單片機概述及結構原理

目錄

• 一.單片機概述
• 二.單片機結構原理
• 三.單片機硬件系統(tǒng)結構
• 1.運算部件
• 2.控制部件
• 四.存儲器結構
• 1.程序存儲器
• 2.數(shù)據(jù)存儲器
• 1.程序計數(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.定時器
• 3.外部數(shù)據(jù)存儲器
• 4.I/O端口
• 5.I/O 口的讀一修改—寫特性
• 6.復位電路
• 7.復位時片內各寄存器的狀態(tài)
• 8.時序(未搞清楚，待更新)
• 9.MCS-51 單片機引腳功能
• 1.端口線(4×8 = 32 條)
• 2.電源線(2條)
• 3.控制線(6條)

一.單片機概述

單片機即單片機微型單片機，是將單片機主機(CPU、內存和I/O接口)集成在一小塊硅片上的微型機。單片機為工業(yè)測控而設計，又稱微控制器(MCU)。

單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把 具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器 等功能集成到一塊硅片上 構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)。因此，單片機只需要有適當?shù)能浖屯獠吭O備，便可組成為一 個單片機控制系統(tǒng)。

二.單片機結構原理

8051 系列單片機的主要功能如圖：

1 .數(shù)據(jù)存儲器 (RAM) ：片內為 128B 字節(jié)的 RAM ，片外最多可外擴至 64KB 。

2 .程序存儲器 (ROM / EPROM) ： 8031 無此部件; 8051 為 4K ROM ; 8751 則為 4K EPROM。片外最多可外擴至 64K 字節(jié)。

3 .中斷系統(tǒng)：具有 5 個中斷源(其中內部 3 個，外部 2 個)， 2 級中斷優(yōu)先權。

4 .定時器 / 計數(shù)器： 2 個 16 位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。

5 .串行口： 1 個全雙工的串行口，具有四種工作方式。

6 . P1 口、 P2 口、 P3 口、 P0 口：為 4 個并行 8 位 I / O 口。

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

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

三.單片機硬件系統(tǒng)結構

MCS-51 系列單片機主要包括 算術/邏輯部件 ALU 、 累加器 A(有時也稱 ACC) 、 只讀存儲器 ROM、隨機存儲器 RAM 、 指令寄存器 IR 、 程序計數(shù)器 PC 、 定時器/計數(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， 通過內部總線連接 ，構成完整的微型計算機。如下圖所示:

1.運算部件

運算部件包括 算術邏輯部件 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。該模塊的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術、邏輯運算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送等操作。

ALU 的功能 十分強，它不僅可對 8 位變量進行邏輯“與”“或”、“異或”、循環(huán)、求補和清零等基本操作，還可以進行加、減、乘、除等基本運算。 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，它可對位 (bit) 變量進行位處理，如置位、清零、求補、測試轉移及邏輯“與”、“或”等操作。

累加器 A 是一個 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什么特別之處，但需要說明的是 A 的進位標志 Cy 是特殊的，因為它同時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置的，在不執(zhí)行乘、除法操作的一般情況下可把它當作一個普通寄存器使用。

MCS-51 系列單片機的 程序狀態(tài)寄存器 PSW ，是一個 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)進位標志位 ，在執(zhí)行算術和邏輯指令時，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)輔助進位標志位 ，當進行加法或減法操作而產(chǎn)生由低 4 位數(shù)向高 4 位進位或借位時，AC將被硬件置 1 ，否則就被清除。

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

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

OV (PSW.2)溢出標志位 。當執(zhí)行算術指令時，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)奇偶標志位 。每個指令周期都由硬件來置位或清除，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 。此標志位對串行口通訊中的數(shù)據(jù)傳輸有重要的意義，常用奇偶檢驗的方法來檢驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>

2.控制部件

控制部件是單片機的神經(jīng)中樞， 以主振頻率為基準(每個主振周期稱為振蕩周期) ，控制器控制 CPU的時序，對指令進行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，它將各個硬件環(huán)節(jié)組織在一起。

四.存儲器結構

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

MCS-51 的存儲器結構如圖 所示 (內部數(shù)據(jù) RAM 的高 128B 僅為 52 子系列單片機擁有，51 子系列無)

MCS-51 系列( 8031 和 8032 除外)有 4 個物理上相互獨立的存儲器空間，即內、外程序存儲器和內、外數(shù)據(jù)存儲器。邏輯上分為三個存儲空間，即 片內外統(tǒng)一編址的 64K 字節(jié)的程序存儲器地址空間 、 256B 字節(jié)的片內數(shù)據(jù)存儲器 以及 64K 字節(jié)的片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間 (可擴展數(shù)據(jù) RAM 或I/O 接口)。

1.程序存儲器

程序存儲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，同外部程序存儲器打交道的指令僅有兩條：

MCS-51 復位后， 程序計數(shù)器 PC 的內容為 0000H ，故系統(tǒng)必須從 0000H 單元開始取指令，執(zhí)行程序。程序存儲器中的 0000H 地址是系統(tǒng)程序的啟動地址。 一般在該單元存放 一條跳轉指令，跳向用戶設計的主程序的起始地址。

MCS-51 最多可外擴 64K 字節(jié)程序存儲器 ， 64K 程序存儲器中有 5 個單元具有特殊用途， 5 個特殊單元分別對應于 5 種中斷源的中斷服務程序的入口地址：

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

2.數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲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)存儲器在物理上和邏輯上都分 為兩個地址空間; 內部數(shù)據(jù)存儲器(簡稱內部 RAM) 和 外部數(shù)據(jù)存儲器(外部 RAM) 。內部 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訪問的： 訪問內部 RAM 用 MOV 類指令 ; 訪問外部 RAM 用 MOVX 指令。

8051 內部 RAM 的 128B 單元，可按功能分為三個區(qū)域：

(1) 從 00H～1FH 的 32B 單元是 4 個工作寄存器組 。前面已介紹每一組包括 8 個工作寄存器， 寄存器名用 R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7 表示 ， 單片機執(zhí)行程序時同時只能選用其中的一組，具體使用哪一組是通過對 PSW 的 RS1、RS0 兩位的設置來實現(xiàn)的 。設置四組工作寄存器，給程序設計帶來了好處，很容易實現(xiàn)子程序嵌套、中斷嵌套時的現(xiàn)場保護，如果在用戶程序中只使用了一組內部 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部 RAM 作用， MCS-51 在復位后，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。 這些位尋址單元構成了布爾處理器的數(shù)據(jù)存儲器空間。它們的位地址定義為 00H — 7FH。

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

1.程序計數(shù)器PC

程序計數(shù)器 PC 用于存放下—條要執(zhí)行的指令地址，是一個 16 位專用寄存器，可尋址范圍為 0 —65535(64K) ， PC 在物理上是獨立的，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)指令的一個操作數(shù)取自累加器，加、減、乘、除算術運算指令的運算結果都存放在累加器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。乘法指令的兩個操作數(shù)分別取自 A 和 B ，其結果存放在 A 、 B寄存器對中。除法指令中，被除數(shù)取自 A，除數(shù)取自 B，運算后商數(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 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 8 位專用寄存器 。它指示出堆棧頂部在內部 RAM 塊中的位置。 系統(tǒng)復位后，SP初始化為 07H，使得堆棧事實上由 08H 單元開始 ，考慮到 0BH — 1FH 單元分別屬于工作寄存器區(qū)1 ～ 3 ，若在程序設計中要用到這些區(qū)，則最好把 SP 值改置為 1FH 或更大的值。單片機的堆棧是向上生成的。例如 SP=60H，CPU 執(zhí)行一條調用指令或響應中斷后，PC 進棧，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 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 16 位寄存器 DPTR 來用，也可以作為兩個獨立的 8 位寄存器 DPH 和DPL 來用。

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 8 位 I/O 口都對應 SFR 的一個地址( 8 位)。在 MCS-51 中， I/O 和 RAM 統(tǒng)一編址，使用起來較為方便，訪問 I/O 端口可用訪問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 塊中只有一個字節(jié)地址，但在物理上是由兩個獨立的寄存器組成， 一個是發(fā)送緩沖器 SBUF，另一個是接收緩沖器 SBUF ，當要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到 SBUF 時，進的是發(fā)送緩沖器 SBUF ;接收時，外部來的數(shù)據(jù)存入接收緩沖器 SBUF 。

9.定時器

MCS-51 單片機有兩個 16 位定時器/計數(shù)器 T0 和 T1 ，它們各由兩個獨立的 8 位寄存器組成，共為 4個獨立的寄存器： TH0 、 TL0 、 THL 、 TL1 。可以對這 4 個寄存器尋址，但不能把 T0 或 T1 當作一個 16位寄存器來對待。

3.外部數(shù)據(jù)存儲器

MCS-51 外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為 64KB ，這對多數(shù)應用領域已足夠使用。對外部數(shù)據(jù)存儲器可用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)存儲器打交道的指令有 4 條：

4.I/O端口

MCS-51 單片機有 4 個雙向的 8 位并行 I/O 口：P0～P3，每一個口都有一個 8 位的鎖存器，復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。當外部擴展了存儲器或 I/O 端口，則只能作數(shù)據(jù)總線和地址總線低 8 位。當作為數(shù)據(jù)總線口時是分時使用的，即先輸出低 8 位地址，后用作數(shù)據(jù)總線，故應在外部加鎖存器將先送出的低 8 位地址鎖存，地址鎖信號用 ALE 。

P1 口是專門供用戶使用的 I/O 口，是準雙向接口。

P2 口是準雙向接口，既可作為并行 I/O 口，也可作為地址總線高 8 位口。當外部擴展了存儲器或 I/O端口，則只能作地址總線高 8 位。

P3 口是準雙向口，又是雙功能口。該口的每一位均可獨立地定義為第二功能，作為第一功能使用時，口的結構與操作與 P1 口相同。下表表示了P3口作為第二功能時各位的定義：

5.I/O 口的讀一修改—寫特性

每個 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 。當目前操作數(shù)是一個 I/O 端口或 I/O 端口的某一位時，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 則轉移，例如 DJNZ P3，LABEL)

MOV P1.7，C (進位位送到端口 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，打開三態(tài)門，輸入口狀態(tài)。

例如，讀 P1 口的輸入狀態(tài)時，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.復位電路

MCS-51 的復位輸入引腳 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始執(zhí)行， 即從程序存儲器中的 0000H 地址單元開始執(zhí)行程序。只要 RST 保持高電平。則 MCS- 51 循環(huán)復位。只有當 RST 由高電平變低電平以后，MCS-51 才從0000H 地址開始執(zhí)行程序。

7.復位時片內各寄存器的狀態(tài)

程序運行直接受程序計數(shù)器(PC)指揮。

? 復位后 PC 值為 0000H ， 故復位后的程序入口地址為 0000H;

? 復位后 PSW=00H，使片內存儲器中選擇 0 區(qū)工作寄存器 ，用戶標志為 F0 為 0 狀態(tài);

? 復位后 SP=07H，設定推棧棧底為 07H;

? TH1、TL1、TH0 、TL0 都為 00H，表明定時/計數(shù)器復位后皆清零;

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

控制;

? TCON=00H，禁止計數(shù)器計數(shù)，并表明定時/計數(shù)器無溢出中斷請求 ，并禁止外部中斷源的中斷請求，外部中斷源的中斷請求為電平觸發(fā)方式;

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

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

? 復位后 IP 的各位均為零，表明在斷斷系統(tǒng)的 5 個中斷源都設置為低優(yōu)先級中斷狀態(tài);

? 復位后的 P1 ， P2 ， P3 口鎖存器全為 1 狀態(tài)，使這些準雙向口皆處于輸入狀態(tài)。

在復位有效期間(即高電平)，MCS-51 的 ALE 引腳和引腳均為高電平，且內部 RAM 不受復位的影響。

8.時序(未搞清楚，待更新)

9.MCS-51 單片機引腳功能

MCS-51 單片機 DIP 封裝有 40 條引腳，共分為端口線、電源線和控制線三類。

1.端口線(4×8 = 32 條)

MCS-51 共有四個并行 I/O 端口，每個端口都有 8 條端口線，用于傳送數(shù)據(jù)/地址或其它信息。 P0.0-P0.7 ：

這組引腳共有 8 條，為 P0 口專用，其中 P0.7 為最高位 ， P0.0 為最低位。這 8 條引腳共有兩種不同功能，分別使用于兩種不同情況之下。

第一種情況是 MCS-51 不帶片外存儲器的型號，P0 口可以作為通 用 I/O 口使用，P0.7～P0.0 用于傳送 CPU 的輸入/輸出數(shù)據(jù)。

輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需外接 專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性。

第二種情況是帶片外程序存儲器，P0.7～ P0.0 在 CPU 訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低 8 位地址，然后傳送 CPU 對片外存儲器的讀 或寫數(shù)據(jù)。

P1.0-P1.7 ：

這 8 條引腳和 P0 口的 8 條引腳類似，P1.7 為最高位 ， P1.0 為最低位。當 P1 口作為通用 I/O 使用時，P1.0-P1.7 的功能和 P0 口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入/輸出數(shù)據(jù)。

P2.0-P2.7 ：

第一功能和上述兩組引腳的第一功能相同，即它可以作為通用 I/O 使用。它的第二功能 和 P0 口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高 8 位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不 能像 P0 口那樣還可以傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。

P3.0-P3.7 ：

這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同，第二功能作控制用，每個引腳并不完全相同。

2.電源線(2條)

VCC 為 +5V 電源線， VSS 為地線。

3.控制線(6條)

1.

2.

3.

4.

5.