8051单片机内部结构

只看该作者 · 2025-1-22 07:09

1.概述
8051单片机内部结构如下图所示，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端口的锁存器和输入/输出电路组成。

2.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。

3.电源电路
      电源电路的功能是对单片机需要供电的电路供电。电子产品要想工作都离不开电源，电源是必须的电路。51单片机工作电压一般为DC5V，对于压差不太大的情况，一般使用降压芯片来实现电压的转化。

4.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。

5.复位电路
      复位电路的功能是完成单片机内部电路的初始化，使得单片机能从一种确定的状态开始运行。当复位引脚RST出现5ms以上的高电平时，单片机就完成复位操作，如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，无法执行程序，因此，要求单片机复位后能脱离复位操作

6.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（程序存储器）类似于计算机中的硬盘，保存了电影、文档、音乐等文件，把电源关掉后，下次重新打开计算机，所有的文件照样还在。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封贴，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至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。

7.RAM（数据存储器）
      RAM（数据存储器）又称随机存取存储器，也称可读写存储器。RAM（数据存储器）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（数据存储器）是单片机的数据存储空间，用来存储程序运行过程中产生的和需要的数据，跟计算机的内存是相似的概念。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**功能的触发器构成，它具有存取速度快、使用简单、不需刷新和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。因此一般需要小容量RAM的电路或电子产品（如单片机的RAM）一般采用SRAM作为RAM。

8.中断控制器
      当CPU正在按顺序执行ROM中的程序时，若\(\overline{INT0} \\)（P3.2）或\(\overline{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：\(\overline{INT0} \\)和\(\overline{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术。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\(\overline{INT0} \\)和T1的中断请求，就需要编写\(\overline{INT0} \\)和 T1 的中断程序，以便 CPU 响应了\(\overline{INT0} \\)请求马上执行\(\overline{INT0} \\)中断程序，响应了T1请求马上执行T1中断程序。

9.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1000）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）。

10.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，数据是一位一位传送的。

11.P0～P3输入/输出电路和锁存器
      8051单片机有P0～P3四组端口，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，另一路传送给 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，比如当 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。
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