单片机内部结构详解(以MCS-51为例)

MCS-51单片机结构

MCS-51系列单片机产品有8051，8031，8751，80C51，80C31等型号（前三种为CMOS芯片，后两种为CHMOS芯片）。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。8051内部设有4K字节的掩模ROM程序存储器，8031片内没有程序存储器，而8751是将8051片内的ROM换成EPROM。由ATMEL公司生产的89C51将EPROM改成了4K的闪速存储器，他们的结构大同小异，本章将对8051单片机的结构作一介绍。

2．1  MCS-51单片机内部结构
2.1.1、 MCS-51单片机组成

MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。MCS-51单片机内包含下列几个部件：
◆ 一个8位CPU；
◆ 一个片内振荡器及时钟电路；
◆ 4K字节ROM程序存储器；
◆ 128字节RAM数据存储器；
◆ 两个16位定时器/计数器；
◆ 可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路；
◆ 32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；
◆ 一个可编程全双工串行口；
◆ 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。

8051单片机框图如图2-1所示。各功能部件由内部总线联接在一起。 
图中4K（4096）字节的ROM存储器部分用EPROM替换就成为8751；图中去掉ROM部分就成为8031的结构图。

1、 CPU
 
   CPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。
⑴ 运算器 
  运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节（4位）、单字节等数据进行操作。例如能完成加、

减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算和与、或、异或、求补、循环等逻辑操作，操作

结果的状态信息送至状态寄存器。
8051运算器还包含有一个布尔处理器，用来处理位操作。它是以进位标志位C为累加器的，可执行置位、复位

、取反、等于1转移、等于0转移、等于1转移且清0以及进位标志位与其他可寻址的位之间进行数据传送等位操

作。也能使进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。

1. 程序计数器PC

程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64K程序存储器直接寻址。执行指令时，PC内容的

低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。

1. 令寄存器

指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。

1. 定时与控制部件

①时钟电路
8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1和 XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端，时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式时钟电路如图2-2所示。在XTAL1和 XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振可以在1.2MHz到12MHz之间选择，电容值在5-30PF之间选择，电容的大小可起频率微调作用。

外部方式的时钟很少用，若要用时，只要将XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器就行。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。 
时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。P1在每一个状态S的前半部分有效，P2在每个状态的后半部分有效。

②  时序


MCS-51典型的指令周期（执行一条指令的时间称为指令周期）为一个机器周期，一个机器周期由六个状态（十二振荡周期）组成。每个状态又被分成两个时相P1和P2。所以，一个机器周期可以依次表示为S1P1，S1P2……，S6P1，S6P2。通常算术逻辑操作在P1时相进行，而内部寄存器传送在P2时相进行。 
图2-3给出了8051单片机的取指和执行指令的定时关系。这些内部时钟信号不能从外部观察到，所用XTAL2振荡信号作参考。在图中可看到，低8位地址的锁存信号ALE在每个机器周期中两次有效：一次在S1P2与S2P1期间，另一次在S4P2与S5P1期间。

对于单周期指令，当操作码被送入指令寄存器时，便从S1P2开始执行指令。如果是双字节单机器周期指令，则在同一机器周期的S4期间读入第二个字节，若是单字节单机器周期指令，则在S4期间仍进行读，但所读的这个字节操作码被忽略，程序计数器也不加1，在S6P2结束时完成指令操作。图2-3的(a)和(b)给出了单字节单机器周期和双字节单机器周期指令的时序。8051指令大部分在一个机器周期完成。乘（MUL）和除（DIV）指令是仅有的需要两个以上机器周期的指令，占用4个机器周期。对于双字节单机器周期指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读入两个字节，唯有MOVX指令例外。MOVX是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令。在执行MOVX指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。图2-3中(c)给出了一般单字节双机器周期指令的时序。

2、存储器

MCS-51单片机的程序存储器和数据存储器空间是互相独立的，物理结构也不同。程序存储器为只读存储器（ROM）。数据存储器为随机存取存储器（RAM）。单片机的存储器编址方式采用与工作寄存器、I/O口锁存器统一编址的方式。


3、I/O端口

I/O端口又称为I/O接口，也叫做I/O通道或I/O通路，I/O端口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能传送一位二进制信息，并行I/O端口一次能传送一组二进制信息。


⑴、并行I/O端口
MCS-51单片机设有四个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8个LSTTL电路。P1、P2、P3口为准双向口（在用作输入线时，口锁存器必须先写入“1”，故称为准双向口），负载能力为4个LSTTL电路。

1）、P0端口功能（P0.0～P0.7、32～39脚）

图2-4 是 P0口位结构，包括1个输出锁存器，2个三态缓冲器，1个输出驱动电路和1个输出控制端。输出驱动电路由一对场效应管组成，其工作状态受输出端的控制，输出控制端由1个与门、1个反相器和1个转换开关MUX组成。对8051/8751来讲P0口既可作为输入输出口，又可作为地址/数据总线使用，

① P0口作地址/数据复用总线使用 
若从P0口输出地址或数据信息，此时控制端应为高电平，转换开关MUX将反相器输出端与输出级场效应管V2接通，同时与门开锁，内部总线上的地址或数据信号通过与门去驱动V1管，又通过反相器去驱动V2管，这时内部总线上的地址或数据信号就传送到P0口的引脚上。工作时低8位地址与数据线分时使用P0口。低8位地址由ALE信号的负跳变使它锁存到外部地址锁存器中，而高8位地址由P2口输出（P0口和P2口的地址/数据总线功能，请阅第八章MCS-51扩展技术）。

② P0口作通用I/O端口使用 
对于有内部ROM的单片机，PO口也可以作通用I/O，此时控制端为低电平，转换开关把输出级与锁存器的Q端接通，同时因与门输出为低电平，输出级V1管处于截止状态，输出级为漏极开路电路，在驱动NMOS电路时应外接上拉电阻；作输入口用时，应先将锁存器写“1”，这时输出级两个场效应管均截止，可作高阻抗输入，通过三态输入缓冲器读取引脚信号，从而完成输入操作。

③ PO口线上的“读一修改一写”功能 
图2-4上面一个三态缓冲器是为了读取锁存器Q端的数据。Q端与引脚的数据是一致的。结构上这样安排是为了满足：“读一修改一写”指令的需要，这类指令的特点时：先读口锁存器，随之可能对读入的数据进行修改再写入到端口上。例如：ANL PO，A；ORL PO，A；XRL PO，A；…。 
这类指令同样适合与P1～P3口，其操作是：先将口字节的全部8位数读入，再通过指令修改某些位，然后将新的数据写回到口锁器中。

2）P1口（P1.0～P1.7、1～8脚）准双向口
① P1口作通用I/O端口使用
P1口是一个有内部上拉电阻的准双向口，位结构入图2-5所示，P1口的每一位口线能独立用作输入线或输出线。作输出时，如将“0”写入锁存器，场效应管导通，输出线为低电平，即输出为“0”。因此在作输入时，必须先将“1”写入口锁存器，使场效应管截止。该口线由内部上拉电阻提拉成高电平，同时也能被外部输入源拉成低电平，即当外部输入“1”时该口线为高电平，而输入“0”时，该口线为低电平。P1口作输入时，可被任何TTL电路和MOS电路驱动，由于具有内部上拉电阻，也可以直接被集电极度开路和漏极开路电路驱动，不必外加上拉电阻。P1口可驱动4个LSTTL门电路。

② P1口其他功能
P1口在EPROM编程和验证程序时，它输入低8位地址；在8032/8052系列中P1.0
和P1.1是多功能的，P1.0可作定时器/计数器2的外部计数触发输入端T2，P1.1可作定时器/计数器2的外部控制输入端T2EX。

3） P2口（P2.0～P2.7，21～28脚）准双向口 
P2口的位结构如图2-6所示，引脚上拉电阻同P1口。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。

① P2口作通用I/O端口使用 
 当P2口作通用I/O端口使用时，是一个准双向口，此时转换开关MUX倒向左边，输出级与锁存器接通，引脚可接I/O设备，其输入输出操作与P1口完全相同。
② P2口作地址总线口使用 
        当系统中接有外部存储器时，P2口用于输出高8位地址A15～A8。这时在CPU的控制下，转换开关MUX倒向右边，接通内部地址总线。P2口的口线状态取决于片内输出的地址信息，这些地址信息来源于PCH、DPH等。在外接程序存储器的系统中，由于访问外部存储器的操作连续不断,P2口不断送出地址高8位。例如，在8031构成的系统中，P2口一般只作地址总线口使用，不再作I/O端口直接连外部设备。

        在不接外部程序存储器而接有外部数据存储器的系统中，情况有所不同。若外接数据存储器容量为256B，则可使用MOVX  A，@Ri类指令由PO口送出8位地址，P2口上引脚的信号在整个访问外部数据存储器期间也不会改变，故P2口仍可作通用I/O端口使用。若外接存储器容量较大，则需用MOVX A，@DPTR类指令,由PO口和P2口送出16位地址。在读写周期内，P2口引脚上将保持地址信息，但从结构可知，输出地址时，并不要求P2口锁存器锁存“1”，锁存器内容也不会在送地址信息时改变。故访问外部数据存储器周期结束后，P2口锁存器的内容又会重新出现在引脚上。这样，根据访问外部数据存储器的频繁程度，P2口仍可在一定限度内作一般I/O端口使用。P2口可驱动4个LSTTL门电路。

4） P3口（P3.0～P3.7、10～17脚）双功能口
        P3口是一个多用途的端口，也是一个准双向口，作为第一功能使用时，其功能同P1口。P3口的位结构如图 2-7。

        当作第二功能使用时，每一位功能定义如表2-1所示。P3口的第二功能实际上就是系统具有控制功能的控制线。此时相应的口线锁存器必须为“1”状态，与非门的输出由第二功能输出线的状态确定，从而P3口线的状态取决于第二功能输出线的电平。在P3口的引脚信号输入通道中有两个三态缓冲器，第二功能的输入信号取自第一个缓冲器的输出端，第二个缓冲器仍是第一功能的读引脚信号缓冲器。P3口可驱动4个LSTTL门电路。

 表 2-1  P3口的第二功能

端  口  功  能	第  二  功  能
P3.0	RXD---串行输入（数据接收）口
P3.1	TXD---串行输出（数据发送）口
P3.2	---外部中断0输入线
P3.3	---外部中断1输入线
P3.4	T0  ---定时器0外部输入
P3.5	T1  ---定时器1外部输入
P3.6	---外部数据存储器写选通信号输出
P3.7	---外部数据存储器读选通信号输入

每个I/O端口内部都有一个八位数据输出锁存器和一个八位数据输入缓冲器，四个数据输出锁存器与端口号P0、P1、P2和P3同名，皆为特殊功能寄存器。因此，CPU数据从并行I/O端口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲。

  四个并行I/O端口作为通用I/O口使用时，共有写端口、读端口和读引脚三种操作方式。写端口实际上就是输出数据，是将累加器A或其它寄存器中数据传送到端口锁存器中，然后由端口自动从端口引脚线上输出。读端口不是真正的从外部输入数据，而是将端口锁存器中输出数据读到CPU的累加器。读引脚才是真正的输入外部数据的操作，是从端口引脚线上读入外部的输入数据。端口的上述三种操作实际上是通过指令或程序来实现的，这些将在以后章节中详细介绍。

⑵、串行I/O端口

8051有一个全双工的可编程串行I/O端口。这个串行I/O端口既可以在程序控制下将CPU的八位并行数据变成串行数据一位一位地从发送数据线TXD发送出去，也可以把串行接收到的数据变成八位并行数据送给CPU，而且这种串行发送和串行接收可以单独进行，也可以同时进行。
8051串行发送和串行接收利用了P3口的第二功能，即利用P3.1 引脚作为串行数据的发送线TXD和P3.0引脚作为串行数据的接收线RXD，如表2-1所示。串行I/O口的电路结构还包括串行口控制器SCON、电源及波特率选择寄存器PCON和串行数据缓冲器SBUF等，它们都属于特殊功能寄存器SFR。其中PCON和SCON用于设置串行口工作方式和确定数据的发送和接收波特率，SBUF实际上由两个八位寄存器组成，一个用于存放欲发送的数据，另一个用于存放接收到的数据，起着数据的缓冲作用。
 
4、总线

MCS-51单片机属总线型结构，通过地址/数据总线可以与存储器（RAM、EPROM）、并行I/O接口芯片相连接。
  在访问外部存储器时，P2口输出高8位地址，P0口输出低8位地址，由ALE（地址锁存允许）信号将P0口（地址/数据总线）上的低8位锁存到外部地址锁存器中，从而为P0口接受数据作准备。
  在访问外部程序存储器（即执行MOVX）指令时，PSEN（外部程序存储器选通）信号有效，在访问外部数据存储器（即执行MOVX）指令时，由P3口自动产生读/写（/）信号，通过P0口对外部数据存储器单元进行读/写操作。
MCS-51单片机所产生的地址、数据和控制信号与外部存储器、并行I/O接口芯片连接简单、方便。