什么是單片機(jī)？單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)詳細(xì)說(shuō)明

什么是單片機(jī)：

顧名思義，單片機(jī)中的“單片”就是只有一個(gè)芯片， “機(jī)”就是指計(jì)算機(jī)，只有有一個(gè)芯片，她卻具有簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)的功能，這就叫做單片機(jī)，也教微處理器微控制器，她廣泛的應(yīng)用于各種電子設(shè)備工業(yè)設(shè)備中，下面介紹一些單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)。

學(xué)習(xí)單片機(jī)是否很困難呢？應(yīng)當(dāng)說(shuō)，對(duì)于已經(jīng)具有電子電路，尤其是數(shù)字電路基本知識(shí)的讀者來(lái)說(shuō)，不會(huì)有太大困難，如果你對(duì)PC機(jī)有一定基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)單片機(jī)就更容易。為使絕大多數(shù)讀者能用上單片機(jī)。我們這里將盡量按深入淺出、理論聯(lián)系實(shí)際的原則把單片機(jī)的基本工作原理、使用方法交給讀者，以達(dá)到把大家領(lǐng)進(jìn)單片機(jī)之“門(mén)”的目的。不過(guò)，單片機(jī)和PC機(jī)一樣，是實(shí)踐性很強(qiáng)的一門(mén)技術(shù)，有人說(shuō)“計(jì)算機(jī)是玩出來(lái)的”，單片機(jī)亦一樣，只有多“玩”，也就是多練習(xí)、多實(shí)際操作，才能真正掌握它。因此，本講座會(huì)提供各種練習(xí)和實(shí)驗(yàn)，并介紹一些適用于初學(xué)者且性價(jià)比較高的單片機(jī)和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的貨源。你只有認(rèn)真完成成這些實(shí)踐環(huán)節(jié)，才能為進(jìn)一步深造，打好基礎(chǔ)。

只要你有恒心、有決心，跟隨我們的“連載”一步步走下去，將來(lái)就一定能在單片機(jī)世界里遨游。

單片機(jī)的組成：

單片機(jī)要自動(dòng)完成計(jì)算，它應(yīng)該具有哪些最重要的部分呢？

我們以打算盤(pán)為例計(jì)算一道算術(shù)題。例：111＋109×188－199÷32?，F(xiàn)在要進(jìn)行運(yùn)算，首先需要一把算盤(pán)，其次是紙和筆。我們把要計(jì)算的問(wèn)題記錄下來(lái)，然后第一步先算109×188，把它與111相加的結(jié)果記在紙上，然后計(jì)算199÷32，再把它從上一次結(jié)果中減去，就得到最后的結(jié)果。

現(xiàn)在，我們用單片機(jī)來(lái)完成上述過(guò)程，顯然，它首先要有代替算盤(pán)進(jìn)行運(yùn)算的部件，這就是“運(yùn)算器”；其次，要有能起到紙和筆作用的器件，即能記憶原始題目、原始數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，還要記住使單片機(jī)能自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)算而編制的各種命令。這類器件就稱為“存貯器”。此外，還需要有能代替人作用的控制器，它能根據(jù)事先給定的命令發(fā)出各種控制信號(hào)，使整個(gè)計(jì)算過(guò)程能一步步地進(jìn)行。但是光有這三部分還不夠，原始的數(shù)據(jù)與命令要輸入，計(jì)算的結(jié)果要輸出，都需要按先后順序進(jìn)行，有時(shí)還需等待。

如上例中，當(dāng)在計(jì)算163×156時(shí)，數(shù)字36就不能同時(shí)進(jìn)入運(yùn)算器。因此就需要在單片機(jī)上設(shè)置按控制器的命令進(jìn)行動(dòng)作的“門(mén)”，當(dāng)運(yùn)算器需要時(shí)，就讓新數(shù)據(jù)進(jìn)入?；蛘?，當(dāng)運(yùn)算器得到最后結(jié)果時(shí)，再將此結(jié)果輸出，而中間結(jié)果不能隨便“溜出”單片機(jī)。這種對(duì)輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行一定管理的“門(mén)”電路在單片機(jī)中稱為“口”（Port）。在單片機(jī)中，基本上有三類信息在流動(dòng)，一類是數(shù)據(jù)，即各種原始數(shù)據(jù)（如上例中的36、163等）、中間結(jié)果（如166÷34所得的商4、余數(shù)30等）、程序（命令的集合）等。這樣要由外部設(shè)備通過(guò)“口”進(jìn)入單片機(jī)，再存放在存貯器中，在運(yùn)算處理過(guò)程中，數(shù)據(jù)從存貯器讀入運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的中間結(jié)果要存入存貯器中，或最后由運(yùn)算器經(jīng)“出入口”輸出。

用戶要單片機(jī)執(zhí)行的各種命令（程序）也以數(shù)據(jù)的形式由存貯器送入控制器，由控制器解讀（譯碼）后變?yōu)楦鞣N控制信號(hào)，以便執(zhí)行如加、減、乘、除等功能的各種命令。所以，這一類信息就稱為控制命令，即由控制器去控制運(yùn)算器一步步地進(jìn)行運(yùn)算和處理，又控制存貯器的讀（取出數(shù)據(jù)）和寫(xiě)（存入數(shù)據(jù)）等。第三類信息是地址信息，其作用是告訴運(yùn)算器和控制器在何處去取命令取數(shù)據(jù)，將結(jié)果存放到什么地方，通過(guò)哪個(gè)口輸入和輸出信息等。

存貯器又分為只讀存貯器和讀寫(xiě)存貯器兩種，前者存放調(diào)試好的固定程序和常數(shù)，后者存放一些隨時(shí)有可能變動(dòng)的數(shù)據(jù)。顧名思義，只讀存貯器一旦將數(shù)據(jù)存入，就只能讀出，不能更改（EPROM、E2PROM等類型的ROM可通過(guò)一定的方法來(lái)更改、寫(xiě)入數(shù)據(jù)——編者注）。而讀寫(xiě)存貯器可隨時(shí)存入或讀出數(shù)據(jù)。

實(shí)際上，人們往往把運(yùn)算器和控制器合并稱為中央處理單元——CPU。單片機(jī)除了進(jìn)行運(yùn)算外，還要完成控制功能。所以離不開(kāi)計(jì)數(shù)和定時(shí)。因此，在單片機(jī)中就設(shè)置有定時(shí)器兼計(jì)數(shù)器。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機(jī)的基本組成，即單片機(jī)是由中央處理器（即CPU中的運(yùn)算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為ROM）、讀寫(xiě)存貯器（又稱隨機(jī)存貯器通常表示為RAM）、輸入/輸出口（又分為并行口和串行口，表示為I/O口）等等組成。實(shí)際上單片機(jī)里面還有一個(gè)時(shí)鐘電路，使單片機(jī)在進(jìn)行運(yùn)算和控制時(shí)，都能有節(jié)奏地進(jìn)行。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個(gè)系統(tǒng)有“傳達(dá)室”的作用，當(dāng)單片機(jī)控制對(duì)象的參數(shù)到達(dá)某個(gè)需要加以干預(yù)的狀態(tài)時(shí)，就可經(jīng)此“傳達(dá)室”通報(bào)給CPU，使CPU根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來(lái)采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)付措施。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了單片機(jī)的組成，余下的問(wèn)題是如何將它們的各部分連接成相互關(guān)聯(lián)的整體呢？實(shí)際上，單片機(jī)內(nèi)部有一條將它們連接起來(lái)的“紐帶”，即所謂的“內(nèi)部總線”。此總線有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁，并和它連通。從而，一切指令、數(shù)據(jù)都可經(jīng)內(nèi)部總線傳送，有如大城市內(nèi)各種物品的傳送都經(jīng)過(guò)干道進(jìn)行。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的工作原理

存貯器又分為只讀存貯器和讀寫(xiě)存貯器兩種，前者存放調(diào)試好的固定程序和常數(shù)，后者存放一些隨時(shí)有可能變動(dòng)的數(shù)據(jù)。顧名思義，只讀存貯器一旦將數(shù)據(jù)存入，就只能讀出，不能更改（EPROM、E2PROM等類型的ROM可通過(guò)一定的方法來(lái)更改、寫(xiě)入數(shù)據(jù)——編者注）。而讀寫(xiě)存貯器可隨時(shí)存入或讀出數(shù)據(jù)。

存儲(chǔ)器的內(nèi)部構(gòu)造

看下面的圖這就是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

存儲(chǔ)器的工作原理

存儲(chǔ)器就是用來(lái)存放數(shù)據(jù)的地方它其實(shí)是利用電平的高或低來(lái)存放數(shù)據(jù)的也就是說(shuō)它實(shí)際上存放的是電平的高或低的狀態(tài)而不是我們所習(xí)慣上認(rèn)為的

有了這么一個(gè)構(gòu)造我們就可以開(kāi)始存放數(shù)據(jù)了比如我們要放進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)

1234這樣的數(shù)字那它是如何工作的呢看上面的圖這就是存儲(chǔ)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖一個(gè)存儲(chǔ)器就象一個(gè)小抽屜一個(gè)小抽屜里有8個(gè)也就是單片機(jī)的8位小盒子每個(gè)小盒子用來(lái)存放1位電荷電荷通過(guò)與它相連的電線傳進(jìn)來(lái)或釋放掉至于電荷在小盒子里是怎樣存放的這就不用我們操心了您可以把電線想象成水管小盒子里的電荷就象是水那就好理解了存儲(chǔ)器中的1個(gè)小抽屜我們把它稱之為1個(gè)單元相當(dāng)于1個(gè)字節(jié)而1個(gè)小盒子就相當(dāng)于1位00011010我們只要把第2號(hào)第4號(hào)和第5號(hào)小盒子里存滿電荷而其它小盒子里的電荷給放掉就行了可是問(wèn)題又出來(lái)了一個(gè)存儲(chǔ)器有好多相同的單元線是并聯(lián)著的看D7-D0在放入電荷的時(shí)候會(huì)將電荷放入所有的字節(jié)單元中而釋放電荷的時(shí)候會(huì)把每個(gè)單元中的電荷都放掉這樣的話不管存儲(chǔ)器有多少個(gè)字節(jié)單元都只能放同一個(gè)數(shù)這當(dāng)然不是我們所希望的因此我們要在結(jié)構(gòu)上稍作變化看上面的圖在每個(gè)單元上有根線與譯碼器相連我想要把數(shù)據(jù)放進(jìn)哪個(gè)單元就通過(guò)譯碼器給哪個(gè)單元發(fā)一個(gè)信號(hào)由譯碼器通過(guò)這根線把相應(yīng)的開(kāi)關(guān)打開(kāi)這樣電荷就可以自由地進(jìn)出了那么這樣是不是就能隨意地向存儲(chǔ)器寫(xiě)入或者讀出數(shù)據(jù)了呢其實(shí)還不能繼續(xù)看上面的圖與D7-D0相連的還有一個(gè)控制器它是用來(lái)干什么的呢這根線叫寫(xiě)入/讀出控制線當(dāng)我們向存儲(chǔ)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)必須先把這個(gè)開(kāi)關(guān)切換到寫(xiě)入端而要讀出數(shù)據(jù)時(shí)就得先把開(kāi)關(guān)切換到讀出端而片選端則是為了區(qū)分不同的存儲(chǔ)器設(shè)置的這里沒(méi)搞明白沒(méi)關(guān)系后面還有介紹先讓我們來(lái)看看譯碼器是如何工作的

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半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的譯碼

簡(jiǎn)單介紹一下我們知道1根線可以代表2種狀態(tài)2根線可以代表4種狀態(tài)3根線可以代表8種256種狀態(tài)又需要幾根線代表自己想一下是不是8根線

至此譯碼的問(wèn)題解決了讓我們?cè)賮?lái)關(guān)注另外一個(gè)問(wèn)題送入每個(gè)字節(jié)的8根線又是從什么地方來(lái)的呢它就是從單片機(jī)的外部引腳上接過(guò)來(lái)的一般這8根線除了接一個(gè)存儲(chǔ)器之外還要接其它的器件這樣問(wèn)題又來(lái)了這8根線既然不是存儲(chǔ)器和單片機(jī)之間專用的如果總是將某個(gè)單元接在這8根線上就不行了比如這個(gè)存儲(chǔ)器單元中的數(shù)值是11111111另一個(gè)存儲(chǔ)器的單元是00000000那么這根線到底是處于高電平還是低電平所以我們必須讓它們分離辦法當(dāng)然也簡(jiǎn)單當(dāng)外面的線接到集成電路的引腳上來(lái)后不直接接到各單元去而是在中間加一組開(kāi)關(guān)這組開(kāi)關(guān)就是前面提到的控制器看前面的圖平時(shí)我們讓開(kāi)關(guān)打開(kāi)著如果確實(shí)是要向這個(gè)存儲(chǔ)器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)或要從存儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù)再讓開(kāi)關(guān)切換到相應(yīng)的位置就行了這組開(kāi)關(guān)由三根引線選擇讀控制端寫(xiě)控制端和片選端要將數(shù)據(jù)寫(xiě)入先由控制器選中該片然后發(fā)出相應(yīng)的寫(xiě)信號(hào)開(kāi)關(guān)切換到相應(yīng)的位置并將傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)電荷寫(xiě)入片中如果要讀信號(hào)先選中該片然后發(fā)出讀信號(hào)開(kāi)關(guān)也切換到相應(yīng)的位置上數(shù)據(jù)就被送出去了另外讀和寫(xiě)信號(hào)還同時(shí)受到譯碼器的控制由于片選端的不同所以雖有讀或?qū)懶盘?hào)但沒(méi)有片選信號(hào)所以另一個(gè)存儲(chǔ)器就不會(huì)誤會(huì)而開(kāi)門(mén)造成沖突那么會(huì)不會(huì)同時(shí)選中兩個(gè)存儲(chǔ)器呢只要是設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)就不會(huì)如果真的出現(xiàn)同時(shí)選中兩個(gè)存儲(chǔ)器的話那就是電路出故障了8根線并不是專用的而是很多器件大家共用的所以我們把它們稱之為數(shù)據(jù)總線總線英文名為BUS即公交車道誰(shuí)都可以走而16根地址線51單片機(jī)共有16根地址線這些以后會(huì)講解這里不必死記硬背也是連在一起的我們把它們稱之為地址總線看上面的圖

如此看來(lái)存儲(chǔ)器要想寫(xiě)入或者讀出數(shù)據(jù)還真是不容易不過(guò)好在這些都是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成的不需要我們?nèi)ゲ傩膹纳厦娴慕榻B中我們已經(jīng)看到用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)的

單片機(jī)的中心CPU

實(shí)際上，人們往往把運(yùn)算器和控制器合并稱為中央處理單元——CPU。單片機(jī)除了進(jìn)行運(yùn)算外，還要完成控制功能。所以離不開(kāi)計(jì)數(shù)和定時(shí)。因此，在單片機(jī)中就設(shè)置有定時(shí)器兼計(jì)數(shù)器。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機(jī)的基本組成，即單片機(jī)是由中央處理器（即CPU中的運(yùn)算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為ROM）、讀寫(xiě)存貯器（又稱隨機(jī)存貯器通常表示為RAM）、輸入/輸出口（又分為并行口和串行口，表示為I/O口）等等組成。實(shí)際上單片機(jī)里面還有一個(gè)時(shí)鐘電路，使單片機(jī)在進(jìn)行運(yùn)算和控制時(shí)，都能有節(jié)奏地進(jìn)行。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個(gè)系統(tǒng)有“傳達(dá)室”的作用，當(dāng)單片機(jī)控制對(duì)象的參數(shù)到達(dá)某個(gè)需要加以干預(yù)的狀態(tài)時(shí)，就可經(jīng)此“傳達(dá)室”通報(bào)給CPU，使CPU根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來(lái)采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)付措施。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了單片機(jī)的組成，余下的問(wèn)題是如何將它們的各部分連接成相互關(guān)聯(lián)的整體呢？實(shí)際上，單片機(jī)內(nèi)部有一條將它們連接起來(lái)的“紐帶”，即所謂的“內(nèi)部總線”。此總線有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁，并和它連通。從而，一切指令、數(shù)據(jù)都可經(jīng)內(nèi)部總線傳送，有如大城市內(nèi)各種物品的傳送都經(jīng)過(guò)干道進(jìn)行。

單片機(jī)指令系統(tǒng)與匯編語(yǔ)言程序

前面已經(jīng)講述了單片機(jī)的幾個(gè)主要組成部分，這些部分構(gòu)成了單片機(jī)的硬件。所謂硬件（Hardware），就是看得到，摸得到的實(shí)體。但是，光有這樣的硬件，還只是有了實(shí)現(xiàn)計(jì)算和控制功能的可能性。單片機(jī)要真正地能進(jìn)行計(jì)算和控制，還必須有軟件（Software）的配合。軟件主要指的是各種程序。只有將各種正確的程序“灌入”（存入）單片機(jī)，它才能有效地工作。單片機(jī)所以能自動(dòng)地進(jìn)行運(yùn)算和控制，正是由于人把實(shí)現(xiàn)計(jì)算和控制的步驟一步步地用命令的形式，即一條條指令（Instruction）預(yù)先存入到存貯器中，單片機(jī)在CPU的控制下，將指令一條條地取出來(lái)，并加以翻譯和執(zhí)行。就以兩個(gè)數(shù)相加這一簡(jiǎn)單的運(yùn)算來(lái)說(shuō)，當(dāng)需要運(yùn)算的數(shù)已存入存貯器后，還需要進(jìn)行以下幾步：

第一步：把第一個(gè)數(shù)從它的存貯單元（Location）中取出來(lái)，送至運(yùn)算器。

第二步：把第二個(gè)數(shù)從它所在的存貯單元中取出來(lái)，送至運(yùn)算器；

第三步：相加； 第四步：把相加完的結(jié)果，送至存貯器中指定的單元。

所有這些取數(shù)、送數(shù)、相加、存數(shù)等等都是一種操作（Operation），我們把要求計(jì)算機(jī)執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫(xiě)下來(lái)，這就是指令。但是怎樣才能辨別和執(zhí)行這些操作呢？這是在設(shè)計(jì)單片機(jī)時(shí)由設(shè)計(jì)人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的。一條指令，對(duì)應(yīng)著一種基本操作；單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)（Iustruction Set），不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。

使用單片機(jī)時(shí)，事先應(yīng)當(dāng)把要解決的問(wèn)題編成一系列指令。這些指令必須是選定的單片機(jī)能識(shí)別和執(zhí)行的指令。單片機(jī)用戶為解決自己的問(wèn)題所編的指令程序，稱為源程序（Source Program）。指令通常分為操作碼（Opcode）和操作數(shù)（Operand）兩大部分。操作碼表示計(jì)算機(jī)執(zhí)行什么操作，即指令的功能；操作數(shù)表示參加操作的數(shù)或操作數(shù)所在的地址（即操作數(shù)所存放的地方編號(hào)）。因?yàn)閱纹瑱C(jī)是一種可編程器件，只“認(rèn)得”二進(jìn)碼（0、1）。要單片機(jī)運(yùn)作，單片機(jī)系統(tǒng)中的所有指令，都必須以二進(jìn)制編碼的形式來(lái)表示。例如，在Intel公司的MCS－51系列單片機(jī)中，從存貯器中取出一數(shù)到CPU中的累加器（在運(yùn)算器中，參與運(yùn)算、存放運(yùn)算結(jié)果的專用寄存器）的指令代碼為74H，累加器內(nèi)容加立即數(shù)的代碼為24H，再加上立即數(shù)代碼，累加器送數(shù)到內(nèi)部RAM存貯器的代碼為F6H～F7H等。這些指令是用十六進(jìn)制表示二進(jìn)制的機(jī)器碼。

MCS－51單片機(jī)的字長(zhǎng)為8位，有時(shí)，要完成某些操作用一個(gè)字節(jié)尚不能充分表達(dá)。所以，在指令系統(tǒng)中有單字節(jié)指令，也有多字節(jié)指令。機(jī)器碼是由一連串的0和1組成，沒(méi)有明顯的特征，不好記憶，不易理解，易出錯(cuò)。所以，直接用它來(lái)編寫(xiě)程序十分困難。因而，人們就用一些助記符（Mue monic）——通常是指令功能的英文縮寫(xiě)來(lái)代替操作碼，如MCS－51中數(shù)的傳送常用MOV（Move的縮寫(xiě)）、加法用Add（Addition的縮寫(xiě)）來(lái)作為助記符。這樣，每條指令有明顯的動(dòng)作特征，易于記憶和理解，也不容易出錯(cuò)。用助記符來(lái)編寫(xiě)的程序稱為匯編語(yǔ)言程序。但是，助記符編寫(xiě)的程序便于人理解，可單片機(jī)卻只認(rèn)識(shí)二進(jìn)制機(jī)器代碼，因此，為了讓單片機(jī)能“讀懂”匯編語(yǔ)言程序必須再轉(zhuǎn)換成由二進(jìn)制機(jī)器碼構(gòu)成的程序，這種轉(zhuǎn)換過(guò)程，就稱為“匯編”。匯編可借助于人工查表法來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可借助PC機(jī)通過(guò)所謂“交叉匯編程序”來(lái)完成。由機(jī)器碼構(gòu)成的用戶程序一旦“進(jìn)入”了單片機(jī)，再“啟動(dòng)”單片機(jī)，就可讓它執(zhí)行輸入程序所規(guī)定的任務(wù)。

MCU--51 CPU和存儲(chǔ)器

單片機(jī)8051的CPU由運(yùn)算器和控制器組成。

一、運(yùn)算器

運(yùn)算器以完成二進(jìn)制的算術(shù)/邏輯運(yùn)算部件ALU為核心，再加上暫存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器PSW及布爾處理器。累加器ACC是一個(gè)八位寄存器，它是CPU中工作最頻繁的寄存器。在進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算時(shí)，累加器ACC往往在運(yùn)算前暫存一個(gè)操作數(shù)（如被加數(shù)），而運(yùn)算后又保存其結(jié)果（如代數(shù)和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。標(biāo)志寄存器PSW也是一個(gè)八位寄存器，用來(lái)存放運(yùn)算結(jié)果的一些特征，如有無(wú)進(jìn)位、借位等。其每位的具體含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV － P對(duì)用戶來(lái)講，最關(guān)心的是以下四位。

1?進(jìn)位標(biāo)志CY（PSW?7）。它表示了運(yùn)算是否有進(jìn)位（或借位）。如果操作結(jié)果在最高位有進(jìn)位（加法）或者借位（減法），則該位為1，否則為0。

2?輔助進(jìn)位標(biāo)志AC。又稱半進(jìn)位標(biāo)志，它反映了兩個(gè)八位數(shù)運(yùn)算低四位是否有半進(jìn)位，即低四位相加（或減）有否進(jìn)位（或借位），如有則AC為1狀態(tài)，否則為0。

3?溢出標(biāo)志位OV。MCS－51反映帶符號(hào)數(shù)的運(yùn)算結(jié)果是否有溢出，有溢出時(shí)，此位為1，否則為0。

4?奇偶標(biāo)志P。反映累加器ACC內(nèi)容的奇偶性，如果ACC中的運(yùn)算結(jié)果有偶數(shù)個(gè)1（如11001100B，其中有4個(gè)1），則P為0，否則，P=1。

PSW的其它位，將在以后再介紹。由于PSW存放程序執(zhí)行中的狀態(tài)，故又叫程序狀態(tài)字？運(yùn)算器中還有一個(gè)按位（bit）進(jìn)行邏輯運(yùn)算的邏輯處理機(jī)（又稱布爾處理機(jī)）。其功能在介紹位指令時(shí)再說(shuō)明。

二、控制器

控制器是CPU的神經(jīng)中樞，它包括定時(shí)控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、地址指針DPTR及程序計(jì)數(shù)器PC、堆棧指針SP等。這里程序計(jì)數(shù)器PC是由16位寄存器構(gòu)成的計(jì)數(shù)器。要單片機(jī)執(zhí)行一個(gè)程序，就必須把該程序按順序預(yù)先裝入存儲(chǔ)器ROM的某個(gè)區(qū)域。單片機(jī)動(dòng)作時(shí)應(yīng)按順序一條條取出指令來(lái)加以執(zhí)行。因此，必須有一個(gè)電路能找出指令所在的單元地址，該電路就是程序計(jì)數(shù)器PC。當(dāng)單片機(jī)開(kāi)始執(zhí)行程序時(shí)，給PC裝入第一條指令所在地址，它每取出一條指令（如為多字節(jié)指令，則每取出一個(gè)指令字節(jié)），PC的內(nèi)容就自動(dòng)加1，以指向下一條指令的地址，使指令能順序執(zhí)行。只有當(dāng)程序遇到轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用指令，或遇到中斷時(shí)（后面將介紹），PC才轉(zhuǎn)到所需要的地方去。8051 CPU，C指定的地址，從ROM相應(yīng)單元中取出指令字節(jié)放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號(hào)，這些信號(hào)與單片機(jī)時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖在定時(shí)與控制電路中相結(jié)合，形成按一定時(shí)間節(jié)拍變化的電平和時(shí)鐘，即所謂控制信息，在CPU內(nèi)部協(xié)調(diào)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)算等操作。

三、存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器是單片機(jī)的又一個(gè)重要組成部分。其中每個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)地址，256個(gè)單元共有256個(gè)地址，用兩位16進(jìn)制數(shù)表示，即存儲(chǔ)器的地址（00H～FFH）。存儲(chǔ)器中每個(gè)存儲(chǔ)單元可存放一個(gè)八位二進(jìn)制信息，通常用兩位16進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，這就是存儲(chǔ)器的內(nèi)容。存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元地址和存儲(chǔ)單元的內(nèi)容是不同的兩個(gè)概念，不能混淆。

一、程序存儲(chǔ)器

程序是控制計(jì)算機(jī)動(dòng)作的一系列命令，單片機(jī)只認(rèn)識(shí)由“0”和“1”代碼構(gòu)成的機(jī)器指令。如前述用助記符編寫(xiě)的命令MOV A，＃20H，換成機(jī)器認(rèn)識(shí)的代碼74H、20H：（寫(xiě)成二進(jìn)制就是01110100B和00100000B）。在單片機(jī)處理問(wèn)題之前必須事先將編好的程序、表格、常數(shù)匯編成機(jī)器代碼后存入單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，該存儲(chǔ)器稱為程序存儲(chǔ)器。程序存儲(chǔ)器可以放在片內(nèi)或片外，亦可片內(nèi)片外同時(shí)設(shè)置。由于PC程序計(jì)數(shù)器為16位，使得程序存儲(chǔ)器可用16位二進(jìn)制地址，因此，內(nèi)外存儲(chǔ)器的地址最大可從0000H到FFFFH。8051內(nèi)部有4k字節(jié)的ROM，就占用了由0000H～0FFFH的最低4k個(gè)字節(jié)，這時(shí)片外擴(kuò)充的程序存儲(chǔ)器地址編號(hào)應(yīng)由1000H開(kāi)始，如果將8051當(dāng)做8031使用，不想利用片內(nèi)4kROM，全用片外存儲(chǔ)器，則地址編號(hào)仍可由0000H開(kāi)始。不過(guò)，這時(shí)應(yīng)使8051的第{31}腳（即EA腳）保持低電平。當(dāng)EA為高電平時(shí)，用戶在0000H至0FFFH范圍內(nèi)使用內(nèi)部ROM，大于0FFFH后，單片機(jī)CPU自動(dòng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。

二、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM組成。其最大容量可擴(kuò)展到64k，用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)輸入的數(shù)據(jù)。8051內(nèi)部有256個(gè)單元的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中00H～7FH為內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，80H～FFH為專用寄存器區(qū)。實(shí)際使用時(shí)應(yīng)首先充分利用內(nèi)部存儲(chǔ)器，從使用角度講，搞清內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和地址分配是十分重要的。因?yàn)閷?lái)在學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)經(jīng)常用到它們。8051內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址由00H至FFH共有256個(gè)字節(jié)的地址空間，該空間被分為兩部分，其中內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM的地址為00H～7FH（即0～127）。而用做特殊功能寄存器的地址為80H～FFH。在此256個(gè)字節(jié)中，還開(kāi)辟有一個(gè)所謂“位地址”區(qū)，該區(qū)域內(nèi)不但可按字節(jié)尋址，還可按“位（bit）”尋址。對(duì)于那些需要進(jìn)行位操作的數(shù)據(jù)，可以存放到這個(gè)區(qū)域。從00H到1FH安排了四組工作寄存器，每組占用8個(gè)RAM字節(jié)，記為R0～R7。究竟選用那一組寄存器，由前述標(biāo)志寄存器中的RS1和RS0來(lái)選用。在這兩位上放入不同的二進(jìn)制數(shù)，即可選用不同的寄存器組。

三、特殊功能寄存器

特殊功能寄存器（SFR）的地址范圍為80H～FFH。在MCS－51中，除程序計(jì)數(shù)器PC和四個(gè)工作寄存器區(qū)外，其余21個(gè)特殊功能寄存器都在這SFR塊中。其中5個(gè)是雙字節(jié)寄存器，它們共占用了26個(gè)字節(jié)。各特殊功能寄存器的符號(hào)和地址見(jiàn)附表2。其中帶＊號(hào)的可位尋址。特殊功能寄存器反映了8051的狀態(tài)，實(shí)際上是8051的狀態(tài)字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。這些特殊功能寄存器大體上分為兩類，一類與芯片的引腳有關(guān)，另一類作片內(nèi)功能的控制用。與芯片引腳有關(guān)的特殊功能寄存器是P0～P3，它們實(shí)際上是4個(gè)八位鎖存器（每個(gè)I/O口一個(gè)），每個(gè)鎖存器附加有相應(yīng)的輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器就構(gòu)成了一個(gè)并行口。MCS－51共有P0～P3四個(gè)這樣的并行口，可提供32根I/O線，每根線都是雙向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中，累加器A、標(biāo)志寄存器PSW、數(shù)據(jù)指針DPTR等的功能前已提及，而另一些寄存器的功能在后面有關(guān)部分再作進(jìn)一步介紹

單片機(jī)的指令系統(tǒng)和尋址方式

單片機(jī)要正常運(yùn)作，事先需編制程序，再把程序放入存貯器中，然后由CPU執(zhí)行該程序。程序是由指令組成的，指令的基本組成是操作碼和操作數(shù)。單片機(jī)的品種很多，設(shè)計(jì)時(shí)怎樣表示操作碼和操作數(shù)，都有各自的規(guī)定，再有指令代碼也各不相同，因此，必須對(duì)所選單片機(jī)的全部指令，也就是所謂“指令系統(tǒng)”，有足夠的了解。各個(gè)系列的單片機(jī)雖然有不同的指令系統(tǒng)，但也有其共同性。掌握一種單片機(jī)的指令系統(tǒng)，對(duì)其它系列單片機(jī)可以起到觸類旁通的作用。MCS－51單片機(jī)應(yīng)用廣泛，派生品種多，具有代表性，所以，這里以MCS－51系列的指令系統(tǒng)為例說(shuō)明“指令”的組成和應(yīng)用。

1、MOV A，＃20H

這條指令表示把20H這個(gè)數(shù)送入累加器A中（一個(gè)特殊功能寄存器）。

2、ADD A，70H

這條指令表示把累加器A中的內(nèi)容（在上例中送入的＃20H）和存貯器中地址為70H單元中的內(nèi)容（也是一個(gè)數(shù)字），通過(guò)算術(shù)邏輯單元（英文縮寫(xiě)為ALU）相加，并將結(jié)果保留在A中。這里MOV、ADD等稱為操作碼，而A、＃20H、70H等均稱為操作數(shù)。在匯編語(yǔ)言程序中，操作碼通常由英文單詞縮寫(xiě)而成，這樣有助于記憶，所以又稱助記符。如MOV就是英文單詞MOVE的縮寫(xiě)，含有搬移的意思；而ADD即為英文單詞，其意為相加。因此，對(duì)于略懂英語(yǔ)的用戶，掌握單片機(jī)指令的含意是較為方便的。操作數(shù)有多種表示法，如以上的＃20H稱為立即數(shù)，即20H就是真正的操作數(shù)。而70H是存貯器中某個(gè)單元的地址，在該單元中，放著操作數(shù)（比如說(shuō)是3AH），ADD A，70H不是將70H和A中的內(nèi)容相加，而是從存貯器70H單元中將3AH取出和A中的內(nèi)容相加。由上可知，要找到實(shí)際操作數(shù)，有時(shí)就要轉(zhuǎn)個(gè)彎，甚至轉(zhuǎn)幾個(gè)彎，這個(gè)過(guò)程稱為尋址，MCS－51共有7種尋址方式，現(xiàn)介紹如下：

一、立即尋址：

操作數(shù)就寫(xiě)在指令中，和操作碼一起放在程序存貯器中。把“?！碧?hào)放在立即數(shù)前面，以表示該尋址方式為立即尋址，如＃20H。

二、寄存器尋址：

操作數(shù)放在寄存器中，在指令中直接以寄存器的名字來(lái)表示操作數(shù)的地址。例如MOV A，R0就屬于寄存器尋址，即將R0寄存器的內(nèi)容送到累加器A中。

三、直接尋址：

操作數(shù)放在單片機(jī)的內(nèi)部RAM某單元中，在指令中直接寫(xiě)出該單元的地址。如前例的ADD A，70H中的70H。

四、寄存器間接尋址：

操作數(shù)放在RAM某個(gè)單元中，該單元的地址又放在寄存器R0或R1中。 如果RAM的地址大于256，則該地址存放在16位寄存器DPTR（數(shù)據(jù)指針）中，此時(shí)在寄存器名前加@符號(hào)來(lái)表示這種間接尋址。如MOV A，@ R0。其它還有變址尋址、相對(duì)尋址、位尋址等，待以后再詳細(xì)介紹?？赡苡腥藭?huì)問(wèn)，在指令中直接給出實(shí)際操作數(shù)，不是簡(jiǎn)單、明了嗎？為什么還要用其它幾種尋址方式呢？這是因?yàn)樵诰幹瞥绦驎r(shí)很難一下子就給出操作數(shù)。如用單片機(jī)控制溫度時(shí)，時(shí)時(shí)需要將給定的控制溫度（如20℃）減去環(huán)境溫度，而環(huán)境溫度時(shí)時(shí)有變化，顯然無(wú)法在程序指令中給出，只有通過(guò)一定方式，將其送入某個(gè)輸入/輸出口，再存放在某個(gè)寄存器中，這就必須用到寄存器尋址。又如要進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，要計(jì)算每班學(xué)員各科成績(jī)的平均值，如果把每個(gè)學(xué)員的各科都編一個(gè)程序，在程序中直接給出該學(xué)員各科成績(jī)，再求平均值，顯然太麻煩。這里可以編一個(gè)求平均成績(jī)的通用程序，把每位學(xué)員的成績(jī)送入存貯器的各個(gè)單元中，這時(shí)可采取直接尋址，一個(gè)程序可供每個(gè)學(xué)員用，不是更方便嗎？所以，尋址方式越多，編制程序就越方便、靈活，適用范圍就越廣。

尋址有如找人，如被找的人有手機(jī)、BP機(jī)、座機(jī)電話等多種聯(lián)系方式則就容易找到他，單片機(jī)也是如此，尋址方式越多，找操作數(shù)越方便，單片機(jī)的功能就越強(qiáng)。前面介紹51系列單片機(jī)的尋址方式時(shí)，常遇到單片機(jī)內(nèi)部的一些寄存器、累加器A、通用寄存器R0～R7、數(shù)據(jù)指針DPTR和存貯器等。在以后介紹指令時(shí)，數(shù)據(jù)就要在這些寄存器、存貯器之間傳送，或者進(jìn)行運(yùn)算。因此，編制程序就需熟悉單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

8051單片機(jī)的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)其基本特性如下：

8位CPU、片內(nèi)振蕩器

4k字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM

21個(gè)特殊功能寄存器

32根I/O線

可尋址的64k字節(jié)外部數(shù)據(jù)、程序存貯空間

2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器

中斷結(jié)構(gòu)：具有二個(gè)優(yōu)先級(jí)、五個(gè)中斷源

一個(gè)全雙口串行口

位尋址（即可尋找某位的內(nèi)容）功能，適于按位進(jìn)行邏輯運(yùn)算的位處理器。除128字節(jié)RAM、4k字節(jié)ROM和中斷、串行口及定時(shí)器模塊外，還有4組I/O口P0～P3，余下的就是CPU的全部組成。把4kROM換為EPROM就是8751的結(jié)構(gòu)，如去掉ROM/EPROM部分即為8031的框圖，如果將ROM置換為Flash存貯器或EEPROM，或再省去某些I/O，即可得到51系列的派生品種，如89C51、AT89C2051等單片機(jī)的框圖。

單片機(jī)各部分是通過(guò)內(nèi)部的總線有機(jī)地連接起來(lái)的，學(xué)習(xí)了上面這些單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，您應(yīng)該對(duì)單片機(jī)有了大致的了解。