8051单片机的结构与原理

单片机的基本结构包括中央处理器(CPU) 、存储器、定时/计数器、输入输出接口、中断控制系统和时钟电路六部分。

一、基本组成

中央处理器(CPU)

包括运算器和控制器两部分，是单片机的核心。运算器可用于各种运算，控制器用于控制单片机各部分协调工作。

存储器

用于存放程序和原始数据。

时钟电路

时钟电路产生单片机运行的控制信号，控制单片机严格按时序执行指令。

定时/计数器：实现定时或计数功能。

输入输出接口（I/O）实现单片与其他设备之间的数据传送。

中断控制系统: 用于响应中断源的中断请求；

二、单片机引脚

双列直插式封装（DIP，Dual Inline Package）

方形封装（PLCC，Plastic Leaded Chip Carrier）

电源引脚: VCC (40脚)和VSS(20脚)分别接供电电源正极和负极。

时钟电路引脚:单片机需要有时钟脉冲信号才能工作，经(18脚)和 (19脚)接振荡电路。

控制信号引脚包括以下4个:

EA( 31脚):当EA接高电平时先内后外执行ROM程序。接低电平时只执行外部ROM程序。

RST (9脚):当输入两个机器周期以上的高电平时实现复位，使单片机初始化并重新执行程序。

ALE (30脚):访问外部存储器和其他外设时，ALE控制低8位地址和数据的分时传送。

PSEN (29脚):外部程序存储器读选通信号。

并行输入/输出引脚共32个：

PO口(39-32脚)：可作地址/数据总线端口用，也可作普通I/O口用。

P1口(1-8脚)：一般只用作I/O端口。

P2口(21-28脚)：当访问外部存储器时可输出高8位地址，也可作普通I/O端口使用。

P3口(10-17脚):主要用其第二功能，也可作普通I/O口用。

三、并行输入/输出

P0口位电路结构

1个数据输出锁存器。

2个三态的数据输入缓冲器BUF1和BUF2。

2个场效应管（FET）。

多路开关、反相器、与门各1个。

P0口工作原理——用作复用的地址/数据总线

输出：“控制”信号为1，硬件自动使转接开关MUX打向上面，接通反相器的输出，同时使“与门”开启。

①当输出的地址/数据信息=1，“与门”输出为1，上方场效应管导通，下方场效应管截止，P0.x引脚输出为1。

②当输出的地址/数据信息=0，上方场效应管截止，下方场效应管导通，P0.x引脚输出为0。

P0口工作原理——用作复用的地址/数据总线

输入：当P0口作为数据输入时，仅从外部引脚读入信息，“控制”信号为0，MUX接通锁存器Q端。

P0口作为地址/数据复用方式访问外部存储器时，CPU自动向P0口写入FFH，使下方场效应管截止，上方场效应管由于控制信号为0也截止，从而保证数据信息的高阻抗输入，从外部输入的数据直接由P0.x引脚通过输入缓冲器BUF2进入内部总线。

①当D锁存器为1时， 端为0，下方场效应管截止，输出为漏极开路，此时，必须外接上拉电阻才能有高电平输出；

②当D锁存器为0时，下方场效应管导通，P0口输出为低电平。

P0口工作原理——用作通用I/O口

输入：两种读入方式：“读锁存器”和“读引脚”。

①当CPU发出“读锁存器”指令时，锁存器的状态由Q端经上方的三态缓冲器BUF1进入内部总线。

②当CPU发出“读引脚”指令时，锁存器的输出状态Q=1（Q端为0），而使下方场效应管截止，引脚的状态经下方的三态缓冲器BUF2进入内部总线。

P1口位电路结构

1个数据输出锁存器。

2个三态的数据输入缓冲器BUF1和BUF2。

1个场效应管（FET）和1个片内上拉电阻组成。

P1口工作原理——只用作通用I/O口

①若CPU输出1，Q=1，Q-=0，场效应管截止，P1.x脚输出为1；

②若CPU输出0，Q=0，Q- =1，场效应管导通，P1.x脚输出为0。

P1口工作原理——只用作通用I/O口

输入：分为“读锁存器”和“读引脚”

①读“锁存器”，输出Q状态经输入缓冲器BUF1进入内部总线；

②“读引脚”，先向锁存器写1，使场效应管截止，P1.x引脚上的电平经输入缓冲器BUF2进入内部总线。

P2口位电路结构

1个数据输出锁存器。

2个三态的数据输入缓冲器BUF1和BUF2。

1个场效应管（FET）和1个片内上拉电阻组成。

1个多路转接开关MUX

P2口工作原理——用作地址总线

在控制信号作用下，MUX与“地址”接通。

①当“地址”为0时，场效应管导通，P2口引脚输出0；

②当“地址”线为1时，场效应管截止，P2口引脚输出1。

P2口工作原理——用作通用I/O口

输出：在内部控制信号作用下，MUX与锁存器Q端接通。

①CPU输出1时，Q=1，场效应管截止，P2.x引脚输出1；

②CPU输出0时，Q=0，场效应管导通，P2.x引脚输出0。

P2口工作原理——用作通用I/O口

输入：分“读锁存器”和“读引脚”两种方式。

①“读锁存器”时，Q端信号经输入缓冲器BUF1进入内部总线；

②“读引脚”时，先向锁存器写1，使场效应管截止，P2.x引脚上的电平经输入缓冲器BUF2进入内部总线。

P3口位电路结构

1个数据输出锁存器。

3个三态的数据输入缓冲器BUF1和BUF2。

1个场效应管（FET）和1个片内上拉电阻组成。

1个多路转接开关MUX和1个与非门

P3口工作原理——用作第二功能

输出：该位的锁存器需要置“1”，使“与非门”为开启状态。

当第二输出为1时，场效应管截止，P3.x引脚输出为1；

当第二输出为0时，场效应管导通，P3.x引脚输出为0。

P3口工作原理——用作第二功能

输入：该位的锁存器和第二输出功能端均应置1，保证场效应管截止，P3.x引脚的信息由输入缓冲器BUF3的输出获得。

P3口工作原理——用作通用I/O口

输出：第二输出功能端应保持“1”，“与非门”开启。

CPU输出1时，Q=1，场效应管截止，P3.x引脚输出为1；

CPU输出0时，Q=0，场效应管导通，P3.x引脚输出为0。

P3口工作原理——用作通用I/O口

输入：P3.x位的输出锁存器和第二输出功能均应置1，场效应管截止。

P3.x引脚信息通过输入BUF3和BUF2进入内部总线，完成“读引脚”操作；

也可执行“读锁存器”操作，此时Q端信息经过缓冲器BUF1进入内部总线。

四个并口（P0-P3）在读引脚之前，都需要将锁存器置“1”,使场效应管截止，避免锁存器内数据的干扰。

由于在输入操作前还必须附加一个置“1”的准备动作，因此称为“准双向口”。

四个并口（P0-P3）都是准双向口

四、8051单片机的最小系统板

8051单片机内部有4KB闪烁存储器，本身就是一个数字量输入/输出的最小应用系统。

在构建8051单片机最小应用系统时，8051单片机需要外接时钟电路和复位电路即可，如下图所示。

注意：本最小应用系统只能作为小型的数字量的测控单元。