MCS-51单片机内部结构

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judy 发布于:周四, 05/17/2018 - 14:58 ,关键词:

8051是MCS-51系列单片机的典型产品,其特性与我们实验的STC89C52RC完全相同,这里以8051为例简介一下单片机的基本知识。

8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,现在我们分别加以说明:

中央处理器:

中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是8位数据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码,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。

MCS-51单片机内部结构
图1

数据存储器(RAM):

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的的RAM只有128个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。

程序存储器(ROM):

8051共有4096个8位掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据或表格。

定时/计数器(ROM):

8051有两个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

并行输入输出(I/O)口:

8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3),用于对外部数据的传输。

全双工串行口:

8051内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。

中断系统:

8051具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择。

时钟电路:

8051内置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但8051单片机需外置振荡电容。

单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛(Harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与 数据存储器合二为一的结构,即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机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。

下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图。

MCS-51单片机内部结构
图2

MCS-51的引脚说明:

MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构,右图是它们的引脚配置,40个引脚中,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。现在我们对这些引脚的功能加以说明:

MCS-51单片机内部结构
图3

·Pin20:接地脚。

·Pin40:正电源脚,正常工作或对片内EPROM烧写程序时,接+5V电源。

·Pin19:时钟XTAL1脚,片内振荡电路的输入端。

·Pin18:时钟XTAL2脚,片内振荡电路的输出端。

8051的时钟有两种方式,一种是片内时钟振荡方式,但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式,即将XTAL1接地,外部时钟信号从XTAL2脚输入。

MCS-51单片机内部结构
图4

·输入输出(I/O)引脚:

Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚,Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚,Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚,这些输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述。

·Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚:

当8051通电,时钟电路开始工作,在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。初始化后,程序计数器PC指向 0000H,P0-P3输出口全部为高电平,堆栈指钟写入07H,其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后,系统即从0000H地址 开始执行程序。然而,初始复位不改变RAM(包括工作寄存器R0-R7)的状态,8051的初始态如下表:

8051的复位方式可以是自动复位,也可以是手动复位,见下图。此外,RESET/Vpd还是一复用脚,Vcc掉电其间,此脚可接上备用电源,以保证单片机内部RAM的数据不丢失。

MCS-51单片机内部结构
图5

MCS-51单片机内部结构
图6

·Pin30:ALE/nPROG当访问外部程序器时,ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时,ALE端将有一 个1/6时钟频率的正脉冲信号,这个信号可以用于识别单片机是否工作,也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点,当访问外部程序存储器,ALE会跳过一 个脉冲。

如果单片机是EPROM,在编程其间,将用于输入编程脉冲。

·Pin29: nPESN当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号,PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上,外部程序存储器则把指令数据放到P0口上,由CPU读入并执行。

·Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线,8051和8751单片机,内置有4kB的程序存储器,当EA为高电平并且程序地址小于 4kB时,读取内部程序存储器指令数据,而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平,则不管地址大小,一律读取外部程序存储器指令。显然,对内 部无程序存储器的8031,EA端必须接地。

在编程时,EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。

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