chapter2MCS-51单片机的硬件结构及工作原理
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4. 多功能I/O口P0～P3 (1) P0端口(P0.0~P0.7) 第39～32脚，双向信号，多功能端口。 8位漏极开路的双向I/O端口； 在扩展外部总线时，分时作为低8位地址总线和8位双向数 据总线。 P0端口可驱动8个LS TTL负载。 (2) P1端口(P1.0~P1.7) 第1～8脚，双向信号。 具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。 可驱动4个LS TTL负载。
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P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 NC VCC P0.0(AD0) P0.1(AD1) P0.2(AD2) P0.3(AD3)
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DIP封装
PQFP/TQFP封装
各种封装的具体尺寸、引脚间距等详细信息可参阅芯片的 数据手册(Datasheet)。
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(WR)P3.6 (RD)P3.7 XTAL2 XTAL1 GND NC (A8)P2.0 (A9)P2.1 (A10)P2.2 (A11)P2.3 (A12)P2.4
P0.4(AD4) P0.5(AD5) P0.6(AD6) P0.7(AD7) EA/VPP NC ALE/PROG PSEN P2.7(A15) P2.6(A14) P2.5(A13)
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PLCC封装
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2.2.2 单片机的引脚功能说明
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所有引脚号均以DIP40封装为例。
1. 电源引脚VCC(40脚)和GND(20脚) VCC：供电，目前有多种供电电压以及一些宽电压范围的 单片机（2.7~6V）。最常用的供电电压为+5V GND：地
特别注意：单片机的供电和电源去耦情况对系统能否正常工作至 关重要!系统供电必须稳定，不能有过大的纹波及干扰信号串入。 解决方法：在单片机的VCC和GND之间尽量靠近VCC引脚的地 方并入2个电容：大电容起续流作用，防止电路电流的变化引起 电源电压的较大波动；小电容起滤波作用，滤除串入电路的高频 信号。
1.CPU
CPU由运算器和控制器组成。 (1) 运算器 用于实现算术和逻辑运算，包括： ALU（算术和逻辑单元） ACC（累加器） PSW（程序状态字） 寄存器B 暂存器1 暂存器2
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(2) 控制器 用于控制单片机程序运行和协调各部件正常工作的“指挥 中心”，包括: PC（程序计数器） PC+1计数器 指令寄存器 指令译码器 时序及控制电路
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P3端口的第二功能
端口引脚 P3.0 P3.1 第二功能 RxD，串行通信数据接收端口 TxD，串行通信数据发送端口
P3.2
P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7
INT0，外部中断0请求信号，低电平有效或下降沿有效
INT1，外部中断1请求信号，低电平有效或下降沿有效 T0，定时器/计数器0外部计数信号输入端口 T1，定时器/计数器1外部计数信号输入端口 WR，外部数据存储器(RAM)写选通信号，低有效 RD，外部数据存储器(RAM)读选通信号，低有效
XTAL1
(b) 外接时钟信号的振荡电路
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3. 控制信号引脚 (1) RST/VPD 第9脚，输入信号。RST为复位信号输入端。单片机正常 工作时RST引脚应保持低电平。 在RST引脚上输入两个机器周期(24个时钟周期)以上的高 电平时，单片机将进入并保持复位状态，直到RST信号重 回低电平。VPD为内部RAM的备用电源输入端。如果主电 源VCC发生断电或电压降到一定值时，可通过VPD为单片 机内部RAM提供电源，以保证片内RAM中的信息不丢失。 (2) ALE/PROG 第30脚，输出信号； ALE为地址锁存允许信号。在访问外部存储器时，ALE用 来锁存P0端口输出的低8位地址信号。在不访问外部存储 器时，ALE也以时钟振荡频率的1/6的固定速率输出，可 作为时钟输出；可驱动8个LS TTL负载。 PROG是对8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。
2.7 单片机外部总线扩展 2.8 单片机定时器/计数器的结构及功能 2.9 串行通信
2.10 中断系统
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2.1 单片机的内部结构
16位
8位
4个8位并行I/O口
可编程全双工串行口
可寻址外部 RAM和ROM
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8051单片机结构框图
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2. 外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1(第19脚)：单片机内部晶体振荡电路的反相 器的输入端； XTAL2(第18脚)：单片机内部晶体振荡电路的反相 器的输出端；
VCC
C1 XTAL2
外部 时钟
XTAL2
XTAL1 C2
(a) 外接晶振的振荡电路
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2.3 单片机的微处理器
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2.2 单片机的封装及引脚功能说明
2.2.1 单片机的封装
单片机主要有DIP、PLCC和TQFP三种封装形式
P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 NC VCC P0.0(AD0) P0.1(AD1) P0.2(AD2) P0.3(AD3)
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST (RxD)P3.0 (TxD)P3.1 (INT0)P3.2 (INT1)P3.3 (T0)P3.4 (T1)P3.5 (WR)P3.6 (RD)P3.7 XTAL2 XTAL1 GND
P0.4(AD4) P0.5(AD5) P0.6(AD6) P0.7(AD7) EA/VPP NC ALE/PROG PSEN P2.7(A15) P2.6(A14) P2.5(A13)
P1.5 P1.6 P1.7 RST (RxD)P3.0 NC (TxD)P3.1 (INT0)P3.2 (INT1)P3.3 (T0)P3.4 (T1)P3.5
除了8位CPU外，MCS-51内部还具备一个很强的位处理器， 它实际上是一个完整的1位字长的计算机； 该位处理器包含完整的1位CPU，位RAM、位寻址寄存器、 I/O端口控制和指令集； 从严格的意义上说，51是由8位CPU和1位CPU构成的双C PU单片机。
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(3) P2端口(P2.0~P2.7) 第21～28脚，双向信号，多功能端口。 具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口； 在扩展外部总线时，用作高8位地址总线。 可驱动4个LS TTL负载。 (4) P3端口(P3.0~P3.7) 第10～17脚，双向信号，多功能端口。 具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口； 该端口的每一位都可以作为其它功能模块的输入/输出及控 制引脚使用，具体定义如下：
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(3) PSEN 第29脚，输出信号。 外部程序存储器(ROM)的读选通信号。当访问外部ROM 时，PSEN产生负脉冲作为外部ROM的选通信号；在访问 外部RAM或片内ROM时，不会产生有效的PSEN信号。 PSEN可驱动8个LS TTL负载。 (4) EA/VPP 第31脚，输入信号。 访问外部程序存储器的控制信号。 EA接地，单片机从外部程序存储器取指令。 EA接高，单片机首先访问内部程序存储器，当访问地址 超过内部程序存储器范围时，自动访问外部程序存储器。 该引脚还用于外部编程器对内部程序存储器编程时输入编 程电压。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21
(WR)P3.6 (RD)P3.7 XTAL2 XTAL1 GND NC (A8)P2.0 (A9)P2.1 (A10)P2.2 (A11)P2.3 (A12)P2.4
5. 定时器/计数器 51单片机内部有2个16位定时器/计数器T0和T1； 52单片机内部增加了一个16位定时器/计数器T2； 6. 串行通信接口 51单片机内部有1个全双工的UART(通用串行收发器)，可 设置为多种工作模式；
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7. 中断控制系统 51单片机内部有5个中断源； 这些中断源可分为2个中断优先级； 8. 时钟电路 51单片机内部振荡电路配合外部晶振或外部输入的时钟信 号，可产生时钟脉冲序列，控制CPU内部逻辑电路运行。 9. 位处理器
第二章 MCS-51单片机的硬 件结构及工作原理
2.1 单片机的内部结构 2.2 单片机的封装及引脚功能说明 2.3 单片机的微处理器 2.4 单片机的复位 2.5 单片机的存储系统 2.6 MCS-51单片机并行I/O端口结构 及其功能
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第二章 MCS-51单片机的硬 件结构及工作原理
高电压写入 紫外线擦除 低电压写入 电擦除
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4. 并行I/O端口 MCS-51单片机有四个8位并行I/O端口P0~P3； 这些端口既可按字节操作也可按位操作； P0口可复用为数据总线和低8位地址总线； P2口可作为地址总线的高8位； P3口为多功能口，可作为串行口、中断输入及计数器的外 部输入/输出。
ALU
PC 增 1 中断、串行口及定时器 PC DPTR
PSW
PSEN ALE EA RST
P1 锁存器 P1 驱动器
P3 锁存器
控制器
OSC XTAL1 XTAL2 P1.0～P1.7 P3.0～P3.7 P3 驱动器
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中原工学院信息商务学院 单片机内部结构框图
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单片机的基本组成
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2. 内部数据存储器 内部128字节的RAM(针对MCS-51单片机)； 内部256字节的RAM(针对MCS-52单片机)；
3. 内部程序存储器 用于存放程序和程序中的常量数据。 早期版本的MCS-51无内部程序存储器； 扩展型MCS-51片内包含容量不等(1K~64K)的程序存储器； 内部程序存储器种类包括ROM、EPROM、Flash等。
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P1.5 P1.6 P1.7 RST (RxD)P3.0 NC (TxD)P3.1 (INT0)P3.2 (INT1)P3.3 (T0)P3.4 (T1)P3.5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23
P0.0～P0.7 P2.0～P2.7
VCC VSS RAM 地址寄存器 RAM 128B
P0 驱动器
P2 驱动器
内部 ROM
4KB ROM
P0 锁存器
P2 锁存器
内部 RAM
B 寄存器
寄存器
程序地址 寄存器 暂存器 1 RAM 暂存器 2 ACC SP 缓冲器
运算器
定 时 控 制 指 令 译 码 器 指 令 寄 存 器
VCC P0.0(AD0) P0.1(AD1) P0.2(AD2) P0.3(AD3) P0.4(AD4) P0.5(AD5) P0.6(AD6) P0.7(AD7) EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7(A15) P2.6(A14) P2.5(A13) P2.4(A12) P2.3(A11) P2.2(A10) P2.1(A9) P2.0(A8)
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4. 多功能I/O口P0～P3 (1) P0端口(P0.0~P0.7) 第39～32脚，双向信号，多功能端口。 8位漏极开路的双向I/O端口； 在扩展外部总线时，分时作为低8位地址总线和8位双向数 据总线。 P0端口可驱动8个LS TTL负载。 (2) P1端口(P1.0~P1.7) 第1～8脚，双向信号。 具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。 可驱动4个LS TTL负载。
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P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 NC VCC P0.0(AD0) P0.1(AD1) P0.2(AD2) P0.3(AD3)
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DIP封装
PQFP/TQFP封装
各种封装的具体尺寸、引脚间距等详细信息可参阅芯片的 数据手册(Datasheet)。
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(WR)P3.6 (RD)P3.7 XTAL2 XTAL1 GND NC (A8)P2.0 (A9)P2.1 (A10)P2.2 (A11)P2.3 (A12)P2.4
P0.4(AD4) P0.5(AD5) P0.6(AD6) P0.7(AD7) EA/VPP NC ALE/PROG PSEN P2.7(A15) P2.6(A14) P2.5(A13)
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2.2.2 单片机的引脚功能说明
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所有引脚号均以DIP40封装为例。
1. 电源引脚VCC(40脚)和GND(20脚) VCC：供电，目前有多种供电电压以及一些宽电压范围的 单片机（2.7~6V）。最常用的供电电压为+5V GND：地
特别注意：单片机的供电和电源去耦情况对系统能否正常工作至 关重要!系统供电必须稳定，不能有过大的纹波及干扰信号串入。 解决方法：在单片机的VCC和GND之间尽量靠近VCC引脚的地 方并入2个电容：大电容起续流作用，防止电路电流的变化引起 电源电压的较大波动；小电容起滤波作用，滤除串入电路的高频 信号。
1.CPU
CPU由运算器和控制器组成。 (1) 运算器 用于实现算术和逻辑运算，包括： ALU（算术和逻辑单元） ACC（累加器） PSW（程序状态字） 寄存器B 暂存器1 暂存器2
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(2) 控制器 用于控制单片机程序运行和协调各部件正常工作的“指挥 中心”，包括: PC（程序计数器） PC+1计数器 指令寄存器 指令译码器 时序及控制电路
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P3端口的第二功能
端口引脚 P3.0 P3.1 第二功能 RxD，串行通信数据接收端口 TxD，串行通信数据发送端口
P3.2
P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7
INT0，外部中断0请求信号，低电平有效或下降沿有效
INT1，外部中断1请求信号，低电平有效或下降沿有效 T0，定时器/计数器0外部计数信号输入端口 T1，定时器/计数器1外部计数信号输入端口 WR，外部数据存储器(RAM)写选通信号，低有效 RD，外部数据存储器(RAM)读选通信号，低有效
XTAL1
(b) 外接时钟信号的振荡电路
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3. 控制信号引脚 (1) RST/VPD 第9脚，输入信号。RST为复位信号输入端。单片机正常 工作时RST引脚应保持低电平。 在RST引脚上输入两个机器周期(24个时钟周期)以上的高 电平时，单片机将进入并保持复位状态，直到RST信号重 回低电平。VPD为内部RAM的备用电源输入端。如果主电 源VCC发生断电或电压降到一定值时，可通过VPD为单片 机内部RAM提供电源，以保证片内RAM中的信息不丢失。 (2) ALE/PROG 第30脚，输出信号； ALE为地址锁存允许信号。在访问外部存储器时，ALE用 来锁存P0端口输出的低8位地址信号。在不访问外部存储 器时，ALE也以时钟振荡频率的1/6的固定速率输出，可 作为时钟输出；可驱动8个LS TTL负载。 PROG是对8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。
2.7 单片机外部总线扩展 2.8 单片机定时器/计数器的结构及功能 2.9 串行通信
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16位
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4个8位并行I/O口
可编程全双工串行口
可寻址外部 RAM和ROM
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2. 外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1(第19脚)：单片机内部晶体振荡电路的反相 器的输入端； XTAL2(第18脚)：单片机内部晶体振荡电路的反相 器的输出端；
VCC
C1 XTAL2
外部 时钟
XTAL2
XTAL1 C2
(a) 外接晶振的振荡电路
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2.3 单片机的微处理器
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2.2 单片机的封装及引脚功能说明
2.2.1 单片机的封装
单片机主要有DIP、PLCC和TQFP三种封装形式
P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 NC VCC P0.0(AD0) P0.1(AD1) P0.2(AD2) P0.3(AD3)
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST (RxD)P3.0 (TxD)P3.1 (INT0)P3.2 (INT1)P3.3 (T0)P3.4 (T1)P3.5 (WR)P3.6 (RD)P3.7 XTAL2 XTAL1 GND
P0.4(AD4) P0.5(AD5) P0.6(AD6) P0.7(AD7) EA/VPP NC ALE/PROG PSEN P2.7(A15) P2.6(A14) P2.5(A13)
P1.5 P1.6 P1.7 RST (RxD)P3.0 NC (TxD)P3.1 (INT0)P3.2 (INT1)P3.3 (T0)P3.4 (T1)P3.5
除了8位CPU外，MCS-51内部还具备一个很强的位处理器， 它实际上是一个完整的1位字长的计算机； 该位处理器包含完整的1位CPU，位RAM、位寻址寄存器、 I/O端口控制和指令集； 从严格的意义上说，51是由8位CPU和1位CPU构成的双C PU单片机。
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(3) P2端口(P2.0~P2.7) 第21～28脚，双向信号，多功能端口。 具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口； 在扩展外部总线时，用作高8位地址总线。 可驱动4个LS TTL负载。 (4) P3端口(P3.0~P3.7) 第10～17脚，双向信号，多功能端口。 具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口； 该端口的每一位都可以作为其它功能模块的输入/输出及控 制引脚使用，具体定义如下：
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(3) PSEN 第29脚，输出信号。 外部程序存储器(ROM)的读选通信号。当访问外部ROM 时，PSEN产生负脉冲作为外部ROM的选通信号；在访问 外部RAM或片内ROM时，不会产生有效的PSEN信号。 PSEN可驱动8个LS TTL负载。 (4) EA/VPP 第31脚，输入信号。 访问外部程序存储器的控制信号。 EA接地，单片机从外部程序存储器取指令。 EA接高，单片机首先访问内部程序存储器，当访问地址 超过内部程序存储器范围时，自动访问外部程序存储器。 该引脚还用于外部编程器对内部程序存储器编程时输入编 程电压。
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(WR)P3.6 (RD)P3.7 XTAL2 XTAL1 GND NC (A8)P2.0 (A9)P2.1 (A10)P2.2 (A11)P2.3 (A12)P2.4
5. 定时器/计数器 51单片机内部有2个16位定时器/计数器T0和T1； 52单片机内部增加了一个16位定时器/计数器T2； 6. 串行通信接口 51单片机内部有1个全双工的UART(通用串行收发器)，可 设置为多种工作模式；
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7. 中断控制系统 51单片机内部有5个中断源； 这些中断源可分为2个中断优先级； 8. 时钟电路 51单片机内部振荡电路配合外部晶振或外部输入的时钟信 号，可产生时钟脉冲序列，控制CPU内部逻辑电路运行。 9. 位处理器
第二章 MCS-51单片机的硬 件结构及工作原理
2.1 单片机的内部结构 2.2 单片机的封装及引脚功能说明 2.3 单片机的微处理器 2.4 单片机的复位 2.5 单片机的存储系统 2.6 MCS-51单片机并行I/O端口结构 及其功能
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第二章 MCS-51单片机的硬 件结构及工作原理
高电压写入 紫外线擦除 低电压写入 电擦除
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4. 并行I/O端口 MCS-51单片机有四个8位并行I/O端口P0~P3； 这些端口既可按字节操作也可按位操作； P0口可复用为数据总线和低8位地址总线； P2口可作为地址总线的高8位； P3口为多功能口，可作为串行口、中断输入及计数器的外 部输入/输出。
ALU
PC 增 1 中断、串行口及定时器 PC DPTR
PSW
PSEN ALE EA RST
P1 锁存器 P1 驱动器
P3 锁存器
控制器
OSC XTAL1 XTAL2 P1.0～P1.7 P3.0～P3.7 P3 驱动器
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2. 内部数据存储器 内部128字节的RAM(针对MCS-51单片机)； 内部256字节的RAM(针对MCS-52单片机)；
3. 内部程序存储器 用于存放程序和程序中的常量数据。 早期版本的MCS-51无内部程序存储器； 扩展型MCS-51片内包含容量不等(1K~64K)的程序存储器； 内部程序存储器种类包括ROM、EPROM、Flash等。
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P1.5 P1.6 P1.7 RST (RxD)P3.0 NC (TxD)P3.1 (INT0)P3.2 (INT1)P3.3 (T0)P3.4 (T1)P3.5
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P0.0～P0.7 P2.0～P2.7
VCC VSS RAM 地址寄存器 RAM 128B
P0 驱动器
P2 驱动器
内部 ROM
4KB ROM
P0 锁存器
P2 锁存器
内部 RAM
B 寄存器
寄存器
程序地址 寄存器 暂存器 1 RAM 暂存器 2 ACC SP 缓冲器
运算器
定 时 控 制 指 令 译 码 器 指 令 寄 存 器
VCC P0.0(AD0) P0.1(AD1) P0.2(AD2) P0.3(AD3) P0.4(AD4) P0.5(AD5) P0.6(AD6) P0.7(AD7) EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7(A15) P2.6(A14) P2.5(A13) P2.4(A12) P2.3(A11) P2.2(A10) P2.1(A9) P2.0(A8)