單片機(jī)概述及結(jié)構(gòu)原理

一.單片機(jī)概述
二.單片機(jī)結(jié)構(gòu)原理
三.單片機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.運(yùn)算部件
2.控制部件
四.存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)
1.程序存儲(chǔ)器
2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
1.程序計(jì)數(shù)器PC
2.累加器A
3.B寄存器
4.程序狀態(tài)字寄存器PSW
5.堆棧指針SP
6.數(shù)據(jù)指針DPTR
7.端口P0-P3
8.串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF
9.定時(shí)器
3.外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
4.I/O端口
5.I/O 口的讀一修改—寫特性
6.復(fù)位電路
7.復(fù)位時(shí)片內(nèi)各寄存器的狀態(tài)
8.時(shí)序(未搞清楚，待更新)
9.MCS-51 單片機(jī)引腳功能
1.端口線(4×8 = 32 條)
2.電源線(2條)
3.控制線(6條)

一.單片機(jī)概述

單片機(jī)即單片機(jī)微型單片機(jī)，是將單片機(jī)主機(jī)(CPU、內(nèi)存和I/O接口)集成在一小塊硅片上的微型機(jī)。單片機(jī)為工業(yè)測(cè)控而設(shè)計(jì)，又稱微控制器(MCU)。

單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此，單片機(jī)只需要有適當(dāng)?shù)能浖屯獠吭O(shè)備，便可組成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。

二.單片機(jī)結(jié)構(gòu)原理

8051 系列單片機(jī)的主要功能如圖：

1 .數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM) ：片內(nèi)為 128B 字節(jié)的 RAM ，片外最多可外擴(kuò)至 64KB 。

2 .程序存儲(chǔ)器 (ROM / EPROM) ： 8031 無(wú)此部件; 8051 為 4K ROM ; 8751 則為 4K EPROM。片外最多可外擴(kuò)至 64K 字節(jié)。

3 .中斷系統(tǒng)：具有 5 個(gè)中斷源(其中內(nèi)部 3 個(gè)，外部 2 個(gè))， 2 級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。

4 .定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器： 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。

5 .串行口： 1 個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。

6 . P1 口、 P2 口、 P3 口、 P0 口：為 4 個(gè)并行 8 位 I / O 口。

7 .特殊功能寄存器 (SFR) ： 8051 有 128 個(gè)特殊功能寄存器尋址空間，有 21 個(gè) SFR ，用于對(duì)片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)特殊功能的 RAM區(qū)。

8 .微處理器 (CPU) ：為 8 位的 CPU ，且內(nèi)含一個(gè) 1 位 CPU( 位處理器 ) ，不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。

三.單片機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MCS-51 系列單片機(jī)主要包括算術(shù)/邏輯部件 ALU 、累加器 A(有時(shí)也稱 ACC) 、只讀存儲(chǔ)器 ROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 、指令寄存器 IR 、程序計(jì)數(shù)器 PC 、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、 I/O 接口電路、程序狀態(tài)寄存器PSW 、寄存器組，此外，還有堆棧寄存器 SP ，數(shù)據(jù)指針寄存器 DPTR 等部件。這些部件集成在一塊芯片上，通過(guò)內(nèi)部總線連接，構(gòu)成完整的微型計(jì)算機(jī)。如下圖所示:

1.運(yùn)算部件

運(yùn)算部件包括算術(shù)邏輯部件 ALU、位處理器、累加器 A、寄存器 B、暫存器以及程序狀態(tài)字 PSW 寄存器等。該模塊的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)、邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送等操作。

ALU 的功能十分強(qiáng)，它不僅可對(duì) 8 位變量進(jìn)行邏輯“與”“或”、“異或”、循環(huán)、求補(bǔ)和清零等基本操作，還可以進(jìn)行加、減、乘、除等基本運(yùn)算。 ALU 還具有一般微處理器的 ALU 所不具備的功能，即位處理操作，它可對(duì)位 (bit) 變量進(jìn)行位處理，如置位、清零、求補(bǔ)、測(cè)試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”、“或”等操作。

累加器 A 是一個(gè) 8 位的累加器：從功能上看，它與一般微處理器的累加器相比沒(méi)什么特別之處，但需要說(shuō)明的是 A 的進(jìn)位標(biāo)志 Cy 是特殊的，因?yàn)樗瑫r(shí)又是位處理器的一位累加器。

寄存器 B 是為執(zhí)行乘法和除法操作設(shè)置的，在不執(zhí)行乘、除法操作的一般情況下可把它當(dāng)作一個(gè)普通寄存器使用。

MCS-51 系列單片機(jī)的程序狀態(tài)寄存器 PSW ，是一個(gè) 8 位可讀寫的寄存器，它的不同位包含了程序狀態(tài)的不同信息。

CY (PSW.7)進(jìn)位標(biāo)志位，在執(zhí)行算術(shù)和邏輯指令時(shí)，可以被硬件或軟件置位或清除，在位處理器中，它是位累加器。

AC (PSW.6)輔助進(jìn)位標(biāo)志位，當(dāng)進(jìn)行加法或減法操作而產(chǎn)生由低 4 位數(shù)向高 4 位進(jìn)位或借位時(shí)，AC將被硬件置 1 ，否則就被清除。

F0 (PSW.5)標(biāo)志位，它是由用戶使用的一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位，可用軟件來(lái)使它置位或清除，也可以靠軟件測(cè)試 FO 以控制程序的流向。編程時(shí)，該標(biāo)志位特別有用。

RS1、RS0 (PSW.4、PSW.3)寄存器區(qū) 選擇控制位 1 和 0 ，這兩位用來(lái)選擇 4 組工作寄存器區(qū)。

OV (PSW.2)溢出標(biāo)志位。當(dāng)執(zhí)行算術(shù)指令時(shí)，由硬件置 1 或清 0 ，以指示溢出狀態(tài)。

PSW.1 是保留位，未用。

P (PSW.0)奇偶標(biāo)志位。每個(gè)指令周期都由硬件來(lái)置位或清除，以表示累加器 A 中值為 1 的位數(shù)的奇偶數(shù)。若為奇數(shù)，則 P=l ，否則 P=0 。此標(biāo)志位對(duì)串行口通訊中的數(shù)據(jù)傳輸有重要的意義，常用奇偶檢驗(yàn)的方法來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>

2.控制部件

控制部件是單片機(jī)的神經(jīng)中樞，以主振頻率為基準(zhǔn)(每個(gè)主振周期稱為振蕩周期) ，控制器控制 CPU的時(shí)序，對(duì)指令進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)，它將各個(gè)硬件環(huán)節(jié)組織在一起。

四.存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有各自獨(dú)立的尋址方式、尋址空間和控制信號(hào)。

MCS-51 的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖所示 (內(nèi)部數(shù)據(jù) RAM 的高 128B 僅為 52 子系列單片機(jī)擁有，51 子系列無(wú))

MCS-51 系列( 8031 和 8032 除外)有 4 個(gè)物理上相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器空間，即內(nèi)、外程序存儲(chǔ)器和內(nèi)、外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。邏輯上分為三個(gè)存儲(chǔ)空間，即片內(nèi)外統(tǒng)一編址的 64K 字節(jié)的程序存儲(chǔ)器地址空間、 256B 字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及 64K 字節(jié)的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間 (可擴(kuò)展數(shù)據(jù) RAM 或I/O 接口)。

1.程序存儲(chǔ)器

程序存儲(chǔ)器用于存放編好的程序和表格常數(shù)。

在 MCS-51 系列的指令系統(tǒng)中，同外部程序存儲(chǔ)器打交道的指令僅有兩條：

MCS-51 復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器 PC 的內(nèi)容為 0000H ，故系統(tǒng)必須從 0000H 單元開(kāi)始取指令，執(zhí)行程序。程序存儲(chǔ)器中的 0000H 地址是系統(tǒng)程序的啟動(dòng)地址。一般在該單元存放一條跳轉(zhuǎn)指令，跳向用戶設(shè)計(jì)的主程序的起始地址。

MCS-51 最多可外擴(kuò) 64K 字節(jié)程序存儲(chǔ)器， 64K 程序存儲(chǔ)器中有 5 個(gè)單元具有特殊用途， 5 個(gè)特殊單元分別對(duì)應(yīng)于 5 種中斷源的中斷服務(wù)程序的入口地址：

通常在這些入口地址處都放一條跳轉(zhuǎn)指令。加跳轉(zhuǎn)指令的目的是，由于兩個(gè)中斷入口間隔僅有八個(gè)單元，存放中斷服務(wù)程序往往是不夠用的。

2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用以存放和讀取數(shù)據(jù)，它不能存放和執(zhí)行程序指令。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理上和邏輯上都分為兩個(gè)地址空間; 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱內(nèi)部 RAM) 和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(外部 RAM) 。內(nèi)部 RAM 的地址空間為 00H-7FH，128B (8052 為 00H～0FFH 為 256B)，外部RAM 地址空間為 0000H～0FFFFH 的 64KB，

兩者是由不同指令來(lái)訪問(wèn)的：訪問(wèn)內(nèi)部 RAM 用 MOV 類指令 ; 訪問(wèn)外部 RAM 用 MOVX 指令。

8051 內(nèi)部 RAM 的 128B 單元，可按功能分為三個(gè)區(qū)域：

(1) 從 00H～1FH 的 32B 單元是 4 個(gè)工作寄存器組。前面已介紹每一組包括 8 個(gè)工作寄存器，寄存器名用 R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7 表示，單片機(jī)執(zhí)行程序時(shí)同時(shí)只能選用其中的一組，具體使用哪一組是通過(guò)對(duì) PSW 的 RS1、RS0 兩位的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置四組工作寄存器，給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)了好處，很容易實(shí)現(xiàn)子程序嵌套、中斷嵌套時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，如果在用戶程序中只使用了一組內(nèi)部 RAM 單元作為工作寄存器，則其他三組 RAM 單元可作為一般的內(nèi)部 RAM 作用， MCS-51 在復(fù)位后，RS1、RS0都為 0，即指定 00H—07H 單元為 R0—R7。

(2 )地址 20H 一 2FH 的 16B 共 128 位，是可位尋址的內(nèi)部 RAM 區(qū)，它們既可字節(jié)尋址，亦可位尋址。這些位尋址單元構(gòu)成了布爾處理器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。它們的位地址定義為 00H — 7FH。

(3) 其他 80B 是只能按字節(jié)尋址的內(nèi)部 RAM 區(qū)，為用戶區(qū)。MCS-51 單片機(jī)的堆棧安排在內(nèi)部 RAM 內(nèi) ，堆棧的深度以不超過(guò)內(nèi)部 RAM 的空間為限。對(duì) 8051類芯片最多為 128B ，對(duì) 8052 類芯片最多為 256B 。

1.程序計(jì)數(shù)器PC

程序計(jì)數(shù)器 PC 用于存放下—條要執(zhí)行的指令地址，是一個(gè) 16 位專用寄存器，可尋址范圍為 0 —65535(64K) ， PC 在物理上是獨(dú)立的，不屬于 SFR ，但它與 SFR 有密切聯(lián)系，故放在此處介紹。

2.累加器A

累加器 A 是一個(gè)最常用的專用的寄存器，它屬于 SFR ，大部分單操作數(shù)指令的操作數(shù)取自累加器，很多雙操作數(shù)指令的一個(gè)操作數(shù)取自累加器，加、減、乘、除算術(shù)運(yùn)算指令的運(yùn)算結(jié)果都存放在累加器A 或 A 、 B 寄存器中。

3.B寄存器

在乘、除指令中，用到了 B 寄存器。乘法指令的兩個(gè)操作數(shù)分別取自 A 和 B ，其結(jié)果存放在 A 、 B寄存器對(duì)中。除法指令中，被除數(shù)取自 A，除數(shù)取自 B，運(yùn)算后商數(shù)存放于 A，余數(shù)存放于 B。

4.程序狀態(tài)字寄存器PSW

PSW 是一個(gè) 8 位寄存器，它包含了程序狀態(tài)信息。

5.堆棧指針SP

堆棧指針 SP 是一個(gè) 8 位專用寄存器。它指示出堆棧頂部在內(nèi)部 RAM 塊中的位置。系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為 07H，使得堆棧事實(shí)上由 08H 單元開(kāi)始，考慮到 0BH — 1FH 單元分別屬于工作寄存器區(qū)1 ～ 3 ，若在程序設(shè)計(jì)中要用到這些區(qū)，則最好把 SP 值改置為 1FH 或更大的值。單片機(jī)的堆棧是向上生成的。例如 SP=60H，CPU 執(zhí)行一條調(diào)用指令或響應(yīng)中斷后，PC 進(jìn)棧，PC 的低 8 位送入到 61H，PC 高 8位送入到 62H，(SP)=62H。

6.數(shù)據(jù)指針DPTR

數(shù)據(jù)指針 DPTR 是一個(gè) 16 位的 SFR ，其高位字節(jié)寄存器用 DPH 表示，低位字節(jié)寄存器用 DPL 表示。 DPTR 即可以作為一個(gè) 16 位寄存器 DPTR 來(lái)用，也可以作為兩個(gè)獨(dú)立的 8 位寄存器 DPH 和DPL 來(lái)用。

7.端口P0-P3

特殊功能寄存器 P0-P3 分別為 I/O 端口 P0-P3 的鎖存器。即每一個(gè) 8 位 I/O 口都對(duì)應(yīng) SFR 的一個(gè)地址( 8 位)。在 MCS-51 中， I/O 和 RAM 統(tǒng)一編址，使用起來(lái)較為方便，訪問(wèn) I/O 端口可用訪問(wèn)RAM 的指令。

8.串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF

串行數(shù)據(jù)緩沖器 SBUF 用于存放欲發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù) ，它在 SFR 塊中只有一個(gè)字節(jié)地址，但在物理上是由兩個(gè)獨(dú)立的寄存器組成，一個(gè)是發(fā)送緩沖器 SBUF，另一個(gè)是接收緩沖器 SBUF ，當(dāng)要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到 SBUF 時(shí)，進(jìn)的是發(fā)送緩沖器 SBUF ;接收時(shí)，外部來(lái)的數(shù)據(jù)存入接收緩沖器 SBUF 。

9.定時(shí)器

MCS-51 單片機(jī)有兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T0 和 T1 ，它們各由兩個(gè)獨(dú)立的 8 位寄存器組成，共為 4個(gè)獨(dú)立的寄存器： TH0 、 TL0 、 THL 、 TL1 。可以對(duì)這 4 個(gè)寄存器尋址，但不能把 T0 或 T1 當(dāng)作一個(gè) 16位寄存器來(lái)對(duì)待。

3.外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

MCS-51 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為 64KB ，這對(duì)多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域已足夠使用。對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可用R0，R1 及 DPTR 間接尋址寄存器。R0，R1 為 8 位寄存器，尋址范圍為 256B，DPTR 為 16 位的數(shù)據(jù)指針，尋址范圍為 64KB。在 MCS-51 的指令系統(tǒng)中，同外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器打交道的指令有 4 條：

4.I/O端口

MCS-51 單片機(jī)有 4 個(gè)雙向的 8 位并行 I/O 口：P0～P3，每一個(gè)口都有一個(gè) 8 位的鎖存器，復(fù)位后它們的初始狀態(tài)為全“1”。

P0 口是三態(tài)雙向口，既可作為并行 I/O 口，也可作為數(shù)據(jù)總線口。當(dāng)外部擴(kuò)展了存儲(chǔ)器或 I/O 端口，則只能作數(shù)據(jù)總線和地址總線低 8 位。當(dāng)作為數(shù)據(jù)總線口時(shí)是分時(shí)使用的，即先輸出低 8 位地址，后用作數(shù)據(jù)總線，故應(yīng)在外部加鎖存器將先送出的低 8 位地址鎖存，地址鎖信號(hào)用 ALE 。

P1 口是專門供用戶使用的 I/O 口，是準(zhǔn)雙向接口。

P2 口是準(zhǔn)雙向接口，既可作為并行 I/O 口，也可作為地址總線高 8 位口。當(dāng)外部擴(kuò)展了存儲(chǔ)器或 I/O端口，則只能作地址總線高 8 位。

P3 口是準(zhǔn)雙向口，又是雙功能口。該口的每一位均可獨(dú)立地定義為第二功能，作為第一功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)與操作與 P1 口相同。下表表示了P3口作為第二功能時(shí)各位的定義：

5.I/O 口的讀一修改—寫特性

每個(gè) I/O 端口均有兩種讀入方法，即讀鎖存器和讀引腳，并有相應(yīng)的指令，那么如何區(qū)分讀端口的指令是讀鎖存器還是讀引腳呢?

讀鎖存器指令是從鎖存器中讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并把處理以后的數(shù)據(jù)重新寫入鎖存器中，這類指令稱為“讀一修改一寫”批令。當(dāng)目前操作數(shù)是一個(gè) I/O 端口或 I/O 端口的某一位時(shí)，這些指令是讀鎖存器而不是讀引腳，即為“讀一修改一寫”指令，下面列出的是一些“讀一修改一寫”指令。

ANL (邏輯與，例如 ANL P1，A)

ORL (邏輯或，例如 ORL P2，A)

XRL (邏輯異或，例如 XRL P3，A)

JBC (若位=1，則轉(zhuǎn)移并清零，例如 JBC P1.1，LABEL)

CPL (取反位，例如 CPL P3.0)

INC (遞增，例如 INC P2)

DEC (遞減，例如 DEC P2)

DJNZ (遞減，若不等于 0 則轉(zhuǎn)移，例如 DJNZ P3，LABEL)

MOV P1.7，C (進(jìn)位位送到端口 P1 的位 7)

CLR P1.4 (清零端口 P1 的位 4)

SETB P1.2 (置位端口 P1 的位 2)

讀引腳指令一般都是以 I/O 端口為原操作數(shù)的指令，執(zhí)行讀引腳指令時(shí)，打開(kāi)三態(tài)門，輸入口狀態(tài)。

例如，讀 P1 口的輸入狀態(tài)時(shí)，讀引腳指令為：MOV A，P1。

讀—修改—寫指令指向鎖存器而不是引腳，其理由是為了避免可能誤解引腳上的電平。

6.復(fù)位電路

MCS-51 的復(fù)位輸入引腳 RST( 即 RESET) 為 MCS-51 提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開(kāi)始執(zhí)行，即從程序存儲(chǔ)器中的 0000H 地址單元開(kāi)始執(zhí)行程序。只要 RST 保持高電平。則 MCS- 51 循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng) RST 由高電平變低電平以后，MCS-51 才從0000H 地址開(kāi)始執(zhí)行程序。

7.復(fù)位時(shí)片內(nèi)各寄存器的狀態(tài)

程序運(yùn)行直接受程序計(jì)數(shù)器(PC)指揮。

? 復(fù)位后 PC 值為 0000H ，故復(fù)位后的程序入口地址為 0000H;

? 復(fù)位后 PSW=00H，使片內(nèi)存儲(chǔ)器中選擇 0 區(qū)工作寄存器，用戶標(biāo)志為 F0 為 0 狀態(tài);

? 復(fù)位后 SP=07H，設(shè)定推棧棧底為 07H;

? TH1、TL1、TH0 、TL0 都為 00H，表明定時(shí)/計(jì)數(shù)器復(fù)位后皆清零;

? TMOD=00H 都處于方式 0 工作狀態(tài)，并設(shè)定 T1、T0 為內(nèi)部定時(shí)器方式，定時(shí)器不受外部引腳

控制;

? TCON=00H，禁止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并表明定時(shí)/計(jì)數(shù)器無(wú)溢出中斷請(qǐng)求，并禁止外部中斷源的中斷請(qǐng)求，外部中斷源的中斷請(qǐng)求為電平觸發(fā)方式;

? SCON=00H 使串行口工作在移位寄存器方式(方式 0) ，并且設(shè)定允許串行移位接收或發(fā)送;

? 復(fù)位后 IE 的各位均為零，表明在中斷系統(tǒng) CPU 被禁止響應(yīng)中斷，而且每個(gè)中斷源也被禁止中斷;

? 復(fù)位后 IP 的各位均為零，表明在斷斷系統(tǒng)的 5 個(gè)中斷源都設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)中斷狀態(tài);