2.3 MCS-51单片机内部结构

2.3.1 单片机内部结构

MCS-51系列单片机内部结构框图如图2-1所示。

2.3.2 单片机信号引脚

图2-2是MCS-51单片机的信号引脚图，其为标准40引脚双列直插式集成芯片，各部分引脚功能如下。

1.电源引脚

VCC（40）：电源输入端。

GND（20）：接地端。

2.外接晶振引脚

XTAL1（18）是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2（19）则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1上，而XTAL2悬空。采用内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1～24MHz内选择，如可选择12MHz、16MHz、20MHz、24MHz等。

3.复位引脚

RST/VPD（9）：在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个引脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0～P3口均置1，4个I/O口的各个引脚表现为高电平，程序计数器PC和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，单片机芯片从ROM的0000H处开始运行程序。

4.输入/输出（I/O）引脚

MCS-51单片机共有4个8位并行I/O端口，称为P0（P0.0～P0.7）、P1（P1.0～P1.7）、P2（P2.0～P2.7）和P3（P3.0～P3.7）口，每个端口都各有8条I/O口线，每条I/O口线都能独立地用做输入或输出。有关各端口内部结构将在后续内容中介绍。

5.其他的控制或复用引脚

1）（30）

当CPU访问片外存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出信号用于控制锁存P0口输出的低8位地址，从而实现P0口数据与低字节地址的分时复用。单片机上电正常工作后，即使CPU不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号（此频率是振荡器频率的1/6）。

在访问外部数据存储器时，出现一个ALE脉冲。对Flash存储器编程时，这个引脚用于输入编程脉冲PROG。

2）（29）

该引脚是片外ROM的选通信号输出端，低电平有效，以实现对片外ROM的读操作。当MCS-51单片机由片外ROM取指令或常数时，每个机器周期输出2个脉冲即2次有效。但访问片外RAM时，将不会有脉冲输出。3）（31）

该引脚为外部访问允许端。当该引脚访问片外ROM时，应输入低电平。要使MCS-51单片机只访问片外ROM（地址为0000H～FFFFH），这时该引脚必须保持低电平；而要使用片内ROM时，该引脚必须保持高电平。对Flash存储器编程时，该引脚用于施加VPP编程电压。

2.3.3 单片机时钟电路

晶振的作用：单片机要能工作，必须有一个标准时钟信号，而晶振就为单片机提供了标准时钟信号。

CPU的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。单片机的时序定时单位从小到大依次为：时钟周期、状态周期、机器周期和指令周期。

时钟周期（或称振荡周期）：时钟周期是为单片机提供时钟信号的振荡源的周期，是时序中最小的时间单位。

状态周期：状态周期是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号的周期，一个状态周期（或状态S）是振荡周期的两倍。

机器周期：一条指令的执行过程分为几个基本操作，机器周期是完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期包含6个时钟周期，也就等于12个振荡周期。

指令周期：指令周期是指CPU执行一条指令所需要的时间，是时序中的最大时间单位。由于单片机执行不同指令所需的时间不同，因此不同指令所包含的机器周期数也不相同，一个指令周期通常含有1～4个机器周期。

若MCS-51单片机外接晶振为12MHz，则单片机的4个周期的具体值为：

振荡周期=1/12μs=0.0833μs

时钟周期=1/6μs=0.167μs

机器周期=1μs

指令周期=1～4μs

MCS-51单片机的时钟信号通常由两种方式产生：一种是内部振荡方式，另一种是外部时钟方式，如图2-3所示。

1.内部振荡方式

在MCS-51单片机内部有一个高增益的反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。内部振荡方式是在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器，与两个电容构成稳定的自激振荡电路。电容C1和C2通常取30pF，对振荡频率有微调作用，晶振频率范围是1.2～24MHz。

2.外部时钟方式

外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。

对8051而言：外部时钟由XTAL2输入，直接送入内部时钟电路，XTAL1接地。

对CHMOS型80C51而言：外部时钟由XTAL1输入，XTAL2悬空。

一般要求外部时钟信号为高电平，持续时间大于20ns且频率低于12MHz的方波。

2.3.4 单片机复位电路

复位是单片机的初始化操作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。单片机的复位引脚RST出现两个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

单片机常见的复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式，其电路如图2-4所示。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容C充电来实现的。

按键手动复位是通过复位端经电阻与电源VCC接通而实现的，它兼备上电复位功能。