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8051 单片机的结构和原理
2.1 51 系列单片机的结构
51 单片机Zui初是由Intel公司开发设计的，但后来Intel公司把51核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如SST、Philip、Atmel等大公司。如是市面上出现了各式各样的但均以51为内核的单片机，倒是Intel公司自己的单片机却显得逊色了。这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51指令、并在51的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的，在前一章我们已经提到51单片机在今后很长一段时间内仍是主流，所以我们的教材将还是以51核为例给大家进行详细的介绍。
2.1.1 51 系列单片机的结构框图
我们假设读者是已经学完了计算机的组成原理，所以下面出现的有关计算机的专有名词
就不做详细介绍了。
我们知道我们PC 机的CPU是基于冯诺伊曼的体系结构，然而MCU（单片机）、Dsp（数字信号处理器）都是基于哈佛结构的体系结构。哈佛结构与冯诺伊曼结构有很大的不同，在冯诺伊曼体系结构下只有一个地址空间，ROM和RAM可以随意安排在这一地址范围内的不同空间，即ROM和RAM 地址统一分配。CPU访问存储器时，一个地址对应唯一的存储单元，可能是ROM，也可能是RAM。而哈佛结构下ROM和RAM是分开编址，即程序和数据分开保存，访问时用不同的指令加以区分，并可同时访问，在这样的体系结构下有利于提高指令的执行速度。在后面的章节我们将详细介绍单片机的存储器配置。
图2－1所示为MCS－51系列单片机的基本结构框图。
从结构框图我们可以看出在这一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分。这些部分包括：
（1） 一个8位的微处理器（CPU）。
（2）片内数据存储器RAM（128B／256B），用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、Zui终结果以及欲显示的数据等，SST89系列单片机Zui多提供1K的RAM。
（3）片内程序存储器ROM／EPROM（4KB／8KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM／EPROM，如8031，8032，80C31等。目前单片机的发展趋势是将RAM和ROM都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST公司推出的89系列单片机分别集成了16K、32K、64KFlash存储器，可供用户根据需要选用，读者可查看书的后面部分。广州科沃—工控维修的120
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（4） 四个8位并行I／O接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。
（5）两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的52系列单片机都会提供3 个16位定时器/计数器。
（6）五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只5个中断源，例如SST89E58RD就有9 个中断源。
（7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I／O口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。
（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。Zui高允许振荡频率为12MHz。SST89V58RDZui高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。
以上各个部分通过内部数据总线相互连接。
早期的51系列单片机有十多个品种，目前已发展到数百种，我们可以看看早期单片机的性能
如表2－1所示，拿它和现代新型单片机比较，我们会发现它们的性能相差很大，可以参见后文的SST89系列单片机性能。
8051 单片机内部结构如图2-2所示。一个完整的计算机应该由运算器、控制器、存储器（ROM及RAM）、数据总线和I／O接口组成。一般微处理器（如8086）就只包括运算器和控制器两部分。和一般微处理器相比，8051增加了四个8位I／O口、一个串行口、4KBROM、128BRAM、很多工作寄存器及特殊功能寄存器（SFR），所以单片机具有比微处理器更强大的控制功能，单片机是专为进行控制设计的，而常见的微处理器是用于运算功能的，下图各部分的功能描述
一、中央处理单元（CPU）
和PC 机的CPU一样，它是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，由运算器和控制器等部件组成。
1． 运算器
运算器包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU，8位的暂存器1、暂存器2，8位的累加器ACC，寄存器B和程序状态寄存器PSW 等。
ALU：可对4位（半字节）、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。能做加、减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制调整及比较等算术运算和与、或、异或、求补及循环移位等逻辑操作。
ACC：累加器ACC经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。除此之外，ACC在8051内部经常作为数据传送的中转站。同一般微处理器一样，它是Zui繁忙的一定寄存器了。在指令中用助记符A来表示。
PSW：程序状态字寄存器，8位，用于指示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄存器。PSW中各位状态供程序查询和判别用。详见特殊功能寄存器SFR中介绍。
B：8位寄存器，在乘、除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果；若不做乘、除运算时，则可作为通用寄存器使用。
另外，8051片内还有一个布尔处理器，它以PSW中的进位标志位CY为其累加器（在布尔处理器及其指令中以C代替CY），专门用于处理位操作：可执行置位、位清0、位取反、位等于1转移、位等于0 转移、位等于1转移并清0 以及位累加器C与其他可位寻址的空间之间进行信息传送等位操作，也能使C与其他可寻址位之间进行逻辑“与”、逻辑“或”操作，结果存放在进位标志位（位累加器）C中。
2．控制器
控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器及定时电路等。
程序计数器PC：由两个8位的计数器PCH 及PCL组成，共16 位。PC实际上是程序的字节地址计数器，PC中的内容是将要招待的下一条指令的地址。改变PC的内容就可改变程序执行的方向。PC可对64KB的ROM（程序存储器）直接寻址，也可对8051片外RAM（数据存储器）寻址。
指令寄存器IR及指令译码器ID，由ID对指令译码并送PLA产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。例如，控制ALU的操作、在8051片内工作寄存器间传送数据，以及发出ACC与I／O口（P0~P3）或存储器之间通信的控制信号等等。
振荡器及定时电路：8051单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容（2个30pF左右），其频率范围为1.2MHz~12MHz。该脉冲信号就作为8051工作的基本节拍，即时间的Zui小单位。8051同其他计算机一样，在基本节拍的控制下协调地工作，就像一个乐队按着指挥的节拍演奏一样。
二、存储器
8051片内有ROM（程序存储器，只能读）和RAM（数据存储器，可读可写）两类，它们有各自独立的存储地址空间，与一般微机的存储器配置方式很不相同。
1、程序存储器（ROM）
8051 及8751的片内程序存储器容量为4KB，地址从0000H一开始，用于存放程序和表格常数。
2、数据存储器（RAM）
8051／8751／8031片内数据存储器均为128B，地址为00H~7FH，用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。
在这128B 的RAM中，有32个字节单元可指定为工作寄存器，这同一般微处理器不同，8051的片内RAM和工作寄存器排在一个队列里统一编址。
由图2－2可见,8051单片机内部还有SP,DPTR,PCON,…,IE,IP等特殊功能寄存器，它们也同128字节RAM在一个队列里编址，地址为80H~FFH。在这128字节RAM单元中有21个特殊功能寄存器(SFR),这些特殊功能寄存器还包括P0~P3口锁存器。
如何使用RAM 中的32个工作寄存器和特殊功能寄存器，后面将详细介绍。
三、I/O 接口
8051 有四个8位并行接口，即P0~P3。它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O线，为可输入／输出。P0~P3口四个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O口当作一般特殊功能寄存器来寻址。
2.2 51 单片机的引脚及其功能
MCS-51系列中各种芯片的引脚是互相兼容的，如8051,8071和8031 均采用40脚双列直插封装(DIP)方式。当然，不同芯片之间引脚功能也略有差异。8051单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能，如图2-3所示。
各引脚功能简要说明如下：
1. 电源引脚Vcc和Vss
Vcc(40脚)：电源端，为＋5V。
Vss(20脚)：接地端。
2. 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的一端；在8051片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。
要检查8051/8031的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号
输出。
XTAL1(19脚)：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。
3. 控制信号引脚RST,ALE,PSEN和EA
RST/VPD(9脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，将＋5V电源自动两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是VPD,即接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。
ALE/PROG(ADDRESS LATCH ENABLE/PROGRAMMING,30脚)：地址锁存允许信号端。当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fOSC的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。
平时不访问片外存储器时，ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果想确定8051/8031芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。如有脉冲信号输出，则8051/8031基本上是好的。
ALE 端的负载驱动能力为8个LS型TTL(低功耗甚高速TTL)负载。
此引脚的第二功能PROG 在对片内带有4KBEPROM 的8751编程写入(固化程序)时，作为编程脉冲输入端。
PSEN(PROGRAM STORE ENABLE,29脚)：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引肢接EPROM的OE端(见后面几章任何一个小系统硬件图)。PSEN端有效，即允许读出EPROM／ROM中的指令码。PSEN端同样可驱动8 个LS型TTL负载。要检查一个8051/8031小系统上电后CPU能否正常到EPROM／ROM中读取指令码，也可用示波器看PSEN端有无脉冲输出。如有则说明基本上工作正常。
EA＃/Vpp(ENABLE ADDRESS/VOLTAGE PULSE OFPROGRAMING,31脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。
当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但当PC（程序计数器）的值超过0FFFH(对8751/8051为4K)时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。
当输入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内ROM的8031或8032,需外扩EPROM，此时必须将EA引脚接地。
此引脚的第二功能是Vpp 是对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压（一般12V～21V）的输入端。
4.输入/输出端口P0/P1/P2/P3
1．鉴别GTR的好坏
（1）用指针式万用表进行判断：如图2-1所示，将指针式万用表拨至R×1档，测量GTR任意两脚间的电阻，仅当黑表笔接B极，红表笔分别接C极和E极时，电阻呈低阻值（4~20欧），对其它情况电阻值均为无穷大。由此可迅速判定管子的好坏和B极，剩下的就是C极和E极。
（2）用数字万用表进行判断：如图2-2所示，将数字万用表设置在“二极管”档，测量GTR任意两脚间的电阻，仅当红表笔接B极，黑表笔分别接C极和E极时，电阻呈低阻值（200~800），对其它情况电阻值均为无穷大。由此可迅速判定管子的好坏和B极，剩下的就是C极和E极。
1）GTR的驱动电路
在实际应用中，GTR的基板驱动电路种类很多，但都应该满足以下几点要求：
①GTR开通时要采用强驱动，即应有一定的过饱和和前沿较陡的驱动电路，以缩短开通时间，减小开通功耗。过饱和系数一般为1.5—2。
②GTR导通后应相应减小驱动电流，使GTR处于准饱和状态，以降低驱动功耗，减小存储空间。 ③GTR关断时要提供较大的反向基板电流，以迅速抽取基区的剩余载流子，缩短关断时间。反向驱动系数一般为1—2。
④GTR关断期间要维持一定的反向偏置电压。在GTR开通前，反偏置电压应为零。
⑤驱动电路应采用措施，使主电路和控制电路隔离；同时，应设置自动保护，防止GTR因过流而进入线性工作区，以免功耗过大发热而损坏。
2）IGBT模块
①集电极—发射极额定电压UCES：栅极—发射极短路时，IGBT集成电极与发射极所能承受的耐压值，这个电压值是生产厂商根据器件雪崩击穿电压而规定的，UCES应小于或等于雪崩击穿电压。
②栅极—发射极额定电压UCES：IGBT是电压控制器件，UCES是栅极控制信号的电压额定值。目前IGBT的UCES值一般为+20V，使用中栅极控制电压应小于此值。
③额定集电极电流IC：该参数是IGBT饱和导通时，允许管子流过的持续Zui大电流。
④集电极—发射极饱和电压降UCE（Sat）：UCE（Sat）是指IGBT正常饱和时，集电极—发射极之间的电压降。通常UCE（Sat）值2.5—3.5V，该值越小，管子的功率损耗越小。
⑤开关频率：开关频率可以通过给出的导通时间Ton，下降时间tf和关断时间toff估算出来，一般IGBT的开关频率小开100KHz，通常工作在30—40KHz，这比GTR要高得多。
3）IPM模块
智能功率模块IPM是将主开关器件、续流二极管、驱动电路、过流保护电路、过热保护电路和短路保护电路以及驱动电源不足保护电路、接口电路等集成在同一封装内，形成了高度集成的智能功率集成电路。它的主要特点体现在控制功能、保护功能和接口功能方面。
① 驱动电路
在智能功率模块IPM内部设置了高性能的驱动电路，具有出现故障后自动软关断IGBT的功能，同时，由于结构紧凑，驱动电路与IGBT之间距离极短，抗干扰能力强，输出阻抗又很低，不需要加反偏压，简化了驱动电路电源，仅需要提供一组下桥臂的公共电源和三组上桥臂的独立浮“地”电源。
②欠压保护
每个驱动电路都具有欠压（UV）保护功能，无论什么原因，只要驱动电路电源UCC低于欠电压阈值UUV，时间超过10ms，智能功率模块IPM就会关断，同时输出一个故障报警信号。
③ 过热保护
智能功率模块IPM内部绝缘基板上设有温度传感器，如果温度超过过热断开阈值时，智能功率模块IPM内部的保护电路就会阻止门极驱动信号，不接受控制输入信号，直至过热现象消失，保护器件不受损坏，同时输出过热故障信号。
④ 过流、短路保护
智能功率模块IPM中的IGBT的电流传感器是射极分流式，采样电阻上流过的电流很小，但与流过开关元件上的电流成正比例关系，从而取代了大功率电阻、电流互感器、霍尔电流传感器等电流检测组件。如果智能功率模块IPM中任意一IGBT集电极电流大于过流动作电流，时间超过10μs时，IPM将软关断，并且输出过电流报警信号。
⑤制动电路
主元件的智能功率模块IPM中设有IGBT组成的制动电路。当智能功率模块IPM接收到制动信号后，制动电路中的IGBT导通，接在制动端BN的制动电阻吸收电能，制动电路工作。
⑥智能功率模块IPM采用陶瓷绝缘结构，直接安装在散热板上；直流输入（P、N），制动单元输出（B）和变频输出端子直接用螺钉连接。输入输出控制端子并排一列，可用通用插座连接。主接线端子和控制端子都可拆卸，不需烙铁焊接，非常方便。