51单片机介绍

‘壹’ 51单片机简介

51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，
后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。

‘贰’ 51单片机的介绍

51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8004单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8004单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是51系列的单片机一般不具备自编程能力。

‘叁’ 51单片机控制器组成与功能简介

MSC51单片机的控制器由指令寄存器、指令译码器、复位电路、时钟发生器、定时控制逻辑、程序计数器、程序地址寄存器、数据指针、堆栈指针等组成。

1、 时钟发生器。

1） 内部方式：MCS-51 有内部振荡电路，只要在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时反馈电路（一般为石英晶振和电容组成的并联回路）内部振荡器便自激振荡--称为内部方式。在XTAL2有3V左右的正弦波输出。

2） 外部方式：由XTAL1或XTAL2输入一外部振荡信号（0。5~16MHZ方波）。

2、复位电路

1） 上电复位

2） 人工复位

3） 系统复位（单片机本身与外部扩展的I/O接口电路需要一个同步复位信号，若不同步，则CPU对I/O接口电路的初始化编程无效，使系统不能正常工作，（1）这可通过延时一段时间以后对外部I/O电路进行初始化来解决，（2）或接不同的复位电路通过调节RC常数使CPU和外部电路同步复位）。

3、CPU定时（时序）

1） 振荡周期（1/fosc）振荡器输出的脉冲周期

2） 时钟周期 振荡脉冲经2分频后的内部时钟信号周期（也称状态周期）。（S）

3） 机器周期 6个时钟周期组成一个机器周期，或1个机器周期=12振荡周期。

4） 指令周期 以机器周期为单位，一条指令执行的时间；有单周期指令、双周期指令、4周期指令。

‘肆’ 51单片机的具体介绍

T89C2051是精简版的51单片机，精简掉了P0口和P2口，只有20引脚，但其内部集成了一个很实用的模拟比较器，特别适合开发精简的51应用系统，毕竟很多时候我们开发简单的产品时用不了全部32个I/O口，用AT89C2051更合适，芯片体积更小，而且AT89C2051的工作电压最低为2.7V，因此可以用来开发两节5号电池供电的便携式产品。
本文以ATMEL公司生产的51系列家族的AT89S51和AT89C2051两种单片机来讲解，两种单片机是目前最常用的单片机，其中AT89S51为标准51单片机，当然其功能比早期的51单片机更强大，支持ISP在系统编程技术，内置硬件看门狗。。。
一、AT89S51单片机引脚介绍
AT89S51有PDIP、PLCC、TQFP三种封装方式，其中最常见的就是采用40Pin封装的双列直接PDIP封装，外形结构下图。
芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见右图）左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3、4。。。40，其中芯片的1脚顶上有个凹点（见右图）。在单片机的40个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。
1、主电源引脚（2根）
VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源
GND(Pin20)：接地线
2、外接晶振引脚（2根）
XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端
3、控制引脚（4根）
RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号
PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
芯片实物图片 芯片引脚功能
4、可编程输入/输出引脚（32根）

AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交通灯、霓虹灯等，开发产品时就是利用这些可编程引脚来实现我们想要的功能，尽情发挥你的想象力吧，实现你想要的：）
强大无比。。。
PO口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7
上面就是AT89S51单片机引脚的简单介绍，其它51系列家族的单片机8031、8051、89C51等引脚和89S51兼容，只是个别引脚功能定义不同。
二、AT89C2051单片机引脚介绍
AT89C2051为20引脚小型封装，2K内部程序存储器，15个可编程I/O口线，没有P0口和P2口的16根I/O线，内部集成了一个模拟比较器。AT89C2051单片机的引脚排列如下图所示。

芯片实物图片 芯片引脚功能


芯片共有20个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见上图）左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3。。。20，在单片机的20个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，复位引脚1根以及P1、P3口可编程I/O引脚15根。
1、主电源引脚（2根）
VCC(Pin20)：电源输入，接＋5V电源
GND(Pin10)：接地线
2、外接晶振引脚（2根）
XTAL1(Pin5)：片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin4)：片内振荡电路的输出端

3、控制引脚（1根）
RST/VPP(Pin1)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
4、可编程输入/输出引脚（15根）
P1口： 8位准双向I/O口线，P1.0～P1.7 ，共8根
P3口： 8位准双向I/O口线，P3.0～P3.5、P3.7，共7根
聪明的你一定会发现：标准51单片机有32根可编程I/O口线，89C2051精简掉P0、P2口16根I/O线后，应该还有16根I/O口线，现在只有15根，另一根跑那里去了呢？！前面讲到AT89C2051内部集成了一个模拟比较器，正是因为集成了模拟比较器把另一根引线占用了，比较器的输出端占用了一个I/O口，它就是P3.6口，引脚P3.6没有接出来的，所以少一根I/O口线。在编程时，P3.6就只能用来读比较器的状态了，不能象其它I/O口一样用来驱动外部指示灯等设备了，不过模拟比较器很实用的，在开发中就可以省去外加比较器的麻烦，图为比较器的原理。

三、主要性能参数介绍
AT89S51
·与MCS-51产品指令系统完全兼容
·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器
·1000次擦写周期
·4.0－5.5V的工作电压范围
·全静态工作模式：0Hz－33MHz
·三级程序加密锁
·128×8字节内部RAM
·32个可编程I／O口线
·2个16位定时／计数器
·6个中断源
·全双工串行UART通道
·低功耗空闲和掉电模式
·中断可从空闲模唤醒系统
·看门狗（WDT）及双数据指针
·掉电标识和快速编程特性
·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）
AT89C2051
·与MCS-51产品指令系统完全兼容
·2k字节可重擦写闪速存储器
·1000次擦写周期
·2.7V－6V的工作电压范围
·全静态操作：0Hz－24MHz
·两级加密程序存储器
·128×8字节内部RAM
·15个可编程I／O口线
·2个l6位定时／计数器
·6个中断源
·可编程串行UART通道
·可直接驱动LED的输出端口
·内置一个模拟比较器
·低功耗空闲和掉电模式

‘伍’ 51单片机系列的区别与特点介绍

1、8031的特点

8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。

2、8051的特点

8051片内有4k ROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。但是你编的程序你无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代你烧写，并是一次性的，今后你和芯片厂都不能改写其内容。

3、8751的特点

8751与8051基本一样，但8751片内有4k的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。

由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容;在使用上基本可以直接互换。人们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”，学了其中一种，便会所有的51系列。

4、AT89C51、AT89S51的特点

在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51、AT89S51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89xx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。再着，AT89C51、AT89S51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。

AT89S51、52是2003年ATMEL推出的新型品种，除了完全兼容8051外，还多了ISP编程和看门狗功能。我们也专门为这种新片设计了一款 编程、学习、实验板。

5、AT89C2051、AT89C1051等的特点

ATMEL公司的51系列还有AT89C2051、AT89C1051等品种，这些芯片是在AT89C51的基础上将一些功能精简掉后形成的精简版。AT89C2051取掉了P0口和P2口，内部的程序FLASH存储器也小到2K，封装形式也由51的P40脚改为20脚，相应的价格也低一些，特别适合在一些智能玩具，手持仪器等程序不大的电路环境下应用;AT89C1051在2051的基础上，再次精简掉了串口功能等，程序存储器再次减小到1k，当然价格也更低。

对2051和1051来说，虽然减掉了一些资源，但他们片内都集成了一个精密比较器，别小看这小小的比较器，他为我们测量一些模拟信号提供了极大的方便，在外加几个电阻和电容的情况下，就可以测量电压、温度等我们日常需要的量。这对很多日用电器的设计是很宝贵的资源。

ATMEL的51、2051、1051均有多种封装，如AT89C(S)51有PDIP、PLCC和PQFP/TQFP等封装;2051/1051有PDIP和SOIC封装等。下图是部分封装实物。

由于51系列单片机的内核都一样，所以在51单片机教材方面目前仍然沿用Intel MCS 8051单片机的书籍。开发软件和工具也是一样，我们统称为8051开发系统、环境、等等，如我们网站介绍的汇编程序ASM51、Keil C51、MedWin 等均是针对8051内核单片机的开发软件。

单对AT89C51、AT89S51来说，在实际电路中可以直接互换8051//8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地(GND)，单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令;而8051/8751/89c51因内部有程序存储器，31脚接高电平(VCC)，单片机启动后直接在内部读取指令。也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取。其他无须改动。另外，AT89C51、AT89s51替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和373芯片。

6、89S51与89C51的区别

MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有 8031(内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰)、8051(芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰)和8751等通用产品，一直到现在， MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品(比如目前流行的89S51、89C51等)，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机，8051是早期的最典型的代表作，MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。

其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而以。同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如ATMEL的89C51(已经停产)、89S51， PHILIPS(菲利浦)，和WINBOND(华邦)等，我们常说的已经停产的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash(程序存储器的内容至少可以改写1000次)存储器取带了原来的ROM(一次性写入)，AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。

不过在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP(在线更新程序)功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。89S51就是在这样的背景下取代89C51的，现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51，将用AT89S51代替。89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX可以像下兼容89CXX等51系列芯片。同时，Atmel不再接受89CXX的定单，大家在市场上见到的89C51实际都是Atmel前期生产的巨量库存而以。如果市场需要，Atmel当然也可以再恢复生产AT89C51。

7、89S51相对于89C51增加的新功能包括：

1)性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低!
2)ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。
3)最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。
4)具有双工UART串行通道。
5)内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
6)双数据指示器。
7)电源关闭标识。
8)全新的加密算法，这使得对于89S51的**变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
9) 兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。

‘陆’ 谁能介绍MCS-51单片机

MCS-51把微型计算机的主要部件都集成在一块心片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。因此，在工业测控系统中，使用单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。
MCS-51的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，介绍其功能特性书籍和开发软件随处可取，只需配备一台PC（个人电脑——对电脑的配置基本上无要求），一台仿真编程器即可实现产品开发，早期的开发软件多使用DOS版本，随着Windows视窗软件的普及，现在几乎都使用Windows版本，并且软件种类繁多，琳琅满目，在众多的单片机品种中，C51的环境资源是最丰富的，这给C51用户带来极大的便利。

‘柒’ 51单片机的工作原理

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。