第2章 MCS-51单片机芯片的结构及原理

2.1单片机的基本结构2.2MCS-51单片机结构与原理2.3并行输入/输出口电路结构2.4时钟电路与复位电路返回主目录第2章MCS-51单片机芯片的结构和原理2.1单片机的基本结构单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU（CentralProcessingUnit）、随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（Read-onlyMemory）、基本输入/输出(Input/Output)接口电路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机内部结构示意图如图所示。单片机内部结构示意图CPU存储器并行I/O接口定时器/计数器中断系统P0～P3TXDRXDTINT并行I/O接口单片机实质上是一个芯片。在实际应用中，通常很难将单片机直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。图1.3单片机应用系统的组成单片机实质上是一个芯片。在实际应用中，通常很难将单片机直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。2.1.1单片机应用系统及组成单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。单片机应用系统是由硬件和软件组成的，硬件是应用系统的基础，软件则在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可。单片机应用系统的组成如图所示。单片机应用系统的组成单片机接口电路及外设等＋硬件单片机应用系统软件＋由此可见，单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解单片机，并能够将二者有机结合起来，才能形成具有特定功能的应用系统或整机产品。2.1.2MCS-51单片机系列尽管各类单片机很多，但无论是从世界范围或是从全国范围来看，使用最为广泛的应属MCS-51单片机。基于这一事实，本课以应用最为广泛的MCS-51系列8位单片机（8051）为研究对象，介绍单片机的硬件结构、工作原理及应用系统的设计。MCS-51单片机系列共有十几种芯片，如表所示。MCS-51系列单片机分类表子系列片内ROM形式片内ROM容量片内RAM容量寻址范围I/O特性中断源无ROMEPROM计数器并行口串行口51子系列8031805187514KB128B2×64KB2×164×81580C3180C5187C514KB128B2×64KB2×164×81552子系统8032805287528KB256B2×64KB3×164×81680C3280C5287C528KB256B2×64KB3×164×816表中列出了MCS-51单片机系列的芯片型号，以及它们的技术性能指标，使我们对它们的基本情况有了一个概括的了解。下面我们就在这个表的基础上对MCS-51系列单片机作进一步说明。1．51子系列和52子系列MCS-51系列又分为51和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中，51子系列是基本型，而52子系列则属增强型。52子系列功能增强的具体方面，从表所列内容中可以看出：(1)片内ROM从4KB增加到8KB。(2)片内RAM从128B增加到256B。(3)定时/计数器从2个增加到3个。(4)中断源从5个增加到6个。在52子系列的内部ROM中，以掩膜方式集成有8KBBASIC解释程序，这就是通常所说的8052-BASIC。这意味着单片机已可以使用高级语言。该BASIC与基本BASIC相比，增加了一些控制语句，以满足单片机作为控制机的需要。2．片内ROM存储器配置形式MCS-51单片机片内程序存储器有三种配置形式，即掩膜ROM、EPROM和无ROM。这三种配置形式对应三种不同的单片机芯片,它们各有特点，也各有其适用场合，在使用时应根据需要进行选择。一般情况下，片内带掩膜型ROM适用于定型大批量应用产品的生产；片内带EPROM适合于研制产品样机；外接EPROM的方式适用于研制新产品。最近，Intel公司又推出片内带EEPROM型的单片机，可以在线写入程序。2.2MCS-51单片机结构和原理2.2.1MCS-51单片机的内部组成及信号引脚MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。8051内部有4KBROM，8751内部有4KBEPROM，8031内部无ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。因此，以8051为例，说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。1．8051单片机的基本组成8051单片机的基本组成请参见图。下面介绍各部分的基本情况。1)中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，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芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。MCS-51单片机结构框图CPU时钟电路P0P3P2P1TXDRXDINT0INT1并行接口串行接口中断系统定时/计数器RAMROMT0T13)内部程序存储器（内部ROM）8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存储器，简称内部ROM。4)定时/计数器8051共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。5)并行I/O口MCS-51共有4个8位的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口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。7)中断控制系统MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。8)时钟电路MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6MHz和12MHz。从上述内容可以看出，MCS-51虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。2. MCS-51的信号引脚MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请参见图。1)信号引脚介绍P0.0～P0.7：P0口8位双向口线。P1.0～P1.7：P1口8位双向口线。P2.0～P2.7：P2口8位双向口线。P3.0～P3.7：P3口8位双向口线。MCS-51引脚图P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/VPD9RXDP3.010TXDP3.111INT0P3.212INT1P3.313T0P3.414T1P3.515WRP3.616RDP3.717XTAL218XTAL119VSS20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40803180518751ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。PSENPSENEARST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。VSS：地线。VCC：+5V电源。2)信号引脚的第二功能由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的。例如，MCS-51系列把芯片引脚数目限定为40条，但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此就出现了需要与可能的矛盾。如何解决这个矛盾？“兼职”是惟一可行的办法，即给一些信号引脚赋以双重功能。如果把前述的信号定义为引脚第一功能的话，则根据需要再定义的信号就是它的第二功能。下面介绍一些信号引脚的第二功能。(1)P3口线的第二功能。P3的8条口线都定义有第二功能。(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（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚以第二功能的形式提供的，即：编程脉冲：30脚（ALE/）编程电压（25V）：31脚（/VPP）PROGEAP3口各引脚与第二功能表WRRD引脚第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2外部中断0申请P3.3外部中断1申请P3.4T0定时/计数器0的外部输入P3.5T1定时/计数器1的外部输入P3.6外部RAM写选通P3.7外部RAM读选通0INT1INTWRRD(3)备用电源引入。MCS-51单片机的备用电源也是以第二功能的方式由9脚（RST/VPD）引入的。当电源发生故障，电以保护内部RAM中的信息不丢失。以上把MCS-51单片机的全部信号引脚分别以第一功能和第二功能的形式列出。对于各种型号的芯片，其引脚的第一功能信号是相同的，所不同的只在引脚的第二功能信号。对于9、30和31三个引脚，由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号，因此不会发生使用上的矛盾。但是P3口的情况却有所不同，它的第二功能信号都是单片机的重要控制信号。因此，在实际使用时，都是先按需要选用第二功能信号，剩下的才以第一功能的身份作数据位的输入/输出使用。2.2.2MCS-51内部数据存储器MCS-51单片机的芯片内部有RAM和ROM两类存储器，即所谓的内部RAM和内部ROM，首先分析内部RAM。1.内部数据存储器低128单元8051的内部RAM共有256个单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H～7FH）和高128单元（单元地址80H～FFH）。图所示为低128单元的配置图。30H~7FH数据缓冲区20H~2FH位寻址区（00H~7FH）18H~1FH工作寄存器3区（R7~R0）10H~17H工作寄存器2区（R7~R0）08H~0FH工作寄存器1区（R7~R0）00H~07H工作寄存器0区（R7~R0）片内RAM的配置低128单元是单片机的真正RAM存储器，按其用途划分为存器区、位寻址区和用户RAM区三个区域。1)寄存器区8051共有4组寄存器，每组8个寄存单元（各为8），各组都以R0～R7作寄存单元编号。寄存器常用于存放操作数中间结果等。由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称之为通用寄存器，有时也叫工作寄存器。4组通用寄存器占据内部RAM的00H～1FH单元地址。在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定。通用寄存器为CPU提供了