初始化，也可使处于死机状态下的单片机重新开始运行。 1复位要求 2上电复位电路 3手动加上电复位电路 4定时监视器（WDT，看门狗）复位 5复杂的复位电路,2.6 51系列单片机的时钟和时序,单片机内部是基于数字逻辑电路来运行的，这些数字逻辑电路需要在一个统一的
15、时钟步调下运行，这便涉及到单片机的时钟和时序问题。这里以AT89S52为例来介绍和时序有关的问题，其中的内容对其他51系列单片机都是通用的。,2.6.1 振荡器和时钟电路,振荡器和时钟电路用于产生单片机正常工作时所需要时钟信号。AT89S52单片机采用的CMOS工艺，内部包含有一个振荡器，可以用于CPU的时钟源。另外，也允许采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供内部CPU运行使用。下面分别介绍这两种方式。 1内部时钟模式 内部时钟模式是采用单片机内部振荡器来工作的模式。AT89S52和其他51系列单片机一样，其内部包含一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内反相
16、放大器的输入端口和输出端口，其工作频率为033MHz。对于Intel的8051，工作频率为1.212MHz。 2外部时钟模式 外部时钟模式是采用外部振荡器产生时钟信号，直接提供给单片机使用。对于不同结构的单片机，外部时钟信号接入的方式有所不同。 对于普通的8051单片机，外部时钟信号由XTAL2引脚接入后直接送到单片机内部的时钟发生器，而引脚XTAL1则应直接接地，这里需要注意，由于XTAL2引脚的逻辑电平不是TTL信号，因此建议外接一个上拉电阻。,2.6.2 CPU的时序,CPU的时序是指令执行所遵从的格式。在单片机内部，振荡器始终驱动内部时钟发生器向CPU提供时钟信号。时钟发生器的输入是一个二分频触发器，这个二分频触发器为单片机提供了一个二相时钟信号，即相位信号P1和相位信号P2，驱动CPU产生执行指令功能的机器周期。 单片机的时序是用定时单位来描述的，其描述了指令执行中各控制信号在时间上的关系，这里涉及节拍、状态、机器周期和指令周期4个概念，接下来分别加以说明它们之间的关系，示意图如图所示。,2.6.3 指令
