单片机的结构和原理说明什么_单片机的结构和原理说明

8051是MCS-51系列单片机非常典型的产品。我们用这个有代表性的模型来解释单片机系统的原理。

8051单片机包括中央处理器、数据存储器(RAM)、定时器/计数器、程序存储器(ROM)、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。现在我们将分别解释它们的原理：

数据存储器(RAM):

8051有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，统一寻址。专用寄存器只能用来存储控制指令数据，用户只能访问，不能存储用户数据。因此，用户只能使用128 RAM来存储读写数据、运算的中间结果或用户自定义的字体表。

中央处理器：

中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是一个8位数据宽度处理器，可以处理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的协调工作，完成运算、控制输入输出功能等操作。了解cpu对于理解单片机原理非常重要。

程序存储器(ROM):

8051中有4096个8位掩码rom，用来存储用户程序、原始数据或表格。

全双工串行端口：

8051有一个全双工串行通信端口，用于与其他设备进行串行数据传输。串行端口既可以用作异步通信收发器，也可以用作同步移位器。

中断系统：

8051具有完善的中断功能，包括两个外部中断、两个定时器/计数器中断和一个串行中断，可以满足不同的控制要求，并有两级优先级选择。

时钟电路：

8051内置最高频率为12MHz的时钟电路，用来产生整个单片机的脉冲序列，但8051单片机需要外接振荡电容。

并行输入/输出端口：

8051有四组8位I/O端口(P0，P1、P2或P3)，用于传输外部数据。

定时器/计数器(ROM):

8051有两个16位可编程定时器/计数器来实现定时或计数，以产生控制程序导向的中断。

单片机有两个原理。一种是程序存储器和数据存储器分开，即哈佛结构，另一种是通用计算机广泛使用的程序存储器和数据存储器合二为一，即普林斯顿结构。英特尔的MCS-51系列单片机采用哈佛结构，后续产品16位MCS-96系列单片机采用普林斯顿结构。

下图是MCS-51单片机的原理图。

MCS-51单片机关键引脚描述：

MCS-51系列单片机中的8031、8051和8751均采用40针双列直插结构。右图显示了它们的引脚配置。在40个管脚中，有两个正电源和地线，两个外部应时振荡器的时钟线，四组8位和32个I/O端口，中断端口线与P3端口线复用。现在让我们解释一下这些引脚的功能：

插脚20:接地插脚。

Pin40:正电源引脚，正常工作或向片内EPROM写程序时接5V电源。

Pin19: clock XTAL1引脚，片内振荡电路的输入端。

Pin18: clock XTAL2引脚，片内振荡电路的输出端。

8051有两种时钟模式。一种是片内时钟振荡模式，但需要在18、19脚外接应时晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般为10p-30p。另一种是外部时钟模式，即XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2引脚输入。

输入和输出(I/O)引脚：

Pin39-Pin32是P0.0-P0.7的输入输出引脚，Pin1-Pin1是P1.0-P1.7的输入输出引脚，Pin21-Pin28是P2.0-P2.7的输入输出引脚，Pin10-Pin17是P3.0-P3.7的输入输出引脚，这些输入输出引脚的功能将在下面的内容中描述。

引脚9:复位/VPD复位信号复用引脚。8051上电时，时钟电路开始工作，reset引脚上出现高电平超过24个时钟周期，系统初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出端口均为高电平，堆栈时钟写入07H，其他特殊寄存器清零。RESET从高电平降到低电平后，系统从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不会改变RAM的状态(包括工作寄存器R0-R7)。8051的初始状态如下：

8051可以自动或手动复位，如下图所示。此外，RESET/Vpd也是一个多路复用引脚。在Vcc电源故障期间，此引脚可以连接到备用电源，以确保微控制器内部RAM中的数据不会丢失。

31针：EA/VPP程序存储器的内部和外部选通线，8051和8751单片机，内置4kB程序存储器。当EA处于高电平且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器的指令数据，而当地址超过4kB时，读取外部指令数据。如果EA为低电平，则无论地址大小如何，都将读取外部程序存储器指令。显然，对于没有内部程序存储器的8031来说，EA端必须接地。

编程期间，EA/Vpp引脚需要加上21V的编程电压。

pin 30:ALE/访问外部编程器时，数据锁存器的输出用于锁存地址的低位字节。ALE端在访问内部程序存储器时，会有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，用来识别单片机是否工作，也可以作为时钟输出。更有甚者，在访问外部程序存储器时，ALE会跳过一个脉冲。

如果单片机是EPROM，编程时用来输入编程脉冲。

Pin29:访问外部程序存储器时，此引脚输出一个负脉冲选通信号，PC的16位地址数据会出现在P0和P2端口，外部程序存储器将指令数据放在P0端口，由CPU读取并执行。

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