第四十八节 单片机结构与资源《电工技术模块》湖南省（对口招生）电工电子类 知识点讲解

湖南省（对口招生）电工电子类《电工技术模块》知识点讲解 单片机结构与资源 【考纲要求】 1.识记 MCS-51 单片机的基本组成、硬件结构及各部分核心功能，掌握单片机的基本概念与工作原理。 2.掌握 MCS-51 单片机的存储器结构（程序存储器、数据存储器、特殊功能寄存器）及地址空间分配，明确各存储区域的用途。 3.掌握 MCS-51 单片机 4 个并行 I/O 口（P0-P3）的结构、功能特点及应用注意事项，重点区分 P0 口与其他 I/O 口的差异。 4.了解 MCS-51 单片机内部资源（定时器 / 计数器、串行口、中断系统）的基本结构与作用，为后续编程与应用奠定基础。 【知识网络】 【知识和技能要点】 考点 1 MCS-51 单片机的基本结构与组成（识记 + 理解） 1.单片机的定义 单片微型计算机（Single Chip Microcomputer，简称单片机）是将中央处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入 / 输出接口（I/O 口）、定时器 / 计数器、串行口和中断系统等核心功能部件集成在一块半导体芯片上的微型计算机，具有体积小、功耗低、性价比高、控制能力强等特点，广泛应用于工业控制、智能仪器、家用电器等领域。 MCS-51 单片机的核心组成 MCS-51 系列单片机是 Intel 公司推出的 8 位单片机，典型产品包括 8051、8031、8751 等，其核心组成如下： CPU（中央处理器）：8 位，由运算器和控制器组成。运算器负责完成算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非等）；控制器负责读取指令、分析指令并产生控制信号，控制单片机各部件协调工作。 2.存储器：采用哈佛结构，程序存储器和数据存储器独立编址，地址空间相互分离。 3.程序存储器（ROM）：用于存放用户编写的程序和固定常数（如表格、字符串等）。8051 单片机内置 4KB 的掩膜 ROM，地址范围为0000H~0FFFH；当片内 ROM 容量不足时，可扩展外部 ROM，最大扩展容量为 64KB（0000H~FFFFH）。 数据存储器（RAM）：用于存放程序运行过程中的临时数据、中间结果和变量。8051 单片机内置 256B 的 RAM，地址范围为00H~FFH，分为两部分： 通用 RAM 区（00H~7FH）：可直接读写，用于存放一般数据； 4.特殊功能寄存器区（SFR，80H~FFH）：离散分布着 21 个可寻址的特殊功能寄存器，用于控制单片机的 I/O 口、定时器、串行口、中断系统等功能。 并行 I/O 口：4 个 8 位并行 I/O 口（P0、P1、P2、P3），共 32 个引脚，每个引脚可独立配置为输入或输出模式，实现单片机与外部设备的数据交换。 定时器 / 计数器：2 个 16 位可编程定时器 / 计数器（T0、T1），可实现定时功能（对内部机器周期计数）或计数功能（对外部脉冲计数），用于产生精确延时、测量脉冲宽度、计数外部事件等。 5.串行口：1 个全双工串行通信口，可实现单片机与其他设备之间的异步串行通信，支持 4 种工作方式，波特率可通过定时器 / 计数器 T1 灵活设置。 6.中断系统：包含 5 个中断源（外部中断 0、外部中断 1、定时器 0 中断、定时器 1 中断、串行口中断）和 2 个中断优先级，可实现中断嵌套，提高单片机的实时响应能力。 7.关键引脚功能（DIP-40 封装） MCS-51 单片机采用 40 引脚双列直插封装，核心控制引脚功能如下： RST/Vpd（9 脚）：复位信号输入端，高电平有效。当该引脚保持2 个机器周期以上的高电平时，单片机完成复位操作，所有寄存器恢复初始状态，程序计数器 PC 指向0000H，从程序存储器的起始地址开始执行程序。 EA/Vpp（31 脚）：内外程序存储器选择端。 当EA=1（接高电平）时，单片机先访问片内 ROM（0000H~0FFFH），当 PC 值超过0FFFH时，自动转向外部 ROM（1000H~FFFFH）； 当EA=0（接低电平）时，单片机只访问外部 ROM，无论 PC 值是多少，都从外部 ROM 的0000H地址开始执行程序（适用于无片内 ROM 的 8031 单片机）。 ALE/PROG（30 脚）：地址锁存允许信号输出端。当访问外部存储器时，ALE 引脚输出正脉冲，用于锁存 P0 口输出的低 8 位地址，实现地址和数据的分时复用。 PSEN（29 脚）：外部程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当读取外部 ROM 中的指令时，PSEN 引脚自动产生负脉冲，作为外部 ROM 的读选通信号。 高频易错提醒： 1. 程序存储器和数据存储器地址空间独立，不能混淆。例如，0000H在程序存储器中是程序起始地址，在数据存储器中是通用 RAM 区的第一个单元。 2. 特殊功能寄存器区（80H~FFH）只有 21 个有效地址，访问其他无效地址会得到不确定的值，不能用于存放数据。 3. 复位操作的条件是 RST 引脚保持 2 个机器周期以上的高电平，不是 1 个时钟周期，这是选择题高频考点。 4. EA 引脚的功能是必考内容，需牢记：接高电平先片内后片外，接低电平只访问片外。 【练习题】 一、单项选择题 1.MCS-51 单片机的 CPU 是（ ）位的。 A. 4 B. 8 C. 16 D. 32 2.8051 单片机的片内程序存储器容量是（ ）。 A. 1KB B. 4KB C. 8KB D. 16KB 3.8051 单片机的片内数据存储器容量是（ ）。 A. 128B B. 256B C. 512B D. 1KB 4.MCS-51 单片机程序存储器的最大扩展容量是（ ）。 A. 4KB B. 16KB C. 64KB D. 128KB 5.8051 单片机的特殊功能寄存器（SFR）分布在（ ）地址空间。 A. 00H~7FH B. 80H~FFH C. 0000H~0FFFH D. 0000H~FFFFH 6.MCS-51 单片机的复位信号是（ ）有效。 A. 高电平 B. 低电平 C. 上升沿 D. 下降沿 7.当 EA 引脚接低电平时，8051 单片机（ ）。 A. 只访问片内 ROM B. 先访问片内 ROM，再访问外部 ROM C. 只访问外部 ROM D. 不访问任何存储器 8.ALE 引脚的主要功能是（ ）。 A. 复位信号输入 B. 地址锁存允许信号输出 C. 外部程序存储器读选通信号输出 D. 内外程序存储器选择 9.8051 单片机共有（ ）个并行 I/O 口。 A. 2 B. 3 C. 4 D. 5 10.下列不属于 MCS-51 单片机核心组成部分的是（ ）。 A. CPU B. 存储器 C. LCD 显示器 D. 定时器 / 计数器 二、填空题 1.单片机是将（ ）、（ ）、（ ）、（ ）定时器 / 计数器、串行口和中断系统等集成在一块半导体芯片上的微型计算机。 2.MCS-51 系列单片机采用（ ）结构，程序存储器和数据存储器独立编址。 3.8051 单片机片内程序存储器的地址范围是（ ），片内数据存储器的地址范围是（ ）。 4.MCS-51 单片机的通用 RAM 区地址范围是（ ），特殊功能寄存器区地址范围是（ ）。 5.8051 单片机有（ ）个 16 位定时器 / 计数器，分别是（ ）和（ ）。 6.MCS-51 单片机的复位引脚是（ ），复位后程序计数器 PC 的值为（ ）。 7.当 EA 引脚接（ ）电平时，单片机先访问片内程序存储器。 8.访问外部程序存储器时，（ ）引脚输出低电平作为读选通信号。 9.MCS-51 单片机的串行口是（ ）工的，可同时发送和接收数据。 10.MCS-51 单片机的中断系统共有（ ）个中断源，支持（ ）级中断优先级。 三、综合题 1.简述 MCS-51 单片机的基本组成及各部分的主要功能。 2.说明 8051 单片机程序存储器和数据存储器的地址空间分配及各自的用途。 3.分析 EA 引脚的功能，并说明在什么情况下需要将 EA 引脚接低电平。 4.简述 MCS-51 单片机复位操作的条件及复位后的 3 个核心状态。 【答案】 一、单项选择题 1.B 2.B 3.B 4.C 5.B 6.A 7.C 8.B 9.C 10.C 二、填空题 1.CPU；存储器；I/O 接口 2.哈佛 3.0000H\0FFFH；00H\FFH 4.00H\7FH；80H\FFH 5.2；T0；T1 6.RST；0000H 7.高 8.PSEN 9.全双 10.5；2 三、综合题 1.答：MCS-51 单片机主要由以下 6 部分组成： （1）CPU：8 位中央处理器，负责执行指令、进行算术逻辑运算和控制整个系统的运行； （2）存储器：包括程序存储器（存放程序和固定常数）和数据存储器（存放临时数据和变量）； （3）并行 I/O 口：4 个 8 位 I/O 口，实现单片机与外部设备的数据交换； （4）定时器 / 计数器：2 个 16 位可编程定时器 / 计数器，实现定时或计数功能； （5）串行口：1 个全双工串行通信口，实现单片机与其他设备的串行通信； （6）中断系统：5 个中断源，2 个优先级，提高系统的实时响应能力。 2.答： （1）程序存储器地址空间：0000H\FFFFH，共 64KB。其中 0000H\0FFFH 为 8051 片内 ROM（4KB），1000H~FFFFH 为外部 ROM 扩展空间。用途：存放用户程序和固定不变的常数。 （2）数据存储器地址空间：分为片内和片外两部分。片内数据存储器 00H\FFH（256B），其中 00H\7FH 为通用 RAM 区，80H\FFH 为特殊功能寄存器区；片外数据存储器 0000H\FFFFH（64KB）。用途：存放程序运行过程中的临时数据、中间结果和变量。 3.答：EA 引脚是内外程序存储器选择端，功能如下： （1）EA=1（接高电平）：单片机先访问片内 ROM（0000H\0FFFH），当 PC 值超过 0FFFH 时，自动转向外部 ROM（1000H\FFFFH）； （2）EA=0（接低电平）：单片机只访问外部 ROM，从 0000H 地址开始执行程序。 需要将 EA 接低电平的情况：使用无片内 ROM 的单片机（如 8031），或程序全部存放在外部 ROM 中时。 4.答： （1）复位条件：RST 引脚保持 2 个机器周期以上的高电平； （2）复位后核心状态： ① 程序计数器 PC=0000H，从程序存储器起始地址开始执行程序； ② 所有 I/O 口锁存器为 FFH，引脚输出高电平； ③ 堆栈指针 SP=07H，指向通用 RAM 区的 07H 单元。 考点 2 MCS-51 单片机的内部资源与 I/O 口（理解 + 应用） 1.内部核心资源 定时器 / 计数器 MCS-51 单片机的 T0 和 T1 具有两种工作模式： 定时模式：对内部机器周期脉冲计数，每个机器周期等于 12 个时钟周期（若晶振频率为 12MHz，则机器周期为 1μs）。通过设置计数初值，可实现精确延时。 计数模式：对外部引脚（T0/P3.4、T1/P3.5）输入的负跳变脉冲计数，用于统计外部事件的发生次数。 定时器 / 计数器有 4 种工作方式（方式 0~ 方式 3），由特殊功能寄存器 TMOD（工作方式寄存器）和 TCON（控制寄存器）进行配置。 串行口 全双工串行通信口，可同时发送和接收数据，支持 4 种工作方式： 方式 0：同步移位寄存器方式，波特率固定为晶振频率的 1/12； 方式 1：8 位异步通信方式，波特率可变（由 T1 溢出率决定）； 方式 2：9 位异步通信方式，波特率固定为晶振频率的 1/32 或 1/64； 方式 3：9 位异步通信方式，波特率可变（由 T1 溢出率决定）。 串行口的控制由特殊功能寄存器 SCON（串行口控制寄存器）和 PCON（电源控制寄存器）完成。 中断系统 5 个中断源及触发方式： 中断源 入口地址 触发方式 外部中断 0（INT0） 0003H 低电平 / 下降沿触发 定时器 0 中断（T0） 000BH 溢出触发 外部中断 1（INT1） 0013H 低电平 / 下降沿触发 定时器 1 中断（T1） 001BH 溢出触发 串行口中断（RI/TI） 0023H 接收 / 发送完成触发 每个中断源可通过 IE 寄存器（中断允许寄存器）单独允许或禁止，通过 IP 寄存器（中断优先级寄存器）设置为高优先级或低优先级，高优先级中断可打断低优先级中断。 2.并行 I/O 口的结构与功能 MCS-51 单片机的 4 个 I/O 口结构不同，功能也存在差异，是考试的核心考点： P0 口（P0.0~P0.7） 8 位双向三态 I/O 口，是唯一的真正双向口。输出驱动器为开漏结构，作为通用 I/O 口使用时必须外接上拉电阻，否则无法输出高电平。当访问外部存储器时，P0 口作为地址 / 数据总线使用，分时输出低 8 位地址和传输数据，此时无需外接上拉电阻。 P1 口（P1.0~P1.7） 8 位准双向 I/O 口，内部集成上拉电阻。只能作为通用 I/O 口使用，无第二功能。作为输入口使用时，需先向锁存器写入 1，使输出驱动器截止，才能正确读取外部电平。 P2 口（P2.0~P2.7） 8 位准双向 I/O 口，内部集成上拉电阻。作为通用 I/O 口使用时，功能与 P1 口相同；当访问外部存储器时，P2 口作为高 8 位地址总线使用，输出高 8 位地址。 P3 口（P3.0~P3.7） 8 位准双向 I/O 口，内部集成上拉电阻。除作为通用 I/O 口使用外，每个引脚都有第二功能，是单片机实现外部中断、定时计数、串行通信和外部存储器访问的关键： P3 口引脚 第二功能 功能说明 P3.0 RXD 串行口数据接收端 P3.1 TXD 串行口数据发送端 P3.2 INT0 外部中断 0 输入端 P3.3 INT1 外部中断 1 输入端 P3.4 T0 定时器 0 外部计数输入端 P3.5 T1 定时器 1 外部计数输入端 P3.6 WR 外部数据存储器写选通信号 P3.7 RD 外部数据存储器读选通信号 3.高频易错提醒： P0 口作为通用 I/O 口必须外接上拉电阻，这是最常见的丢分点，选择题和综合题均会考查。 准双向 I/O 口（P1、P2、P3）作为输入口时，必须先写 1，否则输出驱动器导通会拉低引脚电平，导致读取错误。 P3 口的第二功能是必考内容，需牢记每个引脚对应的第二功能，特别是 INT0、INT1、T0、T1 和串口引脚。 当访问外部存储器时，P0 和 P2 口被用作地址 / 数据总线，不能再作为通用 I/O 口使用。 【练习题】 一、单项选择题 1.MCS-51 单片机的定时器 / 计数器有（ ）种工作方式。 A. 2 B. 3 C. 4 D. 5 2.MCS-51 单片机串行口的波特率在方式 1 时由（ ）决定。 A. 晶振频率 B. 定时器 T0 的溢出率 C. 定时器 T1 的溢出率 D. 电源电压 3.下列中断源中，属于外部中断的是（ ）。 A. 定时器 0 中断 B. 外部中断 1 C. 串行口中断 D. 定时器 1 中断 4.外部中断 0 的入口地址是（ ）。 A. 0003H B. 000BH C. 0013H D. 0023H 5.P0 口作为通用 I/O 口使用时，必须外接（ ）。 A. 下拉电阻 B. 上拉电阻 C. 二极管 D. 三极管 6.下列 I/O 口中，是真正双向三态口的是（ ）。 A. P0 口 B. P1 口 C. P2 口 D. P3 口 7.P3.2 引脚的第二功能是（ ）。 A. 串行口接收端 RXD B. 外部中断 0 输入端 INT0 C. 定时器 0 外部计数输入端 T0 D. 外部数据存储器读选通信号 RD 8.准双向 I/O 口作为输入口使用时，需要先向锁存器写入（ ）。 A. 0 B. 1 C. 0FFH D. 00H 9.当访问外部数据存储器时，P3.6 引脚输出的信号是（ ）。 A. RD B. WR C. INT0 D. T0 10.下列关于 P1 口的描述，正确的是（ ）。 A. 是双向三态口 B. 内部有上拉电阻 C. 有第二功能 D. 作为输出口时需要外接上拉电阻 二、填空题 1.MCS-51 单片机的定时器 / 计数器有（ ）和（ ）两种工作模式。 2.定时器 / 计数器的工作方式由特殊功能寄存器（ ）和（ ）控制。 3.MCS-51 单片机串行口有（ ）种工作方式，其中方式（ ）的波特率可变。 4.MCS-51 单片机的中断系统中，（ ）和（ ）是外部中断源。 5.定时器 1 中断的入口地址是（ ），串行口中断的入口地址是（ ）。 6.P0 口的输出驱动器是（ ）结构，作为通用 I/O 口使用时需要外接（ ）。 7.P1 口内部集成了（ ）电阻，（ ）（有 / 无）第二功能。 8.当访问外部存储器时，P2 口作为（ ）总线使用，输出（ ）位地址。 9.P3.1 引脚的第二功能是（ ），P3.5 引脚的第二功能是（ ）。 10.准双向 I/O 口作为输入口时，必须先向（ ）写入 1，否则无法正确读取外部电平。 三、综合题 1.简述 MCS-51 单片机定时器 / 计数器的两种工作模式及工作原理。 2.列出 MCS-51 单片机的 5 个中断源及其入口地址。 3.比较 P0 口和 P1 口在结构和功能上的主要差异。 4.为什么准双向 I/O 口作为输入口使用时需要先写 1？请结合结构说明原因。 【答案】 一、单项选择题 1.C 2.C 3.B 4.A 5.B 6.A 7.B 8.B 9.B 10.B 二、填空题 1.定时；计数 2.TMOD；TCON 3.4；1 和 3 4.外部中断 0（INT0）；外部中断 1（INT1） 5.001BH；0023H 6.开漏；上拉电阻 7.上拉；无 8.高 8 位地址；8 9.串行口发送端 TXD；定时器 1 外部计数输入端 T1 10.锁存器 三、综合题 1.答：定时器 / 计数器有定时和计数两种工作模式： （1）定时模式：对单片机内部的机器周期脉冲计数。每个机器周期等于 12 个时钟周期，计数频率为晶振频率的 1/12。通过设置计数初值，计数器从初值开始计数，溢出时产生中断，实现定时功能。 （2）计数模式：对外部引脚（T0/P3.4、T1/P3.5）输入的负跳变脉冲计数。当外部脉冲从高电平变为低电平时，计数器加 1，溢出时产生中断，实现对外部事件的计数功能。 2.答：MCS-51 单片机的 5 个中断源及入口地址如下： （1）外部中断 0（INT0）：0003H （2）定时器 0 中断（T0）：000BH （3）外部中断 1（INT1）：0013H （4）定时器 1 中断（T1）：001BH （5）串行口中断（RI/TI）：0023H 3.答：P0 口和 P1 口的主要差异如下： 对比项 P0 口 P1 口 结构 8 位双向三态口，输出驱动器开漏，无内部上拉电阻 8 位准双向口，内部集成上拉电阻 通用 I/O 功能 需外接上拉电阻才能输出高电平 无需外接上拉电阻，可直接输出高低电平 第二功能 访问外部存储器时，作为地址 / 数据总线使用 无第二功能，仅作通用 I/O 口 输入特性 真正双向，输入时无需先写 1 准双向，输入时需先向锁存器写 1 4.答：准双向 I/O 口（P1、P2、P3）的输出驱动器由一个场效应管和一个内部上拉电阻组成。当锁存器的值为 0 时，场效应管导通，引脚被拉低到低电平；当锁存器的值为 1 时，场效应管截止，引脚由内部上拉电阻拉到高电平。 如果作为输入口时没有先写 1，锁存器的值为 0，场效应管处于导通状态，会将外部输入的高电平拉低，导致读取错误。因此，必须先向锁存器写入 1，使场效应管截止，引脚处于高阻输入状态，才能正确读取外部电平。 【真题演练】 1.8051 单片机的 EA 引脚接低电平时，单片机将（ ） A. 只访问片内程序存储器 B. 先访问片内程序存储器，再访问外部程序存储器 C. 只访问外部程序存储器 D. 不访问任何程序存储器 【答案】C 【解析】EA 引脚是内外程序存储器选择端。当 EA=0（接低电平）时，单片机只访问外部程序存储器，从 0000H 地址开始执行程序；当 EA=1（接高电平）时，先访问片内 ROM，再访问外部 ROM。该考点为单片机结构的核心考点，考查频率极高。 2.P0 口作为通用 I/O 口使用时，必须外接上拉电阻的原因是（ ） A. 提高输出电流能力 B. 输出驱动器为开漏结构 C. 内部上拉电阻损坏 D. 降低功耗 【答案】B 【解析】P0 口的输出驱动器采用开漏结构，当输出高电平时，场效应管截止，漏极处于高阻状态，无法输出高电平。因此必须外接上拉电阻，将漏极电平拉到高电平，才能正常输出高低电平。该知识点是 I/O 口部分的高频易错点。 3.MCS-51 单片机的复位信号是（ ）电平有效，复位后程序计数器 PC 的值为（ ）。 【答案】高；0000H 【解析】MCS-51 单片机的 RST 引脚为复位信号输入端，高电平有效，需保持 2 个机器周期以上才能完成复位。复位后所有寄存器恢复初始状态，程序计数器 PC 指向 0000H，单片机从程序存储器的起始地址开始执行程序。 4.简述 P3 口各引脚的第二功能。 【答案】答：P3 口每个引脚都有第二功能，具体如下： P3.0：RXD（串行口数据接收端） P3.1：TXD（串行口数据发送端） P3.2：INT0（外部中断 0 输入端） P3.3：INT1（外部中断 1 输入端） P3.4：T0（定时器 0 外部计数输入端） P3.5：T1（定时器 1 外部计数输入端） P3.6：WR（外部数据存储器写选通信号输出端） P3.7：RD（外部数据存储器读选通信号输出端） 【解析】P3 口的第二功能是单片机应用的基础，也是对口招生考试的必考内容，常以填空题或综合题的形式出现，要求学生准确记忆每个引脚对应的功能。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $