1.1 单片机内部结构与引脚

1.1.1 单片机的内部结构组成

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/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元，图1-1所示的是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单片机实际上就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的工作，完成运算和控制输入输出等操作。

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，它是只读的，掉电数据不会丢失；后者存放一些随时有可能变动的数据，它是可读可写的，掉电后数据会消失。

3. 定时/计数器

单片机除了具有运算功能外，还具有控制功能，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）口

51单片机一般共有4组8位I/O口（P0、P2、P1和P3），用于与外部进行数据并行传输。

5. 全双工串行口

51单片机内置一个全双工串行通信口，用于与其他设备间的串行数据传输。

6. 中断系统

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

现在，我们已经知道了单片机的组成，实际上，单片机内部有一条将它们连接起来的“纽带”，即所谓的“内部总线”。而CPU、ROM、RAM、I/O口、中断系统等就分布在此“总线”的两旁，并和它连通。一切指令、数据都可经“内部总线”传输。

以上介绍的是51单片机的基本组成部分，各种型号的51单片机包括STC89C5X、AT89S5X等，都是在51单片机内核的基础上进行功能的增强和改装而成。

1.1.2 单片机的引脚

51单片机虽然型号众多，同一封装的51单片机其管脚配置基本一致。图1-2所示的是采用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口线32个。

1. 电源和接地引脚（2个）

GND（20脚）：接地脚。

VCC（40脚）：正电源脚，接+5V电源。

2. 外接晶体引脚（2个）

XTAL1（19脚）：时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。

XTAL2（18脚）：时钟XTAL2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，生命就会停止；如果单片机的时钟电路停止工作，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18和19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引脚注入，而XTAL2引脚悬空。

3. 复位电路

RST（9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GND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脚）：外部程序存储器的读选通信号。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时，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，该脚还是一个复用脚，在编程期间，将用于输入编程脉冲。

/VPP（31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），端必须接地。另外，/VPP还是一个复用脚，在用通用编程器编程时，VPP脚需加上12V的编程电压。

5. 输入/输出引脚（32个）

（1）P0口P0.0～P0.7（39～32脚）

P0口是一个8位漏极开路的“双向I/O口”，需外接上拉电阻，每根I/O口线可以独立定义为输入或输出，输入时须先将其置“1”。P0口还具有第二功能，即作为地址/数据总线；当作数据总线用时，输入8位数据；而当作地址总线用时，则输出8位地址。

（2）P1口P1.0～P1.7（1～8脚）

P1口是一个带有内部上拉电阻的8位“准双向I/O口”，每根I/O口线可以独立定义为输入或输出，输入时须先将其置“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、P3口都一样，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，如表1-1所示。

顺便说一下，STC89C51/C52与AT89S51/52有所不同，其P1.5、P1.6、P1.7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脚）

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位“准双向I/O口”，每根I/O口线可以独立定义为输入或输出，输入时须先将其置“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位的地址线，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脚）

P3口是一个带有内部上拉电阻的8位“准双向I/O口”，每根I/O口线可以独立定义为输入或输出，输入时须先将其置“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，第二功能如表1-2所示。这里要说明的是，当P3口的某些I/O口线作为第二功能使用时，不能再把它当作通用I/O口使用，但其他未使用的I/O口线可作为通用I/O口线。

P3口的第二功能应用十分广泛，我们会在后续章节中进行详细说明。