2.1 总体概述


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本章介绍MCS-51单片机的硬件结构与工作原理。熟悉并理解硬件结构对于应用设计者是十分重要的，因为它是单片机应用系统设计的基础。通过本章的学习，可以使读者对MCS-51单片机的硬件功能、系统结构、存储器结构、I/O端口、复位电路、CPU时序、CPU引脚功能及单片机的工作方式有较为全面的了解。

MCS-51系列单片机是Intel公司生产的一系列单片机的总称，是非常成功的产品。这一系列单片机包括了很多品种，如8031、8051、8751、8032、8052、8752等，其中8051是最早、最典型的产品，该系列的其他单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机。而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。MCS-51具有性能价格比高、稳定、可靠、高效等特点。自从Intel公司将MCS-51的核心技术授权给很多其他公司以来，不断有其他公司生产各种与MCS-51兼容或者具有MCS-51内核的单片机，如AT89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。

2.1 总体概述

MCS-51系列单片机是Intel公司在1980年推出的一档8位单片机，在MCS-51系列中有两个子系列，即51子系列和52子系列，每个子系列内又可分为片内无程序存储器和片内含程序存储器两类，它们除了在程序存储器上不同之外，其结构和功能基本相同。下面主要以片内有程序存储器的8051单片机为研究对象，来介绍其主要特性和内部结构。

2.1.1 主要特性

在MCS-51子系列中，主要有8031、8051、8751这3种同档次机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内程序存储器（ROM）大小有所不同。图2-1所示为MCS-51子系列单片机的基本结构框图。

MCS-51子系列系统的主要特性如下：

（1）有1个由运算器和控制器组成的8位微处理器（CPU）。

（2）有128B的片内数据存储器（RAM），可用来存放运算的中间结果和最终结果。

（3）有4KB的片内程序存储器（ROM），可用来存放程序及一些原始数据和表格。

（4）扩展片外数据存储器的寻址范围可达到64KB。

（5）扩展片外程序存储器的寻址范围可达到64KB。

（6）有21个专用寄存器，主要用来实现对内部功能部件的控制和数据运算。

（7）有4个8位并行I/O接口P0、P1、P2、P3，既可用作输入，也可用作输出。

图2-1 MCS-51单片机的基本结构示意图

（8）有1个全双工UART（通用异步接收发送器）串行I/O接口，可用于单片机之间或单片机与微机之间的串行通信。

（9）有2个16位定时器/计数器，可用于根据确定的时间间隔或对外部事件计数的多少发出控制信号。

（10）中断系统有5个中断源，可编程为两个优先级。

（11）共有111条指令，含有乘法指令和除法指令。

（12）有很强的位寻址、位处理能力。

（13）片内采用单总线结构。

（14）片内带振荡器，振荡频率的范围为1.2 MHz～12MHz，可有输出。

（15）用单+5V电源。

52子系列是51子系列的增强型，主要有8032、8052和8752这3种机型，它与51子系列的不同在于：片内数据存储器增至256B；片内程序存储器增至8KB（8032无片内程序存储器）；有3个16位定时器/计数器；有6个中断源。其他性能均与51子系列相同。

2.1.2 内部结构

MCS-51片内总体结构的详细框图如图2-2所示。MCS-51片内主要包括以下部件。

· 1个8位的微处理器CPU。

· 可选择的4KB/8KB的程序存储器（ROM/EPROM）。

· 128B/256B的数据存储器（RAM）。

· 32条I/O口线（4个8位口P0、P1、P2、P3）。

· 2个或3个定时器/计数器。

· 1个具有5个中断源、两个优先级的中断嵌套结构。

· 1个全双工的串行通信端口。

· 特殊功能寄存器以及一个振荡器和时钟电路。

各部分通过芯片内部总线相连接。

图2-2 MCS-51片内总体结构框图

2.1.3 引脚图和逻辑符号图

MSC-51单片机有多种封装形式，其中以双列直插式塑料封装（DIP）为主。下面以8051的DIP封装为对象介绍其引脚，如图2-3所示。

8051共有40个引脚，图中P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7、P3.0～P3.7为4个8位并行输入输出端口，其中P3口、P0口和P2口为双功能口，可以作为普通输入输出口（第一功能），也可以作为特殊输入输出口。

PLCC封装为引脚2和3的第二功能仅用于8052/8032。

MCS-51有40条引脚，共分为端口线、电源线和控制线3类。

图2-3 MCS-51单片机引脚定义及逻辑符号图

1．端口线（4×8=32条）

MCS-51共有4个并行I/O端口，每个端口都有8条端口线，用于传送数据/地址或其他信息。由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上的差别很大。现对它们综述如下。

（1）P0.0～P0.7。

这组引脚共有8条，为P0口专用，其中P0.7为最高位，P0.0为最低位。这8条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同情况下。第一种情况是MCS-51不带片外存储器的型号，P0口作为通用I/O口使用，P0.7～P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。这时输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。第二种情况是带片外程序存储器的，P0.7～P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读或写数据。

8751的P0口还有第三种功能，即它们可以用来给8751片内EPROM编程或进行编程后的读出校验。这时，P0.7～P0.0用于传送EPROM的编程机器码或读出校验码。

（2）P1.0～P1.7。

这8条引脚和P0口的8条引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位。当P1口作为通用I/O使用时，P1.0～P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入/输出数据。

8751的P1口还有第二功能，即它在8751编程/校验时用于输入片内EPROM的高8位（实际是高4位）地址。

（3）P2.0～P2.7。

这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O口使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0口那样还可以传送存储器的读/写数据。

8751的P2.0～P2.7还有第三种功能，即它可以配合P1.0～P1.7传送片内EPROM12位地址中的低8位地址。

（4）P3.0～P3.7。

这组引脚的第一功能和上述3个端口的第一功能相同。第二功能作控制用，每个引脚并不完全相同。

2．电源线（2条）

V_CC为+5 V电源线，V_SS为地线。

3．控制线（6条）

（1）ALE/。

地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二种功能使用。在访问片外存储器时，MCS-51 CPU在P0.7～P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/线上输出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7～P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读/写数据。在不访问片外存储器时，MCS-51自动在ALE/输出频率为的脉冲序列。该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。