1.1 单片机的内部结构和外部引脚

1.1.1 单片机的内部结构

单片机虽然型号众多，但它们结构却基本相同，主要包括中央处理器（CPU）、存储器（程序存储器和数据存储器）、定时器/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元，如图 1-1 所示为 51 单片机内部结构框图。

可以看出，51 单片机虽然只是一个芯片，但“麻雀虽小，五脏俱全”，作为计算机应该具有的基本部件在单片机内部几乎都包括，因此，51 单片机实际上已经是一个简单的微型计算机系统。

1．中央处理器（CPU）

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入/输出功能等操作。

2．存储器

存储器分为程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）两种，前者存放调试好的固定程序和常数，后者存放一些随时有可能变动的数据。

3．定时器/计数器

单片机除了进行运算外，还要完成控制功能，所以离不开计数和定时。因此，在单片机中就设置有定时器兼计数器。

4．并行输入/输出（I/O）端口

51 单片机共有 4 组 8 位I/O端口（P0、P2、P1 和P3），用于外部数据并行传输。

5．全双工串行端口

51 单片机内置一个全双工串行通信端口，用于与其他设备间的串行数据传送。

6．中断系统

51 单片机具备较完善的中断功能，一般包括外中断、定时器/计数器中断和串行中断，以满足不同的控制要求。

现在，已经知道了单片机的组成，实际上，单片机内部有一条将他们连接起来的“纽带”，即所谓的“内部总线”。而CPU、ROM、RAM、I/O端口、中断系统等就分布在“总线”的两旁，并与之连通。从而，一切指令、数据都可经内部总线传送。

以上介绍的是基本 51 单片机组成，其他各种型号 51 单片机，如STC89C5X、AT89S5X等，都是在基本 51 单片机内核的基础上进行功能上的增强和改装而成的。

1.1.2 单片机的外部引脚

51 单片机虽然型号众多，同一封装的 51 单片机及其引脚配置基本一致，如图 1-2 所示是采用PDIP40（40 脚双列直插式）封装的 51 单片机引脚配置图。

40 个引脚中，正电源和地线 2 个，外置石英振荡器的时钟线 2 个，复位引脚 1 个，控制引脚 3 个，4 组 8 位I/O端口线 32 个。

1．电源和接地引脚（2 个）

GND（20 引脚）：接地引脚。

VCC（40 引脚）：正电源引脚，接+5V电源。

2．外接晶体引脚（2 个）

XTAL1（19 引脚）：时钟XTAL1 引脚，片内振荡电路的输入端。

XTAL2（18 引脚）：时钟XTAL2 引脚，片内振荡电路的输出端。

时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下进行的，时钟电路就好比人的心脏，如果人的心跳停止了，人就死亡了；同理，如果单片机的时钟电路停止工作了，那么单片机也就停止运行了。

51 单片机的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在XTAL1 和XTAL2 引脚外接石英晶体和振荡电容。另外一种是外部时钟方式，即将外引脉冲信号从XTAL1 引脚输入，而XTAL2 引脚悬空。

3．复位电路

RST（9 引脚）：复位信号引脚。

当振荡器运行时，在此引脚上出现 2 个机器周期以上的高电平将使单片机复位。一般在此引脚与VSS引脚之间连接一个下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个电容。单片机复位后，从程序存储器的 0000H单元开始执行程序，并初始化一些专用寄存器为复位状态值。

4．控制引脚（3 个）

（29 引脚）：外部程序存储器的读选通信号引脚。在读外部程序存储器时， 产生负脉冲，以实现对外部程序存储器的读操作。

ALE/ （30 引脚）：地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE用来锁存P0 扩展地址低 8 位的地址信号；在不访问外部存储器，ALE端以固定频率（时钟振荡频率的l/6）输出，可用于外部定时或其他需要。另外，该引脚还是一个复用引脚，在编程期间，将用于输入编程脉冲。

/VPP（31 引脚）：内外程序存储器选择控制引脚。当 接高电平时，单片机先从内部程序存储器取指令，当程序长度超过内部Flash ROM的容量时，自动转向外部程序存储器；当 为低电位时，单片机则直接从外部程序存储器取指令。例如，AT89S51/52 单片机内部有4KB/8KB的程序存储器，因此，一般将 接到+5V高电平，让单片机运行内部的程序。而对于内部无程序存储器的 8031（现在已很难见到了！）， 端必须接地。另外， /VPP还是一个复用引脚，在用通用编程器编程时，VPP引脚需要加上 12V的编程电压。

5．输入/输出引脚（32 个）

1）P0 口P0.0～P0.7（39～32 引脚）

P0 口是一个 8 位漏极开路的“双向I/O端口”，需外接上拉电阻，每根口线可以独立定义为输入或输出，输入时必须先置“1”。P0 口还具有第二个功能，即作为地址/数据总线，当做数据总线使用时，输入 8 位数据；而当做地址总线使用时，则输出 8 位地址。

2）P1 口P1.0～P1.7（1～8 引脚）

P1 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位“准双向I/O端口”，每根口线可以独立定义为输入或输出，输入时必须先置“1”。由于它的内部有一个上拉电阻，所以连接外围负载时不需要外接上拉电阻，这一点与下面将要介绍的P2 口和P3 口一样，与上面介绍的P0 口不同，请大家务必注意！

对于AT89S51/52 单片机，P1 口的部分引脚还具有第二功能，参见表 1-1。

STC89C51/C52 与AT89S51/52 有所不同，其P1.5、P1.6、P1.7 引脚没有第二功能，STC89C51/C52 的ISP下载编程是通过串口进行的。

3）P2 口P2.0～P2.7（21～28 引脚）

P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位“准双向I/O端口”，每根口线可以独立定义为输入或输出，输入时必须先置“1”。由于它的内部有一个上拉电阻，所以连接外围负载时不需要外接上拉电阻。同时，P2 口还具有第二功能，在访问外部存储器时，它送出地址的高 8 位，并与 P0 口输出的低地址一起构成 16 位地址线，从而可以寻址 64KB的存储器（程序存储器或数据存储器）。P2 口的第二功能很少使用，请大家不必过深研究。

4）P3 口P3.0～P3.7（10～17 引脚）

P3 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位“准双向I/O端口”，每根口线可以独立定义为输入或输出，输入时必须先置“1”。由于它的内部有一个上拉电阻，所以连接外围负载时不需要外接上拉电阻。同时，P3 口还具有第二功能，第二功能参见表 1-2。这里要说明的是，当P3 口的某些口线作为第二功能使用时，不能再把它当作通用I/O端口使用，但其他未使用的口线可作为通用I/O端口线。

P3 口的第二功能应用十分广泛，将在后续章节中进行详细说明。