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第2章 单片机的组成原理

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第2章 MCS-51单片机的硬件结构2.1 MCS-51单片机的基本结构 2.2 单片机的复位电路设计 2.3MCS-51单片机的存储器配置

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2.1.1 MCS-51单片机的基本组成时钟源

T0 T1

时钟电路

SFR和RAM

ROM

定时/计数器

CPU

系

统

总

线

并行端口

串行端口

中断系统

P0 P1 P2 P3

TXD RXD

INT0 INT1

图2-1 MCS-51单片机基本结构示意图

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MCS-51单片机的基本组成

8位CPU,片内振荡器； 4K字节ROM,128字节RAM; 21个特殊功能寄存器； 32根可编程I/O口线； 可寻址各64K的外部程序存储器、外部数据存储器； 2个l6位的定时器/计数器； 中断结构：具有5个中断源，2个优先级； 一个可编程全双工串行口； 有位寻址功能，适于布尔处理的位处理机。

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2.1.2 MCS-51单片机的外部引脚说明40个引脚分为四类：电源、地2条；时钟2条； 控制4条；I/O线32条。

8031 8051 8751

1.I/O口线功能 . 口线功能 4个8位并行 I/O 接口引脚 个 位并行 P0.0~P0.7 、P1.0~P1.7 、P2.0~P2.7和 P3.0~P3.7 ~ ~ ~

为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、 地址总线、控制总线和或I/O 接口外部引脚。

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P0.0--P0.7(39-32):双向I/O口P0. :双向 口 第二功能是在访问外部存储器时，可分时用作低 位地址和 位数据线； 位地址和8位数据线 第二功能是在访问外部存储器时，可分时用作低8位地址和 位数据线； 在对8751编程和校验时，用于数据的输人/输出。 编程和校验时， 在对 编程和校验时 用于数据的输人/输出。 PO口能以吸收电流的方式驱动 个LS型TTL负载 口能以吸收电流的方式驱动8个 型 口能以吸收电流的方式驱动 负载

Pl. 0--Pl. 7(1-8):双向 口Pl。 P1口能驱动(吸收或输出电流 个LS 口能驱动( :双向I/O口 。 口能驱动 吸收或输出电流)4个 负载。 型TTL负载。 负载 在对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。在8052单片机中 编程和程序验证时，它接收低 位地址 位地址。 在对 编程和程序验证时 单片机中 P1. 0还用作定时器 的计数触发输人端 ，P1. 1还用作定时器 的外部 还用作定时器2的计数触发输人端 定时器2的外部 还用作定时器 的计数触发输人端T2, 还 定时器 控制端T2EX。 控制端 。

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P2. 0--P2. 7(21-28):双向I/O口P2。P2口可以驱动(吸收或输出电流) 4个LS型TTL负载。 第二功能是在访问外部存储器时，输出高8位地址。在对EPROM编程和校 验时，它接收高位地址。 P3.0--P3.7(10-17):双向 口P3。P3口能驱动(吸收或输出电流)4 . ):双向 口能驱动( ):双向I/O口 。 口能驱动 吸收或输出电流) 负载。 个LS型TTL负载。 型 负载

P3口的每条引脚都有各自的第二功能。 口的每

条引脚都有各自的第二功能。 口的每条引脚都有各自的第二功能

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2.控制线 . ALE:地址锁存允许信号端 ： PSEN:外部程序存储器读选通信号端 ： EA/VPP:程序存储器选择信号端和编程电 源输入端8031 8051 8751

RST/VPD(9): ) RST是复位信号输人端 是复位信号输人端

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ALE/ PROG (30): ALE是地址锁存允许信号

在访问外部存储器时，用来锁存由 口送出的低 口送出的低8位地址信 在访问外部存储器时，用来锁存由PO口送出的低 位地址信 在不访问外部存储器时， 以振荡频率1/ 的固定速率输 号。在不访问外部存储器时，ALE以振荡频率 /6的固定速率输 以振荡频率 出脉冲信号。因此它可用作对外输出的时钟。但要注意， 出脉冲信号。因此它可用作对外输出的时钟。但要注意，只要外 接有存储器,ALE端输出的就不再是连续的周期脉冲信号。 端输出的就不再是连续的周期脉冲信号。 接有存储器 端输出的就不再是连续的周期脉冲信号 用于对8751片内 片内EPROM编程的脉冲输人端。 编程的脉冲输人端。 第二功能 PROG 用于对 片内 编程的脉冲输人端

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: PSEN (29): 它是外部程序存储器ROM的读选通信号。在执行访问外部 ROM指令时，会自动产生PSEN信号；而在访问外部数据存储 器RAM或访问内部ROM时，不产生PSEN信号。

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EA / VPP (31): :访问外部存储器的控制信号。 当EA高电平时，访问内部程序存储器；但当程序计数器PC的值 超过OFFFH(对8051/80051/8751)或1 FFFH(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，只访问外部程序存储器，不管是否有内部 程序存储器。 第二功能VPP为对8751片内EPROM的21 V编程电源输入。

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RST/VPD(9): RST是复位信号输人端。当此输人 端保持两个机器周期( 24个振荡周期) 单片机的复位操作使单片机进入初 的高电平时，就可以完成复位操作。 始化状态，其中包括使程序计数器 始化状态， PC=0000H,这表明程序从0000H 0000H地 PC=0000H,这表明程序从0000H地 第二功能是VPD ,即备用电源输人 址单元开始执行。 21个特殊功能寄 址单元开始执行。 21个特殊功能寄 端。当主电源发生故障，降低到规 存器复位后的状态为确定值。。 存器复位后的状态为确定值。 定的低电平以下时，vl,1。将为片 内RAM提供备用电源，以保证存储 在RAM中的信息不丢失。

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XTALl(19): 接外部晶体的一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，此脚应接地。 XTAL2(18): 接外部晶体的一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，外部时 钟信号由此引脚接入。 使用单片机内部振荡电路时，用来接外部晶体的两端和微调电容。当单片

机采用 外部时钟信号时，则用来输入时钟脉冲。 Vss(20): 接地端。 Vcc(40): 电源端，接十5V。

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图2-2 8051单片机内部结构

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2.1.3、单片机时钟电路及CPU基本时序 、单片机时钟电路及 基本时序

单片机时钟电路通常有两种形式： 1.内部振荡方式：MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增 益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出 端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构 成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲(如图2-10所示)。 2.外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单 片机内(如图2-11所示)。

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3、单片机时钟电路及CPU基本时序

振荡器输出信号

向CPU提供两相时钟信号 提供两相时钟信号

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一、机器周期、状态、振荡周期

一个机器周期=6个状态=12个振荡周期1、振荡周期：振荡器输出的振荡时钟脉冲信号的周期。单片机以晶 体振荡器的振荡周期(或外部引入的时钟周期)为最小的时序单位，片 内的各种微操作都以此周期为时序基准。 2、时钟周期：又称状态周期、状态时间S,是振荡周期的两倍。分 为P1、P2节拍。 P1节拍通常完成逻辑操作， P2节拍通常完成内部 寄存器间数据传送。

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3、机器周期 若把一条指令执行过程分为几个基本操作，则执行每个基本操 作所需要的时间，称为机器周期。单片机的一个机器周期包括 12个振荡周期，分为6个S状态：S1 -S6。每个状态又分为2拍， 即前面介绍的P1和P2信号；个机器周期中的12个振荡周期可表 示为S1P1,S1P2,S2P1……S6P1,S6P2o4、指令周期 CPU执行一条指令所需要的时间。 CPU执 CPU执行一条指令所需要的时间。是以机器周期为单位的 ，CPU执 执行一条指令所需要的时间 行一条指令通常需要1 行一条指令通常需要1~4个机器周期 。

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MCS-51单片机各种周期的相互关系 单片机各种周期的相互关系

指令周期 机器周期 S1 S2 机器周期

XTAL2 (OSC)

S4 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S5 S6 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P2

振荡周期 时钟周期