2.1 8051单片机的引脚功能与内部结构

2.1.1 引脚功能说明

8051单片机有40个引脚，各引脚功能标注如图2-1所示。8051单片机的引脚可分为3类，分别是基本工作条件引脚、I/O（输入输出）引脚和控制引脚。

1. 基本工作条件引脚

单片机的基本工作条件引脚有电源引脚、复位引脚和时钟引脚，只有具备了基本工作条件，单片机才能开始工作。

（1）电源引脚

40脚（VCC）为电源正极引脚，20脚（VSS或GND）为电源负极引脚。VCC引脚接5V电源的正极，VSS或GND引脚接5V电源的负极（即接地）。

（2）复位引脚

9脚（RST/VPD）为复位引脚。

在单片机接通电源后，内部很多电路状态混乱，需要复位电路为它们提供复位信号，使这些电路进入初始状态，然后才开始工作。8051单片机采用高电平复位，当RST引脚输入高电平（持续时间需超过24个时钟周期）时，即可完成内部电路的复位。

9脚还具有掉电保持功能，为了防止掉电使单片机内部RAM的数据丢失，可在该脚再接一个备用电源，掉电时，由备用电源为该脚提供4.5～5.5V电压，可保持RAM的数据不会丢失。

（3）时钟引脚

18、19引脚（XTAL2、XTAL1）为时钟引脚。

单片机内部有大量的数字电路，这些数字电路工作时需要时钟信号进行控制，才能有次序、有节拍地工作。单片机XTAL2、XTAL1引脚外接的晶振及电容与内部的振荡器构成时钟电路，产生时钟信号供给内部电路使用；另外，也可以由外部其它的电路提供时钟信号，外部时钟信号通过XTAL2引脚送入单片机，此时XTAL1引脚悬空。

2. I/O（输入/输出）引脚

8051单片机有P0、P1、P2和P3共4组I/O端口，每组端口有8个引脚，P0端口8个引脚编号为P0.0～P0.7，P1端口8个引脚编号为P1.0～P1.7，P2端口8个引脚编号为P2.0～P2.7，P3端口8个引脚编号P3.0～P3.7。

（1）P0端口

P0端口（P0.0～P0.7）的引脚号为39～32，其功能如下。

① 用作I/O端口，既可以作为8个输入端，也可作为8个输出端；

② 用作16位地址总线中的低8位地址总线。当单片机外接存储器时，会从这些引脚输出地址（16位地址中的低8位）来选择外部存储器的某些存储单元。

③ 用作8位数据总线。当单片机外接存储器并需要读写数据时，先让这些引脚成为8位地址总线，从这些引脚输出低8位地址，与P2.0～P2.7引脚同时输出的高8位地址组成16位地址，选中外部存储器的某个存储单元，然后单片机让这些引脚转换成8位数据总线，通过这8个引脚往存储单元写入8位数据或从这个存储单元将8位数据读入单片机。

（2）P1端口

P1端口（P1.0～P1.7）的引脚号为1～8，它只能用作I/O端口，可以作为8个输入端，也可作为8个输出端。

（3）P2端口

P2端口（P2.0～P2.7）的引脚号为21～28，其功能如下。

① 用作I/O端口，可以作为8个输入端，也可作为8个输出端；

② 用作16位地址总线中的高8位地址总线。当单片机外接存储器时，会从这些引脚输出高8位地址，与P0.0～P0.7引脚同时输出的低8位地址组成16位地址，选中外部存储器的某个存储单元，然后单片机通过P0.0～P0.7引脚往选中的存储单元读写数据。

（4）P3端口

P3端口（P3.0～P3.7）的引脚号为10～17，除了可以用作I/O端口，各个引脚还具有其他功能，具体说明如下。

P3.0（RXD）——串行数据接收端。外部的串行数据可由此脚进入单片机。

P3.1（TXD）——串行数据发送端。单片机内部的串行数据可由此脚输出，发送给外部电路或设备。

P3.2（）——外部中断信号0输入端。

P3.3（）——外部中断信号1输入端。

P3.4（T0）——定时器/计数器T0的外部信号输入端。

P3.5（T1）——定时器/计数器T1的外部信号输入端。

P3.6（）——写片外RAM的控制信号输出端。

P3.7（）——读片外RAM的控制信号输出端。

P0、P1、P2、P3端口具有多种功能，具体应用哪一种功能，由单片机根据内部程序自动确定。需要注意的是，在某一时刻，端口的某一引脚只能用作一种功能。

3. 控制引脚

控制引脚的功能主要有：当单片机外接存储器（RAM或ROM）时，通过控制引脚控制外接存储器，使单片机能像使用内部存储器一样使用外接存储器；在向单片机编程（即向单片机内部写入编好的程序）时，编程器通过有关控制引脚使单片机进入编程状态，然后将程序写入单片机。

8051单片机的控制引脚的功能说明如下。

（31脚）：内、外部ROM（程序存储器）选择控制端/编程电压输入端。

当EA=1（高电平）时，单片机使用内、外部ROM，先使用内部ROM，超出范围时再使用外部ROM；当EA=0（低电平）时，单片机只使用外部ROM，不会使用内部ROM。在用编程器往单片机写入程序时，要在该脚加12～25V的编程电压，才能将程序写入单片机内部ROM。

（29脚）：片外ROM选通控制端。当单片机需要从外部ROM读取程序时，会从该脚输出低电平到外部ROM，外部ROM才允许单片机从中读取程序。

（30脚）：片外低8位地址锁存控制端/编程脉冲输入端。单片机在读写片外RAM或读片外ROM时，该引脚会送出ALE脉冲信号，将P0.0～P0.7引脚输出低8位地址锁存在外部的锁存器中，然后让P0.0～P0.7引脚输出8位数据，即让P0.0～P0.7引脚先作地址输出端，再作数据输出端。在通过编程器将程序写入单片机时，编程器会通过该脚往单片机输入编程脉冲。

2.1.2 单片机与片外存储器的连接与控制

8051单片机内部RAM（可读写存储器，也称数据存储器）的容量为256B（含特殊功能寄存器），内部ROM（只读存储器，也称程序存储器）的容量为4KB，如果单片机内部的RAM或ROM容量不够用，可以外接RAM或ROM。在8051单片机与片外RAM或片外ROM连接时，使用P0.0～P0.7和P2.0～P2.7引脚输出16位地址，可以最大寻址216=65536=64K个存储单元，每个存储单元可以存储1个字节（1Byte），也就是8位二进制数（8bit），即1Byte=8bit，故8051单片机外接RAM或ROM容量最大不要超过64KB，超出范围的存储单元无法识别。

8051单片机与片外RAM连接如图2-2所示。

当单片机需要从片外RAM读写数据时，会从P0.0～P0.7引脚输出低8位地址（如00000011），再通过8路锁存器送到片外RAM的A0～A7引脚，它与P2.0～P2.7引脚输出并送到片外RAM的A8～A15引脚的高8位地址一起拼成16位地址，从216个存储单元中选中某个存储单元。如果单片机要往片外RAM写入数据，会从WR引脚送出低电平到片外RAM的WE脚，片外RAM被选中的单元准备接收数据，与此同时，单片机的ALE端送出ALE脉冲信号去锁存器的C端，将1Q～8Q端与1D～8D端隔离开，并将1Q～8Q端的地址锁存起来（保持输出不变），单片机再从P0.0～P0.7引脚输出8位数据，送到片外RAM的D0～D7引脚，存入内部选中的存储单元。如果单片机要从片外RAM读取数据，同样先发出地址选中片外RAM的某个存储单元，并让RD端输出低电平去片外RAM的OE端，再将P0.0～P0.7引脚输出低8位地址锁存起来，然后让P0.0～P0.7引脚接收片外RAM的D0～D7引脚送来的8位数据。

如果外部存储器是ROM（只读存储器），单片机不使用WR端和RD端，但会用到PSEN端，并将PSEN引脚与片外ROM的OE引脚连接起来，在单片机从片外ROM读数据时，会从PSEN引脚送出低电平到片外ROM的OE引脚，除此以后，单片机读片外ROM的过程与片外RAM基本相同。

图2-2所示的8051单片机与片外存储器连接线有地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB），地址总线由A0～A15共16根线组成，最大可寻址216=65536个存储单元，数据总线由D0～D7共8根线组成（与低8位地址总线分时使用），一次可存取8位二进制数（即一个字节），控制总线由RD、WR和ALE共3根线组成。单片机在执行到读写片外存储器的程序时，会自动按一定的时序发送地址和控制信号，再读写数据，无需人工编程参与。

2.1.3 内部结构说明

8051单片机内部结构如图2-3所示，从图中可以看出，单片机内部主要由CPU、电源电路、时钟电路、复位电路、ROM（程序存储器）、RAM（数据存储器）、中断控制器、串行通信口、定时器计数器、P0～P3端口的输入输出电路和锁存器组成。

1. CPU

CPU又称中央处理器（Central Processing Unit），主要由算术/逻辑运算器（ALU）和控制器组成。单片机在工作时，CPU会按先后顺序从ROM（程序存储器）的第一个存储单元（0000H单元）开始读取程序指令和数据，然后按指令要求对数据进行算术（如加运算）或逻辑运算（如与运算），运算结果存入RAM（数据存储器），在此过程中，CPU的控制器会输出相应的控制信号，以完成指定的操作。

2. 时钟电路

时钟电路的功能是产生时钟信号送给单片机内部各电路，控制这些电路使之有节拍地工作。时钟信号频率越高，内部电路工作速度越快。

时钟信号的周期称为时钟周期（也称振荡周期）。两个时钟周期组成一个状态周期（S），它分为P1、P2两个节拍，P1节拍完成算术、逻辑运算，P2节拍传送数据。6个状态周期组成一个机器周期（12个时钟周期），而执行一条指令一般需要1～4个机器周期（12～48个时钟周期）。如果单片机的时钟信号频率为12MHz，那么时钟周期为1/12μs，状态周期为1/6μs，机器周期为1μs，指令周期为1～4μs。

3. ROM（程序存储器）

ROM（程序存储器）又称只读存储器，是一种具有存储功能的电路，断电后存储的信息不会消失。ROM主要用来存储程序和常数，用编程软件编写好的程序经编译后写入ROM。

ROM主要有下面几种。

（1）Mask ROM（掩膜只读存储器）

Mask ROM中的内容由厂家生产时一次性写入，以后不能改变。这种ROM成本低，适用于大批量生产。

（2）PROM（可编程只读存储器）

新的PROM没有内容，可将程序写入内部，但只能写一次，以后不能更改。如果PROM在单片机内部，PROM中的程序写错了，整个单片机便不能使用。

（3）EPROM（紫外线可擦写只读存储器）

EPROM是一种可擦写的PROM，采用EPROM的单片机上面有一块透明的石英窗口，平时该窗口被不透明的标签贴封，当需要擦除EPROM内部的内容时，可撕开标签，再用紫外线照射透明窗口15～30min，即可将内部的信息全部擦除，然后重新写入新的信息。

（4）EEPROM（电可擦写只读存储器）

EEPROM也称作E2PROM或E2PROM，是一种可反复擦写的只读存储器，但它不像EPROM需要用紫外线来擦除信息，这种ROM只要加适当的擦除电压，就可以轻松快速地擦除其中的信息，然后重新写入信息。EEPROM反复擦写可达1000次以上。

（5）Flash Memory（快闪存储器）

Flash Memory简称闪存，是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器，数据删除不是以单个字节为单位，而是以固定的区块（扇区）为单位，区块大小一般为256KB到20MB。

Flash Memory是EEPROM的变种，两者的区别主要在于，EEPROM能在字节水平上进行删除和重写，而大多数Flash Memory需要按区块擦除或重写。由于Flash Memory断电时仍能保存数据，且数据擦写方便，故使用非常广泛（如手机、数码相机使用的存储卡）。STC89C5x系列51单片机就采用Flash Memory作为程序存储器。

4. RAM（数据寄存器）

RAM（数据寄存器）又称随机存取存储器，也称可读写存储器）。RAM的特点是：可以存入信息（称作写），也可以将信息取出（称作读），断电后存储的信息会全部消失。RAM可分为DRAM（动态存储器）和SRAM（静态存储器）。

DRAM的存储单元采用了MOS管，它利用MOS管的栅极电容来存储信息，由于栅极电容容量小且漏电，故栅极电容保存的信息容易消失，为了避免存储的信息丢失，必须定时给栅极电容重写信息，这种操作称为“刷新”，故DRAM内部要有刷新电路。DRAM虽然要有刷新电路，但其存储单元结构简单、使用元件少、功耗低，且集成度高、单位容量价格低，因此需要大容量RAM的电路或电子产品（如计算机的内存条）一般采用DRAM作为RAM。

SRAM的存储单元由具有记忆功能的触发器构成，它具有存取速度快、使用简单、不需刷新、静态功耗极低等优点，但元件数多、集成度低、运行时功耗大，单位容量价格高，因此需要小容量RAM的电路或电子产品（如单片机）一般采用SRAM作为RAM。

5. 中断控制器

当CPU正在按顺序执行ROM中的程序时，若INT0（P3.2）或INT1（P3.3）端送入一个中断信号（一般为低电平信号），如果编程时又将中断设为允许，中断控制器马上发出控制信号让CPU停止正在执行的程序，转而去执行ROM中已编写好的另外的某段程序（中断程序），中断程序执行完成后，CPU又返回执行先前中断的程序。

8051单片机中断控制器可以接受5个中断请求：INT0和INT1端发出的两个外部中断请求、T0、T1定时器/计数器发出的两个中断请求和串行通信口发出的中断请求。

要让中断控制器响应中断请求，先要设置允许总中断，再设置允许某个或某些中断请求有效，若允许多个中断请求有效，还要设置优先级别（优先级别高的中断请求先响应），这些都是通过编程来设置，另外还需要为每个允许的中断编写相应的中断程序，比如允许INT0和T1的中断请求，就需要编写INT0和T1的中断程序，以便CPU响应INT0请求马上执行INT0中断程序、响应T1请求马上执行T1中断程序。

6. 定时器/计数器

定时器/计数器是单片机内部具有计数功能的电路，可以根据需要将它设为定时器或计数器。如果要求CPU在一段时间（如5ms）后执行某段程序，可让定时器/计数器工作在定时状态，定时器/计数器开始计时，当计到5ms后马上产生一个请求信号送到中断控制器，中断控制器则输出信号让CPU停止正在执行的程序，转而去执行ROM中特定的某段程序。

如果让定时器/计数器工作在计数状态，可以从单片机的T0或T1引脚输入脉冲信号，定时器/计数器开始对输入的脉冲进行计数，当计数到某个数值（如1 000）时，马上输出一个信号送到中断控制器，让中断控制器控制CPU去执行ROM中特定的某段程序（如让P0.0引脚输出低电平点亮外接LED灯的程序）。

7. 串行通信口

串行通信口是单片机与外部设备进行串行通信的接口。当单片机要将数据传送给外部设备时，可以通过串行通信口将数据由TXD端输出；外部设备送来的数据可以从RXD端输入，通过串行通信口将数据送入单片机。

串行是指数据传递的一种方式，串行传递数据时，数据是按一位一位传送的。

8. P0～P3输入/输出电路和锁存器

8051单片机有P0～P34组端口，每组端口有8个输入/输出引脚，每个引脚内部都有一个输入电路、一个输出电路和一个锁存器。以P0.0引脚为例，当CPU根据程序需要读取P0.0引脚输入信号时，会往P0.0端口发出读控制信号，P0.0端口的输入电路工作，P0.0引脚的输入信号经输入电路后，分作两路，一路进入P0.0锁存器保存下来，另一路送给CPU；当CPU根据程序需要从P0.0引脚输出信号时，会往P0.0端口发出写控制信号，同时往P0.0锁存器写入信号，P0.0锁存器在保存信号的同时，会将信号送给P0.0输出电路（写P0.0端口时其输入电路被禁止工作），P0.0输出电路再将信号P0.0引脚送出。

P0～P3端口的每个引脚都有两个或两个以上的功能，在同一时刻一个引脚只能用作一个功能，用作何种功能由程序决定。例如，当CPU执行到程序的某条指令时，若指令是要求读取某端口引脚的输入信号，CPU执行该指令时会发出读控制信号，让该端口电路切换到信号输入模式（输入电路允许工作，输出电路被禁止），再读取该端口引脚输入的信号。