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程序存储器用于存放编号的程序和表格常数，它以程序计数器PC作地址指针。一个微处理器能够很好的执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行的。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器（ROM）。程序存储器的结构如图2-3（a）所示。
对于8051等单片机，正常运行时，则需单片机的端接高电平，使CPU先从内部的程序存储中读取程序，当PC值超过内部ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。其条件为：
当EA?1时，程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部ROM空间。
当EA?0时，程序从外部存储器开始执行。
其中一组特殊是0000H～0002H单元，系统复位后，PC为0000H，单片机从0000H单元开始执行程序，如果程序不是从0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让CPU直接去执行用户指定的程序。
另一组特殊单元是0003H～002AH，这40个单元各有用途，它们被均匀地分为五段，它们的定义如下：
0003H～000AH 外部中断0中断地址区。 000BH～0012H 定时/计数器0中断地址区 0013H～001AH 外部中断1中断地址区 001BH～0022H 定时/计数器1中断地址区 0023H～002AH 串行中断地址区
可见以上的40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元，中断响应后，按中断的类型，自动转到各自的中断区去执行程序。
（2）数据存储器
数据存储器由工作寄存器、位寻址区和数据缓冲器组成，其结构图如2-3（b）所示。8051内的数据存储器的特点之一是工作寄存器和数据存储器是统一编址的。内部RAM的00～1FH为工作寄存器区，共分4个区，每区有8个工作寄存器R0～R7，共32个内部RAM单元。
当前程序使用的工作寄存器是由程序状态字PSW的第3位（RS0）和第4位（RS1）这二位指示的，用户可以通过指令改变PSW中的RS1和RS0这二位来切换寄存器区，CPU通过修改PSW中的RS1和RS0二位的状态，就能任选一个工作
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寄存器区。片内存储器的复位状态及操作方法如表2-2所示。
表2-2 内部数据复位状态及操作
8051共有128个字节的RAM作为数据存储器，当需要外扩时，最多可以扩展64K字节的RAM或I/O，这对很多领域已经足够了。图2-3（c）为外部数据存储器的结构图。
图2-3 8051存储器结构图
（3）特殊功能寄存器
8051中的特殊功能寄存器SFR实质上是一些具有特殊功能的RAM的单元，字节范围为80H～FFH，SFR的总数为21个，离散的分布在该区域中，其中有12个位寻址，用户可以通过使用位能标记对12个寄存器的任一个有效位进行位操作。8051片内的I/O口锁存器、定时器、串行口缓冲器以及各种控制寄存器和状态寄存器都以特殊功能寄存器的形式出现。
2.3.3 并行I/O口
8051单片机有4个8位并行输入/输出端口，分别为P0，P1，P2，P3口，共
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32根线。下面分别介绍以上四个端口的结构。
（1）P0口
P0口有两个用途，第一是作为一般I/O口使用；第二是作为地址/数据总线使用。它是由一个锁存器、两个三态输入缓冲器1和2、场效应管VT1和VT2、控制与门、反向器和转换开关MUX组成。当控制线C=0时，MUX开关向下，P0口作为一般I/O口使用；当控制线C=1时，MUX开关向上，P0口作为地址/数据分时复用总线使用。
P0口作为I/O口使用时，场效应管VT1是截止的。当从P0口输出时，必须外接上拉电阻才能有高电平输出；当P0口输入时，必须先向锁存器写“1”，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。
（2）P1口
P1口只有一种功能—通用准双向的输入/输出接口，所以它没有转换开关MUX。内部有上拉电阻，是两个场效应管并在一起形成的。当P1口输出高电平时，可以向外提供拉电流负载，所以不必再接上拉电阻，当输入时，与P0口一样，必须先向锁存器写“1”，使场效应管截止。
（3）P2口
P2口也有两种用途，一是做通用I/O接口，二是做高8位地址总线。P2口的位结构比P1口多了一个转换控制部分。当P2口作为通用I/O口时，多路开关MUX倒向锁存器输出Q端，其操作与P1口相同。在系统扩展片外程序存储器时，由P2口输出高八位地址，低八位地址由P0口输出。此时MUX在CPU的控制下，转向内部地址线的一端。因为访问片外程序存储器的操作往往连续不断，P2口要不断送出高八位地址，所以这时P2口无法再作为通用I/O口。
（4）P3口
P3口作为通用I/O口使用时，其功能与P1口相同，负载能力也相同。当作为第二功能时，见表2-1所示。
与P1口相比，P3口增加了与非门和缓冲器3，它们使P3口除了有准双向I/O功能外，还具有第二功能。
与非门的作用实际上是一个开关，它决定是输出锁存器上的数据，还是输出第二功能W的信号。当输出锁存器Q端的信号时，W=1；当输出第二功能W的信号时，锁存器Q端为1。通过缓冲器3，可以获得引脚的第二功能输入。不用考虑如何设置P3口的第一功能或第二功能，内部硬件将自动切换。
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2.3.4 振荡器和时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。
图2-4（a）为内部时钟方式，它采用外接晶体和电容组成的并联谐振电路，晶体可以在1.2Hz～12Hz之间任选，电容可以在20pF～60pF之间选择。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图2-4（b）为外部时钟方式，由于XTAL2端逻辑电平不是TTL电平，所以接一个上拉电阻。外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。
本设计采用内部振荡方式，外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在8051芯片的XTAL1和XTAL2端一起构成测控主电路的时钟。对外接电容C1和C2的值虽然没有严格要求，但电容的大小多少会影响振荡器的频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。外接晶体时，选C1和C2的值为30pF，为了提高温度的稳定性，通常晶体可以在1.2MHz～12MHz之间选择。
（a） 内部时钟方式
图2-4 8051的时钟电路
（b） 外部时钟方式
2.3.5 复位电路
单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机就能实现复位。为
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了可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机便可以可靠复位。
本设计使用了上电复位电路，如图2-5所示，这种上电复位利用电容器充电来实现。当加电时，电容充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容充满电后，电路相当于断开，RESET的电位与地相同，复位结束。
图2-5 上电复位电路
2.3.6 8051的基本系统
单片机的基本系统也称为最小系统，这种系统选择的单片机内部资源已能满足系统的硬件需求，不需要外接存储器或I/O接口等扩展部件。这种单片机内含有用户的程序存储器。图2-6为最小系统框图。
图2-6 最小系统框图
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