1.2 8051基础知识
例说51单片机（C语言版）（第3版）
“89S51”源自Intel公司的MCS-51系列，而目前所采用的8x51并不仅限于Intel公司所生产的，反倒是以其他厂商所发行的兼容芯片为主，如Atmel公司的89C51/89S51系列，其价格便宜，质量稳定，开发工具齐全，早就被学校或培训机构所接受。
在此先介绍8x51的基本知识，包括基本结构、引脚、基本电路及51系列等，其中很多数据最好要熟记，本书也会提供许多快速背记的技巧，让读者能在极短的时间里记住40个引脚、基本电路等。
1.2.1 8x51的结构
8x51单片机发展至今，虽然有许多厂商各自开发了不同的兼容芯片，但其基本结构并没有多大的变动，如下所示为标准的8x51结构（如图1-3所示）。
程序存储器ROM：内部4KB，外部最多可扩展至64KB。
数据存储器RAM：内部128B，外部最多可扩展至64KB。
4组可位寻址的8位输入/输出端口，即P0、P1、P2及P3。
一个全双工串行口，即UART；两个16位定时器/计数器。
5个中断源，即INT0、INT1、T0、T1、TXD/RXD。
111条指令码。
8x51为8位微控制器。8位指的是微控制器内部数据总线或寄存器一次处理数据的宽度。相对于目前个人计算机（PC）所用的CPU，早期的CPU从8088/8086到80286都是16位的CPU；而从80386到Pentium 3都属于32位的CPU。尽管如此，目前所采用的单片机微控制器仍是以8位为主，只有在特殊场合才会采用16位的单片机，如8096等。
通常存储器的操作是以字节（B）为单位的，“可位寻址”是存取存储器、寄存器或输入/输出端口时，可指定其中的一位，例如，要指定P0输入/输出端口中的bit 1，则指定为P0.1即可，如图1-4所示。
图1-3 MCS-51 内部基本结构图
图1-4 指定P0输入/输出端口中的一位
1.2.2 89C51/89S51的封装与引脚
89C51的元件封装方式有3种，除了这3种外，89S51的元件封装方式还多出了一种PDIP42元件封装，说明如下。
QFP封装
89C51/89S51的PQFP或TQFP（Thin Plastic Gull Wing Quad Flatpack）封装为扁平的44个引脚表贴式封装，这种封装的体积很小，成本较低，适合于机器粘贴，为目前商用的主流；但在学校或培训机构这是不太适用的。如图1-5所示，在俯视图里，左上方有记号者为第1脚，然后逆时针排列，分别为2～44脚，其中包括3个空脚，而相邻两个脚的间距为0.8mm，元件厚度（高度）为1.2mm。
图1-5 PQFP（TQFP）封装
PLCC封装
PLCC（Plastic J-Leaded Chip Carrier）封装也是89C51/89S51常用的封装方式，这也是一个44个表贴式引脚（SMT）的封装，其中包括4个空脚，而其引脚编号与QFP封装非常相似（兼容），如图1-6所示，在俯视图里，上面中间有个记号者为第1脚，然后逆时针排列分别为2～44脚，相邻两个脚的间距为0.05英寸（即1.270mm），元件高度（含引脚）为4.572mm。
图1-6 PLCC封装
一般地，这种表贴式的元件可直接粘着于电路板上，而不必钻孔（其引脚如图1-7所示）。在研发、实验或教学时，也可利用芯片管座，这样可缩短开发与生产的时间。
图1-7 PLCC 引脚
直插式封装PDIP42
89S51的直插式封装有两种，第一种是42个引脚双列直插式的封装（Plastic Dual Inline Package），简称PDIP42；第二种是40个引脚双列直插式封装，与89C51、MCS-51兼容，稍后说明。如图1-8所示，在双列直插式封装里，俯视图左上方有记号者为第1脚，然后逆时针排列分别为2～42脚。相邻两个脚的间距为1.588mm，元件长度为36.96mm，两排引脚的间距为13.97mm，元件厚度为4.826mm（不含引脚），与一般的面包板或IC芯片管座不符。
图1-8 PDIP42直插式封装
直插式封装PDIP40
89C51/89S51的第二种直插式封装为40个引脚双列直插式的PDIP40，这种封装与 MCS-51完全兼容。PDIP40与PDIP42除引脚数量不同外，尺寸差异也很大，PDIP40刚好可插在面包板或40引脚的芯片管座上，图1-9所示俯视图左上方有个记号者为第1脚，然后逆时针排列分别为2～40脚。相邻两个脚的间距为0.1英寸（即2.540mm），元件长度为52.578mm，两排引脚之间距为0.6英寸（即15.875mm），元件厚度为4.826mm（不含引脚），特别适用于学校、培训机构使用。不过，由于直插式封装体积较大，电路板制作成本较高，很少用在商品里。
除了采用PDIP42封装，89S51与89C51完全兼容，本书将以采用PDIP40封装的 89S51为探讨的对象，当然，要学习8x51，笔者强烈建议先将其引脚“背”下来，在此提供了独门的技巧，让大家轻松记住这40个引脚。
图1-9 PDIP40直插式封装
电源引脚
几乎所有IC都需要接用电源，而89S51的电源引脚与大部分数字IC的电源引脚类似，右上角接VCC，左下角接GND。所以89S51的40脚为VCC引脚，连接（5V±10%）的电源；20脚为GND引脚，必须接地。
输入/输出端口
有了电源之后，再来看看89S51的“主角”——输入/输出端口。VCC引脚下面是第39脚，为P0的开始引脚，即39脚到32脚这8个引脚为P0；与P0的相对的是P1，也就是第1脚到第8脚。P1从第1脚开始，所以P2从其斜对角第21脚开始，也就是在右下方，21脚到28脚是P2。第10脚到第17脚就是P3。39、1、21、10就是这4个Port的开始引脚，我们可通过图1-10来辅助记忆这4个输入/输出端口。
图1-10 引脚辅助记忆图
复位引脚
几乎所有微处理器都需要复位（Reset）的动作，对于89S51而言，只要复位引脚接高电平超过2个机器周期（约2μs），即可产生复位的动作。而89S51的复位引脚在P1与P3之间，即第9脚，辅助记忆的方法是“系统久久不动，就要按一下Reset键，以复位系统”，这“久久”就是第9脚的谐音。
圓 频率引脚
微控制器都需要时钟脉冲引脚，而在接地引脚的上方两个引脚，即19、18脚，就是时钟脉冲引脚，分别是XTAL1、XTAL2。
存储器引脚
89S51内部存储器外部也可接存储器，至于使用内部存储器，还是外部存储器，则需视31脚（P0下面那个脚）而定。31脚就是overline {{text{EA}}} 引脚，即存取外部存储器使能（External Access Enable）引脚。当overline {{text{EA}}} =1时，系统使用内部存储器；当overline {{text{EA}}} =0时，系统使用外部存储器。对于初学者而言，所写的程序比较简单，大多只使用内部存储器，所以就把31脚直接接到VCC。若使用无内部存储器的8031/8032（稍后在1-2-4节再详细介绍），则31脚接到GND。外部存储器控制引脚
现在只剩下overline {{text{EA}}} 引脚下面的那两个引脚，而这两个引脚与overline {{text{EA}}} 引脚有点类似，都是针对存储器的控制，说明如下。
30脚为地址锁存使能ALE（Address Latch Enable），其功能是在存取外部存储器时，送出一个将原本在P0的地址（A0～A7）信号锁存到外部锁存器IC（如 74373），让P0空出来，以传输数据。简单讲，当外接存储器电路时，若ALE=1，P0被用作地址总线；若ALE=0，P0被用作数据总线。
29脚为程序存储使能overline {{text{PSEN}}} （Program Store Enable），其功能是读取外部存储器。通常此引脚连接到外部存储器（ROM）的overline {{text{OE}}}引脚，当89S51要读取外部存储器的数据时，此引脚就会输出一个低电平信号。
相对于前面的38个引脚，29、30脚比较难以说明，但是只要不用到外部存储器，就可当它们不存在，留待后面关于外部存储器的章节再行说明。
根据上述要诀，很容易记住这些引脚。或许有人会质疑：“有这么简单吗？”当然没这么容易！89S51的40个引脚里有很多是复用引脚，简单讲就是多用途的引脚，以39脚到32脚为例，平时为P0；若是连接外部存储器时，则当成AD0～AD7引脚，而AD0～AD7就是地址引脚与数据引脚混合的复用引脚，好像有点复杂，但如果不接外部存储器时就当它不存在。
1.2.3 89S51的基本电路
所谓“基本电路”是指89S51电路工作所不可或缺的基本连接线路。在此我们也有熟记基本电路的方法，基本电路包括以下四部分。
先接电源
电路都需要电源，这里首先将40脚接VCC，也就是+5V、20脚接地。
再接时钟脉冲
89S51内部已具备振荡电路，只要在GND引脚上方的两个引脚（即19、18脚）连接简单的石英振荡晶体（Crystal）即可。至于89S51的时钟脉冲频率，目前MCS-51芯片的工作频率已大为提升，例如Atmel公司的89C51的工作频率为0～24MHz，而华邦电子（Winbond）更提供了40MHz的版本，未来必然还会有更高频率的版本。尽管如此，目前还是采用12MHz时钟脉冲。如果不再设计一个振荡电路，则可按图1-11所示连接即可。如果要自行设计一个振荡电路，则可按图1-12所示连接。
图1-11 使用内部振荡电路
图1-12 使用外部时钟脉冲产生电路
复位电路
89S51的复位引脚（Reset）是第9脚，当此引脚连接高电平超过2个机器周期（1个机器周期包含12个时钟脉冲，请参考后面章节），即可产生复位的动作。以12MHz的时钟脉冲为例，每个时钟脉冲为1/12μs，2个机器周期为2μs。因此，我们可在第9脚上连接一个可让该引脚上产生一个2μs以上的高电平脉冲，即可产生复位的动作，如图1-13所示。
图1-13 Power On Reset电路
电源接上瞬间，电容器C上没有电荷，相当于短路，所以第9脚直接连接到VCC，即89S51执行复位动作。随着时间的增加，电容器上的电压逐渐增加，而第9脚上的电压逐渐下降，当第9脚上的电压降至低电平时，89S51恢复正常状态，称为“Power On Reset”（自动复位）。在此使用10kΩ电阻器、10μF电容器，其时间常数远大于2μs，所以第9脚上的电压可保持2μs以上的高电平，足以使系统复位。当然，只要时间常数大于2μs即可，而不一定要使用10kΩ电阻器、10μF电容器，本书所提供的89S51在线刻录实验板就使用0.1μF电容器（体积较小，电流也较小）及约100kΩ电阻器。
通常，我们还会在电容器两端并接一个按钮开关，如图1-14所示，此按钮开关就是一个手动的Reset开关（强制Reset）。
图1-14 手动复位电路
存储器设置电路
基本电路的最后一个部分是存储器的设置，如果把31脚（overline {{text{EA}}}）接地，则采用外部存储器；如果把31脚（overline {{text{EA}}}）接VCC，则采用内部存储器。在本书里大多采用内部存储器，所以把31脚与40脚及VCC相连接。整个基本电路如图1-15所示。
图1-15 基本电路
其中的元件如表1-1所示。
1.2.4 MCS-51系列
一般地，MCS-51系列（Micro Controller System，MCS）可分为51与52两大系列，52系列可说是51系列的增强型，其最大的特色就是内部存储器加倍，定时器/计数器增加了一个，价格却相差不大。
若根据芯片内的ROM来区分，MCS-51可分为无ROM型（8031/8032）、Mask ROM型（8051/8052）、EPROM型（8751/8752）及EEPROM型（89C51/89C52、89S51/89S52），如表1-2所示。
下面简述这几种8x51。
无ROM型
8031/8032为无ROM型单片机，如图1-16所示，使用这种单片机必须外接程序存储器。由于其封装成本与含ROM型的单片机很接近，且必须外接程序存储器，反而使电路成本大增；目前除非程序很大，无法完全放入单片机外，已经很少有人会采用这种单片机。
Mask ROM型
8051/8052为Mask ROM型单片机，如图1-16所示。这种单片机直接将程序放入芯片中的程序存储器，所以不必刻录程序（也不能刻录），单价低廉。但由于这种芯片需要制作其独有的光罩（Mask），需要量大的场合才能生产。键盘里所用的单片机（8048，是8051的上一代）就是Mask ROM型单片机。
图1-16 不可写入型
EPROM型
8751/8752为EPROM型单片机，如图1-17所示。这种单片机可将程序烧入芯片中的程序存储器，也可以紫外线擦除程序存储器里的数据，所以可重复使用不同的程序。IC上面有一个窗口，可看到内部的芯片与连接线，通常在刻录完毕后，在窗口上贴黑色胶布，以防止数据消失。如要擦除ROM里的数据，则使用紫外线照射窗口，15到30min即可。由于这种封装成本较高，再加上其擦除动作麻烦且费时，目前几乎不再生产这种元件了。
EEPROM型
89C51/89C52、89S51/89S52为使用Flash技术的EEPROM型单片机，如图1-17所示。这种单片机可将程序下载到芯片的程序存储器里，所不同的是，89C51/89C52是以5V及12V电压刻录与擦除程序存储器数据，而89S51/89S52只要5V电压即可刻录与擦除器，早已成为主流。厂商的技术数据宣称，这种晶片可重复写入与擦除器，可达1000次以上。而根据经验，如果不是操作上的失误或折断引脚，就算是经常对它烧写也很难把它烧坏。
图1-17 可重复写入型
1.2.5 关于Atmel的51系列
Atmel半导体公司所提供的89C51系列已成为MCS-51兼容单片机中的主流。在89C51系列中，当然是以停产的89C51最具代表性，取而代之的是更强劲的89S51，这两种单片机微控制器的结构比较如表1-3所示。
表1-3 89C5x与89S5x的比较
由表1-3可知，只要89C51/52有的，89S51/52都有。而其中比较特殊的是89S51/52新增了一个14位看门狗计数器（Watchdog Timer，WDT）。虽然，89S51/52的工作频率提升为0～33MHz，但实质性帮助并不大。就像0～24MHz的89C51/52一样，还是会应用12MHz的工作频率，如此才能直接沿用原有的程序设计；另外，设计程序时也比较容易计算，且耗用的资源也比较少。
虽然89C51停产了，但其核心仍存在于89S51及许多89C51的增强版本中，例如：
AT89C51RC单片机微控制器具有32KB程序存储器、512B数据存储器、WOT等，除存储器比较多外，都与89S51相同。
AT89C51CC001、AT89C51CC002、AT89C51CC003等单片机微处理器以89C51为核心，并扩展外围设备，除配置更多的存储器外，更增加了10位的ADC、CAN控制器等，而其重复数据刻录/擦除器的次数更可达到10万次。
说明：
ADC为Analog to Digital Converter的简称，也就是将模拟信号转换成数字信号的转换器。CAN为Controller Area Network的简称，这是一种微处理器与CAN总线的界面，而CAN控制器应用BOSCH CAN 2.0B Data Link Layer Protocal通信协议。