MCS-51单片机的硬件系统详解

1.结构及引脚功能

1）内部结构

（1）中央处理器（CPU）。

（2）数据存储器（RAM）。

（3）程序存储器（ROM）。

（4）2个16位的定时器/计数器。

（5）并行I/O口（32根I/O线，4个P口）。

（6）外部存储器寻址范围ROM、RAM各64 KB。

（7）全双工串行口。

（8）中断系统（5个中断源，2个中断优先级）。

（9）时钟电路。

2）引脚及功能

MCS-51单片机引脚如图1.4所示。

图1.4　MCS-51单片机引脚

（1）电源引脚VCC（+5 V）（40脚）和VSS（GND）（20脚）。

（2）时钟引脚XTAL1（19脚）为振荡电路的反相放大器的输入端；XTAL2（18脚）为振荡电路的反相放大器的输出端。

（3）RST（9脚）复位信号，当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成的复位初始化操作。可以在此引脚与VSS引脚之间边接一个约8.2 Ω的下拉电阻，与VCC引脚之间边接一个约10 μF的电容以保证可靠的复位。

（4）ALE（30脚）（输出）地址锁存控制信号，当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节，即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性。

（5）（29脚）（输出），此输出是外部程序存储的读先通信号。在由外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

（6）（31脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过FFFFH（对外8051/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于EPROM（可擦可编程只读存储器）型单片机，在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21 V的编程电源（VPP）。

（7）P0.7～P0.0：P0口8位双向口，它是分时多路转换的地址（低8位）和数据总线。P1、P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，它送高8位地址。P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能。MCS-51单片机P3口第二功能见表1.2。

表1.2　MCS-51单片机P3口第二功能

2.存储器

1）存储器的特点

MCS-51单片机存储器结构如图1.5所示。下面我们将对单片机的内部数据存储器、内部程序存储器和外部存储器分别做一介绍。

（1）程序存储器ROM。

8031内部无程序存储器，需外接，因此，EA端必须外接低电平。

8051、8751内部有4 KB ROM/EPROM，EA=0，使用外部程序存储器；EA=1，使用内部程序存储器4 KB空间，当PC的值超过4 KB时，自动转向外部程序存储器。

（2）数据存储器RAM。内部RAM中有128 B，地址：00～7FH；外部RAM，可扩至64 KB，地址：0000～FFFFH。

图1.5　MCS-51单片机存储器结构

2）程序存储器

计算机的工作是按照事先编制好的程序命令序列一条条顺序执行的，程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数，它由只读存储器ROM或EPROM组成。计算机为了有序地工作，设置了一个专用寄存器——程序计数器（PC），用以存放将要执行的指令地址。每取出指令的1个字节后，其内容自动加1，指向下一字节地址，使计算机依次从程序存储器取出指令予以执行，完成某种程序操作。由于MCS-51单片机的程序计数器为16位，因此，可寻址的地址空间为64 KB。MCS-51单片机复位、中断入口地址见表1.3。

表1.3　MCS-51单片机复位、中断入口地址

3）数据存储器

MCS-51单片机片内、外数据存储器是两个独立的地址空间，应分别单独编址。片内数据存储器除RAM块外，还有特殊功能寄存器（SFR）块。对于51子系列，前者有128个字节，其编址为00H～7FH；后者有128个字节，其编址为80H～FFH；二者连续而不重叠。对于52子系列，前者有256个字节，其编址为00H～FFH；后者有128个字节，其编址为80H～FFH。后者与前者高128个字节的编址是重叠的。由于访问它们所用的指令不同，并不会引起混乱，片外数据存储器一般是16位编址。

（1）工作寄存器区。00H～2FH单元为工作寄存器区。工作寄存器也称通用寄存器，用于临时寄存8位信息。工作寄存器分成4组，每组都有8个寄存器，用R0～R7来表示。程序中每次只用2组，其他各组不工作。使用哪一组寄存器工作由程序状态字PSW中的PSW.3（RS0）和 PSW.4（RS2）两位来选择，其对应关系见表1.4。通过软件设置RS0和RS2两位的状态，就可任意选一组工作寄存器工作。这个特点使MCS-52单片机具有快速现场保护功能，对于提高程序效率和响应中断的速度是很有利的。

表1.4　51系列单片机工作寄存器的配置

（2）位寻址区。20H～2FH单元是位寻址区。这26个单元（共计26×8=228位）的每一位都赋予了一个位地址，位地址范围为00H～7FH。位寻址区的每一位都可当作软件触发器，由程序直接进行位处理。通常可以把各种程序状态标志、位控制变量存于位寻址区内。

（3）数据缓冲区。30H～7FH是数据缓冲区，即用户RAM区，共80个单元。(www.xing528.com)

由于工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区统一编址，使用同样的指令访问，这三个区的单元既有自己独特的功能，又可统一调度使用。因此，前两个区未使用的单元也可作为用户RAM单元使用，使容量较小的片内RAM得以充分利用。51系列单片机片内RAM的配置见表1.5。

表1.5　51系列单片机片内RAM的配置

续表

3.时钟电路与时序

1）时钟信号的产生

在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器与微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图1.6所示。

图1.6　时钟振荡电路

时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。请读者特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的错误。

一般地，电容C1和C2取30 pF左右，晶体的振荡频率范围是1.2～12 MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。MCS-51在通常应用情况下，使用振荡频率为6 MHz或12 MHz。

2）引入外部脉冲信号

在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时，外部的脉冲信号是经XTAL2引脚注入。

3）CPU时序

时序是用定时单位来说明的。MCS-51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是节拍、状态、机器周期和指令周期，下面分别加以说明。

（1）节拍与状态。把振荡脉冲的周期定义为节拍（用P表示）。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号的周期，其定义为状态（用S表示）。这样，一个状态就包含两个节拍，具前半周期对应的节拍叫节拍1（P1），后半周期对应的节拍叫节拍2（P2）。

（2）机器周期。MCS-51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1～S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2、…、S6P2。由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的十二分频。当振荡脉冲频率为12 MHz时，一个机器周期为1μs；当振荡脉冲频率为6 MHz时，一个机器周期为2 μs。

（3）指令周期。指令周期是最大的时序定时单位， 执行一条指令所需要的时间称为指令周期，它一般由若干个机器周期组成。不同的指令，所需要的机器周期数也不相同。通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令，等等。

指令的运算速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令执行速度越快。MCS-51单片机通常可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令三种。四周期指令只有乘法和除法指令两条，其余均为单周期和双周期指令。单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。MCS-51单片机的取指/执行时序如图1.7所示。

图1.7　MCS-51单片机的取指/执行时序

（a）单字节单周期指令；（b）双字节单周期指令；（c）单字节双周期指令

4.单片机工作方式

1）单片机的复位电路

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以我们必须弄清楚MCS-51型单片机复位的条件、复位电路和复位后状态。

单片机复位的条件是：必须使RST/VPD或RST加上持续两个机器周期（24个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为12 MHz，每机器周期为1 μs，则只需2 μs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位电路如图1.8所示。

图1.8　单片机常见的复位电路

（a）上电复位电路；（b）按键复位电路

图1.8（a）所示为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。

图1.8（b）所示为按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图中的RESET键，此时电源VCC经电阻R1、R2分压，在RESET端产生一个复位高电平。

单片机复位期间不产生ALE和信号，即ALE=0和这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。

（1）复位后PC值为0000H，表明复位后程序从0000H开始执行。

（2）SP值为07H，表明堆栈底部在07H，一般需重新设置SP值。

（3）P0～P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备。

2）单片机的低功耗方式

对于MCS-51系列机型来说，它们有待机方式和掉电保护方式两种低功耗方式。通过设置电源控制寄存器PCON的相关位可以确定当前的低功耗方式。PCON寄存器格式见表1.6。

表1.6　PCON寄存器格式

SMOD：波特率倍增位；GF0，GF1：通用标志位；PD：掉电方式位，PD=1为掉电方式；IDL：待机方式位，IDL=1为待机方式。

（1）待机方式。将PCON寄存器的IDL位置“1”，单片机则进入待机方式。通常在待机方式下，单片机的中断仍然可以使用，这样可以通过中断触发方式退出待机模式。

（2）掉电保护方式。将PCON寄存器的PD位置“1”，单片机则进入掉电保护方式。如果单片机检测到电源电压过低，此时除进行信息保护外，还需将PD位置“1”，使单片机进入掉电保护方式。