本節書摘來自異步社群《例說8051：單片機程式設計案例教程》一書中的第1章，第1-2節，作者 張義和，陳敵北，更多章節内容可以通路雲栖社群“異步社群”公衆号檢視。
“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公司所生産的晶片，而多采用其他廠商所推出的相容晶片，如atmel公司的89c51/89s51系列，其價格低廉，品質穩定，開發工具齊全，廣為學校或教育訓練機構所歡迎。
在此，先介紹8051的基本結構，包括基本結構、引腳、基本電路及51系列等，其中很多知識最好要“記”在腦中，本書也會提供很多快速記憶的技巧，讓讀者能在極短的時間裡記住40個引腳、基本電路等。
8051單片機發展至今，雖然有許多廠商各自開發不同的相容晶片，但其基本結構并沒有多大的變動，标準的8051結構圖如圖1-3所示。現說明如下：
上述結構中，最好能把加波浪線的知識“記憶”下來。
1 8位指的是微處理器内部資料總線、寄存器的寬度是8位。比如計算機（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，而從80386到pentium 4都是32位的cpu。盡管如此，目前所采用的單片機仍是以8位為主，隻有在特殊場合才會采用16位的單片機，如8096等。
2 通常存儲器的操作是以位元組（b）為機關，“可位尋址”是通路存儲器、寄存器或輸入/輸出端口時，可指定其中的一個位，例如要指定p0輸入/輸出口中的bit 1，則指定為p0.1即可，如圖1-4所示。
89c51的封裝方式有3種，除了這3種外，89s51的封裝方式還有pdip42封裝，說明如下。
qfp封裝
89c51/89s51的pqfp或tqfp（thin plastic gull wing quad flatpack）封裝為扁平的44個引腳表面貼片式封裝，這種封裝的體積很小，成本較低，是目前主流的商用晶片；但不适合學校或教育訓練機構使用。如圖1-5所示，在俯視圖中，左上方有個圓形記号“○”的是第1腳，然後按逆時針排序，分别為2～44腳，其中包括3個空腳，而相鄰兩個引腳的間距為0.8mm，晶片厚度為1.2mm。
plcc封裝
plcc（plastic j-leaded chip carrier）封裝也是89c51/89s51常用的封裝方式，這也是一個44個表面貼片式引腳（smt）的封裝，其中包括4個空引腳，其引腳編号與qfp封裝非常類似（相容），如圖1-6所示，在俯視圖裡，上面中間有個圓形記号“○”的是第1腳，然後按逆時針排列，分别為2～44腳，相鄰兩引腳的間距為0.05英寸（即1.270mm），晶片高度（含引腳）為4.572mm。
一般來說，采用這種面貼片式封裝的部件可直接貼裝于電路闆上，而不必鑽孔（其引腳如圖1-7所示）。在研發、實驗或教學時，可利用插座，以縮短開發與生産的時間。
直插式封裝pdip42
89s51的直插式封裝有兩種，第一種是42個引腳雙列直插式的封裝（plastic dual inline package），簡稱pdip42。第二種是40個引腳雙列直插式封裝，與89c51、mcs51相容，稍後說明。如圖1-8所示，在雙列直插式封裝裡，俯視圖左上方有個三角形記号“△”是第1腳，然後按逆時針排列，分别為2～42腳。相鄰兩引腳的間距為1.588mm，長度為36.96mm，而兩排引腳的間距為13.97mm，晶片厚度為4.826mm（不含引腳），與一般的面包闆或ic插座不符。
直插式封裝pdip40
89c51/89s51的第二種直插式封裝為40個引腳雙列直插式的pdip40，這種封裝與mcs-51完全相容。pdip40與pdip42除引腳數量不同外，尺寸差異也很大，pdip40剛好可插在面闆或40個引腳的插座上，如圖1-9所示，俯視圖左上方有個三角形記号“△”是第1腳，然後按逆時針排列，分别為2～40腳。相鄰兩引腳的間距為0.1英寸（即2.540mm），長度為52.578mm，而兩排引腳的間距為0.6英寸（即15.875mm），晶片厚度為4.826mm（不含引腳），特别适合學校、教育訓練機構使用。不過，由于直插式封裝體積較大，電路闆制作成本較高，已很少用作商用晶片。
本書将以采用pdip40封裝的89s51為探讨對象，當然，要學習8051，筆者強烈建議先将其引腳“背”下來，而要背40個引腳卻有點傷腦筋，是以在此提供一些技巧，讓大家輕松記住這40個引腳。
電源引腳
幾乎所有ic都需要接電源，而8051的電源引腳與大部分數字ic的電源引腳類似，右上角接vcc，左下角接gnd。是以8051的40腳為vcc引腳，連接配接5v10%的電源；20腳為gnd引腳，必須接地。
輸入/輸出口
有了電源之後，再來看看8051的主要部分，也就是輸入/輸出口。緊接于剛才介紹的vcc引腳下的是第39腳，為port 0的開始引腳，即39腳到32腳等8個引腳為port 0；port 0的對面就是port 1，也就是第1腳到第8腳。port 1從第1腳開始，是以port 2從其斜對角第21腳開始，也就是在右下方，21腳到28腳就是port 2。同樣地，port 2的斜對面就是prot 3，第10腳到第17腳就是port 3。39、1、21、10就是這四個port的開始引腳，我們可通過圖1-10來記住這4個輸入/輸出口。
複位引腳
幾乎所有微處理器都需要複位（reset）的操作，對于8051而言，隻要複位引腳接高電平超過2個機器周期（約2ms），即可産生複位的動作。而8051的複位引腳在port 1與port 3之間，即第9腳，輔助記憶的方法是“系統久久不動，就要按一下reset按鈕，以複位系統”，這久久就是第9腳的諧音。
時鐘引腳
微處理器都需要時鐘脈沖，而在接地引腳的上方兩個引腳，即19、18腳，就是時鐘脈沖引腳，分别是xtal1、xtal2。
存儲器引腳
8051内部有存儲器，外部也可接存儲器，至于使用内部存儲器還是外部存儲器，則必須視31腳（port 0下面那個引腳）而定。31腳就是引腳，即外部存儲器通路使能（external access enable）引腳。當=1時，系統使用内部存儲器；當=0時，系統使用外部存儲器。對于簡單的程式，大多隻使用内部存儲器，是以就把31腳直接接到vcc。若使用無内部存儲器的8031/8032，則31腳接到gnd。
外部存儲器控制引腳
現在隻剩下引腳下面的兩個引腳，而這兩個引腳與引腳有點類似，都是針對存儲器的控制，說明如下：
● 30腳為位址鎖存允許信号ale（address latch enable），其功能是在通路外部存儲器時，送出一個将原本在port 0的位址信号（a0～a7）鎖存到外部鎖存ic（如74373），讓port 0空出來，以便傳輸資料。
● 29腳為程式存儲器使能（program store enable），其功能也是通路外部存儲器。通常此引腳連接配接到外部程式存儲器（rom）的引腳，當8051要讀取外部存儲器的資料時，此引腳就會輸出一個低電平信号。
相對于前面的38個引腳，29、30腳比較難以了解，所幸的是，隻要不動用到外部存儲器，就可當它們不存在！具體将留到外部存儲器的章節再作說明。
根據上述要訣可以很輕松地記住這些引腳。
或許有人會質疑，“有這麼簡單嗎？”當然沒這麼容易！8051的40個引腳裡，其中有很多是多任務引腳，簡單講就是多用途的引腳，以39～32腳為例，平時為port 0；若是連接配接外部存儲器時，則當成ad0～ad7引腳，而ad0～ad7就是位址引腳與資料引腳複用的多任務引腳，好像有點複雜，但如果不接外部存儲器時，就可當它不存在。
所謂“基本電路”是指若要8051電路工作不可缺少的基本連接配接線路，是以，這是必要的！當然，在此我們也有熟記基本電路的方法，基本電路包括四部分，說明如下。
先接電源
電路都需要電源，8051電路也是如此。首先将40腳接vcc，也就是+5v、20腳接地gnd，如圖1-11所示。
再接時鐘脈沖
8051内部已具備振蕩電路，隻要将gnd引腳上方的兩個引腳（即19、18腳）連接配接簡單的石英振蕩晶體（crystal）即可。至于8051的時鐘脈沖頻率，目前的mcs-51晶片的工作頻率已大為提升，例如atmel公司的89c51的工作頻率為0～24mhz，而華邦電子（winbond）更提供了40mhz的版本，未來必然還會有更高頻率的版本。盡管如此，目前還是采用12mhz時鐘脈沖。如果懶得再設計一個振蕩電路，則可按圖1-11連接配接即可。如果非得自行設計一個振蕩電路不可，則可按圖1-12連接配接。
複位電路
8051的複位引腳（reset）是第9腳，當此引腳連接配接高電平超過2個機器周期（1個機器周期包含12個時鐘脈沖），即可産生複位的動作。以12mhz的時鐘脈沖為例，每個時鐘脈沖為1/12s，2個機器周期為2s，是以，我們可在第9腳上連接配接一個可讓該引腳上産生一個2s以上的高電平脈沖，即可産生複位的動作，如圖1-13（a）所示。
電源接上瞬間，電容c上沒有電荷，相當于短路，是以第9腳直接連接配接到vcc，即8051執行複位動作。随着時間的增加，電容上的電壓逐漸增加，而第9腳上的電壓逐漸下降，當第9腳上的電壓降至低電平時，8051即恢複正常狀态，稱為“power on reset”（加電複位）。在此使用10k電阻、10f電容，其時間常數為1ms，是以第9腳上的電壓可保持2s以上的高電平，足以使系統複位。而約1ms（一個時間常數）的時間系統是處于複位狀态。
通常，我們還會在電容兩端并接一個按鈕開關，如圖1-13（b）所示，此按鈕開關就是一個手動的reset（複位）開關。
存儲器設定電路
基本電路的最後一個部分是存儲器的設定，如果把31腳（）接地，則使用外部存儲器；如果把31腳（）接vcc，則使用内部存儲器。在本書裡大多采用内部存儲器，是以把31腳與40腳及vcc相連接配接。整個基本電路如圖1-14所示。
其中的元件如表1-1所示。
一般來說，mcs-51系列（micro controller system，mcs）可分為51與52兩大類，52類是51類的增強型，其最大的特色就是内部存儲器加倍，增加了一個定時器/計數器，但價格更加昂貴。
若按晶片内的rom來區分，可分為無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系列晶片的分類
以下簡要介紹這幾種8051。
無rom型
8031/8032為無rom型單片機，如圖1-15左圖所示。使用這種單片機必須外接程式存儲器。由于其封裝成本與含rom型的單片機很接近，且必須外接程式存儲器，反而使電路成本大增；目前除了程式太大，無法完全存入單片機外，已很少人采用此類單片機。
mask rom型
8051/8052為mask rom型單片機，如圖1-15右圖所示。這種單片機直接将程式放入晶片中的程式存儲器，是以不必“燒錄”程式（也不能燒錄），價格低廉。但由于這種晶片必須要制作其獨有的掩膜（mask），必須大批量生産。例如鍵盤裡所用的單片機（8048，是8051的前一代）就是mask rom型單片機。
eprom型
8751/8752為eprom型單片機，如圖1-16左圖所示。這種單片機是可将程式燒錄到晶片中的程式存儲器，也可以紫外線擦除程式存儲器裡的資料，是以可重複使用不同的程式。ic上面有一個視窗，可看到内部的晶片與連接配接線，通常在燒錄完畢後，在視窗上貼黑色膠布，以防止資料消失。如果要擦除rom裡的資料，則使用紫外線照射視窗，15～30min即可。由于這種封裝成本較高，再加上其擦除動作麻煩且費時，目前幾乎不再生産這種晶片了。
eeprom型
89c51/89c52、89s51/89s52為eeprom型單片機，如圖1-16右圖所示。這種單片機可以将程式“下載下傳”到晶片中的程式存儲器，隻要施以5v或12v電壓，即可輕松、快速擦除程式存儲器裡的資料，已成為目前的主流。在廠商的技術資料手冊中亦稱，這種晶片可重複寫入與擦除達1000次。根據經驗，如果不是操作上的失誤，或者是引腳折斷，就算是經常燒寫，的确是很難把它燒壞！
atmel半導體公司所提供的89c51系列已成為mcs-51相容單片機中的主流。在89c51系列中，當然是以停産的89c51最具代表性，取而代之的是更強勁的89s51，這兩種單片機的結構比較如表1-3所示。
由上可知，隻要89c51/52有的，89s51/52都有。而其中比較特别的是89s51/52新增了一個14位看門狗計數器（watchdog timer，wdt）。雖然，89s51/52的工作頻率提升為0～33mhz，但實質幫助不大。就像0～24mhz的89c51/52一樣，還是會使用12mhz的工作頻率，這樣就可以直接延用原有的程式設計；另外，設計程式時也比較容易計算，且耗用的資源也比較少。
雖然89c51停産了，但其核心仍存在于89s51及許多89c51的進階版本中，例如：
● at89c51rc單片機具有32kb程式存儲器、512b資料存儲器、wdt等，除存儲器比較多外，其他都和89s51相同。
● at89c51cc001、at89c51cc002、at89c51cc003等單片機以89c51為核心，并擴充外圍裝置，除配置更多的存儲器外，增加了10位的adc1、can2控制器等，而其重複資料燒錄/擦除的次數更可達到10萬次。
1 adc為analog to digital converter的縮寫，也就是将模拟信号轉換成數字信号的轉換器。
2 can為controller area network的縮寫，這是一種微處理器與can總線的接口，而can控制器應用bosch can 2.0b data link layer protocal通信協定。