簡(jiǎn)述8051單片機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括中央處理器(CPU) 、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、輸入輸出接口、中斷控制系統(tǒng)和時(shí)鐘電路六部分。

一、基本組成

中央處理器(CPU)

包括運(yùn)算器和控制器兩部分，是單片機(jī)的核心。運(yùn)算器可用于各種運(yùn)算，控制器用于控制單片機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作。

存儲(chǔ)器

用于存放程序和原始數(shù)據(jù)。

時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路產(chǎn)生單片機(jī)運(yùn)行的控制信號(hào)，控制單片機(jī)嚴(yán)格按時(shí)序執(zhí)行指令。

定時(shí)/計(jì)數(shù)器：實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能。

輸入輸出接口（I/O）實(shí)現(xiàn)單片與其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。

中斷控制系統(tǒng): 用于響應(yīng)中斷源的中斷請(qǐng)求；

二、單片機(jī)引腳

雙列直插式封裝（DIP，Dual Inline Package）

方形封裝（PLCC，Plastic Leaded Chip Carrier）

電源引腳: VCC (40腳)和VSS(20腳)分別接供電電源正極和負(fù)極。

時(shí)鐘電路引腳:單片機(jī)需要有時(shí)鐘脈沖信號(hào)才能工作，經(jīng)(18腳)和 (19腳)接振蕩電路。

控制信號(hào)引腳包括以下4個(gè):

EA( 31腳):當(dāng)EA接高電平時(shí)先內(nèi)后外執(zhí)行ROM程序。接低電平時(shí)只執(zhí)行外部ROM程序。

RST (9腳):當(dāng)輸入兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)位，使單片機(jī)初始化并重新執(zhí)行程序。

ALE (30腳):訪問外部存儲(chǔ)器和其他外設(shè)時(shí)，ALE控制低8位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。

PSEN (29腳):外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。

并行輸入/輸出引腳共32個(gè)：

PO口(39-32腳)：可作地址/數(shù)據(jù)總線端口用，也可作普通I/O口用。

P1口(1-8腳)：一般只用作I/O端口。

P2口(21-28腳)：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)可輸出高8位地址，也可作普通I/O端口使用。

P3口(10-17腳):主要用其第二功能，也可作普通I/O口用。

三、并行輸入/輸出

P0口位電路結(jié)構(gòu)

1個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。

2個(gè)三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器BUF1和BUF2。

2個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（FET）。

多路開關(guān)、反相器、與門各1個(gè)。

P0口工作原理——用作復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線

輸出：“控制”信號(hào)為1，硬件自動(dòng)使轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX打向上面，接通反相器的輸出，同時(shí)使“與門”開啟。

①當(dāng)輸出的地址/數(shù)據(jù)信息=1，“與門”輸出為1，上方場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，下方場(chǎng)效應(yīng)管截止，P0.x引腳輸出為1。

②當(dāng)輸出的地址/數(shù)據(jù)信息=0，上方場(chǎng)效應(yīng)管截止，下方場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，P0.x引腳輸出為0。

P0口工作原理——用作復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線

輸入：當(dāng)P0口作為數(shù)據(jù)輸入時(shí)，僅從外部引腳讀入信息，“控制”信號(hào)為0，MUX接通鎖存器Q端。

P0口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用方式訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，CPU自動(dòng)向P0口寫入FFH，使下方場(chǎng)效應(yīng)管截止，上方場(chǎng)效應(yīng)管由于控制信號(hào)為0也截止，從而保證數(shù)據(jù)信息的高阻抗輸入，從外部輸入的數(shù)據(jù)直接由P0.x引腳通過輸入緩沖器BUF2進(jìn)入內(nèi)部總線。

①當(dāng)D鎖存器為1時(shí)，端為0，下方場(chǎng)效應(yīng)管截止，輸出為漏極開路，此時(shí)，必須外接上拉電阻才能有高電平輸出；

②當(dāng)D鎖存器為0時(shí)，下方場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，P0口輸出為低電平。

P0口工作原理——用作通用I/O口

輸入：兩種讀入方式：“讀鎖存器”和“讀引腳”。

①當(dāng)CPU發(fā)出“讀鎖存器”指令時(shí)，鎖存器的狀態(tài)由Q端經(jīng)上方的三態(tài)緩沖器BUF1進(jìn)入內(nèi)部總線。

②當(dāng)CPU發(fā)出“讀引腳”指令時(shí)，鎖存器的輸出狀態(tài)Q=1（Q端為0），而使下方場(chǎng)效應(yīng)管截止，引腳的狀態(tài)經(jīng)下方的三態(tài)緩沖器BUF2進(jìn)入內(nèi)部總線。

P1口位電路結(jié)構(gòu)

1個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。

2個(gè)三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器BUF1和BUF2。

1個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（FET）和1個(gè)片內(nèi)上拉電阻組成。

P1口工作原理——只用作通用I/O口

①若CPU輸出1，Q=1，Q-=0，場(chǎng)效應(yīng)管截止，P1.x腳輸出為1；

②若CPU輸出0，Q=0，Q-=1，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，P1.x腳輸出為0。

P1口工作原理——只用作通用I/O口

輸入：分為“讀鎖存器”和“讀引腳”

①讀“鎖存器”，輸出Q狀態(tài)經(jīng)輸入緩沖器BUF1進(jìn)入內(nèi)部總線；

②“讀引腳”，先向鎖存器寫1，使場(chǎng)效應(yīng)管截止，P1.x引腳上的電平經(jīng)輸入緩沖器BUF2進(jìn)入內(nèi)部總線。

P2口位電路結(jié)構(gòu)

1個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。

2個(gè)三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器BUF1和BUF2。

1個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（FET）和1個(gè)片內(nèi)上拉電阻組成。

1個(gè)多路轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX

P2口工作原理——用作地址總線

在控制信號(hào)作用下，MUX與“地址”接通。

①當(dāng)“地址”為0時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，P2口引腳輸出0；

②當(dāng)“地址”線為1時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，P2口引腳輸出1。

P2口工作原理——用作通用I/O口

輸出：在內(nèi)部控制信號(hào)作用下，MUX與鎖存器Q端接通。

①CPU輸出1時(shí)，Q=1，場(chǎng)效應(yīng)管截止，P2.x引腳輸出1；

②CPU輸出0時(shí)，Q=0，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，P2.x引腳輸出0。

P2口工作原理——用作通用I/O口

輸入：分“讀鎖存器”和“讀引腳”兩種方式。

①“讀鎖存器”時(shí)，Q端信號(hào)經(jīng)輸入緩沖器BUF1進(jìn)入內(nèi)部總線；

②“讀引腳”時(shí)，先向鎖存器寫1，使場(chǎng)效應(yīng)管截止，P2.x引腳上的電平經(jīng)輸入緩沖器BUF2進(jìn)入內(nèi)部總線。

P3口位電路結(jié)構(gòu)

1個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。

3個(gè)三態(tài)的數(shù)據(jù)輸入緩沖器BUF1和BUF2。

1個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（FET）和1個(gè)片內(nèi)上拉電阻組成。

1個(gè)多路轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX和1個(gè)與非門

P3口工作原理——用作第二功能

輸出：該位的鎖存器需要置“1”，使“與非門”為開啟狀態(tài)。

當(dāng)?shù)诙敵鰹?時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，P3.x引腳輸出為1；

當(dāng)?shù)诙敵鰹?時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，P3.x引腳輸出為0。

P3口工作原理——用作第二功能

輸入：該位的鎖存器和第二輸出功能端均應(yīng)置1，保證場(chǎng)效應(yīng)管截止，P3.x引腳的信息由輸入緩沖器BUF3的輸出獲得。

P3口工作原理——用作通用I/O口

輸出：第二輸出功能端應(yīng)保持“1”，“與非門”開啟。

CPU輸出1時(shí)，Q=1，場(chǎng)效應(yīng)管截止，P3.x引腳輸出為1；

CPU輸出0時(shí)，Q=0，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，P3.x引腳輸出為0。

P3口工作原理——用作通用I/O口

輸入：P3.x位的輸出鎖存器和第二輸出功能均應(yīng)置1，場(chǎng)效應(yīng)管截止。

P3.x引腳信息通過輸入BUF3和BUF2進(jìn)入內(nèi)部總線，完成“讀引腳”操作；

也可執(zhí)行“讀鎖存器”操作，此時(shí)Q端信息經(jīng)過緩沖器BUF1進(jìn)入內(nèi)部總線。

四個(gè)并口（P0-P3）在讀引腳之前，都需要將鎖存器置“1”,使場(chǎng)效應(yīng)管截止，避免鎖存器內(nèi)數(shù)據(jù)的干擾。

由于在輸入操作前還必須附加一個(gè)置“1”的準(zhǔn)備動(dòng)作，因此稱為“準(zhǔn)雙向口”。

四個(gè)并口（P0-P3）都是準(zhǔn)雙向口

四、8051單片機(jī)的最小系統(tǒng)板

8051單片機(jī)內(nèi)部有4KB閃爍存儲(chǔ)器，本身就是一個(gè)數(shù)字量輸入/輸出的最小應(yīng)用系統(tǒng)。

在構(gòu)建8051單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，8051單片機(jī)需要外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，如下圖所示。

注意：本最小應(yīng)用系統(tǒng)只能作為小型的數(shù)字量的測(cè)控單元。

編輯：jq