1.2 MCS-51 系列单片机的内部结构

1.2.1 微处理器结构 1.2.2 振荡与时钟 1.2.3 时钟周期、状态周期和机器周期 1.2.4 复位和复位电路 1.2.5 MCS-51 单片机的引脚功能

MCS-51 单片机内部结构示意图

时钟电路

CPU

ROM RAM

T0 T1

中断系统串行接口并行接口

P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1

定时计数器

结构框图

• 中央处理器CPU ： 8 位，运算和控制功能

• 内部 RAM ：共256 个 RAM 单元，用户使用前 128 个单元，用于存放可读写数据，后 128 个单元被专用寄存器占用。

• 内部 ROM ： 4KB 掩膜 ROM ，用于存放程序、原始数据和表格。• 定时 / 计数器：两个 16 位的定时 / 计数器，实现定时或计数功能。

• 并行 I/O 口： 4个 8 位的 I/O 口P0 、 P1 、 P2 、P3 。

• 串行口：一个全双工串行口。• 中断控制系统：5 个中断源（外部中断 2 个，定时 / 计数中断2 个，串行中断 1 个）

• 时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率 6MHZ和 12MHZ

由单片机的内部结构可知， MCS-51 单片机主要由以下几部分组成：

中央处理器（CPU） 振荡电路 内部总线 程序存储器和数据存储器 定时器 / 计数器 I/O 口 串行口 中断系统

1.2.1 微处理器结构

运算器 包括算术逻辑运算部件 ALU 单元、暂存器 1 、暂存器 2 、累加器 AC

C 、寄存器 B 和 BCD 码调整电路。 主要功能：算术运算、加 1 和减 1 运算、十进制调整、逻辑操作、数据

传送。 布尔处理器 它以 PSW 中的进位标志位 C 为其累加器，专门用于处理位操作，有

相应的位寻址 RAM 和 I/O 空间。 控制器 包括程序计数器 PC 、数据指针 DPTR 、堆栈指针 SP 、程序状态字、

指令寄存器 IR 、指令译码器 ID 、振荡器、定时电路和复位电路等。 主要功能：控制各部分的协调工作；协调单片机和外围芯片的工作。

中央处理器（ CPU ）

单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。 MCS-51 单片机内部具有一个时钟振荡电路，只需要外接振荡器，即可为各部分提供时钟信号。

典型的时钟电路 在电路中，电容通常取 30pF ，晶振的取值通常为： 1

MHZ-33MHZ （不同型号的单片机的上限频率可能有差别）。

C1

30pF

C2

30pF

XTAL1

XTAL2

MCS-51

GND

振荡电路

单片机型号 最高时钟频率

8031 12MHz

8051 12MHz

8751 12MHz

AT89C2051 24MHz

AT89C51 33MHz

AT89C52 33MHz

AT89S53 24MHz

常用单片机的最高时钟频率

时钟周期、状态周期和机器周期 时钟周期

单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外部直接输入的送到内部控制逻辑单元的时间信号的周期。其大小是时钟信号频率（ fosc ）的倒数。

例如：时钟信号频率 fosc 为 6MHz ，则时钟周期为 1/6us 。 状态周期

由 2 个时钟周期组成（ 1 个状态周期 =2 个时钟周期） 机器周期 由 12 个时钟周期或 6 个状态周期组成（ 1 个机器周期 =12 个时钟周期）。 例如：有一个单片机系统，它的 fosc=12MHz ，则时钟周期为 1/12us ，状

态周期为 1/6us ，机器周期为 1us 。

P1 P2S1

P1 P2S2

P1 P2S3

P1 P2S4

P1 P2S5

P1 P2S6

机器周期

状态周期

时钟周期

1 个机器周期 =6 个状态周期 =12 个时钟周期

单片机各种周期的关系图

单片机在重新启动时都需要复位， MCS-51 系列单片机有一个复位引脚输入端 RST 。

MCS-51 系列的单片机复位方法为：在 RST 上加一个维持两个机器周期以上的高电平，则单片机被复位。

复位时单片机各部分将处于一个固定的状态。 常用的 MCS-51 单片机复位电路 上电自动复位电路 手动复位电路 “ 看门狗”复位电路

1.2.4 复位和复位电路

寄存器 初始状态值 寄存器 初始状态值

PC 0000H TMOD 00H

ACC 00H TCON 00H

B 00H TH0 00H

PSW 00H TL0 00H

SP 07H TH1 00H

DPTR 0000H TL1 00H

P1、 P2P3、 P4

0FFH SCON 00H

IP XXX00000B PCON 0XX00000B

IE 0XX00000B SBUF 不定

复位后单片机各单元的初始状态

阻容上电自动复位电路单片机复位条件单片机复位条件 : : 必须使必须使 RSTRST 引脚持续引脚持续 10 ms10 ms 以上以上高电平高电平 (( 外部时钟外部时钟 112MHz)2MHz)

+C1

22uF

R1

1K

GND

+5V

Vcc

RST/VPD

Vss

MCS-51

Va

这种电路利用电容上电压不能突变而是按指数规律上升或下降的特性 ,产生所需的复位脉冲

优点：使用最为普遍且成本低廉的复位电路 缺点：在电源出现瞬时跌落的情况下，将无法获得参数符合要求的复位脉冲或根本无法产生复位脉冲。

手动复位电路

+C1

22uF

R1

1K

GND

+5V

Vcc

RST/VPD

Vss

MCS-51

R2

200

在系统运行过程中，有时可能需要对系统进行复位，以避免对硬件经常加电或断电而造成的伤害，我们可以采用手动复位的方式。具体的电路如图所示。

按键复位是通过按压键使复位端经电阻与 VCC接通得到短时的高电平。

“ 看门狗”复位电路

RST

MCS-51

R2

R1

﹠

MAX813L

PFI

MR

RESET

WDO

WDI

未稳压电源P1.0

MAX810 系列复位芯片 复位信号由 MAXIM 公司生产的仅有三个脚的复位芯片 MAX810L 提

供，该复位芯片复位电压门限的典型值为 4.63V 。 正确选择复位门限

MCS-51 单片机采用 40 脚双列直插式封装形式，主要包括以下几个部分：

电源引脚 Vcc 和 Vss Vcc(40 脚 ) ：电源端，为十 5V ； Vss(20 脚 ) ：接地端 。 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 为内部振荡电路反相放大器的输入端 。 XTAL2 为内部振荡电路反相放大器的输出端 。 控制信号引脚 RST 、 ALE 、 PSEN 和 EA I ／ O( 输入／输出 ) 端口 P0 、 P1 、 P2 和 P3 MCS-51 单片机 P3 口的第二功能

1.2.5 MCS-51 单片机的引脚功能

22 、、 MCS-51MCS-51 单片机信号引脚简介单片机信号引脚简介

P3P3 口线的第二功能口线的第二功能

VCC

VSS

XTAL2XTAL1

RST

P0. 0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7

P1. 0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0

ALEP3. 0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

22 、振荡电路：、振荡电路： XTAL1XTAL1 、、 XTAL2XTAL2

33 、复位引脚：、复位引脚： RSTRST

44 、并行口：、并行口： P0P0 、、 P1P1 、、 P2P2 、、 P3P3

77 、、 ALEALE ：地址锁存控制信号：地址锁存控制信号

11 、电源线：、电源线： VCC(+5V)VCC(+5V) 、、 VSS(VSS( 地地 ))

EA

PSEN55 、、 EAEA ：访问程序存储控制信号：访问程序存储控制信号

66 、、 PSENPSEN ：外部：外部 ROMROM 读选通信号读选通信号

RXD/TXD/INT0/ INT1/

T0/ T1/

WR/ RD/

123456789

1011121314151617181920

4039383736353433323130292827262524242221

8031

8051

8751

89C51

MCS-51 的 PLCC 封装类型引脚图

控制信号引脚 RST 、 ALE 、 PSEN 和EA RST ／ Vp(9 脚 ) ： RST 是复位信号输入端，高电平有效。当此输

入端保持两个机器周期 (24 个时钟振荡周期 ) 的高电平时，就可以完成复位操作。 RST 引脚的第二功能是 Vp ，即备用电源。

ALE ／ PROG(30 脚 ) ：地址锁存允许信号端。当 8051 上电正常工作后， ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fosc 的 l ／ 6 。此引脚的第二功能 PROG 是对片内带有可编程的ROM 的单片机编程写入 ( 固化程序 ) 时，作为编程脉冲的输入端。

PSEN(29 脚 ) ：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。 CPU 在从外部 ROM 取指期间， PSEN 信号在每个机器周期 (12 个时钟周期 ) 中两次有效。

EA ／ VPP （ 3l 脚 ) ：外部程序存储器地址允许输入端 / 固化编程电压输入端。当 EA 引脚接高电平时， CPU 先访问片内程序存储器并执行内部程序存储器中的指令，然后再访问外部 ROM 的内容。输入信号 EA 引脚接低电平 ( 接地 ) 时， CPU 只访问外部外部 ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。

MCS-51 单片机 P3 口的第二功能

RD( 片外数据存储器读选通控制输出 ) P3.7

!WR( 片外数据存储器写选通控制输出 ) P3.6

T1( 定时器 1 的外部输入 ) P3.5

T0( 定时器 0 的外部输入 ) P3.4

INT1( 外部中断 1 输入 ) P3.3

INT0( 外部中断 0 输入 ) P3.2

TXD( 串行口输出 ) P3.1

RXD( 串行口输入 ) P3.0

第二功能 引脚