1-2 8051基本知识
“8051”源自Intel公司的MCS-51系列，而目前所使用的8051并不是都采用Intel公司所生产的芯片，而多采用其他厂商所推出的兼容芯片，如Atmel公司的89C51/89S51系列，其价格低廉，质量稳定，开发工具齐全，广为学校或培训机构所欢迎。
在此，先介绍8051的基本结构，包括基本结构、引脚、基本电路及51系列等，其中很多知识最好要“记”在脑中，本书也会提供很多快速记忆的技巧，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 8051的结构
8051单片机发展至今，虽然有许多厂商各自开发不同的兼容芯片，但其基本结构并没有多大的变动，标准的8051结构图如图1-3所示。现说明如下：
上述结构中，最好能把加波浪线的知识“记忆”下来。
1 8位指的是微处理器内部数据总线、寄存器的宽度是8位。比如计算机（PC）所用的CPU：第一代PC的CPU 8088/8086到第二代PC的CPU 80286都是16位CPU，而从80386到Pentium 4都是32位的CPU。尽管如此，目前所采用的单片机仍是以8位为主，只有在特殊场合才会采用16位的单片机，如8096等。
2 通常存储器的操作是以字节（B）为单位，“可位寻址”是访问存储器、寄存器或输入/输出端口时，可指定其中的一个位，例如要指定P0输入/输出口中的bit 1，则指定为P0.1即可，如图1-4所示。
1-2-2 89C51/89S51的封装与引脚
89C51的封装方式有3种，除了这3种外，89S51的封装方式还有PDIP42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个引脚表面贴片式封装，这种封装的体积很小，成本较低，是目前主流的商用芯片；但不适合学校或培训机构使用。如图1-5所示，在俯视图中，左上方有个圆形记号“○”的是第1脚，然后按逆时针排序，分别为2～44脚，其中包括3个空脚，而相邻两个引脚的间距为0.8mm，芯片厚度为1.2mm。
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个表面贴片式引脚（SMT）的封装，其中包括4个空引脚，其引脚编号与QFP封装非常类似（兼容），如图1-6所示，在俯视图里，上面中间有个圆形记号“○”的是第1脚，然后按逆时针排列，分别为2～44脚，相邻两引脚的间距为0.05英寸（即1.270mm），芯片高度（含引脚）为4.572mm。
一般来说，采用这种面贴片式封装的部件可直接贴装于电路板上，而不必钻孔（其引脚如图1-7所示）。在研发、实验或教学时，可利用插座，以缩短开发与生产的时间。
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、MCS51兼容，稍后说明。如图1-8所示，在双列直插式封装里，俯视图左上方有个三角形记号“△”是第1脚，然后按逆时针排列，分别为2～42脚。相邻两引脚的间距为1.588mm，长度为36.96mm，而两排引脚的间距为13.97mm，芯片厚度为4.826mm（不含引脚），与一般的面包板或IC插座不符。
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刚好可插在面板或40个引脚的插座上，如图1-9所示，俯视图左上方有个三角形记号“△”是第1脚，然后按逆时针排列，分别为2～40脚。相邻两引脚的间距为0.1英寸（即2.540mm），长度为52.578mm，而两排引脚的间距为0.6英寸（即15.875mm），芯片厚度为4.826mm（不含引脚），特别适合学校、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，已很少用作商用芯片。
本书将以采用PDIP40封装的89S51为探讨对象，当然，要学习8051，笔者强烈建议先将其引脚“背”下来，而要背40个引脚却有点伤脑筋，所以在此提供一些技巧，让大家轻松记住这40个引脚。
电源引脚
几乎所有IC都需要接电源，而8051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8051的40脚为VCC引脚，连接5V10%的电源；20脚为GND引脚，必须接地。
输入/输出口
有了电源之后，再来看看8051的主要部分，也就是输入/输出口。紧接于刚才介绍的VCC引脚下的是第39脚，为Port 0的开始引脚，即39脚到32脚等8个引脚为Port 0；Port 0的对面就是Port 1，也就是第1脚到第8脚。Port 1从第1脚开始，所以Port 2从其斜对角第21脚开始，也就是在右下方，21脚到28脚就是Port 2。同样地，Port 2的斜对面就是Prot 3，第10脚到第17脚就是Port 3。39、1、21、10就是这四个Port的开始引脚，我们可通过图1-10来记住这4个输入/输出口。
复位引脚
几乎所有微处理器都需要复位（Reset）的操作，对于8051而言，只要复位引脚接高电平超过2个机器周期（约2ms），即可产生复位的动作。而8051的复位引脚在Port 1与Port 3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按钮，以复位系统”，这久久就是第9脚的谐音。
时钟引脚
微处理器都需要时钟脉冲，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
8051内部有存储器，外部也可接存储器，至于使用内部存储器还是外部存储器，则必须视31脚（Port 0下面那个引脚）而定。31脚就是引脚，即外部存储器访问使能（External Access Enable）引脚。当=1时，系统使用内部存储器；当=0时，系统使用外部存储器。对于简单的程序，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，则31脚接到GND。
外部存储器控制引脚
现在只剩下引脚下面的两个引脚，而这两个引脚与引脚有点类似，都是针对存储器的控制，说明如下：
● 30脚为地址锁存允许信号ALE（Address Latch Enable），其功能是在访问外部存储器时，送出一个将原本在Port 0的地址信号（A0～A7）锁存到外部锁存IC（如74373），让Port 0空出来，以便传输数据。
● 29脚为程序存储器使能（Program Store ENable），其功能也是访问外部存储器。通常此引脚连接到外部程序存储器（ROM）的引脚，当8051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脚比较难以理解，所幸的是，只要不动用到外部存储器，就可当它们不存在！具体将留到外部存储器的章节再作说明。
根据上述要诀可以很轻松地记住这些引脚。
或许有人会质疑，“有这么简单吗？”当然没这么容易！8051的40个引脚里，其中有很多是多任务引脚，简单讲就是多用途的引脚，以39～32脚为例，平时为Port 0；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复用的多任务引脚，好像有点复杂，但如果不接外部存储器时，就可当它不存在。
1-2-3 8051的基本电路
所谓“基本电路”是指若要8051电路工作不可缺少的基本连接线路，所以，这是必要的！当然，在此我们也有熟记基本电路的方法，基本电路包括四部分，说明如下。
先接电源
电路都需要电源，8051电路也是如此。首先将40脚接VCC，也就是+5V、20脚接地GND，如图1-11所示。
再接时钟脉冲
8051内部已具备振荡电路，只要将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8051的时钟脉冲频率，目前的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。如果懒得再设计一个振荡电路，则可按图1-11连接即可。如果非得自行设计一个振荡电路不可，则可按图1-12连接。
复位电路
8051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），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1/12s，2个机器周期为2s，因此，我们可在第9脚上连接一个可让该引脚上产生一个2s以上的高电平脉冲，即可产生复位的动作，如图1-13（a）所示。
电源接上瞬间，电容C上没有电荷，相当于短路，所以第9脚直接连接到VCC，即8051执行复位动作。随着时间的增加，电容上的电压逐渐增加，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，8051即恢复正常状态，称为“Power On Reset”（加电复位）。在此使用10k电阻、10F电容，其时间常数为1ms，所以第9脚上的电压可保持2s以上的高电平，足以使系统复位。而约1ms（一个时间常数）的时间系统是处于复位状态。
通常，我们还会在电容两端并接一个按钮开关，如图1-13（b）所示，此按钮开关就是一个手动的Reset（复位）开关。
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（）接地，则使用外部存储器；如果把31脚（）接VCC，则使用内部存储器。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1-14所示。
其中的元件如表1-1所示。
1-2-4 MCS-51系列
一般来说，MCS-51系列（Micro Controller System，MCS）可分为51与52两大类，52类是51类的增强型，其最大的特色就是内部存储器加倍，增加了一个定时器/计数器，但价格更加昂贵。
若按芯片内的ROM来区分，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。
表1-2 MCS-51系列芯片的分类
以下简要介绍这几种8051。
无ROM型
8031/8032为无ROM型单片机，如图1-15左图所示。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；目前除了程序太大，无法完全存入单片机外，已很少人采用此类单片机。
Mask ROM型
8051/8052为Mask ROM型单片机，如图1-15右图所示。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“烧录”程序（也不能烧录），价格低廉。但由于这种芯片必须要制作其独有的掩膜（Mask），必须大批量生产。例如键盘里所用的单片机（8048，是8051的前一代）就是Mask ROM型单片机。
EPROM型
8751/8752为EPROM型单片机，如图1-16左图所示。这种单片机是可将程序烧录到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，通常在烧录完毕后，在窗口上贴黑色胶布，以防止数据消失。如果要擦除ROM里的数据，则使用紫外线照射窗口，15～30min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芯片了。
EEPROM型
89C51/89C52、89S51/89S52为EEPROM型单片机，如图1-16右图所示。这种单片机可以将程序“下载”到芯片中的程序存储器，只要施以5V或12V电压，即可轻松、快速擦除程序存储器里的数据，已成为目前的主流。在厂商的技术数据手册中亦称，这种芯片可重复写入与擦除达1000次。根据经验，如果不是操作上的失误，或者是引脚折断，就算是经常烧写，的确是很难把它烧坏！
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，这两种单片机的结构比较如表1-3所示。
由上可知，只要89C51/52有的，89S51/52都有。而其中比较特别的是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，但实质帮助不大。就像0～24MHz的89C51/52一样，还是会使用12MHz的工作频率，这样就可以直接延用原有的程序设计；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的高级版本中，例如：
● AT89C51RC单片机具有32KB程序存储器、512B数据存储器、WDT等，除存储器比较多外，其他都和89S51相同。
● AT89C51CC001、AT89C51CC002、AT89C51CC003等单片机以89C51为核心，并扩展外围设备，除配置更多的存储器外，增加了10位的ADC1、CAN2控制器等，而其重复数据烧录/擦除的次数更可达到10万次。
1 ADC为Analog to Digital Converter的缩写，也就是将模拟信号转换成数字信号的转换器。
2 CAN为Controller Area Network的缩写，这是一种微处理器与CAN总线的接口，而CAN控制器应用BOSCH CAN 2.0B Data Link Layer Protocal通信协议。