8051 微控制器介绍和基础知识

这篇文章是关于 8051 微控制器的介绍和它的一些基本特性。8051微控制器是嵌入式系统、消费电子、汽车等各个领域中最流行和最常用的微控制器之一。

技术上称为 Intel MCS-51 架构的 8051 微控制器系列是由 Intel 在 1980 年开发的，在 80 年代非常流行（仍然很流行）。

8051 微控制器具有串行通信、定时器、中断等许多功能，因此许多学生和初学者开始使用 8051 微控制器来研究微控制器的概念（尽管这种趋势似乎随着 Arduino 的引入而改变）。

尽管 8051 微控制器可能看起来有点过时，但我们认为它是开始使用微控制器、嵌入式系统和编程（C 和汇编）的最佳平台之一。

因此，在这篇文章中，您将了解 8051 微控制器以及 8051 微控制器的一些基础知识。

但在进入 8051 微控制器的介绍和基础知识之前，我们需要了解一下微控制器是什么以及微处理器和微控制器之间的区别。

这篇文章列出了微处理器和微控制器之间的差异。

什么是微控制器？

微控制器是一个 VLSI IC，它包含一个 CPU（处理器）以及一些其他外围设备，如内存（RAM 和 ROM）、I/O 端口、定时器/计数器、通信接口、ADC 等。

相反，微处理器（在微控制器之前开发）只是一个处理器（CPU），没有上述外围设备。为了使其工作或围绕它构建系统，我们需要单独连接外围设备。

在微控制器开发之前，几乎所有的过程和控制任务都是使用微处理器实现的。由于微处理器需要额外的外围设备作为一个系统工作，因此控制系统的总体成本很高。

但是随着微控制器的发展，情况已经完全改变，包括嵌入式系统的世界。

8051单片机介绍及历史

8051 微控制器简介简要概述了 8051 微控制器及其历史。英特尔的 8051 微控制器（英特尔 MSC-51 架构）是 8048 微控制器（英特尔 MSC-48 架构）的后继产品。

最初，8051 微控制器是使用 N-MOS 技术开发的，但使用电池供电的设备及其低功耗导致使用 CMOS 技术（以低功耗而闻名）。

尽管英特尔开发了 8051 微控制器（2007 年停产），但仍有 20 多家半导体制造商生产兼容 8051 的微控制器，即基于 MSC-51 架构的处理器。

不同厂家生产的部分8051微控制器有：Atmel (AT89C51, AT89S51), Phillips (S87C654), STC Micro (STC89C52), Infineon (SAB-C515, XC800), Siemens (SAB-C501), Silicon Labs (C8051) 、恩智浦（NXP700、NXP900）等大多数现代 8051 微控制器是硅 IP 内核（知识产权内核），但也可以使用分立的 8051 微控制器 IC。由于其低功耗、较小的尺寸和简单的架构，8051 IP 内核用于 FPGA（现场可编程门阵列）和 SoC（片上系统），而不是基于高级 ARM 架构的 MCU。

8051单片机的应用

即使随着许多先进和优越的微控制器的发展，8051微控制器仍在许多嵌入式系统和应用中使用。

8051微控制器的一些应用如下：

·消费类电器（电视调谐器、遥控器、电脑、缝纫机等）

·家庭应用（电视、录像机、视频游戏、摄像机、乐器、家庭安全系统、车库开门器等）

·通信系统（手机、对讲机、答录机、寻呼设备等）

·办公室（传真机、打印机、复印机、激光打印机等）

·汽车（安全气囊、ABS、发动机控制、变速箱控制、温度控制、无钥匙进入等）

·航空航天

·医疗器材

·防御系统

·机器人技术

·工业过程和流量控制

·无线电和网络设备

·遥感

8051 微控制器基础知识

8051 是一个 8 位微控制器，即 8051 微控制器（内部和外部）的数据总线为 8 位宽。它是一个基于 CISC 的具有哈佛架构的微控制器（独立的程序和数据存储器）。

由于微控制器的基本布局包括 CPU、ROM、RAM 等。8051 微控制器也有类似的布局。下图显示了典型 8051 微控制器的简要布局。

·8 – 位 ALU：ALU 或算术逻辑单元是微控制器的核心。它对二进制数执行算术和按位运算。8051 中的 ALU 是一个 8 位 ALU，即它可以对 8 位数据执行操作。

·8 – 位累加器：累加器是与 ALU 相关的重要寄存器。8051 中的累加器是一个 8 位寄存器。

·RAM：8051 微控制器具有 128 字节的 RAM，其中包括 SFR 和输入/输出端口寄存器。

·ROM：8051 有 4 KB 的片上 ROM（程序存储器）。

·I/O 端口：8051 有四个 8 位输入/输出端口，可按位寻址和双向。

·定时器/计数器：8051 有两个 16 位定时器/计数器。

·串口：8051支持全双工UART通信。

·外部存储器：8051 微控制器一次可以访问两条 16 位地址线：RAM 和 ROM 各一条。8051 微控制器可以访问 RAM 和 ROM 的总外部存储器为 64KB（每种类型 216）。

·附加功能：中断、片上振荡器、布尔处理器、掉电模式等。

注意：一些特性，如 RAM 和 ROM 的大小、定时器的数量等，不是通用的。它们因制造商而异。

8051 微控制器有多种 IC 封装类型可供选择。最流行和最常用的 8051 微控制器封装是双列直插式或 DIP。它通常以 40 针 PDIP 或塑料 DIP IC 的形式提供。

另一种常见的封装类型是 44-Lead PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）。它是一种表面贴装封装。

8051 微控制器的另一种表面贴装封装是 44 引脚 TQFP（薄四方扁平封装）。

8051微控制器引脚图

如上一教程所述，8051 微控制器有多种封装形式，如 40 引脚 DIP 或 44 引脚 PLCC 和 TQFP。8051 微控制器的引脚方向可能会随封装而变化，但引脚配置是相同的。

下图显示了 40 引脚双列直插式封装 (DIP) 的 8051 微控制器引脚图。

由于它是一个 40-pin DIP IC，每边包含 20 个 Pin。我们还看到了 8051 的其他封装，例如 44-Lead PLCC 和 44-Lead TQFP。下图显示了这些封装的 8051 微控制器引脚图。

既然我们已经看到了 8051 微控制器引脚图，我们需要了解这些引脚的功能。因此，我们现在将看到 8051 微控制器引脚说明。

8051微控制器引脚说明

8051 微控制器的引脚说明或引脚配置将描述 8051 微控制器的每个引脚的功能。现在让我们看看引脚说明。

引脚 1 – 8 (PORT 1)：引脚 1 到 8 是 8051 的 PORT 1 引脚。PORT 1 引脚由 8 位双向输入/输出端口和内部上拉电阻组成。在较旧的 8051 微控制器中，端口 1 没有任何其他用途，而只是 8 位 I/O 端口。

在一些较新的 8051 微控制器中，很少有 PORT 1 引脚具有双重功能。P1.0 和 P1.1 分别作为定时器 2 和定时器 2 触发输入。

P1.5、P1.6 和 P1.7 分别用作系统内编程引脚，即 MOSI、MISO 和 SCK。

引脚 9 (RST)：引脚 9 是复位输入引脚。它是一个高电平有效引脚，即如果 RST 引脚为高电平至少两个机器周期，微控制器将被复位。在此期间，振荡器必须运行。

引脚 10 – 17 (PORT 3)：引脚 10 到 17 构成 8051 微控制器的 PORT 3 引脚。PORT 3 还用作带有内部上拉电阻的双向输入/输出端口。此外，所有 PORT 3 引脚都有特殊功能。下表给出了 PORT 3 引脚的附加功能的详细信息。

端口 3 针

功能

描述

P3.0

RXD

串行输入

P3.1

TXD

串行输出

P3.2

INT0

外部中断 0

P3.3

INT1

外部中断 1

P3.4

T0

定时器 0

P3.5

T1

定时器 1

P3.6

WR

外部存储器写入

P3.7

RD

外部存储器读取

引脚 18 和 19：引脚 18 和 19 即 XTAL 2 和 XTAL 1 是连接外部振荡器的引脚。通常，这里连接一个石英晶体振荡器。

引脚 20 (GND)：引脚 20 是 8051 微控制器的接地引脚。它代表 0V 并连接到电源的负极端子 (0V)。

引脚 21 – 28（端口 2）：这些是 8051 微控制器的端口 2 引脚。PORT 2 也是一个双向端口，即所有 PORT 2 引脚都用作输入或输出。此外，当连接外部存储器时，PORT 2 引脚用作高位地址字节。PORT 2 引脚具有内部上拉电阻。

引脚 29 (PSEN)：引脚 29 是程序存储使能引脚 (PSEN)。使用该引脚，可以读取外部程序存储器。

引脚 30 (ALE/PROG)：引脚 30 是地址锁存启用引脚。使用该引脚，可以将外部地址与数据分离（因为它们被 8051 复用）。

在 Flash 编程期间，该引脚用作编程脉冲输入 (PROG)。

引脚 31 (EA/VPP)：引脚 31 是外部访问使能引脚，即允许外部程序存储器。只有当该引脚为低电平时，才能从外部程序存储器中获取代码。对于正常操作，该引脚被拉高。

在 Flash 编程期间，该引脚接收 12V 编程使能电压 (VPP)。

引脚 32 – 39（端口 0）：引脚 32 至 39 是端口 0 引脚。它们也是双向输入/输出引脚，但没有任何内部上拉电阻。因此，我们需要外部上拉电阻才能将 PORT 0 引脚用作 I/O PORT。

除了作为 I/O 端口外，端口0 在访问外部存储器时还作为低位地址/数据总线。

引脚 40 (VCC)：引脚 40 是提供电源电压 (+5V) 的电源引脚。

8051微控制器基本电路

现在我们已经看到了 8051 微控制器的引脚图和相应的引脚说明，我们将继续了解 8051 微控制器的基本电路或原理图。下图显示了 8051 微控制器的基本电路。

8051微控制器的这个基本电路是它工作所需的最小接口。基本电路包括复位电路、振荡电路和电源。让我们更深入地讨论一下 8051 微控制器的基本电路。

首先是电源。8051 微控制器的引脚 40 和 20（VCC 和 GND）分别连接到 +5V 和 GND。

接下来是复位电路。复位引脚上的逻辑高电平（+5V）至少两个机器周期（24 个时钟周期）将复位 8051 微控制器。8051 微控制器的复位电路由一个电容、一个电阻和一个按钮组成，这种复位电路提供了手动复位选项。如果您移除按钮，则复位电路变成上电复位电路。

8051微控制器基本电路的下一部分是振荡器电路或时钟电路。石英晶体振荡器连接在 XTAL1 和 XTAL2 引脚（即引脚 19 和 18）之间。电容 C1 和 C2 可以在 20pF 到 40pF 的范围内选择。

如 8051 微控制器引脚说明中所述，端口 1、2 和 3 都具有内部上拉电阻，因此可以直接用作双向 I/O 端口。但是，我们需要为 PORT 0 引脚添加外部上拉，以便将其用作 I/O 端口。

通常，8 个电阻的 1kΩ电阻用作 8051 微控制器端口 0 的上拉电阻。

在本教程中，我们了解了 8051 微控制器的引脚图、引脚说明和 8051 微控制器的基本电路。在下一个教程中，我们将继续介绍 8051 微控制器的架构和其他一些功能。