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1、第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展2.1 MCS-51外部引脚2.2 P0、P1、P2、P3口的内部结构及使用2.3 单片机内部硬件资源2.4 时钟与复位电路2.5 单片机系统扩展2.6 习 题第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 对于硬件系统设计人员来说，掌握单片机硬件资源是十分重要的，只有熟悉了单片机的硬件“家底”，才能合理安排、正确使用现有资源，并做到物尽其用。MCS-51单片机是美国Intel公司的产品，但在实际应用时常常选用美国ATMEL公司的产品，如AT89C51/52（40脚）和AT89C2051（20脚）。ATMEL公司AT系列
2、单片机相当于Intel公司单片机的Flash版本，两者硬件结构相同，指令兼容，但Flash版本可以使程序的修改、调整更加方便，所以ATMEL公司的产品几乎成了MSC-51系列单片机的主流。第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展2.1 MCS-51外部引脚 AT89C51/52的外部有40个脚（与8051/8751相同，如图2-1所示），这些管脚根据功能可以将它们分成三大组：第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展1系统工作必需的引脚（5个脚）VCC（40脚）、VSS（20脚）：电源5V和地（AT89LV系列芯片可以工作在2.7V6V）。RST/VPD（9脚）：RST即为RESET的缩写，VP
3、D为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，可以使单片机回复到初始状态（复位）。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10 ms以上才能保证有效复位。XTAL1、XTAL2：接晶振，实际使用时还需加两个30pF的补偿电容，常用晶振频率有6MHz、12 MHz和11.0592 MHz，AT89C51/52最高工作频率达24 MHz。上述管脚的电压或波形不满足要求的话，系统无法工作，一般表现为无法启动。第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展2与外部电路联络的脚（32个脚）P0：在扩展时作为数据总线/地址低8
4、位线，扩展不用时可以作为用户I/O线。P1：仅作用户I/O口。P2：在扩展时作为地址高8位线，扩展不用时作为用户I/O线。P3：首先保证第二功能（如表2-1所示），若第二功能不用，则可作为用户I/O线。第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 3控制脚（3个脚）（1）/VPP（31脚）：为片内、片外ROM选择控制脚，具体如图2-2所示，早期的8031等内部没有ROM，故使用时接地，目前AT89C51/52内部均有ROM（Flash），所以使用时直接接VCC。对于EPROM型单片机（如8751），在编程期间该脚用于提供编程电压（VPP）。图2-2 MCS
5、-51程序存储器结构第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展（2）ALE/PROG（30脚）：地址锁存有效信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲，在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的，但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了。对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲PROG的输入端。第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展（3）（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周
6、期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。要注意的是该脚与外部数据存储器的读、写无关。用于控制的脚其实还有P3口的、，它们用于外部数据存储器及I/O的读、写控制。尽管控制线数量不多，但在应用系统中担当着十分重要的角色，在系统扩展部分我们可以体会这一点。第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展2.2 P0、P1、P2、P3口的内部结构及使用 2.2.1 P0口的内部结构及使用特点由图2-3可见，电路中包含一个数据输出锁存器、两个三态数据输入缓冲器、一个数据输出的驱动电路和一个输出控制电路。当对P0口进行写操作时，由锁存器和驱动电路构成数据输出通路。由于通路中已有输出锁存器，因此数据输
7、出时可以与外设直接连接，而不需再加数据锁存电路。图2-3 P0口一位结构图第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 在P0口的内部有一个多路转接电路MUX，在控制信号的作用下，多路转接电路可以分别接通锁存器输出或地址/数据线，使P0口作为外部扩展时的数据总线/兼地址低8位线。另外，P0口结构的一大特点（不同于P1、P2、P3口）为输出电路是漏极开路电路，当P0口进行一般的I/O输出时必须外接上拉电阻才能有高电平输出。当P0口进行一般的I/O输入时，必须先向电路中的锁存器写入“1”，使场效应管V2截止，以避免V2导通对引脚读入的影响。第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展2.2.2 P1口的内
8、部结构及使用特点 因为P1口通常是作为通用I/O口使用的，所以在电路结构上与P0口有一些不同之处，如图2-4所示。首先它不再需要多路转接电路MUX；其次是电路的内部有上拉电阻，与场效应管共同组成输出驱动电路。为此，P1口作为输出口使用时，无需再外接上拉电阻。图2-4 P1口一位结构图第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展2.2.3 P2口的内部结构及使用特点如图2-5所示，P2口电路比P1口电路多了一个多路转接电路MUX，这又正好与P0口一样。P2口可以作为通用I/O口使用，这时多路转接电路开关倒向锁存器Q端，同时又可作为高位地址线使用，此时多路转接电路开关应倒向“地址”位置。图2-5 P2
9、口一位结构图第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展2.2.4 P3口的内部结构及使用特点 P3口的特点在于，为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。由于第二功能信号有输入和输出两类，因此分两种情况说明，结构如图2-6所示。对于第二功能为输出的信号引脚，当作为I/O使用时，第二功能信号引线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端数据输出通路的畅通。图2-6 P3口一位结构图第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 对于第二功能为输入的信号引脚，在口线的输入通路上增加了一个缓冲器，输入的第二功能信号就从这个缓冲器的输出端取得。而作为I/O使用的数据输入，仍取自三态缓冲器的输
10、出端。不管是作为输入口使用还是第二功能信号输入，输出电路中的锁存器输出和第二功能输出信号线都应保持高电平。P3口作为输入使用时，也必须先写“1”，让输出电路的场效应管截止。第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展2.2.5 P0、P1、P2、P3作I/O使用实例1驱动LED实例 驱动LED，几乎是每个应用系统中都会碰到的，分为低电平点亮和高电平点亮两种。在高电平时，由于端口内部结构决定了输出的电流不到1mA（使用时常常会在这里出错，认为既然是高电平就一定能点亮LED），而允许输入的电流可以达20mA 左右，因此两种驱动LED的电路在结构上会有较大差别。图2-7（a）是低电平驱动LED的电路，L
11、ED上的电流可以用以下公式计算：I = (5-1.8) / R+5VR3+5V其中1.8V是普通型LED的压降。图2-7（b）是高电平驱动LED的电路，电流由R3决定。图2-7（c）是错误的高电平驱动电路（输出电流太小）。第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 图2-7 驱动LED电路第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 图2-7 驱动LED电路（续）第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展2驱动继电器实例 继电器的驱动，从电平角度来说也有高电平驱动和低电平驱动两种，但实际使用的继电器的工作电压都是9 V、12 V甚至更高，所以除了考虑驱动电流是否足够（继电器所需的驱动电流可用继电器的标
12、称工作电压除以标称电阻来估算，常见的大约在40 mA60 mA，所以不管哪种结构都需要三极管等电流放大电路）外，还要考虑低电平、高电平哪种驱动更容易实现。第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 图2-8（a）是常常会犯错误的所谓低电平驱动电路，尽管低电平时继电器确实能工作，但当输出为高电平而想使继电器截止时，结果却无法跳开，好像被粘住一样，原因是CPU输出的高电平只有5 V，而继电器的供电有12 V，而且这时继电器的供电12 V将有可能使CPU损坏（在使用芯片时不允许输入端的电压超过电源电压）。图2-8（b）是用高电平驱动的电路，图2-8（c）是低电平驱动。在需要同时驱动的继电器数量比较多时
13、，可以选用专用的驱动芯片ULN2003A/ULN2003，其内部含有7路独立的驱动电路（还包含了继电器线包回路的续流二极管），使用起来十分方便。第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 （a） （b）第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 （c）图2-8 驱动继电器电路第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 3光耦器件的接口电路 单片机应用在强电系统时，为提高抗干扰能力，隔离输出级带来的干扰和不安全性，常常使用光耦器件作为接口，常用光耦器件的内部结构如图2-9所示。图2-9 常用光耦内部结构第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 光耦器件的接口实例如图2-10所示。图中的7407是用来增
14、加驱动能力的P1口为低电平时光耦导通，负载得电而工作。图2-10 光耦接口应用实例第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展2.3 单片机内部硬件资源图2-11是MCS-51单片机的内部结构框图，从图中可以看出，单片机内部主要包括： 图2-11 单片机内部结构框图第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展（1）一个8位CPU（含运算器、控制器）。（2）一个片内振荡器及时钟电路。（3）片内存储器（RAM和ROM，AT89C系列是Flash）。（4）特殊功能寄存器（SFR）。（5）4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）。（6）一个全双工可编程串行口。（7）定时器/计数器中断系统。第2章 MCS
15、-51单片机硬件与系统扩展 2.3.1 片内程序存储器 在MCS-51单片机系列中，8031、8032内部没有程序存储器，8051/8751/AT89C51内部有4K的程序存储器，8052/8752/AT89C52内部有8K的程序存储器。程序存储器有不同版本，有些是ROM，如8051/8052等；有些是EPROM，如8751/8752等；有些是Flash，如AT89C51/AT89C52等。程序存储器主要用来存放程序，同时也常常用来存放数据表格（通过DB指令建立数码管字型表等），在具体存放程序和建立数据表格时应该注意，程序存储器的部分空间的使用是有规定的，主要如下。第2章 MCS-51单片机硬
16、件与系统扩展（1）0000H：称为复位入口地址，系统复位后，程序计数器PC的内容为0000H，程序就从0000H开始重新执行。（2）0003H：外部中断0入口地址，当外部中断0发生且被响应后，CPU将停止原来的程序（会自动记录停止时的程序位置，以便“回来”后能“继续工作”），程序直接转入0003H这个入口地址，进而执行中断后需要执行的任务，0003H又称为外部中断0矢量地址。（3）000BH：定时器T0中断入口地址。（4）0013H：外部中断1入口地址。（5）001BH：定时器T1中断入口地址。（6）0023H：串行口中断入口地址。第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展 在上述入口地址区域不能放置用户的程序和建立数据表格，原因是：由于两个中断入口地址间仅有8个单元（如0003H到000BH），用来存放中断发生后的用户程序（一般称中断服务程序）显然是不够的，我们将中断服务程序放在程序存储器的其他“自由”空间，在这些入口地址放一条跳转指令（如：LJMP XXXX，其中“XXXX”就是实际中断服务程序的起始地址或标号），由这条跳转指令去“找到”实际的中断服务程序。第2章 MCS-51单片机
