MCS-51单片机总体概述（二）

此文章参考书籍为华中科技大学出版社出版的《单片微型计算机原理与应用》

1. CPU的时序及辅助电路

1.1 CPU时序的基本概念

计算机的工作过程就是不断的执行指令的过程。CPU每执行一条指令，都要进行取指、译码、执行指令。这些操作都是有CPU的定时信号控制的。通过定时信号制定时序，严格规定单片机内部以及外部各功能部件相互配合协调工作。我们规定了四种周期，即振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期。
振荡周期： 指为单片机提供定时信号的震荡源的周期。
时钟周期：又称状态周期S，是由振荡周期二分频得到，分为P1和1P2节拍，P1内通常完成算数逻辑运算，P2内一般完成内部寄存器之间的传送操作。
机器周期：CPU执行一条指令可以划分为几个阶段，每一个阶段完成一项基本操作，如读取指令等，把完成一项基本操作的时间称为机器周期。8051一个机器周期包含6个状态周期。
指令周期：CPU执行一条指令所需要的时间称为指令周期。通常一个指令周期包含1 ~ 4个机器周期。MCS-51中，单、双字节指令都有可能是单周期和双周期的，三字节指令都是双周期的，只有乘法和除法指令占四个机器周期。
以下是MCS-51单片机内部四种周期的关系：

1.2 时钟电路

计算机的工作是在时序脉冲的控制下有条不紊地进行的。MCS-51单片机可以采用内部时钟方式，也可以采用外部时钟方式。
内部时钟连接方式如下，引脚XTAL1和XTAL2分别是振荡器中放大器的输入端和输出端。

外部时钟连接方式如下，MCS-51单片机外接振荡信号直接从引脚XTAL2输入，由于XTAL1是MOS器件输入管脚，故需接地，如图（a）。对于CHMOS型的80C51单片机，时钟信号取自放大器的输入端，故XTAL1外接振荡信号，XTAL2作为输出引脚可浮空，如图（b）。

1.3 复位电路

计算机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个初始状态开始工作。MCS-51通常采用上电自动复位和开关手动复位两种方式，复位高电平持续时间要大于2个机器周期。

复位后的内部寄存器状态

寄存器	内容	寄存器	内容
PC	0000H	TMOD	00H
A	00H	TCON	00H
B	00H	TH0	00H
PWS	00H	TL0	00H
SP	07H	TH1	00H
DPTR	0000H	TL1	00H
P0 ~ P3	FFH	SCON	00H
IP	XXX00000B	SBUF	XXXXXXXXB
IE	0XX00000B	PCON	0XXX000B(CHMOS) 0XXXXXXXB(HMOS)

2. MCS-51的引脚及片外总线结构

2.1 MCS-51的引脚功能

MCS-51单片机共有40条引脚，有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制和其他电源复用的引脚，32条输入/输出引脚。结构如下图所示：

其中，控制引脚如下：
RST/V_PD：复位/备用电源输入端。用作复位和当主电源掉电时，该引脚可接入+5V备用电源，向片内RAM供电，保证片内RAM中的信息不丢失。
ALE/PROG：地址锁存使能输出/编程脉冲输入端。当CPU访问外部存储器时，ALE的输出作为外部锁存地址的低位字节的控制信号，当不访问外部存储器时，ALE端以1/6的时钟震荡频率固定的输出正脉冲。当对片内EPROM编程时，可用于输入编程脉冲。
PSEN：外部程序存储器读选通信号。当CPU访问外部程序存储器时，每个机器周期中，PSEN两次有效。
EA/V_PP：外部访问允许/编程电源输入端。EA为低电平时，CPU只访问外部程序存储器。当对片内EPROM编程时，此引脚接+21V的编程电压。
I/O口在后面文章里会详细介绍。

2.2 MCS-51的外部总线结构

当需要外部扩展存储器时，只有P1口及部分P3口能作为I/O口，结构图如下：