单片机原理接口与C51应用程序设计第2章MCS-51系列单片机的硬件结构课件.ppt

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1、第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.1 MCS-51系列单片机简介系列单片机简介2.2 MCS-51系列单片机的硬件结构系列单片机的硬件结构2.3 MCS-51系列单片机的外部引脚及片外总线系列单片机的外部引脚及片外总线2.4 MCS-51系列单片机的存储器结构系列单片机的存储器结构2.5 MCS-51系列单片机的系列单片机的I/O结构结构2.6 MCS-51系列单片机的时钟电路及时序系列单片机的时钟电路及时序2.7 MCS-51系列单片机的工作方式系列单片机的工作方式 2.8 MCS-51系列单片机的最小系统系列单片机的最小系统 第2章 M

2、CS-51系列单片机的硬件结构 2.1 MCS-51系列单片机简介系列单片机简介MCS-51系列单片机的典型芯片是8031、8051、8751。8051内部有4 KB ROM，8751内部有4KB EPROM，8031内部无ROM，除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。其主要特点如下：具有8位CPU。片内带128 B的数据存储器。片内带4 KB的程序存储器。程序存储器的寻址空间为64 KB。片外数据存储器的寻址空间为64 KB。具有21个特殊功能寄存器。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 具有4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2、P3。具有2个16位定时器/计数器。有5个中断源，

3、这5个中断源各有2个优先级别。具有1对全双工的串行接口。采用单一+5V电源。1.51子系列和子系列和52子系列子系列MCS-51系列又分为51和52两个子系列，如表2.1所示。这两个子系列以芯片型号的最末位数字作为标志。其中，51子系列是基本型，而52子系列则属增强型。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 表表2.1 MCS-51系列单片机分类表系列单片机分类表第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.单片机芯片半导体工艺单片机芯片半导体工艺MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产：一种是HMOS工艺，即高速度、高密度、短沟道MOS工艺；另外一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的

4、HMOS工艺。表2.1中，芯片型号中带有字母“C”的为CHMOS芯片，其余均为一般的HMOS芯片。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。例如，8051的功耗为630 mW，而80C51的功耗只有120 mW。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上，低功耗是非常有意义的，因此，在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 3.片内片内ROM存储器配置形式存储器配置形式MCS-51单片机片内程序存储器有三种配置形式，即掩膜ROM、EPROM和无ROM。一般情况下，片内带掩膜型ROM的形式适用

5、于定型大批量应用产品的生产；片内带EPROM的形式适合于研制产品样机；外接EPROM的形式适用于研制新产品。近来推出的51核单片机片内带Flash闪存，可以在线写入程序。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.2 MCS-51系列单片机的硬件结构系列单片机的硬件结构计算机有两种结构：哈佛结构和普林斯顿结构。其中，哈佛结构的程序存储器与数据存储器分开，相互独立；普林斯顿结构的程序存储器与数据存储器合二为一，地址空间统一编址。MCS-51单片机采用哈佛结构。MCS-51系列单片机的内部组成基本相同，主要包括CPU、片内ROM、片内RAM、定时器/计数器、并行I/O接口、串行口、中断控制系统和

6、时钟电路，如图2.1所示。从图2.1中可以看出，MCS-51单片机的各功能是通过内部的单一总线连接而成的。下面对各部分的功能作简单介绍。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 图2.1 MCS-51单片机结构框图第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 1.中央处理器中央处理器(CPU)MCS-51单片机有一个8位的CPU，与普通的CPU基本相同，同样包括运算器和控制器，还增加了面向控制的处理能力，不仅可以处理字节数据，还可以处理位数据。2.内部程序存储器内部程序存储器(片内片内ROM)MCS-51单片机的典型产品有8031、8051和8751，8031无ROM，8051共有4 KB掩膜RO

7、M，而8751有4 KB EPROM,用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存储器，简称片内ROM。另外，由于采用16位地址总线，所以其ROM和RAM均可扩展到64 KB。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 3.内部数据存储器内部数据存储器(片内片内RAM)51子系列有256 B的RAM单元，但其中高128 B被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是低128 B，用于存放可读/写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128 B，简称片内RAM。52子系列的片内RAM是256 B，其高128 B的地址与专用寄存器的地址相同，使用时通过指令来对其进行区分。4.定时器定时器

8、/计数器计数器51子系列共有2个16位可编程加法定时器/计数器T0和T1，52子系列有3个16位可编程加法定时器/计数器T0、T1和T2，用于在单片机应用系统中实现精确定时或对外部事件计数。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 5.并行并行I/O接口接口MCS-51系列单片机共有4组8位的并行I/O接口(P0、P1、P2、P3)，每个口既可以作为输入，又可以作为输出，以实现数据的并行输入/输出。6.串行口串行口MCS-51系列单片机有一个全双工的串行口(TXD、RXD)，以实现单片机之间或单片机与其它设备之间的串行数据传送。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 第2章 MCS-51系列

9、单片机的硬件结构 2.3 MCS-51系列单片机的外部引脚系列单片机的外部引脚 及片外总线及片外总线HMOS的MCS-51单片机均采用标准的40引脚双列直插方式封装(DIP)，如图2.2(a)所示；CHMOS的MCS-51单片机除采用DIP外，还采用方形方式封装，方形方式封装有44个引脚，标有NC的4个引脚是无用引脚，如图2.2(b)所示。下面介绍双列直插方式封装的引脚。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 图2.2 MCS-51单片机的引脚第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 1.电源引脚电源引脚Vcc(40引脚)：接+5 V电源。Vss(20引脚)：接地。2.输入、输出引脚输入、输

10、出引脚MCS-51有4组8位双向并行I/O接口，即P0、P1、P2、P3，每位均由锁存器、输出驱动、输入缓冲和控制电路组成。P0口为3态双向口，负载能力为8个TTL电路，P1、P2和P3均为准双向口，负载能力为4个TTL电路。在实际中，P0口在访问外部存储器时由ALE控制，时分地作为数据总线和地址总线的低8位，P2口作地址总线的高8位，P3口可用于特殊功能。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 3.时钟电路引脚时钟电路引脚MCS-51单片机内有一个由反向放大器构成的振荡电路。XTAL1(19引脚)为振荡电路的输入端，XTAL2(18引脚)为振荡电路的输出端。MCS-51单片机可工作于内部时

11、钟方式，利用片内振荡电路，在XTAL2和 XTAL1引脚上外接电容和石英晶振与内部振荡电路组成并联谐振电路，也可工作于外部时钟方式，将外部时钟信号加到XTAL2引脚，将XTAL1引脚接地。外部时钟方式用于将多片单片机同步。4.控制引脚控制引脚(1)RST/Vpd(9引脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。当持续输入两个机器周期以上的高电平时此引脚有效，可完成单片机的复位初始化操作。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 Vpd为本引脚的第二功能，是备用电源输入端。当电源发生故障，电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。(2)ALE/(Add

12、ress Latch Enable/Programming，30引脚)：ALE为地址锁存控制信号。在系统扩展后，访问外部存储器时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE以晶振的固定频率的1/6输出脉冲(可以检测芯片的好坏)，因此，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用，其可负载8个TTL电路。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 Vpp是此引脚的第二功能，在对8751片内EPROM固化程序时，需要在此引脚加上12 V21 V的编程电压。5.P3口线的第二功能口线的第二功能P3口的8条口线都定义有第二功

13、能，详细功能如表2.2所示。通常情况下，P3口都作为第二功能使用，如果在系统中用不到第二功能，则P3可作为通用I/O口使用。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 表表2.2 P3口各引脚与第二功能表口各引脚与第二功能表第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.4 MCS-51系列单片机的存储器结构系列单片机的存储器结构MCS-51单片机采用哈佛结构，其存储器分为程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)，有四个物理上相互独立的存储空间，即片内ROM、片外ROM、片内RAM和片外RAM。从逻辑上(即用户编程的角度)讲，51单片机的存储系统又可分为三个存储空间，既片内RAM，片外RAM和片

14、内、外统一编址的程序存储器ROM，其配置图如图2.3所示。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 图2.3 MCS-51的存储器配置第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 1.程序存储器程序存储器程序存储器ROM用来存放编好的程序、常数和表格，分为片内、片外两大部分，即片内ROM和片外ROM。按生产工艺分，ROM又可以分为以下几种：(1)掩膜ROM：其存储的信息在芯片制造过程中采用一道掩膜工艺生成，一旦出厂，信息就不可改变。(2)可编程只读存储器 PROM：其存储的信息可由用户一次性写入，但只能写入一次。(3)可擦除只读存储器：用户可以多次擦除其存储的信息，并可用专用的编程器重新写入新的信

15、息。可擦除只读存储器又可分为紫外线擦除的EPROM、电擦除的E2PROM和FlashROM。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 ROM通过16位程序计数器(PC)寻址，寻址范围为64 KB。程序存储器的使用如图2.4所示。图2.4 MCS-51的程序存储器的使用第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 另外，片内ROM有七个单元具有特定功能。编程者是不能随意使用的。第一个是0000H单元，系统上电复位后，程序计数器(PC)指向0000H0002H单元，单片机从0000H单元开始取指令执行程序，如果程序不从0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，以便直接转去执行指定的

16、程序。另外6个存储单元对应于中断服务程序的入口地址，具体应用如表2.3所示。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 表表2.3 中断入口地址中断入口地址第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.片内数据存储器片内数据存储器数据存储器RAM可以进行多次信息写入和读出，每次写入后，原来的信息将被新写入的信息所取代。另外，RAM在断电后再通电时，原来存储的信息全部丢失。它主要用来存放临时的数据和程序。RAM无论在物理上还是逻辑上都分为两个地址空间，即片内RAM(256B)(0000H00FFH)和片外RAM(64KB)(0000HFFFFH)。这两部分在编址和访问方式上各不相同。第2章 MCS

17、-51系列单片机的硬件结构 片内数据存储器按功能可分为内部数据RAM和特殊功能寄存器(Special Function Register，SFR)。对51子系列，前者有128 B，地址为00H7FH，后者也为128 B，地址为80H7FH；对52子系列，前者有256 B，地址为00HFFH，后者有128 B，地址为80HFFH，两者后128 B地址重叠，访问时通过不同的指令区分。低128 B按其用途划分为工作寄存器区、位寻址区和用户RAM区三个区域。MCS-51单片机(52子系列)片内数据存储器配置如图2.5所示。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 图2.5 MCS-51单片机(52子系

18、列)片内数据存储器配置图第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 1)工作寄存器区工作寄存器又称通用寄存器，用于临时寄存信息。工作寄存器区共有4组寄存器，每组8 B，总共32 B，各组都以R0R7作寄存单元编号。4组通用寄存器占据内部RAM的00H1FH单元地址。寄存器常用于存放操作数中间结果等。由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称为通用寄存器，有时也叫工作寄存器。任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称为当前寄存器组。到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定，如表2.4所示。通用寄存器为CPU提供了就近存储数据的便利，有利于提

19、高单片机的运算速度。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 表表2.4 寄寄存存器器组组第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2)位寻址区片内RAM低128 B的20H2FH单元有16个RAM单元，共128位，既可作为一般RAM来使用，进行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称为位寻址区，位地址范围为00H7FH，如表2.5所示。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 表表2.5 位寻址区的位地址位寻址区的位地址第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 3)用户RAM区片内RAM低128 B中通用寄存器占32 B，位寻址区占去16 B，剩下80 B其地址为30H7FH，

20、这就是供用户使用的一般RAM区，称为用户RAM区。对用户RAM区的使用，没有任何规定或限制，但一般把堆栈开辟在此区中。4)特殊功能寄存器区片内RAM的高128 B(80HFFH)是专用寄存器区，它们的功能已作专门规定，称为专用寄存器(Special Function Register)或特殊功能寄存器。特殊功能寄存器离散地分布在80HFFH 的RAM空间中，它们的地址不连续，空闲地址无意义，对用户来讲，这些单元是不存在的。对特殊功能寄第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 存器，只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。特殊功能寄存器用来设定单片机内部各个部件的

21、工作方式，存放相关部件的状态等，不能作为普通的RAM来使用。51子系列共有18个SFR，其中3个为双字节，共占用21 B；52子系列有21个SFR，其中5个为双字节，共占用26 B。SFR的名称、符号及地址如表2.6所示。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 表表2.6 特殊功能寄存器一览表特殊功能寄存器一览表第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 下面介绍几个常用的特殊功能寄存器，其余的特殊功能寄存器将在后绪章节中介绍。(1)程序计数器(PC，Program Counter)。PC是一个16位的计数器，它的作用是控制程序的执行顺序，其内容为将要执行指令的地址，寻址范围达64 KB。PC

22、有自动加1功能，可实现程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行读/写，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。因地址不在SFR(专用寄存器)之内，所以一般不将PC计作专用寄存器。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构(2)累加器(A，Accumulator)。A为8位寄存器，它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。MCS-51单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。(3)B寄存器。B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。乘法运算时，B存乘数，A放被乘数，乘法操作后，乘积的高8位存于

23、B中，低8位放于A中；除法运算时，A存被除数，B存除数，除法操作后，商存于A中，余数存于B中。此外，B寄存器也可作为一般数据寄存器使用。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构(4)程序状态字(PSW，Program Status Word)。PSW是一个8位寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。其中有些位的状态是根据程序执行结果由硬件自动设置的，而有些位的状态则使用软件方法设定。PSW各位的定义如表2.7所示。表表2.7 程序状态字程序状态字PSW的位定义的位定义第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构(5)数据指针(DPTR)。DPTR为16位寄存器，用于存放16位的地址，以便对片外6

24、4 KB的RAM间接寻址。DPTR通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用。编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用，即DPH是DPTR的高8位字节，DPL是DPTR的低8位字节。(6)堆栈指针(SP，Stack Pointer)。SP是一个特殊的存储区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”的原则存取数据的。堆栈共有两种操作：入栈和出栈。SP是一个8位寄存器，系统上电复位后，SP的内容为07H，从而复位后堆栈实际上是从08H单元开始的。但08H1FH单元分别属于工作寄存器13区，所以一般在内部RAM的30H7FH单元中开辟堆栈。第2章 MCS-51系列单片机的

25、硬件结构(7)并行端口P0P3。P0P3是4个8位特殊功能寄存器，实际上就是I/O端口的数据锁存器。与RAM中的任意一个单元一样，P0P3都有自己的地址：80H、90H、A0H、B0H。所以，在MCS-51单片机中的输入、输出操作实际上与普通的RAM单元的操作一样。(8)串行数据缓冲器(SBUF)。SBUF用来存放要发送或已接收的数据，实际上它是两个独立的寄存器。尽管在RAM中地址只是99H，但根据指令“发送”或“接收”两种不同的操作，硬件会自动区分并将数据送入对应的发送或接收缓冲单元。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构(9)定时器/计数器T0、T1。51子系列内部有两个定时器/计数器T

26、0和T1，52子系列有3个定时器/计数器T0、T1和T2。无论是定时还是计数，对于MCS-51单片机的定时器/计数器来说，都是计数器在计数。每个计数器是由两个8位寄存器(高位字节和低位字节)构成的16位计数器，分别是TH0、TL0(T0)，TH1、TL1(T1)，TH2、TL2(T2)。3.片外数据存储器片外数据存储器MCS-51单片机片内有128 B或256 B的数据存储器，但数据存储器不够用时，可扩展外部数据存储器，扩展的外部数据存储器最多为64 KB，地址范围是0000HFFFFH。片外RAM采用间接寻址方式，可以用R0、R1或DPTR作为间接寄存器，P0、P1发送地址码，P0接收或发送

27、数据。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.5 MCS-51系列单片机的系列单片机的I/O结构结构1.P0口口P0口是8位漏极开路的三态双向输入/输出口，其中某一位的结构图如图2.6所示，它由一个输出锁存器(D型触发器)、两个三态缓冲器(控制读引脚或读锁存器)、一个输出驱动电路和一个输出控制电路组成。输出驱动电路由一对场效应管FET组成，输出控制电路由一个与门、一个多路开关MUX和一个反相器等元件组成。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 图2.6 P0口某位结构图第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 P0口有下列6个特点：(1)可作I

28、/O口或数据/地址总线使用。(2)作通用数据I/O端口时，输出级上端的FET处于截止状态，所以必须接“上拉电阻”，否则不能正确地输出高电平。(3)在输入操作前，为了保证输入正确，必须先向端口写“1”。(4)“读引脚”与“读锁存器”是不同的两个数据通道。凡是“读修改写”的操作，CPU读的都是端口锁存器中的数据。(5)为了提高电路的可靠性，端口引脚不要直接与三极管一类的器件连接，应加隔离电路或在其与三极管之间加一个电阻。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构(6)在总线方式下，P0口不能再作通用的I/O端口，它分时输出地址/数据总线的信息(此时引脚不用外接上拉电阻)。2.P1口口P1口是8位带有

29、内部上拉电阻的准双向输入/输出接口，只能作为通用I/O口，不能作为地址/数据总线使用。P1口某位结构图如图2.7所示。该电路在结构上与P0口有一些不同之处：首先它不需要多路开关MUX；其次它的内部有上拉电阻，与一个场效应管V1构成输出驱动电路，所以P1口作为输出口使用时，内部有上拉电阻，能向外提供推拉负载电流，无需再外接上拉电阻。当P1口作为输入口使用时，同样也需由软件先向其锁存器写“1”，使输出驱动电路的V1截止。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 图2.7 P1口某位结构图第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 3.P2口口P2口也是8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出接口。它有

30、两种用途：通用I/O口和片外存储器高8位地址线。P2口某位结构图如图2.8所示，P2口比P1口多了一个多路选通MUX和非门G3。图2.8 P2口某位结构图第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 4.P3口口P3口某位的结构如图2.9所示，与其它口相比，区别在于与非门G3和缓冲器G4。与非门G3 的作用实际是一个功能开关，即当W为“1”时，输出Q端的信号，当Q为“1”时，输出W端的信号。图2.9 P3口某位结构图第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 5.端口的使用端口的使用作为通用I/O口时，P0的负载能力为8个TTL负载，P1、P2和P3口的负载能力均为4个TTL负载，所以并行端口在与大

31、电流负载连接时应注意“拉电流”还是“灌电流”两种方式。使用灌电流的方式与电流较大的负载直接连接时，端口可以吸收约20 mA的电流，从而保证端口电平不高于0.45 V，如图2.10(a)所示。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 图2.10 端口的工作方式第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 采用拉电流方式连接负载时，AT89C51所能提供的“拉电流”仅仅为80 A，否则输出的高电平会急剧下降。如果我们采用图2.10(b)所示的方式，向端口输出一个高电平去点亮LED，则会发现端口输出的电平不是“1”，而是“0”。当然，不是所有的单片机都是这样的，PIC单片机就可以提供30 mA的拉电流和

32、灌电流。对于大多数IC电路，最好还是使用“灌电流”去推动负载。AT89C51的端口可以吸收约20 mA的电流。对于继电器等大功率的负载，可以采用如图2.11(a)所示的接法，即用一个三极管来承担负载所需的大电流。在负载电流易造成干扰的环境中，应采用如图2.11(b)所示的“光电隔离”的方式。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 图2.11 并行端口的应用方式第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.6 MCS-51系列单片机的时钟电路及时序系列单片机的时钟电路及时序2.6.1 时钟电路时钟电路在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，可构成内部自激振荡电路，其输入端为芯片引脚XTA

33、L1(19引脚)，其输出端为引脚XTAL2(18引脚)。MCS-51的振荡电路有以下两种形式。1.内部时钟方式内部时钟方式内部时钟方式是指在XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，与内部振荡电路组成并联谐振电路，构成稳定的自激振荡器，如图2.12(a)所示。晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。一般地，电容C1和C2取5 pF第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 30 pF。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率高低、振荡器的稳定性和起振速度。晶体的振荡频率范围一般是6MHz24MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度就快，同时

34、对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也高，即要求线间寄生电容要小。实际应用中，为了保证电路的稳定性，晶振和电容应靠近单片机芯片引脚，以减少寄生电容。MCS-51单片机在通常应用情况下，使用的振荡频率为11.0592 MHz或12 MHz。随着集成电路制造工艺的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，目前某些单片机的时钟频率可达到40 MHz。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.外部时钟方式外部时钟方式在由多片单片机组成的系统中，为了保证各单片机之间时钟信号的同步，引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时外部的脉冲信号接至XTAL2引脚，而XTAL1接地，如图2.1

35、2(b)所示，这就是外部时钟方式。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL电平，所以接一个上拉电阻。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 图2.12 MCS-51单片机的时钟电路第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.6.2 时序时序1.时钟周期和状态周期时钟周期和状态周期时钟周期就是振荡电路的振荡周期，其值由外接晶体或外部输入的时钟来决定，在内部时钟的工作方式下，其值为石英晶振频率(时钟频率)的倒数。例如，单片机外接1 MHz的晶振，则单片机的系统时钟的频率为1 MHz，时钟周期为1 s。通常将时钟周期称为节拍(用P表示)。时钟周期经过二分频后，就是单片机的时钟信号的周期，通常将其定义

36、为状态周期(用S表示)。所以，一个状态就包含两个节拍(时钟周期)，前半周期对应的节拍叫节拍1(P1)，后半周期对应的节拍叫节拍2(P2)，如图2.13所示。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.机器周期机器周期MCS-51单片机的一个机器周期为6个状态周期，并依次表示为S1S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共有12个节拍，分别记为S1P1，S1P2，S6P2，如图2.13所示。由于一个机器周期包含12个时钟周期，因此机器脉冲就是振荡脉冲的十二分频。图2.13 MCS-51单片机的机器周期第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 3.指令周期指令周期执行一条指令所需要

37、的时间称为指令周期，它一般由若干个机器周期组成。不同的指令所需要的机器周期不同。通常包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令。MCS-51指令系统可分为三种类型，分别是单周期指令、双周期指令和四周期指令。所以一条指令的运算速度与它所包含的机器周期数有关。机器周期数越少，执行的速度就越快。在MCS-51单片机的指令系统中，除了乘、除法指令为四个机器周期外，其余都是单周期和双周期指令。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.6.3 指令时序指令时序按指令占存储空间的大小，MCS-51单片机的指令可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。执行任何一条指令都可以

38、分为取指令和执行指令两个阶段。图2.14是MCS-51单片机的几种典型指令的取指和执行的时序图。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 图2.14 MCS-51的指令时序第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.7 MCS-51系列单片机的工作方式系列单片机的工作方式2.7.1 复位方式复位方式复位是单片机的初始化操作，RST是复位信号输入端，高电平有效。只要RST引脚上有持续2个机器周期以上的高电平，单片机就可以完成复位。譬如，当使用的晶振频率为12 MHz时，机器周期为1 s，则复位信号持续时间不能小于2 s。复位不影响片内RAM存放的内容，而ALE和引脚在复位期间输出高电平。复位后

39、，程序计数器PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，堆栈指针SP初始化为07H，P0P3口输出高电平。复位后各有关SFR的初始状态如表2.8所示。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 表表2.8 MCS-51复位后有关寄存器的状态复位后有关寄存器的状态第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 MCS-51内部的复位电路如图2.15所示。复位引脚通过施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次后得到内部复位操作所需要的信号。图2.15 MCS-51内部的复位电路 第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构

40、MCS-51单片机常用的外部复位电路如图2.16所示。图2.16 MCS-51常用的外部复位电路第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.7.2 单步执行方式单步执行方式所谓单步执行，就是通过外部脉冲来控制程序的执行过程，使其达到一个脉冲执行语句的目的。外部脉冲一般通过按键来产生，所以单步执行实际上就是一次按键执行一条语句。单步执行通常用于程序调试、跟踪程序执行和了解程序执行过程。MCS-51单片机的单步执行要利用中断系统完成。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 2.8 MCS-51系列单片机的最小系统系列单片机的最小系统所谓系统，就是可以独立实现某些特定功能的一个产品。如果功能相对

41、简单，使用的MCU资源足够，那么一个MCU带很少辅助元件就可以实现一个最小系统。对MCS-51单片机来说，最小系统一般应该包括单片机、时钟电路、供电电源、复位电路和应用程序等部分。MCS-51单片机采用单一+5 V电源供电，实际应用中，可以采用+5 V蓄电池、计算机的USB口、+5 V稳压器或自制电源为单片机供电。图2.17所示是采用集成稳压器7805设计+5电源的电路原理图。第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 图2.17 采用集成稳压器7805设计+5 V电源的电路原理图第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构 8051/8751片内有4KB的ROM/EPROM和128B的RAM，因此只需外接时钟电路和复位电路就可以构成最小系统，如图2.18(a)所示。图2.18 MCS-51的最小系统