系列单片机基本结构

第 2章 51系 列 单 片 机 基 本 结 构 8051是 MCS-51系 列 单 片 机 的 典 型 产 品 ， 本 书 以 这 一 代 表 性的 机 型 进 行 系 统 地 讲 解 。 其 他 单 片 机 与 8051的 系 统 结 构 相同 ， 只 是 对 8051进 行 一 些 扩 充 ， 使 其 功 能 更 强 、 市 场 竞 争力 更 强 。 本 章 主 要 包 括 以 下 内 容 ： 51系 列 单 片 机 的 内 部 结 构 51系 列 单 片 机 的 引 脚 资 源 中 央 处 理 器 （ CPU） 存 储 器 结 构 51系 列 单 片 机 的 复 位 51系 列 单 片 机 的 时 钟 和 时 序 51系 列 单 片 机 的 并 行 I/O口 掉 电 保 护 和 低 功 耗 设 计 51系 列 单 片 机 的 最 小 系 统 2.1 51系 列 单 片 机 的 内 部 结 构 8051系 列 单 片 机 的 内 部 结 构 是 各 种 逻 辑 单 元 及 其 之 间 的 互 连 构 成的 。 其 主 要 由 中 央 处 理 器 （ CPU） 、 程 序 存 储 器 （ ROM） 、 数 据 存储 器 （ RAM） 、 串 行 接 口 、 并 行 I/0接 口 、 定 时 /计 数 器 、 中 断 系 统等 几 大 单 元 ， 以 及 数 据 总 线 、 地 址 总 线 和 控 制 总 线 组 成 。 8051系列 单 片 机 的 内 部 结 构 框 架 示 意 图 ， 如 图 所 示 。 2.1.1 内 部 结 构 的 主 要 组 成 部 分 单 片 机 的 性 能 都 反 应 在 单 片 机 所 特 有 的 结 构 和 资源 上 。 这 里 首 先 介 绍 一 下 8051单 片 机 基 本 结 构 的主 要 组 成 部 分 。 1 中 央 处 理 器 （ CPU） 2 程 序 存 储 器 （ ROM） 3 数 据 存 储 器 （ RAM） 4 定 时 器 /计 数 器 5 并 行 输 入 输 出 （ I/O） 口 6 全 双 工 串 行 口 7 中 断 系 统 8 时 钟 电 路 2.1.2 单 片 机 结 构 的 类 型 单 片 机 结 构 的 类 型 可 以 按 照 程 序 存 储 器 和 数 据 存 储 器 的 体系 结 构 来 划 分 ， 大 致 有 两 种 类 型 ： 哈 佛 （ Harvard） 结 构 。 这 种 结 构 程 序 存 储 器 （ ROM） 和 数据 存 储 器 （ RAM） 采 用 分 开 的 形 式 。 哈 佛 结 构 便 于 对 程 序 和数 据 同 时 访 问 ， 可 以 减 轻 程 序 运 行 时 的 访 存 瓶 颈 ， 提 高 数据 的 吞 吐 率 。 普 林 斯 顿 （ Princeton） 结 构 。 这 种 结 构 中 采 用 通 用 计 算 机广 泛 使 用 的 程 序 存 储 器 （ ROM） 与 数 据 存 储 器 （ RAM） 合 二为 一 的 方 式 ， 也 称 为 冯 诺 伊 曼 结 构 。 由 于 程 序 指 令 存 储地 址 和 数 据 存 储 地 址 指 向 同 一 个 存 储 器 的 不 同 物 理 位 置 ，因 此 程 序 指 令 和 数 据 的 宽 度 相 同 。 例 如 ， INTEL的 MCS-51系 列 单 片 机 普 遍 采 用 的 是 哈 佛 结 构 的形 式 ， 而 后 续 产 品 16位 的 MCS-96系 列 单 片 机 则 采 用 普 林 斯 顿 结 构 。 2.2 51系 列 单 片 机 的 引 脚 功 能 Intel的 8051是 一 个 典 型 的 单 片 机 ， 在 后 续 MCS-51系 列 单 片 机 的 产 品 线 中 ， 均 以 其 为 核 心 电 路 发 展起 来 的 。 它 们 具 有 和 8051一 致 的 硬 件 结 构 和 软 件特 征 。 随 着 半 导 体 技 术 的 发 展 ， 各 种 新 型 的 单 片 机 层 出不 穷 ， 性 能 也 得 到 不 断 提 升 ， 价 格 也 越 来 越 低 。因 此 ， 本 章 在 介 绍 51系 列 单 片 机 时 不 局 限 于 介 绍基 本 的 8051， 而 是 以 最 新 型 的 51系 列 单 片 机 来 进行 介 绍 。 这 些 新 型 的 单 片 机 在 基 本 功 能 上 和 8051完 全 一 致 ， 从 而 在 理 解 8051结 构 的 同 时 ， 也 熟 悉了 最 新 的 单 片 机 。 2.2.1 51系 列 单 片 机 的 引 脚 封 装 MCS-51系 列 单 片 机 有 各 种 封 装 形 式 ， 这 里 均 以 双 列 直 插 DIP形 式 的 封 装 来进 行 介 绍 。 Intel的 8051的 典 型 引 脚 配 置 ， 如 图 所 示 。 这 是 40Pin封 装 的 双列 直 插 DIP式 结 构 ， 其 中 正 电 源 和 地 线 两 根 ， 外 置 石 英 振 荡 器 的 时 钟 线 两根 ， 4组 8位 共 32个 I/O口 ， 中 断 口 线 与 P3口 线 复 用 。 Atmel公 司 的 AT89S系 列 与 MCS-51系 列 是 兼 容 的 ， 这 里 主 要 以 AT89S52单 片机 来 介 绍 51系 列 单 片 机 的 基 本 原 理 。 AT89S52的 40Pin双 列 直 插 封 装 的 引 脚配 置 ， 如 图 所 示 。 2.2.2 51系 列 单 片 机 引 脚 功 能 这 里 以 AT89S52为 原 型 ， 介 绍 51系 列 单 片 机 的 引 脚 功 能 。 虽然 市 场 上 51系 列 单 片 机 种 类 很 多 ， 但 由 于 51系 列 单 片 机 的引 脚 都 基 本 兼 容 ， 因 此 这 些 内 容 同 样 适 合 于 其 他 型 号 的 单片 机 。 1 电 源 引 脚 :电 源 引 脚 主 要 负 责 单 片 机 的 供 电 ， 有 两 根 引脚 。 2 外 接 晶 振 或 外 部 振 荡 器 引 脚 :外 接 晶 振 或 外 部 振 荡 器 引脚 主 要 负 责 为 单 片 机 的 运 行 提 供 时 钟 振 荡 器 ， 主 要 有 两 根引 脚 。 3 输 入 输 出 （ I/O） 端 口 引 脚 :AT89S52提 供 了 4个 8位 并 行I/O端 口 ， 基 本 的 功 能 和 其 他 51系 列 单 片 机 完 全 一 致 ， 部 分引 脚 有 扩 展 功 能 。 4 复 位 、 控 制 和 选 通 引 脚 :复 位 、 控 制 和 选 通 引 脚 主 要 负责 单 片 机 程 序 复 位 、 编 程 控 制 及 外 部 程 序 存 储 器 的 选 通 。 2.3 中 央 处 理 器 （ CPU） 中 央 处 理 器 （ CPU） 是 由 运 算 器 （ ALU） 、 定 时 控制 部 件 和 寄 存 器 通 过 总 线 连 接 而 成 的 一 个 整 体 。中 央 处 理 器 （ CPU） 是 整 个 单 片 机 的 核 心 部 件 。CPU负 责 控 制 、 指 挥 和 调 度 整 个 单 元 系 统 协 调 的 工作 ， 完 成 运 算 和 控 制 输 入 输 出 功 能 等 操 作 。 51系 列 单 片 机 是 8位 数 据 总 线 的 处 理 器 ， 能 处 理 8位 二 进 制 数 据 或 代 码 。 AT89S52的 CPU与 8051的 CPU完 全 兼 容 ， 这 里 以 AT89S52为 例 进 行 介 绍 。 2.3.1 算 术 逻 辑 运 算 部 件 （ ALU） 算 术 逻 辑 运 算 部 件 （ ALU） 是 进 行 算 术 及 逻 辑 运 算 的 功 能 部件 。 AT89S52单 片 机 的 算 术 逻 辑 运 算 部 件 （ ALU） 包 括 运 算器 、 累 加 器 （ A） 、 寄 存 器 B、 暂 存 器 TMP、 程 序 状 态 寄 存 器（ PSW） 、 推 栈 指 针 SP、 数 据 指 针 DPTR等 。 其 可 以 进 行 加 、减 、 乘 、 除 四 则 运 算 ， 也 可 以 进 行 与 、 或 、 非 、 异 或 等 逻辑 运 算 ， 还 可 以 执 行 数 据 传 送 、 移 位 、 判 断 和 程 序 转 移 等功 能 。 51系 列 单 片 机 的 ALU提 供 了 丰 富 的 指 令 系 统 和 极 快 的 指 令 执行 速 度 ， 大 部 分 指 令 执 行 时 间 为 1s， 乘 法 指 令 为 4s。AT89S52的 ALU与 8051的 ALU完 全 兼 容 ， 其 位 处 理 功 能 非 常 强 ，这 对 “ 面 向 控 制 ” 特 别 有 用 ， 指 令 功 能 极 为 丰 富 ， 8位 并 行处 理 能 力 极 强 。 2.3.2 控 制 器 控 制 器 是 用 来 统 一 指 挥 和 控 制 计 算 机 进 行 工 作 的部 件 。 其 主 要 的 功 能 是 从 程 序 存 储 器 中 提 取 指 令 ，送 到 指 令 寄 存 器 ， 再 送 入 指 令 译 码 器 进 行 译 码 。控 制 器 通 过 定 时 和 控 制 电 路 ， 在 规 定 的 时 刻 发 出各 种 操 作 所 需 要 的 全 部 内 部 控 制 信 息 及 CPU外 部 所需 要 的 控 制 信 号 ， 如 ALE、 、 RD、 WR等 ， 使 各 部 分协 调 工 作 ， 完 成 指 令 所 规 定 的 各 种 操 作 。 8051的 控 制 器 包 括 时 钟 发 生 器 、 定 时 控 制 逻 辑 、指 令 寄 存 器 、 指 令 译 码 器 、 程 序 计 数 器 PC、 程 序地 址 寄 存 器 、 数 据 指 针 寄 存 器 DPTR和 堆 栈 指 针 SP等 。 2.3.3 通 用 寄 存 器 寄 存 器 是 用 来 存 放 信 息 的 单 元 ， 其 优 点 是 存 取 速度 快 、 方 便 ， 寄 存 器 的 数 量 是 衡 量 一 台 计 算 机 处理 能 力 的 重 要 标 志 。 51系 列 单 片 机 的 寄 存 器 可 分为 工 作 寄 存 器 （ 即 通 用 寄 存 器 ） 、 专 用 寄 存 器 和特 殊 功 能 寄 存 器 （ SFR） 。 特 殊 功 能 寄 存 器 是 专 为对 应 功 能 服 务 ， 在 “ 数 据 存 储 器 ” 一 节 将 详 细 介绍 。 本 小 节 主 要 介 绍 通 用 工 作 寄 存 器 R0 R7。 片 内 RAM的 00H 1FH（ 共 32B） 空 间 ， 开 辟 了 4个 工作 寄 存 器 区 ， 每 组 共 有 8个 8位 的 寄 存 器 R0 R7，通 过 对 PSW的 RS1和 RS2进 行 设 置 ， 选 择 任 意 一 组 使用 ， 其 余 3组 被 屏 蔽 。 其 优 点 是 ， 避 免 进 站 保 护 、减 少 堆 栈 深 度 、 节 省 出 入 栈 指 令 和 时 间 。 不 用 的工 作 寄 存 器 可 作 为 片 内 RAM访 问 。 2.3.4 专 用 寄 存 器 专 用 寄 存 器 是 专 门 为 某 些 功 能 部 件 设 计 的 寄 存 器 。 下 面 分别 介 绍 这 几 种 寄 存 器 的 功 能 。 1 程 序 计 数 器 PC:程 序 计 数 器 PC是 一 个 16位 二 进 制 的 程 序地 址 寄 存 器 ， 专 门 用 来 存 放 下 一 条 需 要 执 行 指 令 的 内 存 地址 ， 能 自 动 加 1。 2 累 加 器 A:累 加 器 A（ 或 者 ACC） 是 运 算 过 程 中 的 暂 存 寄 存器 ， 是 一 个 8位 二 进 制 寄 存 器 ， 用 于 提 供 操 作 数 和 存 放 操 作结 果 。 3 寄 存 器 B:寄 存 器 B一 般 用 于 乘 除 法 操 作 指 令 ， 也 是 一 个 8位 二 进 制 寄 存 器 ， 由 8个 触 发 器 组 成 ， 与 累 加 器 A配 合 使 用 。 4 程 序 状 态 寄 存 器 （ PSW） :程 序 状 态 寄 存 器 （ PSW） 是 一个 8位 寄 存 器 ， 用 于 存 放 指 令 执 行 后 的 有 关 状 态 ， 为 后 面 的指 令 执 行 提 供 状 态 条 件 。 5 堆 栈 指 针 SP:推 栈 指 针 SP是 在 片 内 RAM中 开 辟 一 个 存 储 区域 ， 专 门 存 放 堆 栈 栈 顶 的 地 址 。 6 数 据 指 针 DPTR:数 据 指 针 DPTR是 一 个 16位 寄 存 器 ， 是 由 8位 寄 存 器 DPH和 DPL组 合 而 成 。 2.4 存 储 器 结 构 存 储 器 是 单 片 机 的 3大 主 要 部 件 之 一 ， 主 要 用 来 储 存 信 息 （ 即 数 据和 程 序 ） 。 存 储 器 按 配 置 方 法 分 为 主 存 和 外 存 。 “ 主 存 ” 又 称 为“ 内 存 ” ， 用 于 存 放 当 前 执 行 的 数 据 和 程 序 ； “ 外 存 ” 用 于 存 放暂 不 执 行 的 数 据 和 程 序 。 目 前 单 片 机 主 要 配 置 内 存 。 存 储 器 结 构 分 为 独 立 的 两 部 分 ： 数 据 存 储 器 （ RAM） 和 程 序 存 储 器（ ROM） 。 8051单 片 机 的 存 储 器 可 分 为 4个 存 储 空 间 ： 片 内 程 序 存储 器 （ 片 内 ROM） 、 片 外 程 序 存 储 器 （ 片 外 ROM） 、 片 内 数 据 存 储器 （ 片 内 RAM） 、 片 外 数 据 存 储 器 （ 片 外 RAM） 。 这 4类 存 储 器 与 其 对 应 的 地 址 关 系 ， 如 表 所 示 。 2.4.1 程 序 存 储 器 及 其 扩 展 程 序 存 储 器 设 计 人 员 编 写 的 程 序 就 存 放 在 单 片 机的 程 序 存 储 器 中 ， 也 称 为 “ 只 读 程 序 存 储 器 ”（ ROM） 。 程 序 和 数 据 一 样 ， 都 是 由 机 器 码 组 成 的代 码 串 ， 只 是 程 序 代 码 则 存 放 于 程 序 存 储 器 中 。 1 程 序 存 储 器 :51系 列 单 片 机 具 有 64KB程 序 存 储器 寻 址 空 间 ， 这 64KB的 地 址 空 间 是 统 一 编 址 的 ，没 有 采 用 片 内 、 片 外 分 区 的 方 式 。 2 程 序 存 储 器 的 扩 展 :51系 列 单 片 机 为 了 满 足 不同 应 用 的 需 要 ， 除 了 设 置 有 内 部 程 序 存 储 器 外 ，还 可 以 根 据 需 要 进 行 外 部 程 序 存 储 器 扩 展 。 外 部程 序 存 储 器 扩 展 时 ， 采 用 P0和 P2作 为 16位 地 址 总线 的 低 8位 和 高 8位 ， 另 外 ， P0口 还 分 时 复 用 为 8位数 据 总 线 。 2.4.2 数 据 存 储 器 及 其 扩 展 数 据 存 储 器 也 称 为 “ 随 机 存 取 数 据 存 储 器 ” 。 51系 列 单 片 机 的 数 据 存 储 器在 物 理 逻 辑 上 分 为 两 个 地 址 空 间 ， 即 片 内 数 据 存 储 区 和 片 外 数 据 存 储 区 。片 内 RAM有 256B的 用 户 数 据 存 储 区 域 （ 不 同 的 型 号 有 分 别 ） ， 是 用 于 存 放执 行 的 中 间 结 果 和 过 程 数 据 的 51系 列 单 片 机 的 。 数 据 存 储 器 均 可 读 写 ， 部分 单 元 还 可 以 位 寻 址 ， 其 结 构 示 意 图 如 图 所 示 。 2.5 51系 列 单 片 机 的 复 位 复 位 是 使 单 片 机 的 CPU以 及 系 统 的 各 个 部 件 处 于 特定 的 初 始 状 态 ， 并 使 系 统 从 初 始 状 态 开 始 工 作 。单 片 机 的 复 位 是 一 个 很 重 要 的 内 容 ， 一 般 在 系 统上 电 ， 或 者 程 序 死 机 的 时 候 需 要 进 行 单 片 机 的 复位 。 2.5.1 单 片 机 的 复 位 状 态 单 片 机 的 复 位 状 态 是 单 片 机 在 上 电 时 ， 首 先 所 处 的 一 个 特定 的 状 态 。 在 复 位 状 态 下 ， CPU和 整 个 硬 件 资 源 ， 特 别 是 特殊 功 能 寄 存 器 都 处 于 初 始 化 的 状 态 。 如 表 所 示 列 出 了 在 单片 机 复 位 状 态 下 的 初 始 值 。 2.5.2 单 片 机 的 复 位 电 路 单 片 机 的 复 位 电 路 是 促 使 单 片 机 进 入 复 位 状 态 的 硬 件 结 构 。单 片 机 的 复 位 是 很 重 要 的 ， 复 位 操 作 可 以 完 成 单 片 机 的 初始 化 ， 也 可 使 处 于 死 机 状 态 下 的 单 片 机 重 新 开 始 运 行 。 1 复 位 要 求 2 上 电 复 位 电 路 3 手 动 加 上 电 复 位 电 路 4 定 时 监 视 器 （ WDT， 看 门 狗 ） 复 位 5 复 杂 的 复 位 电 路 2.6 51系 列 单 片 机 的 时 钟 和 时 序 单 片 机 内 部 是 基 于 数 字 逻 辑 电 路 来 运 行 的 ， 这 些数 字 逻 辑 电 路 需 要 在 一 个 统 一 的 时 钟 步 调 下 运 行 ，这 便 涉 及 到 单 片 机 的 时 钟 和 时 序 问 题 。 这 里 以AT89S52为 例 来 介 绍 和 时 序 有 关 的 问 题 ， 其 中 的 内容 对 其 他 51系 列 单 片 机 都 是 通 用 的 。 2.6.1 振 荡 器 和 时 钟 电 路 振 荡 器 和 时 钟 电 路 用 于 产 生 单 片 机 正 常 工 作 时 所 需 要 时 钟 信 号 。AT89S52单 片 机 采 用 的 CMOS工 艺 ， 内 部 包 含 有 一 个 振 荡 器 ， 可 以 用于 CPU的 时 钟 源 。 另 外 ， 也 允 许 采 用 外 部 振 荡 器 ， 由 外 部 振 荡 器 产生 的 时 钟 信 号 来 供 内 部 CPU运 行 使 用 。 下 面 分 别 介 绍 这 两 种 方 式 。 1 内 部 时 钟 模 式 内 部 时 钟 模 式 是 采 用 单 片 机 内 部 振 荡 器 来 工 作 的 模 式 。 AT89S52和其 他 51系 列 单 片 机 一 样 ， 其 内 部 包 含 一 个 高 增 益 的 单 级 反 相 放 大器 ， 引 脚 XTAL1和 XTAL2分 别 为 片 内 反 相 放 大 器 的 输 入 端 口 和 输 出端 口 ， 其 工 作 频 率 为 033MHz。 对 于 Intel的 8051， 工 作 频 率 为1.212MHz。 2 外 部 时 钟 模 式 外 部 时 钟 模 式 是 采 用 外 部 振 荡 器 产 生 时 钟 信 号 ， 直 接 提 供 给 单 片机 使 用 。 对 于 不 同 结 构 的 单 片 机 ， 外 部 时 钟 信 号 接 入 的 方 式 有 所不 同 。 对 于 普 通 的 8051单 片 机 ， 外 部 时 钟 信 号 由 XTAL2引 脚 接 入 后 直 接 送到 单 片 机 内 部 的 时 钟 发 生 器 ， 而 引 脚 XTAL1则 应 直 接 接 地 ， 这 里 需要 注 意 ， 由 于 XTAL2引 脚 的 逻 辑 电 平 不 是 TTL信 号 ， 因 此 建 议 外 接一 个 上 拉 电 阻 。 2.6.2 CPU的 时 序 CPU的 时 序 是 指 令 执 行 所 遵 从 的 格 式 。 在 单 片 机 内 部 ， 振 荡 器 始 终驱 动 内 部 时 钟 发 生 器 向 CPU提 供 时 钟 信 号 。 时 钟 发 生 器 的 输 入 是 一个 二 分 频 触 发 器 ， 这 个 二 分 频 触 发 器 为 单 片 机 提 供 了 一 个 二 相 时钟 信 号 ， 即 相 位 信 号 P1和 相 位 信 号 P2， 驱 动 CPU产 生 执 行 指 令 功 能的 机 器 周 期 。 单 片 机 的 时 序 是 用 定 时 单 位 来 描 述 的 ， 其 描 述 了 指 令 执 行 中 各 控制 信 号 在 时 间 上 的 关 系 ， 这 里 涉 及 节 拍 、 状 态 、 机 器 周 期 和 指 令周 期 4个 概 念 ， 接 下 来 分 别 加 以 说 明 它 们 之 间 的 关 系 ， 示 意 图 如 图所 示 。 2.6.3 指 令 执 行 的 时 序 单 片 机 的 指 令 执 行 过 程 包 括 取 指 令 和 执 行 指 令 两 个 部 分 ， 其 是 在 CPU时 钟的 步 调 下 实 现 的 。 在 单 片 机 中 ， 不 同 指 令 的 长 度 和 指 令 周 期 一 般 各 不 相 同 ，可 以 分 为 单 字 节 单 周 期 指 令 、 双 字 节 单 周 期 指 令 、 双 字 节 双 周 期 指 令 等 等 。下 面 介 绍 几 个 典 型 的 指 令 执 行 时 序 。 1 单 字 节 单 周 期 指 令 的 执 行 时 序 单 字 节 单 周 期 指 令 的 执 行 时 序 。 在 每 个 机 器 周 期 内 ， 地 址 锁 存 信 号 ALE出现 两 次 高 电 平 有 效 信 号 ， 一 次 在 S1P2S2P1， 另 一 次 在 S4P2S5P1。 这 样 ，一 个 机 器 周 期 内 便 可 以 读 两 次 程 序 存 储 器 代 码 。 单 字 节 单 周 期 指 令 在 执 行 时 ， 第 一 次 读 取 指 令 代 码 后 便 立 即 开 始 执 行 该 指令 ， 第 二 次 读 的 代 码 将 被 丢 弃 ， 不 使 用 。 2 双 字 节 单 周 期 指 令 的 执 行 时 序 双 字 节 单 周 期 指 令 的 执 行 时 序 。 地 址 锁 存 信 号 ALE仍 然 在 一 个 机 器 周 期 内有 效 两 次 。 不 同 于 前 面 ， 双 字 节 单 周 期 指 令 在 执 行 时 ， 两 次 读 取 的 代 码 都有 效 ， 在 一 个 机 器 周 期 内 便 执 行 完 该 指 令 。 3 单 字 节 双 周 期 指 令 的 执 行 时 序 单 字 节 双 周 期 指 令 的 执 行 时 序 。 这 类 指 令 执 行 时 ， 第 一 次 读 取 指 令 代 码 后 ，其 余 三 次 读 代 码 操 作 均 被 丢 弃 ， 用 两 个 机 器 周 期 执 行 完 该 指 令 。 4 MOVX类 单 字 节 单 周 期 指 令 的 执 行 时 序 MOVX类 单 字 节 单 周 期 指 令 的 执 行 时 序 。 指 令 第 一 次 读 取 代 码 后 ， 第 二 次 读代 码 操 作 被 丢 弃 ， 在 第 二 个 机 器 周 期 完 成 外 部 数 据 单 元 的 读 写 。 2.6.4 访 问 外 部 ROM/RAM的 操 作 时 序 访 问 外 部 ROM/RAM的 操 作 时 序 ， 主 要 发 生 在 外 部 扩 展 单 片 机ROM和 RAM的 时 候 。 此 时 ， 具 体 的 操 作 时 序 分 别 介 绍 如 下 。 1 访 问 外 部 ROM的 操 作 时 序 当 对 51系 列 单 片 机 进 行 外 部 扩 展 程 序 存 储 器 ROM的 时 候 ， 指令 的 操 作 时 序 便 涉 及 到 外 部 存 储 器 的 操 作 。 此 时 除 了 需 要ALE信 号 外 ， 还 需 要 信 号 以 及 将 P0口 作 为 低 8位 地 址 ， P2口作 为 高 8位 地 址 。 访 问 外 部 ROM的 时 序 。 2 访 问 外 部 RAM的 操 作 时 序 当 对 单 片 机 进 行 了 外 部 RAM扩 展 ， 此 时 单 片 机 访 问 外 部 RAM的 操 作 时 序 和 前 面 有 所 不 同 。 整 个 访 问 外 部 RAM的 操 作 时 序 。操 作 需 要 执 行 两 步 ： （ 1） 先 从 外 部 ROM中 取 MOVX指 令 ； （ 2） 根 据 MOVX指 令 所 给 出 的 数 据 来 选 择 某 个 外 部 RAM单 元 ， 然 后 对 该 单 元 进 行 读 写 操 作 。 2.7 51系 列 单 片 机 的 并 行 I/O口 典 型 的 8051单 片 机 具 有 4个 8位 的 并 行 I/O端 口 ， 分别 为 P0、 P1、 P2和 P3， 共 32条 I/O线 。 这 些 I/O端口 是 双 向 I/O端 口 ， 每 个 端 口 均 可 以 用 作 输 入 和 输出 。 在 程 序 中 ， 这 些 I/O端 口 分 别 对 应 4个 特 殊 功能 寄 存 器 P0、 P1、 P2和 P3。 2.7.1 并 行 I/O口 对 于 8051的 4组 8位 I/O口 来 说 ， 其 中 P1、 P2和 P3为 准 双 向 口 ， P0口 则 为 双向 三 态 输 入 输 出 口 ， 下 面 我 们 分 别 介 绍 这 几 个 端 口 的 结 构 ： 1 P0端 口 结 构 2 P1口 结 构 :P1口 一 般 用 作 通 用 I/O端 口 ， 其 可 以 用 作 位 处 理 ， 各 位 都 可以 单 独 输 出 或 输 入 信 息 。 3 P2口 结 构 :P2口 可 以 当 作 普 通 I/O口 ， 也 可 以 在 系 统 外 部 扩 展 存 储 器 的时 候 ， 输 出 高 8位 的 地 址 。 4 P3口 内 部 结 构 :P3端 口 是 一 个 具 有 第 二 变 异 功 能 、 且 可 位 操 作 的 端 口 。P3口 的 内 部 结 构 ， 如 图 所 示 ， 其 可 以 有 两 种 用 途 ： 当 作 为 普 通 I/O端 口 时 ， P3口 可 以 进 行 位 操 作 ， 是 准 双 向 端 口 ， 可 以 驱 动 4个 LSTTL负 载 。 当 系 统 需 要 扩 展 外 部 器 件 时 ， P3口 可 以 作 为 第 二 变 异 功 能 使 用 。 2.7.2 并 行 I/O口 的 应 用 单 片 机 4个 8位 I/O端 口 的 不 同 结 构 ， 决 定 了 各 自 的 应 用 范 围 。例 如 ， 在 一 些 复 杂 的 应 用 系 统 中 ， 只 用 一 个 单 片 机 很 难 达到 系 统 的 要 求 ， 经 常 需 要 外 部 功 能 扩 展 。 因 此 ， 单 片 机 的P0口 和 P2口 常 用 于 组 成 16位 地 址 总 线 。 P0口 用 作 8位 数 据 总线 ， P3口 由 于 其 特 有 的 第 二 变 异 功 能 ， 因 此 常 用 于 传 输 和控 制 等 ， 只 有 P1口 可 以 真 正 的 用 于 I/O操 作 。 另 外 ， 在 单 片 机 应 用 时 ， P0口 需 要 外 加 上 拉 电 阻 ， 而 P1口 、P2口 和 P3口 内 部 设 置 有 上 拉 电 阻 ， 不 用 外 加 。 这 4个 I/O端口 均 为 准 双 向 I/O端 口 ， 其 驱 动 能 力 不 同 ， P0口 的 驱 动 能 力最 强 ， 可 以 驱 动 8个 LSTTL负 载 ， 其 余 3个 端 口 只 能 驱 动 4个LSTTL负 载 。 还 有 一 个 需 要 强 调 的 是 ， 这 些 端 口 都 有 两 种 读 取 方 式 ： 读锁 存 器 和 读 引 脚 。 这 是 因 为 在 I/O端 口 中 ， 锁 存 器 内 容 和 引 脚 上 的 内 容 有 可 能 不 一 致 。 2.7.3 并 行 I/O口 的 扩 展 虽 然 51系 列 单 片 机 提 供 了 4个 8位 的 并 行 I/O口 用 于核 外 部 设 备 进 行 数 据 通 信 及 控 制 ， 但 是 这 些 I/O一般 不 能 完 全 用 于 输 入 输 出 操 作 。 例 如 ， 很 多 时 候 都 需 要 扩 展 外 部 程 序 存 储 器 或 数据 存 储 器 ， 此 时 P0口 和 P2口 便 用 作 数 据 和 地 址 总线 ， 提 供 给 用 户 的 I/O端 口 只 有 P1口 和 P3口 。 如 果再 使 用 串 行 通 信 或 者 外 部 中 断 功 能 时 ， 则 可 使 用的 I/O口 便 更 少 。 因 此 ， 在 单 片 机 的 系 统 设 计 中 ，经 常 需 要 扩 展 I/O口 。 1 并 行 I/O口 的 原 理 2 并 行 I/O扩 展 实 例 2.8 系 统 掉 电 保 护 和 低 功 耗 设 计 对 于 一 个 完 善 的 单 片 机 应 用 系 统 ， 为 了 保 证 其 能够 安 全 的 运 行 ， 以 及 减 少 功 耗 等 ， 需 要 考 虑 进 行掉 电 保 护 和 采 用 低 功 耗 的 工 作 方 式 。 2.8.1 掉 电 保 护 掉 电 保 护 电 路 需 要 完 成 的 工 作 是 ， 由 电 压 检 测 电路 检 测 到 电 源 电 压 下 降 时 ， 触 发 外 部 中 断 或 ， 在中 断 服 务 子 程 序 中 讲 外 部 RAM中 的 有 用 数 据 送 入 内部 RAM保 存 。 然 后 切 换 备 用 电 源 。 在 单 片 机 工 作 的 时 候 ， 如 果 突 然 电 源 中 断 或 电 源电 压 不 稳 ， 都 有 可 能 造 成 单 片 机 停 止 工 作 。 此 时 。单 片 机 RAM中 的 数 据 以 及 各 种 寄 存 器 的 状 态 都 将 丢失 。 等 到 电 源 恢 复 的 时 候 ， 单 片 机 便 重 新 进 入 新的 一 次 执 行 。 对 于 一 些 比 较 重 要 的 系 统 ， 一 般 不允 许 。 这 就 需 要 进 行 掉 电 保 护 ， 将 一 些 重 要 的 数据 保 护 起 来 或 者 切 换 到 备 用 电 源 。 2.8.2 低 功 耗 设 计 在 野 外 ， 特 别 是 电 池 供 电 的 系 统 中 ， 能 源 的 消 耗 是 个 需 要着 重 考 虑 的 问 题 ， 这 时 都 希 望 单 片 机 应 用 系 统 能 低 功 耗 运行 ， 使 系 统 的 使 用 时 间 得 到 提 高 。 AT89S52单 片 机 提 供 了 两种 低 功 耗 工 作 模 式 ： 省 电 保 持 模 式 和 休 眠 运 行 模 式 。 下 面分 别 进 行 介 绍 。 1 省 电 保 持 模 式 省 电 保 持 模 式 是 将 内 部 振 荡 器 停 止 工 作 ， 此 时 CPU由 于 没 有了 时 钟 信 号 ， 因 此 内 部 所 有 的 功 能 部 件 均 停 止 工 作 。 但 是内 部 RAM和 全 部 的 特 殊 功 能 寄 存 器 的 数 据 将 被 保 存 。 2 休 眠 运 行 模 式 休 眠 运 行 模 式 是 保 持 内 部 振 荡 器 仍 然 运 行 ， 只 是 送 往 CPU内部 的 时 钟 信 号 被 封 锁 ， CPU被 冻 结 ， 但 内 部 时 钟 信 号 仍 然 供给 中 断 、 串 行 口 、 定 时 /计 数 器 等 。 CPU内 部 状 态 ， 如 堆 栈指 针 SP、 程 序 计 数 器 PC、 程 序 状 态 字 PSW、 累 加 器 A以 及 所有 其 他 寄 存 器 均 保 持 冻 结 前 的 内 容 不 变 ， 各 端 口 的 状 态 也 保 持 不 变 ， 片 内 RAM中 的 数 据 不 丢 失 ， 外 部 设 备 也 可 以 正 常运 行 。 2.9 51系 列 单 片 机 的 最 小 系 统 单 片 机 的 最 小 系 统 是 单 片 机 能 够 工 作 的 最 小 硬 件 组 合 。 对 于 8051系 列 单 片 机 及 其 兼 容 的 型 号 ， 其 电 路 的 最 小 系 统 大 致 相 同 ， 主 要包 括 电 源 、 晶 体 振 荡 器 、 复 位 电 路 等 。 这 里 以 AT89S52为 例 ， 介 绍典 型 的 51系 列 单 片 机 最 小 硬 件 电 路 ， 如 图 所 示 。 2.10 小 结 本 章 详 细 介 绍 了 51系 列 单 片 机 的 基 本 结 构 ， 包 括单 片 机 的 内 部 结 构 、 引 脚 功 能 、 中 央 处 理 器 CPU、存 储 器 的 结 构 、 单 片 机 的 复 位 、 单 片 机 工 作 的 时钟 和 时 序 、 并 行 I/O端 口 的 结 构 和 性 能 以 及 单 片 机系 统 的 掉 电 保 护 和 低 功 耗 设 计 。 最 后 ， 还 给 出 了一 个 典 型 的 单 片 机 最 小 系 统 。 本 章 在 讲 述 的 时 候 ，不 仅 停 留 在 基 本 的 8051的 介 绍 ， 还 介 绍 了 目 前 新推 出 的 高 性 能 单 片 机 AT89S52。 这 样 便 于 读 者 在 学习 基 础 知 识 的 同 时 ， 还 可 以 了 解 最 新 的 单 片 机 的性 能 和 使 用 等 。