2.1 8051單片機的引腳功能與內部結構

2.1.1 引腳功能說明

8051單片機有40個引腳，各引腳功能標注如圖2-1所示。8051單片機的引腳可分為3類，分別是基本工作條件引腳、I/O（輸入輸出）引腳和控制引腳。

1. 基本工作條件引腳

單片機的基本工作條件引腳有電源引腳、復位引腳和時鐘引腳，只有具備了基本工作條件，單片機才能開始工作。

（1）電源引腳

40腳（VCC）為電源正極引腳，20腳（VSS或GND）為電源負極引腳。VCC引腳接5V電源的正極，VSS或GND引腳接5V電源的負極（即接地）。

（2）復位引腳

9腳（RST/VPD）為復位引腳。

在單片機接通電源后，內部很多電路狀態混亂，需要復位電路為它們提供復位信號，使這些電路進入初始狀態，然后才開始工作。8051單片機采用高電平復位，當RST引腳輸入高電平（持續時間需超過24個時鐘周期）時，即可完成內部電路的復位。

9腳還具有掉電保持功能，為了防止掉電使單片機內部RAM的數據丟失，可在該腳再接一個備用電源，掉電時，由備用電源為該腳提供4.5～5.5V電壓，可保持RAM的數據不會丟失。

（3）時鐘引腳

18、19引腳（XTAL2、XTAL1）為時鐘引腳。

單片機內部有大量的數字電路，這些數字電路工作時需要時鐘信號進行控制，才能有次序、有節拍地工作。單片機XTAL2、XTAL1引腳外接的晶振及電容與內部的振蕩器構成時鐘電路，產生時鐘信號供給內部電路使用；另外，也可以由外部其它的電路提供時鐘信號，外部時鐘信號通過XTAL2引腳送入單片機，此時XTAL1引腳懸空。

2. I/O（輸入/輸出）引腳

8051單片機有P0、P1、P2和P3共4組I/O端口，每組端口有8個引腳，P0端口8個引腳編號為P0.0～P0.7，P1端口8個引腳編號為P1.0～P1.7，P2端口8個引腳編號為P2.0～P2.7，P3端口8個引腳編號P3.0～P3.7。

（1）P0端口

P0端口（P0.0～P0.7）的引腳號為39～32，其功能如下。

① 用作I/O端口，既可以作為8個輸入端，也可作為8個輸出端；

② 用作16位地址總線中的低8位地址總線。當單片機外接存儲器時，會從這些引腳輸出地址（16位地址中的低8位）來選擇外部存儲器的某些存儲單元。

③ 用作8位數據總線。當單片機外接存儲器并需要讀寫數據時，先讓這些引腳成為8位地址總線，從這些引腳輸出低8位地址，與P2.0～P2.7引腳同時輸出的高8位地址組成16位地址，選中外部存儲器的某個存儲單元，然后單片機讓這些引腳轉換成8位數據總線，通過這8個引腳往存儲單元寫入8位數據或從這個存儲單元將8位數據讀入單片機。

（2）P1端口

P1端口（P1.0～P1.7）的引腳號為1～8，它只能用作I/O端口，可以作為8個輸入端，也可作為8個輸出端。

（3）P2端口

P2端口（P2.0～P2.7）的引腳號為21～28，其功能如下。

① 用作I/O端口，可以作為8個輸入端，也可作為8個輸出端；

② 用作16位地址總線中的高8位地址總線。當單片機外接存儲器時，會從這些引腳輸出高8位地址，與P0.0～P0.7引腳同時輸出的低8位地址組成16位地址，選中外部存儲器的某個存儲單元，然后單片機通過P0.0～P0.7引腳往選中的存儲單元讀寫數據。

（4）P3端口

P3端口（P3.0～P3.7）的引腳號為10～17，除了可以用作I/O端口，各個引腳還具有其他功能，具體說明如下。

P3.0（RXD）——串行數據接收端。外部的串行數據可由此腳進入單片機。

P3.1（TXD）——串行數據發送端。單片機內部的串行數據可由此腳輸出，發送給外部電路或設備。

P3.2（）——外部中斷信號0輸入端。

P3.3（）——外部中斷信號1輸入端。

P3.4（T0）——定時器/計數器T0的外部信號輸入端。

P3.5（T1）——定時器/計數器T1的外部信號輸入端。

P3.6（）——寫片外RAM的控制信號輸出端。

P3.7（）——讀片外RAM的控制信號輸出端。

P0、P1、P2、P3端口具有多種功能，具體應用哪一種功能，由單片機根據內部程序自動確定。需要注意的是，在某一時刻，端口的某一引腳只能用作一種功能。

3. 控制引腳

控制引腳的功能主要有：當單片機外接存儲器（RAM或ROM）時，通過控制引腳控制外接存儲器，使單片機能像使用內部存儲器一樣使用外接存儲器；在向單片機編程（即向單片機內部寫入編好的程序）時，編程器通過有關控制引腳使單片機進入編程狀態，然后將程序寫入單片機。

8051單片機的控制引腳的功能說明如下。

（31腳）：內、外部ROM（程序存儲器）選擇控制端/編程電壓輸入端。

當EA=1（高電平）時，單片機使用內、外部ROM，先使用內部ROM，超出范圍時再使用外部ROM；當EA=0（低電平）時，單片機只使用外部ROM，不會使用內部ROM。在用編程器往單片機寫入程序時，要在該腳加12～25V的編程電壓，才能將程序寫入單片機內部ROM。

（29腳）：片外ROM選通控制端。當單片機需要從外部ROM讀取程序時，會從該腳輸出低電平到外部ROM，外部ROM才允許單片機從中讀取程序。

（30腳）：片外低8位地址鎖存控制端/編程脈沖輸入端。單片機在讀寫片外RAM或讀片外ROM時，該引腳會送出ALE脈沖信號，將P0.0～P0.7引腳輸出低8位地址鎖存在外部的鎖存器中，然后讓P0.0～P0.7引腳輸出8位數據，即讓P0.0～P0.7引腳先作地址輸出端，再作數據輸出端。在通過編程器將程序寫入單片機時，編程器會通過該腳往單片機輸入編程脈沖。

2.1.2 單片機與片外存儲器的連接與控制

8051單片機內部RAM（可讀寫存儲器，也稱數據存儲器）的容量為256B（含特殊功能寄存器），內部ROM（只讀存儲器，也稱程序存儲器）的容量為4KB，如果單片機內部的RAM或ROM容量不夠用，可以外接RAM或ROM。在8051單片機與片外RAM或片外ROM連接時，使用P0.0～P0.7和P2.0～P2.7引腳輸出16位地址，可以最大尋址216=65536=64K個存儲單元，每個存儲單元可以存儲1個字節（1Byte），也就是8位二進制數（8bit），即1Byte=8bit，故8051單片機外接RAM或ROM容量最大不要超過64KB，超出范圍的存儲單元無法識別。

8051單片機與片外RAM連接如圖2-2所示。

當單片機需要從片外RAM讀寫數據時，會從P0.0～P0.7引腳輸出低8位地址（如00000011），再通過8路鎖存器送到片外RAM的A0～A7引腳，它與P2.0～P2.7引腳輸出并送到片外RAM的A8～A15引腳的高8位地址一起拼成16位地址，從216個存儲單元中選中某個存儲單元。如果單片機要往片外RAM寫入數據，會從WR引腳送出低電平到片外RAM的WE腳，片外RAM被選中的單元準備接收數據，與此同時，單片機的ALE端送出ALE脈沖信號去鎖存器的C端，將1Q～8Q端與1D～8D端隔離開，并將1Q～8Q端的地址鎖存起來（保持輸出不變），單片機再從P0.0～P0.7引腳輸出8位數據，送到片外RAM的D0～D7引腳，存入內部選中的存儲單元。如果單片機要從片外RAM讀取數據，同樣先發出地址選中片外RAM的某個存儲單元，并讓RD端輸出低電平去片外RAM的OE端，再將P0.0～P0.7引腳輸出低8位地址鎖存起來，然后讓P0.0～P0.7引腳接收片外RAM的D0～D7引腳送來的8位數據。

如果外部存儲器是ROM（只讀存儲器），單片機不使用WR端和RD端，但會用到PSEN端，并將PSEN引腳與片外ROM的OE引腳連接起來，在單片機從片外ROM讀數據時，會從PSEN引腳送出低電平到片外ROM的OE引腳，除此以后，單片機讀片外ROM的過程與片外RAM基本相同。

圖2-2所示的8051單片機與片外存儲器連接線有地址總線（AB）、數據總線（DB）和控制總線（CB），地址總線由A0～A15共16根線組成，最大可尋址216=65536個存儲單元，數據總線由D0～D7共8根線組成（與低8位地址總線分時使用），一次可存取8位二進制數（即一個字節），控制總線由RD、WR和ALE共3根線組成。單片機在執行到讀寫片外存儲器的程序時，會自動按一定的時序發送地址和控制信號，再讀寫數據，無需人工編程參與。

2.1.3 內部結構說明

8051單片機內部結構如圖2-3所示，從圖中可以看出，單片機內部主要由CPU、電源電路、時鐘電路、復位電路、ROM（程序存儲器）、RAM（數據存儲器）、中斷控制器、串行通信口、定時器計數器、P0～P3端口的輸入輸出電路和鎖存器組成。

1. CPU

CPU又稱中央處理器（Central Processing Unit），主要由算術/邏輯運算器（ALU）和控制器組成。單片機在工作時，CPU會按先后順序從ROM（程序存儲器）的第一個存儲單元（0000H單元）開始讀取程序指令和數據，然后按指令要求對數據進行算術（如加運算）或邏輯運算（如與運算），運算結果存入RAM（數據存儲器），在此過程中，CPU的控制器會輸出相應的控制信號，以完成指定的操作。

2. 時鐘電路

時鐘電路的功能是產生時鐘信號送給單片機內部各電路，控制這些電路使之有節拍地工作。時鐘信號頻率越高，內部電路工作速度越快。

時鐘信號的周期稱為時鐘周期（也稱振蕩周期）。兩個時鐘周期組成一個狀態周期（S），它分為P1、P2兩個節拍，P1節拍完成算術、邏輯運算，P2節拍傳送數據。6個狀態周期組成一個機器周期（12個時鐘周期），而執行一條指令一般需要1～4個機器周期（12～48個時鐘周期）。如果單片機的時鐘信號頻率為12MHz，那么時鐘周期為1/12μs，狀態周期為1/6μs，機器周期為1μs，指令周期為1～4μs。

3. ROM（程序存儲器）

ROM（程序存儲器）又稱只讀存儲器，是一種具有存儲功能的電路，斷電后存儲的信息不會消失。ROM主要用來存儲程序和常數，用編程軟件編寫好的程序經編譯后寫入ROM。

ROM主要有下面幾種。

（1）Mask ROM（掩膜只讀存儲器）

Mask ROM中的內容由廠家生產時一次性寫入，以后不能改變。這種ROM成本低，適用于大批量生產。

（2）PROM（可編程只讀存儲器）

新的PROM沒有內容，可將程序寫入內部，但只能寫一次，以后不能更改。如果PROM在單片機內部，PROM中的程序寫錯了，整個單片機便不能使用。

（3）EPROM（紫外線可擦寫只讀存儲器）

EPROM是一種可擦寫的PROM，采用EPROM的單片機上面有一塊透明的石英窗口，平時該窗口被不透明的標簽貼封，當需要擦除EPROM內部的內容時，可撕開標簽，再用紫外線照射透明窗口15～30min，即可將內部的信息全部擦除，然后重新寫入新的信息。

（4）EEPROM（電可擦寫只讀存儲器）

EEPROM也稱作E2PROM或E2PROM，是一種可反復擦寫的只讀存儲器，但它不像EPROM需要用紫外線來擦除信息，這種ROM只要加適當的擦除電壓，就可以輕松快速地擦除其中的信息，然后重新寫入信息。EEPROM反復擦寫可達1000次以上。

（5）Flash Memory（快閃存儲器）

Flash Memory簡稱閃存，是一種長壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲的數據信息）的存儲器，數據刪除不是以單個字節為單位，而是以固定的區塊（扇區）為單位，區塊大小一般為256KB到20MB。

Flash Memory是EEPROM的變種，兩者的區別主要在于，EEPROM能在字節水平上進行刪除和重寫，而大多數Flash Memory需要按區塊擦除或重寫。由于Flash Memory斷電時仍能保存數據，且數據擦寫方便，故使用非常廣泛（如手機、數碼相機使用的存儲卡）。STC89C5x系列51單片機就采用Flash Memory作為程序存儲器。

4. RAM（數據寄存器）

RAM（數據寄存器）又稱隨機存取存儲器，也稱可讀寫存儲器）。RAM的特點是：可以存入信息（稱作寫），也可以將信息取出（稱作讀），斷電后存儲的信息會全部消失。RAM可分為DRAM（動態存儲器）和SRAM（靜態存儲器）。

DRAM的存儲單元采用了MOS管，它利用MOS管的柵極電容來存儲信息，由于柵極電容容量小且漏電，故柵極電容保存的信息容易消失，為了避免存儲的信息丟失，必須定時給柵極電容重寫信息，這種操作稱為“刷新”，故DRAM內部要有刷新電路。DRAM雖然要有刷新電路，但其存儲單元結構簡單、使用元件少、功耗低，且集成度高、單位容量價格低，因此需要大容量RAM的電路或電子產品（如計算機的內存條）一般采用DRAM作為RAM。

SRAM的存儲單元由具有記憶功能的觸發器構成，它具有存取速度快、使用簡單、不需刷新、靜態功耗極低等優點，但元件數多、集成度低、運行時功耗大，單位容量價格高，因此需要小容量RAM的電路或電子產品（如單片機）一般采用SRAM作為RAM。

5. 中斷控制器

當CPU正在按順序執行ROM中的程序時，若INT0（P3.2）或INT1（P3.3）端送入一個中斷信號（一般為低電平信號），如果編程時又將中斷設為允許，中斷控制器馬上發出控制信號讓CPU停止正在執行的程序，轉而去執行ROM中已編寫好的另外的某段程序（中斷程序），中斷程序執行完成后，CPU又返回執行先前中斷的程序。

8051單片機中斷控制器可以接受5個中斷請求：INT0和INT1端發出的兩個外部中斷請求、T0、T1定時器/計數器發出的兩個中斷請求和串行通信口發出的中斷請求。

要讓中斷控制器響應中斷請求，先要設置允許總中斷，再設置允許某個或某些中斷請求有效，若允許多個中斷請求有效，還要設置優先級別（優先級別高的中斷請求先響應），這些都是通過編程來設置，另外還需要為每個允許的中斷編寫相應的中斷程序，比如允許INT0和T1的中斷請求，就需要編寫INT0和T1的中斷程序，以便CPU響應INT0請求馬上執行INT0中斷程序、響應T1請求馬上執行T1中斷程序。

6. 定時器/計數器

定時器/計數器是單片機內部具有計數功能的電路，可以根據需要將它設為定時器或計數器。如果要求CPU在一段時間（如5ms）后執行某段程序，可讓定時器/計數器工作在定時狀態，定時器/計數器開始計時，當計到5ms后馬上產生一個請求信號送到中斷控制器，中斷控制器則輸出信號讓CPU停止正在執行的程序，轉而去執行ROM中特定的某段程序。

如果讓定時器/計數器工作在計數狀態，可以從單片機的T0或T1引腳輸入脈沖信號，定時器/計數器開始對輸入的脈沖進行計數，當計數到某個數值（如1 000）時，馬上輸出一個信號送到中斷控制器，讓中斷控制器控制CPU去執行ROM中特定的某段程序（如讓P0.0引腳輸出低電平點亮外接LED燈的程序）。

7. 串行通信口

串行通信口是單片機與外部設備進行串行通信的接口。當單片機要將數據傳送給外部設備時，可以通過串行通信口將數據由TXD端輸出；外部設備送來的數據可以從RXD端輸入，通過串行通信口將數據送入單片機。

串行是指數據傳遞的一種方式，串行傳遞數據時，數據是按一位一位傳送的。

8. P0～P3輸入/輸出電路和鎖存器

8051單片機有P0～P34組端口，每組端口有8個輸入/輸出引腳，每個引腳內部都有一個輸入電路、一個輸出電路和一個鎖存器。以P0.0引腳為例，當CPU根據程序需要讀取P0.0引腳輸入信號時，會往P0.0端口發出讀控制信號，P0.0端口的輸入電路工作，P0.0引腳的輸入信號經輸入電路后，分作兩路，一路進入P0.0鎖存器保存下來，另一路送給CPU；當CPU根據程序需要從P0.0引腳輸出信號時，會往P0.0端口發出寫控制信號，同時往P0.0鎖存器寫入信號，P0.0鎖存器在保存信號的同時，會將信號送給P0.0輸出電路（寫P0.0端口時其輸入電路被禁止工作），P0.0輸出電路再將信號P0.0引腳送出。

P0～P3端口的每個引腳都有兩個或兩個以上的功能，在同一時刻一個引腳只能用作一個功能，用作何種功能由程序決定。例如，當CPU執行到程序的某條指令時，若指令是要求讀取某端口引腳的輸入信號，CPU執行該指令時會發出讀控制信號，讓該端口電路切換到信號輸入模式（輸入電路允許工作，輸出電路被禁止），再讀取該端口引腳輸入的信號。