第二章MCS-51单片机的内部结构及工作原理

串行 I/O
中 断 源
8031 80C31 8032 80C32
8051 80C51
(4K字节)
8751 87C51
(4K字节)
2x16
4x8位
1
5
8052 80C52
(8K字节)
8752 87C52
(8K字节)
256 字节
3x16
4x8位
1
6
ATEML 89C系列 (常用型)
1051(1K)/ 2051(2K)/ 4051(4K) （20条 RST
1k
+5V Vcc 10uF RST 10k GND GND
10k
上电复位
上电+按钮复位
简单复位电路
程序运行监视复位
程序运行监视复位通常是由各种类型
的程序监视定时器WDT（Watchdog Timer）俗称为“看门狗”实现。 WDT可保证程序非正常运行（如程序 “飞逸”、“死机”）时，能及时进 入复位状态，恢复程序正常运行。
“看门狗”工作原理：
在规定时间内必须至少“喂狗”一次，即
复位“看门狗”。否则“看门狗”电路将 复位单片机。
实现： 可在软件的合适地方加一条“喂狗”指令，
使看门狗的定时时间永远达不到预置。
WDT通常有几种实现方法供用户选择：
1）单片机内部带有的WDT功能单元
（如：S51）
2 ）选择μP （microprocessor）监视控制
128
2
15
1
5
89C51(4K)/ 89C52(8K) （40条引脚DIP封装）
128/ 256
2/3
32
1
5/6
一、MCS-51内部结构
外部时钟
时钟电路
ROM 4KB
RAM 128
计数器/定时器
8051 CPU 控制逻辑 可编程 I/O口 可编程全 双工串行口
外部中断
并行口
串行通信
图2-1
8051的功能部件图
工作原理、引脚功能、工作方式、时序和最小 应用系统
本章要点：
掌握
MCS-51单片机的内部结构、存储器结构 、
PSW特殊功能寄存器的使用、引脚功能、最小 应用系统的设计；
了解
工作时序及工作方式。
第一节 内部结构和引脚功能
教学内容：
一、MCS-51单片机内部结构 二、CPU
二 、 CPU

主要功能：产生各种控制信号，去控制存储 器、输入／输出端口的数据传送、数据的算 术运算、逻辑运算以及位操作处理等。
（一）运算器
组成：运算器由算术逻运算部件ALU、累加 器Acc、暂存器、程序状态字寄存器PSW、 BCD码运算调整电路等组成 。 对数据完成算术运算，逻辑运算、循环移位、 位处理。
程电源输入端。
低电平有效， 片内无ROM时必须接地； 片内有ROM时可以接高电平 ，也可以接低电平；
接低电平时，只访问片外ROM，接高电平时，访问片内
ROM，超范围时，访问片外ROM
对S51/S52单片机，若不扩展ROM，/EA要接+5V

对片内ROM编程时编程正电源加到此端。 （指并行编程模式）
（3）RST/VPD(9脚)、ALE/PROG (30脚) 、
EA/Vpp (31脚) 、PSEN (29脚)控制信号引脚。
RST/VPD：复位（正脉冲有效）/备用电源引脚
复位使单片机进入某种确定的初始状态
退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一 Vcc掉电期间，此引脚可接备用电源，能保
PSEN（29脚）：
寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控
制端（OE），低电平有效。
D0-D7 P0.0-P0.7 ALE EA 8D G OE 8Q A0-A7
PSEN
P2.0-P2.4 单片机 锁存器 74LS373
OE
A8-A12
CE
EPROM
I/O无固定上拉电阻， 口引脚 有 两 个 MOS 管 串 接 。
P3.7： RD ，片外数据存储器或I/O端口读选通。
小结
1、单片机的引脚
电源引脚：Vcc（40）、 GND（20）
XTAL1（19）、 XTAL2（18） 控制引脚： RST/VPD(9)、ALE/PROG (30) 、
EA/Vpp (31) 、PSEN (29) 输入输出引脚：P0、P1、P2、P3
三、输入／输出端口结构
四、端口负载能力和接口要求
五、MCS-5l引脚及功能
MCS-51系列单片机配置一览表
片内存储器（字节） 系列 无 Intel MCS-51 子系列 Intel MCS-52 子系列
片内ROM
有ROM 有EPROM
片内 RAM 128 字节
定时器 计数器
并行 I/O
AJMP MAIN ;启动看门狗 MAIN: MOV 0A6H, #01EH ; 先送1E MOV0A6H, #0E1H ; 后送E1 ;主程序 START:

.....
ACALL WDT ; 调用复位看门狗子程序 .... AJMP START ; 主程序******** ;复位看门狗子程序 WDT: MOV 0A6H, #01EH ; 先送1E MOV 0A6H, #0E1H ; 后送E1 RET END
2、常用的复位电路、控制引脚的功能
四 MCS-51存储器的结构

MCS-51单片机存储器采用的是哈佛结构， 即程序存储器空间和数据存储器空间是分开的。
4个存储空间： 8051在逻辑结构（用户角度） 有5个存储空间： 特殊功能寄存器 片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器
Tol：电源检测选择端 Tol接地，电源电压跌至4.75V以下产生复位信号 Tol接VCC，电源电压跌至4.5V以下产生复位信号 看门狗定时器定时时间设置
TD 引脚连接至 地（GND） 悬空 定时时间 150ms 600ms
电源（Vcc）
1200ms
注意：保证看门狗定时器计数溢出前复位看 门狗定时器定时时间
2. 程序存储器与数据存储器在使用上的严格区分
程序存储器存放指令及常数表格，其操作指令不
分片内与片外。
数据存储器存放数据，访问片内与片外的指令是
不同的。 3. 位地址共有2个区域。 一个为 20H-2FH 单元中 128 位 , 另一个为 SFR 中被 8 整除的字节地址单元中的位. 4. 片外数据存储区中，RAM存储单元与MCS-51外扩的 I/O口是统一编址的。因此，应用系统中所有外围I/O

注意事项：
1． 89S51的看门狗必须由程序激活后才开始工
作。所以必须保证CPU有可靠的上电复位。否则 看门狗也无法工作。
2． 看门狗使用的是CPU的晶振。在晶振停振的
时候看门狗也无效。
3． 89S51只有14位计数器。在16383个机器周
期内必须至少喂狗一次。而且这个时间是固定的， 无法更改。当晶振为12M时每16个毫秒需喂狗一 次。
注意：准双向口与双向口的差别。准双向口仅有两 个状态。而P0口作为总线使用，口线内无上拉电阻，
处于高阻“悬浮”态。故P0口为双向三态I/O口。
为什么P0口要有高阻“悬浮”态？
准双向I/O口则无高阻的“悬浮”状态。
另外，准双向口作通用I/O的输入口使用时，一定 要向该口先写入“1”。
· P3第二功能：
第二章
MCS-51单片机的内部结构及 工作原理
MCS-51单片机的基本结构及工作原理
§
§ § § §
2-1 MCS－51单片机的内部结构和引脚功能
2-2 MCS－51的存储器结构和配置 2-3 并行I/O口结构及工作原理 2-4 时钟电路与时序电路 2-5 复位电路
主要内容
MCS-51系列单片机的内部结构、存储器结构、
（二）控制器
组成：由程序计数器 PC、指令寄存器、指令 译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。 功能：对来自存储器中的指令进行译码，通 过定时控制电路，在规定的时刻发出各种操作 所需的全部内部和外部控制信号，协调各功能 元件的工作，完成指令所规定的功能。
1．程序计数器PC(Program Counter) 一个16位的专用寄存器，用来存放下一 条指令的地址。它具有自动加1的功能。 特点： ▼它是16位的按机器周期自动加1计数器 ▼总指向下一条指令所在首地址(当前PC值) ▼一切分支/跳转/调用/中断/复位 等操作 的本质就是:改变 PC 值
ALE/PROG（下降沿有效）（30脚）:
地址锁存允许/编程脉冲输入端。
P0口寻址外部低8位地址时接外部锁存器 74ls373的G端； ALE端平时会输出周期正脉冲： f fosc/6 ； 对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入。

（指并行编程模式）
EA/Vpp（31脚）: 寻址外部ROM控制端 / 编
89S51看门狗功能的使用方法
在ATMEL的89S51系列的89S51与89C51功
能相同，指令兼容。 89S51比89C51增加了 一个看门狗功能。
要激活AT89S51/52的看门狗功能，只需依
次向WDTRST寄存器（SFR地址为0A6H ） 单元送入#01EH和#0E1H即可，使看门狗定 时计数器工作。
切程序进程、退出程序的死循环，从头开始。 护片内RAM中的内容不丢失。
无论是HMOS型还是CHMOS型的单片机，
在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在 RST引脚上施加持续2个机器周期的高电平 来实现的。
MCS-51单片机通常采用的简单复位电路有：
上电自动复位、外部脉冲复位、上电+按钮 电平复位、程序运行监视复位等方式。