51单片机基本结构

姓名：陈婧娴

学号：19021211245

【嵌牛导读】：51单片机是初学者常接触的单片机，本文着重介绍51单片机基本结构

【嵌牛鼻子】：51单片机

【嵌牛提问】：51单片机的基本结构是什么？

【嵌牛正文】：

一、单片机最小系统介绍

单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。

上图说明：图中的VCC表示volt current condenser，表示供电电压，51单片机一般选用5V或3.3V电源，GND是ground 的缩写，表示接地，可以理解为电源负极，0V，并将其作为参考电压（整个系统中的所有的电压都以之为参考点）。注意电源正负极不要接反，否则烧坏单片机。

对共地的理解：将来大家做一个复杂的单片机系统，会涉及到许多模块相互通信，这些模块的负极必须接在一起，这样整个系统才有了统一的电势标准，（就像物理题中必须先规定一个零势能面才能谈势能差），否则容易出现乱码，或者根本不工作。1、复位电路:

由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"（参看电路分析基础）的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.至于如何具体定量计算,可以参考电路分析相关书籍.

①、复位电路的用途  ：   

         单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。单片机复位电路如下图：

②、复位电路的工作原理     在书本上有介绍，51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现，那这个过程是如何实现的呢？    

 在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。     

开机的时候为什么为复位？  

在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在0~3.5V增加。这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。   

  按键按下的时候为什么会复位？   

  在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。

   2、晶振电路:

①、连接在引脚XTAL1和XTAL2和GND之间的电路叫晶振时钟电路，（XTAL表示external crystal oscillator，外接晶振）。举个例子，时钟电路就像人的心脏一样，每时每刻以相同的频率跳动着，是单片机内部电路正常工作的驱动力。一般来说，晶振的频率越高，单片机的处理速度越快，但是STC89c51单片机的最高工作频率不能超过80MHz。

②、时钟周期、机器周期等的概念区分:

时钟周期：

时钟周期就是晶振完成一次振动所需要的时间，又称为震荡周期，如果晶振的频率是12MHz，那么单片机的时钟周期就是（1/12M）秒 ，是计算机中最基本的、最小的时间单位。

在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机，若采用了1MHZ的时钟频率，则时钟周期为1us；若采用4MHZ的时钟频率，则时钟周期为250us。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步都统一到它的步调上来）。显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。

51单片机把一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示）。

机器周期：

在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若干个S周期（状态周期）组成。

51系列单片机的一个机器周期同6个 S周期（状态周期）组成。前面已说过一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示），51单片机的机器周期由6个状态周期组成，也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。以后大家会遇到12T、6T、1T单片机的概念，即是指这个。

例如外接24M晶振的单片机，他的一个机器周期=12/24M秒；

③、常见晶振

典型的晶振取11.0592MHz，因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合。

或者取12MHz的晶振，可以产生精确的微秒级延时函数,方便定时操作。3、总结：①、复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2US，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。②、按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加引起的。③、51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。④. 51单片机最小系统晶振Y1也可以采用12MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。⑤. 51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好4.P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。

二、51单片机各引脚功能介绍

（PDIP是芯片封装格式）

如上图，芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见右图）左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3、4、...、40，其中芯片的1脚顶上有个凹点（见右图）。在单片机的40个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。

1、主电源引脚（2根）：

    VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源

    GND(Pin20)：接地线，电源负极

2、外接晶振引脚（2根）：

    XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端

     XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端

3、控制引脚（4根）

  RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

  ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号

PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号

EA/VPP(Pin31)：特别注意:程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。即当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行.很多情况下将它悬空会导致程序运行出错。大多数情况下内部程序存储器都足够使用，所以我们将它与VCC相连。

4、可编程输入/输出引脚（4*8根）　：

 AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。每一根引脚都可以编程。

　 P0口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线  ，名称为P0.0～P0.7

     P1口（Pin1 ～Pin8 ）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

　 P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

　  P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

PS：p3.0和p3.1口还兼具串口通信的功能

P3.2到p3.5兼具外部中断和定时器功能。