第2章 单片机的硬件结构与原理
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8031 8051 8751 89C51
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 24 22 21
VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
P0 P1 P2 P3
TXD RXD
INT0 INT1
结构框图
• 并行 口：4个 并行I/O口 个 • 8位的 中央处理器、 位的I/O口 位的 口P0、 CPU：8位。 P1、P2、P3。 、 ： 位， 、 • 内部ROM： 内部 ： 运算和控制 • 串行口：一个全 串行口： 4KB掩膜 掩膜ROM， 掩膜 功能 • 中断控制系统： 中断控制系统 ， 双工串行口。 双工串行口。 ： • 时钟电路：可 、 时钟电路： 外 用于存放程序、 用于存放程序 5个中断源（ 个中断源（ 个中断源 产生时钟脉冲 原始数据和表 部中断2个 共 • 部中断2个，定 内部RAM： 内部 计数器： ： • 序列，允许晶 定时/计数器 定时 计数器： 序列， 格。 RAM单 计数中断2 时/计数中断 计数中断 256个 个 单 两个16位的定 两个 振频率6MHZ和 振频率 位的定 和 个，串行中断 元/计数器，实 ，串行中断1 用户使用 计数器， 时 计数器 12MHZ 个） 个单元， 个单元， 前128个单元 现定时或计数 用于存放可读 功能。 功能。 写数据， 写数据，后 128个单元被 个单元被 专用寄存器占 用。
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
外部引脚及其功能：控制引脚
RST／VPD(9脚) 当振荡器运 ／ 脚 行时， 行时，在此引脚加上两个机器 周期的高电平将使单片机复位 (RST) ； ALE／PROG(30脚) 当单片 ／ 脚 机访问外部存贮器时， 机访问外部存贮器时，ALE 回路转(地址锁存允许 地址锁存允许)输出脉 回路转 地址锁存允许 输出脉 冲的下降沿用于锁存16位地址 冲的下降沿用于锁存 位地址 的低8位 的低 位。即使不访问外部存 贮器， 贮器，ALE端仍有周期性正 端仍有周期性正 脉冲输出， 脉冲输出，其频率为振荡器频 率的1／ ； 率的 ／6；
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40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 24 22 21
VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
制造工艺为HMOS的 的 制造工艺为 系列单片机大都采用 40条引脚的双列直插 条引脚的双列直插 式封装（ 式封装（DIP)
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
外部引脚及其功能：输入输出
4个8位并行 I/O 接口引脚 P0.0～P0.7 、P1.0～1.7 、 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
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
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40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 24 22 21
VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
外部引脚及其功能：输入输出
P2口除了作普通的 口除了作普通的 I/O口，直接和外 口 部设备打交道外; 部设备打交道外 还用作片外总线的 地址总线的高八位 地址线AB8-AB15 地址线
P2口一位结构图 P2口一位结构 口一位结构图
口在作输出入口使用时， ● P2口： P0口在作输出入口使用时，由于它无内部上拉电阻， 口 口在作输出入口使用时 由于它无内部上拉电阻， 为了在口线上输出高电平并具有一定的驱动能力， 为了在口线上输出高电平并具有一定的驱动能力，必须外接上 拉电阻。注意：作输入口使用时， 拉电阻。注意：作输入口使用时，为了防止口锁存器对输入口 线的输入信号造成影响，必须先往口锁存器写1。同理， 口作 线的输入信号造成影响，必须先往口锁存器写 。同理，P2口作 输入时，也必须先往口锁存器写1。 输入时，也必须先往口锁存器写 。
P1口只用作普 口只用作普 通输入输出口
P1口一位结构图 P1口一位结构 口一位结构图
是一个真正的双向口， ● P1口 从单片机的使用角度来看，P1是一个真正的双向口， 口 从单片机的使用角度来看， 是一个真正的双向口 而其他三个端口都是准双向口。注意： 口一样， 而其他三个端口都是准双向口。注意：和P0、P2口一样，为防 、 口一样 止口锁存器对输入口线造成影响，P1口作输入时，也必须先往 止口锁存器对输入口线造成影响， 口作输入时， 口作输入时 口锁存器写1。 口锁存器写 。
外部引脚及其功能：控制引脚
PSEN(29脚)：此输出为访问外部 脚： 程序存贮器的读选通信号； 程序存贮器的读选通信号； EA／Vpp(31脚)：当EA端保持高 ／ 脚： 端保持高 电平时， 电平时，单片机访问的是内部程 序存贮器(对 来说)， 序存贮器 对8051、8751来说 ，但 、 来说 程序计数器)值超过某值 当PC(程序计数器 值超过某值 程序计数器 （如8751内部含有 内部含有4KB EPROM， ， 内部含有 值为0FFFH）时，将自动转向执 值为 ） 行外部程序存贮器内的程序。 行外部程序存贮器内的程序。当 EA端保持低电平时，则不管是否 端保持低电平时， 端保持低电平时 有内部程序存贮器而只访问外部 程序存贮器 。
P0口除了作普通的 口除了作普通的 I/O口，直接和外部 口 设备打交道外;还用 设备打交道外 还用 作片外总线的地址 总线AB0-AB7的低 总线 的低 八位和数据总线。 八位和数据总线。 注：单片机复位后4 单片机复位后 个端口对外均呈现 高电平
P0口一位结构 P0口一位结构图 口一位结构图
外部引脚及其功能：输入输出
外部引脚及其功能：输入输出
P3口除了作普通的 口除了作普通的 I/O口（功能和 口 功能和P1 口一样） 口一样）直接和外 部设备打交道外; 部设备打交道外 还具有第二功能。 还具有第二功能。
P3口一位结构图 P3口一位结构 口一位结构图
P3.0 串行输入口 串行输入口(RXD) P3.2 外中断 外中断0(INT0) P3.5 定时 计数器 的外部输入口 定时/计数器 的外部输入口(T1) 计数器1的外部输入口 P3.4 定时/计数器 的外部输入口(T0) 定时 计数器0的外部输入口 计数器 的外部输入口
MCS-51单片机系统硬件结构 单片机系统硬件结构
微处理器结构 振荡与时钟 时钟周期、 时钟周期、状态周期和机器周期 复位和复位电路 MCS-51单片机的引脚功能 单片机的引脚功能
MCS-51单片机内部结构示意图 单片机内部结构示意图
T0 T1
时钟电路
ROM
RAM
定时计数器
CPU
并行接口 串行接口 中断系统
8031 8051 8751 89C51
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 24 22 21
VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
微处理器结构
由单片机的内部结构可知， 由单片机的内部结构可知，MCS-51单片机主要由以下 单片机主要由以下 几部分组成： 几部分组成： 中央处理器（ 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 定时器 计数器 I/O口 口 串行口 中断系统
MCS-51单片机外部引脚及其功能 单片机外部引脚及其功能
外部引脚及其功能：输入输出
单片机中有４ 并行I/O ● P0口：MCS—51单片机中有４个双向（８位）并行 口 单片机中有 个双向（ 端口（３２线），每线都配备独立的端口锁存器 每线都配备独立的端口锁存器、 端口（３２线），每线都配备独立的端口锁存器、输出驱 动器和输入缓冲器，用于与外界设备之间交换信息。 动器和输入缓冲器，用于与外界设备之间交换信息。
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
MCS-51单片机的硬件结构与原理 单片机的硬件结构与原理
周剑峰
MCS-51单片机的硬件结构 单片机的硬件结构
MCS-51单片机系统硬件结构 单片机系统硬件结构
教学目的要求： 教学目的要求： 1、熟练掌握MCS-51系列单片机基本结构，存储器结 、熟练掌握 系列单片机基本结构， 系列单片机基本结构 的组成及作用； 构，PC、PSW、SP、DPTR的组成及作用； 、 、 、 的组成及作用 2、掌握堆栈的操作，8051的引脚功能，复位和程序 的引脚功能， 、掌握堆栈的操作， 的引脚功能 工作方式，复位电路和时钟电路的组成， 工作方式，复位电路和时钟电路的组成，时钟和时序 的基本概念 重点： 系列单片机基本结构、 重点：MCS-51系列单片机基本结构、存储器结构、 系列单片机基本结构 存储器结构、 PC、PSW、SP、DPTR的组成及作用、堆栈的操作 的组成及作用、 、 、 、 的组成及作用 的引脚功能。 和8051的引脚功能。 的引脚功能 难点： 难点：PSW的定义和含义及应用价值 的定义和含义及应用价值
8031 8051 8751 89C51
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 24 22 21
VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
外部引脚及其功能：电源及时钟
Vcc(40脚)：接+5V电源； Vss(20脚)：接地 ; XTAL1(19脚)：接外部晶体 的一个引脚; XTAL2(18脚)：接外部晶体 的另一端;时钟引脚(18、19 脚)外接晶体时与片内的反相 放大器构成一个振荡器，它 提供单片机的时钟控制信号。 时钟引脚也可外接晶体振荡 器。
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VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
P0 P1 P2 P3
TXD RXD
INT0 INT1
结构框图
• 并行 口：4个 并行I/O口 个 • 8位的 中央处理器、 位的I/O口 位的 口P0、 CPU：8位。 P1、P2、P3。 、 ： 位， 、 • 内部ROM： 内部 ： 运算和控制 • 串行口：一个全 串行口： 4KB掩膜 掩膜ROM， 掩膜 功能 • 中断控制系统： 中断控制系统 ， 双工串行口。 双工串行口。 ： • 时钟电路：可 、 时钟电路： 外 用于存放程序、 用于存放程序 5个中断源（ 个中断源（ 个中断源 产生时钟脉冲 原始数据和表 部中断2个 共 • 部中断2个，定 内部RAM： 内部 计数器： ： • 序列，允许晶 定时/计数器 定时 计数器： 序列， 格。 RAM单 计数中断2 时/计数中断 计数中断 256个 个 单 两个16位的定 两个 振频率6MHZ和 振频率 位的定 和 个，串行中断 元/计数器，实 ，串行中断1 用户使用 计数器， 时 计数器 12MHZ 个） 个单元， 个单元， 前128个单元 现定时或计数 用于存放可读 功能。 功能。 写数据， 写数据，后 128个单元被 个单元被 专用寄存器占 用。
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
外部引脚及其功能：控制引脚
RST／VPD(9脚) 当振荡器运 ／ 脚 行时， 行时，在此引脚加上两个机器 周期的高电平将使单片机复位 (RST) ； ALE／PROG(30脚) 当单片 ／ 脚 机访问外部存贮器时， 机访问外部存贮器时，ALE 回路转(地址锁存允许 地址锁存允许)输出脉 回路转 地址锁存允许 输出脉 冲的下降沿用于锁存16位地址 冲的下降沿用于锁存 位地址 的低8位 的低 位。即使不访问外部存 贮器， 贮器，ALE端仍有周期性正 端仍有周期性正 脉冲输出， 脉冲输出，其频率为振荡器频 率的1／ ； 率的 ／6；
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VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
制造工艺为HMOS的 的 制造工艺为 系列单片机大都采用 40条引脚的双列直插 条引脚的双列直插 式封装（ 式封装（DIP)
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
外部引脚及其功能：输入输出
4个8位并行 I/O 接口引脚 P0.0～P0.7 、P1.0～1.7 、 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
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
8031 8051 8751 89C51
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VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
外部引脚及其功能：输入输出
P2口除了作普通的 口除了作普通的 I/O口，直接和外 口 部设备打交道外; 部设备打交道外 还用作片外总线的 地址总线的高八位 地址线AB8-AB15 地址线
P2口一位结构图 P2口一位结构 口一位结构图
口在作输出入口使用时， ● P2口： P0口在作输出入口使用时，由于它无内部上拉电阻， 口 口在作输出入口使用时 由于它无内部上拉电阻， 为了在口线上输出高电平并具有一定的驱动能力， 为了在口线上输出高电平并具有一定的驱动能力，必须外接上 拉电阻。注意：作输入口使用时， 拉电阻。注意：作输入口使用时，为了防止口锁存器对输入口 线的输入信号造成影响，必须先往口锁存器写1。同理， 口作 线的输入信号造成影响，必须先往口锁存器写 。同理，P2口作 输入时，也必须先往口锁存器写1。 输入时，也必须先往口锁存器写 。
P1口只用作普 口只用作普 通输入输出口
P1口一位结构图 P1口一位结构 口一位结构图
是一个真正的双向口， ● P1口 从单片机的使用角度来看，P1是一个真正的双向口， 口 从单片机的使用角度来看， 是一个真正的双向口 而其他三个端口都是准双向口。注意： 口一样， 而其他三个端口都是准双向口。注意：和P0、P2口一样，为防 、 口一样 止口锁存器对输入口线造成影响，P1口作输入时，也必须先往 止口锁存器对输入口线造成影响， 口作输入时， 口作输入时 口锁存器写1。 口锁存器写 。
外部引脚及其功能：控制引脚
PSEN(29脚)：此输出为访问外部 脚： 程序存贮器的读选通信号； 程序存贮器的读选通信号； EA／Vpp(31脚)：当EA端保持高 ／ 脚： 端保持高 电平时， 电平时，单片机访问的是内部程 序存贮器(对 来说)， 序存贮器 对8051、8751来说 ，但 、 来说 程序计数器)值超过某值 当PC(程序计数器 值超过某值 程序计数器 （如8751内部含有 内部含有4KB EPROM， ， 内部含有 值为0FFFH）时，将自动转向执 值为 ） 行外部程序存贮器内的程序。 行外部程序存贮器内的程序。当 EA端保持低电平时，则不管是否 端保持低电平时， 端保持低电平时 有内部程序存贮器而只访问外部 程序存贮器 。
P0口除了作普通的 口除了作普通的 I/O口，直接和外部 口 设备打交道外;还用 设备打交道外 还用 作片外总线的地址 总线AB0-AB7的低 总线 的低 八位和数据总线。 八位和数据总线。 注：单片机复位后4 单片机复位后 个端口对外均呈现 高电平
P0口一位结构 P0口一位结构图 口一位结构图
外部引脚及其功能：输入输出
外部引脚及其功能：输入输出
P3口除了作普通的 口除了作普通的 I/O口（功能和 口 功能和P1 口一样） 口一样）直接和外 部设备打交道外; 部设备打交道外 还具有第二功能。 还具有第二功能。
P3口一位结构图 P3口一位结构 口一位结构图
P3.0 串行输入口 串行输入口(RXD) P3.2 外中断 外中断0(INT0) P3.5 定时 计数器 的外部输入口 定时/计数器 的外部输入口(T1) 计数器1的外部输入口 P3.4 定时/计数器 的外部输入口(T0) 定时 计数器0的外部输入口 计数器 的外部输入口
MCS-51单片机系统硬件结构 单片机系统硬件结构
微处理器结构 振荡与时钟 时钟周期、 时钟周期、状态周期和机器周期 复位和复位电路 MCS-51单片机的引脚功能 单片机的引脚功能
MCS-51单片机内部结构示意图 单片机内部结构示意图
T0 T1
时钟电路
ROM
RAM
定时计数器
CPU
并行接口 串行接口 中断系统
8031 8051 8751 89C51
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VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
微处理器结构
由单片机的内部结构可知， 由单片机的内部结构可知，MCS-51单片机主要由以下 单片机主要由以下 几部分组成： 几部分组成： 中央处理器（ 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 定时器 计数器 I/O口 口 串行口 中断系统
MCS-51单片机外部引脚及其功能 单片机外部引脚及其功能
外部引脚及其功能：输入输出
单片机中有４ 并行I/O ● P0口：MCS—51单片机中有４个双向（８位）并行 口 单片机中有 个双向（ 端口（３２线），每线都配备独立的端口锁存器 每线都配备独立的端口锁存器、 端口（３２线），每线都配备独立的端口锁存器、输出驱 动器和输入缓冲器，用于与外界设备之间交换信息。 动器和输入缓冲器，用于与外界设备之间交换信息。
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
MCS-51单片机的硬件结构与原理 单片机的硬件结构与原理
周剑峰
MCS-51单片机的硬件结构 单片机的硬件结构
MCS-51单片机系统硬件结构 单片机系统硬件结构
教学目的要求： 教学目的要求： 1、熟练掌握MCS-51系列单片机基本结构，存储器结 、熟练掌握 系列单片机基本结构， 系列单片机基本结构 的组成及作用； 构，PC、PSW、SP、DPTR的组成及作用； 、 、 、 的组成及作用 2、掌握堆栈的操作，8051的引脚功能，复位和程序 的引脚功能， 、掌握堆栈的操作， 的引脚功能 工作方式，复位电路和时钟电路的组成， 工作方式，复位电路和时钟电路的组成，时钟和时序 的基本概念 重点： 系列单片机基本结构、 重点：MCS-51系列单片机基本结构、存储器结构、 系列单片机基本结构 存储器结构、 PC、PSW、SP、DPTR的组成及作用、堆栈的操作 的组成及作用、 、 、 、 的组成及作用 的引脚功能。 和8051的引脚功能。 的引脚功能 难点： 难点：PSW的定义和含义及应用价值 的定义和含义及应用价值
8031 8051 8751 89C51
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 24 22 21
VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
外部引脚及其功能：电源及时钟
Vcc(40脚)：接+5V电源； Vss(20脚)：接地 ; XTAL1(19脚)：接外部晶体 的一个引脚; XTAL2(18脚)：接外部晶体 的另一端;时钟引脚(18、19 脚)外接晶体时与片内的反相 放大器构成一个振荡器，它 提供单片机的时钟控制信号。 时钟引脚也可外接晶体振荡 器。