51单片机引脚及内部结构详解

51单片机引脚及内部结构详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_20091631/article/details/145538446

51单片机是一种广泛使用的嵌入式系统控制芯片，其内部结构和引脚功能对于理解和开发基于该芯片的系统至关重要。本文详细介绍了51单片机的外部引脚、内部CPU结构以及存储器系统，包括程序存储器、外部数据存储器和内部数据存储器的组织方式。

1、外部引脚

1. 主电源引脚：

• VCC(40)：接+5V电源，提供单片机的工作电压。
• GND(20)：接地。

1. 时钟引脚：

• XTAL1(19)：内部振荡器的反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。
• XTAL2(18)：内部振荡器的反相放大器的输出端，是外接晶体的另一端。当采用外部震荡器时，此引脚接外部振荡源。

1. I/O口引脚：

• P0.0-P0.7(39-32)：双向8位三态I/O口，每个口可以独立控制，其内部没有上拉电阻，不能正常输出高低电平，使用时需要外接上拉电阻（一般选择10kΩ的上拉电阻）。在访问外部存储器时，分时传送地址低位字节和数据总线。
• P1.0-P1.7(1-8)：准双向8位I/O口，每个口可以独立控制，内带上拉电阻。该口作为输入使用前要先向该口进行写1操作，然后单片机内部才能正确读出外部信号，因此称为准双向口。
• P2.0-P2.7(21-28)：准双向8位I/O口，每个口可以独立控制，内带上拉电阻。在访问外部存储器时，输出高8位地址。
• P3.0-P3.7(10-17)：准双向8位I/O口，每个口可以独立控制，内带上拉电阻。作为第一功能使用时，可当做普通I/O口使用；作为第二功能使用时，各引脚定义如表所示。P3口的每一个引脚均可独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能。

1. 编程控制引脚：

• RST(9)：单片机复位引脚，当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，使单片机复位。复位后程序计数器PC=0000H，即从头开始执行程序。
• PSEN(29)：外部程序存储器读选通信号，读取外部程序存储器时低电平有效。外接ROM时，与ROM的OE引脚连接。
• 内部ROM读取时，PSEN不激发；
• 外接ROM读取时，PSEN在每个机器周期激发两次；
• 外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过，不会输出。
• ALE/PROG(30)：地址锁存允许信号。在单片机扩展外部RAM时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变，将P0口上低8位地址信号送入锁存器；当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。
  系统没有进行扩展时，ALE以1/6振荡周期的固定频率输出正脉冲信息，因此可以作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
  PROG是编程脉冲的输入端。对于内带EPROM的单片机，在对EPROM编程时，该引脚接收编程。
• EA/Vpp(31)：内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA为高电平时，访问内部程序存储器（PC小于4K）；当EA为低电平时，访问外部程序存储器。8031单片机内部没有ROM，因此该引脚一直接低电平；8051单片机烧写内部EPROM时，利用此引脚输入21V的烧写电压（Vpp）。

2、CPU

单片机通过CPU读入用户程序，并逐条执行指令。由8位算术/逻辑运算部件（ALU）、专用寄存器（A、B、PSW、SP）、程序计数器（PC）、数据指针（DPtr）和定时/控制等主要部分组成。

1. 算术/逻辑运算部件（ALU）：用来完成二进制数的四则运算和布尔代数的逻辑运算，并拥有极强的判跳、转移、丰富的数据传送、提供存放中间结果等功能。

2. 专用寄存器：包括累加器（A）、寄存器（B）、程序状态字（PSW）和堆栈指针（SP）等。

• 累加器（A）：51单片机结构的中心，在算术运算中用于存放操作数和运算结果，在逻辑操作和数据传送等指令中作为源操作数或目的操作数。
• 寄存器（B）：用于乘除法指令。与累加器配合使用，存放第二操作数、运算结果中乘积的高字节或除法的余数部分。对于其他指令，可作为暂存寄存器，存放中间结果。
• 程序状态字（PSW）：8位寄存器，反映当前指令执行的状态，为下条指令的执行提供状态条件，其具体含义如表。
• 堆栈指针（SP）：8051片内RAM为128字节，所以堆栈指针为8位寄存器，指示堆栈栈顶。有元素压栈时SP自动加一，将欲压栈的数据压入SP指向的单元；出栈时将SP指向的栈顶地址单元内数据弹出，然后SP自动减一。

1. 程序计数器（PC）：用来存放下一条将执行的指令在程序存储器中的地址，16位，可对64K程序存储器直接寻址，由两个8位寄存器PCH和PCL构成。

2. 数据指针（DPtr）：由于51单片机片外程序存储器和数据存储器空间重合，为了区分亮着，特设了一个16位的数据地址指针用于指示片外数据存储器或外设的地址。由两个8位寄存器DPH和DPL构成。

3. 定时/控制部件：时钟电路、CPU时序、复位电路（包括上电复位电路、开关复位电路）等。

3、存储器

3.1 程序存储器

程序存储器用来存放编制好且始终要保留的固定程序和表格常数，以程序计数器（PC）作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64K字节。对于内部有ROM的单片机，在正常运行时，应把EA接高电平，使程序从内部ROM开始执行；当PC值超出内部ROM容量时，会自动转向访问外部程序存储器（从PC=1000H开始），此时外部程序存储器的地址空间为1000H—FFFFH。当EA接低电平时，程序直接从外部ROM开始执行，此时外部程序存储器的地址空间为0000H—FFFFH。

51单片机扩展外部程序存储器的方法：以使用锁存器芯片74LS373扩展27128为例。在74LS373中，G是时钟信号输入端，当G为高电平时，外部数据选通道内部锁存器；负跳变时，将输入端D口上的数据锁存在输出端Q口上。OE是锁存允许信号输入端，当OE为低电平时，G端输入的时钟信号负跳变，然后锁存器数据输出到数据输出线；当OE为高电平时，输出线位高阻抗。

PSEN定时输出负脉冲作为片外存储器的选通信号。

多片EPROM的扩展电路：除片选线CE之外，其他均与单片扩展电路相同。使用74LS139选通其中一条。PC进位时，若一块地址已满，则P2.6进位，地址低位和高位均置0，PC读取下一块程序存储器的第一条指令。

3.2 外部数据存储器

访问外部数据存储器可以用16为数据存储器地址指针（DPtr），同样用P2口输出地址高8位DPH，用P0口输出地址低8位DPL，用ALE作为地址锁存信号。访问外部数据存储器的8位地址不会和访问内部数据存储器的8位地址重叠，因为单片机中访问外部RAM的指令是MOVX，而访问内部RAM的指令是MOV。

外部数据存储器的内容既可以读出又可以写入，所以在时序上将产生相应的RD和WR信号，以选通外部数据存储器。

51单片机扩展外部数据存储器的方法：以使用8282扩展62256为例。

综合扩展电路：使用74LS139译码器进行片选，采用软件控制PSEN和RD、WR信号，扩展2片2764和2片6264。

3.3 内部数据存储器

内部数据存储器由地址为00H—FFH的256个字节组成。这一空间被分为两部分，其中片内数据RAM的地址为00H—7FH，分为工作寄存器区、位寻址区和用户RAM区三个区域；特殊功能寄存器的地址为80H—FFH。

1. 工作寄存器区：地址为00H—1FH，一共有4个通用寄存器组，每个寄存器组含有8个8位寄存器，编号为R0—R7。

当前采用哪一个工作寄存器组由程序状态字中的RS0和RS1决定。在某一时刻只能选用其中一组寄存器工作，系统复位后指向工作寄存器0区。如果用户程序不需要四个工作寄存器区，则不用的工作寄存器区单元可以作为一般的RAM使用。

1. 位寻址区：地址为20H—2FH，16个字节。其中每一位都有一个位地址，位地址范围为00H—7FH，共128位。位寻址区的每一位均可由程序直接进行操作，通常把各种程序状态标志、位控制变量设置在位寻址区内。位寻址区的RAM也可以按字节操作，用作一般的数据缓冲器。

1. 用户RAM区：可用作数据缓冲区、工作单元和堆栈区。

2. 特殊功能寄存器：反映或控制了单片机的工作状态。共有21个特殊功能寄存器，它们占了128个字节中的26个。其余单元无定义，用户不能对这些单元进行读写，若对其访问则得到一个不确定的随机数。

总图：