MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8051是MCS-51系列單片機的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。
????8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：

????·中央處理器： ????中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 ????·數(shù)據(jù)存儲器(RAM)： ????8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。

????·程序存儲器(ROM)： ????8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 ????·定時/計數(shù)器(ROM)： ????8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。 ????·并行輸入輸出(I/O)口： ????8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 ????·全雙工串行口： ????8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 ????·中斷系統(tǒng)： ????8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。 ????·時鐘電路： ????8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。

單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。
????下圖是MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

????■?MCS-51的引腳說明：

????MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明： ????·Pin20:接地腳。 ????·Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM燒寫程序時，接+5V電源。 ????·Pin19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。 ????·Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。 ????8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。

????·輸入輸出(I/O)引腳： ????Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳，Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳，這些輸入輸出腳的功能說明將在以下內(nèi)容闡述。

·Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下表：

????8051的復(fù)位方式可以是自動復(fù)位，也可以是手動復(fù)位，見下圖。此外，RESET/Vpd還是一復(fù)用腳，Vcc掉電期間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。

特殊功能寄存器 初始態(tài) 特殊功能寄存器 初始態(tài) ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPH 00H TH0 00H DPL 00H TL0 00H IP xxx00000B TH1 00H IE 0xx00000B TL1 00H TMOD 00H TCON 00H SCON xxxxxxxxB SBUF 00H P0-P3 1111111B PCON 0xxxxxxxB

????·Pin30:ALE/當(dāng)訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當(dāng)訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。 ????如果單片機是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。 ????·Pin29:當(dāng)訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。 ????·Pin31:EA/Vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機，內(nèi)置有4kB的程序存儲器，當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內(nèi)部無程序存儲器的8031,EA端必須接地。 ????在編程時，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓。

時序是用定時單位來描述的，MCS-51的時序單位有四個，它們分別是節(jié)拍、狀態(tài)、機器周期和指令周期，接下來我們分別加以說明。

????·節(jié)拍與狀態(tài)：
????我們把振蕩脈沖的周期定義為節(jié)拍（為方便描述，用P表示），振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后即得到整個單片機工作系統(tǒng)的時鐘信號，把時鐘信號的周期定義為狀態(tài)（用S表示），這樣一個狀態(tài)就有兩個節(jié)拍，前半周期相應(yīng)的節(jié)拍我們定義為1(P₁)，后半周期對應(yīng)的節(jié)拍定義為2(P₂)。

????·機器周期：
????MCS-51有固定的機器周期，規(guī)定一個機器周期有6個狀態(tài)，分別表示為S1-S6，而一個狀態(tài)包含兩個節(jié)拍，那么一個機器周期就有12個節(jié)拍，我們可以記著S1P1、S1P2……S6P1、S6P2，一個機器周期共包含12個振蕩脈沖，即機器周期就是振蕩脈沖的12分頻，顯然，如果使用6MHz的時鐘頻率，一個機器周期就是2us，而如使用12MHz的時鐘頻率，一個機器周期就是1us。

????·指令周期：
????執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期，MCS-51的指令有單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)的，所以它們的指令周期不盡相同，也就是說它們所需的機器周期不相同，可能包括一到四個不等的機器周期（這些內(nèi)容，我們將在下面的章節(jié)中加以說明）。

????·MCS-51的指令時序：
????MCS-51指令系統(tǒng)中，按它們的長度可分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令。執(zhí)行這些指令需要的時間是不同的，也就是它們所需的機器周期是不同的，有下面幾種形式：

????·單字節(jié)指令單機器周期
????·單字節(jié)指令雙機器周期
????·雙字節(jié)指令單機器周期
????·雙字節(jié)指令雙機器周期
????·三字節(jié)指令雙機器周期
????·單字節(jié)指令四機器周期(如單字節(jié)的乘除法指令)

????下圖是MCS-51系列單片機的指令時序圖：

????上圖是單周期和雙周期取指及執(zhí)行時序，圖中的ALE脈沖是為了鎖存地址的選通信號，顯然，每出現(xiàn)一次該信號單片機即進(jìn)行一次讀指令操作。從時序圖中可看出，該信號是時鐘頻率6分頻后得到，在一個機器周期中，ALE信號兩次有效，第一次在S1P2和S2P1期間，第二次在S4P2和S5P1期間。