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Chapter 1：51单片机结构

1.1 MCS-51单片机内部结构

1.1.1 51单片机内部结构

• 内部结构描述：
  
• 内部结构图：
  

1.1.2 核心部件CPU

CPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。

1. 运算器
   进行算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整等
   逻辑运算：与、或、异或、求反等逻辑操作
   位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位C为位累加器，用来处理位操作。可对位置 “1”、对位清“0”、位判断等。
   操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。

2. 程序计数器PC
   程序计数器是16位的自动加1的寄存器，用来存放即将要执行的指令地址，可对64KB程序存储器直接寻址。
   执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出，取出指令码后，PC寄存器内容自动加1，指向下一指令码地址。

3. 指令寄存器
   指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器，经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。

1.2 存 储 器

1.2.1 ROM和RAM

• 存储器可以用来存放程序和数据，半导体存储器由一个一个单元组成，每个单元有一个编号（称为地址），一个单元存放一个8位数据，当一个数据多于8位就需要两个单元存放。有程序存储器、数据存储器。

• 程序存储器ROM：

  • 只读性：ROM(Read Only Memory)中的信息一旦写入，就不能随意更改，特别是不能在程序运行过程中写入新的内容，故称为只读存储器。
  • 非遗失性：电源关闭后，仍能保存程序，上电后指令可重新执行。
  • 可编程性：向ROM存储器中写入信息称为ROM编程，根据编程的方式不同，可分为以下几种： 掩模ROM、PROM、EPROM、E2PROM（EEPROM）、Flash ROM。
  • 用来存放：程序和始终要保留的常数

• 数据存储器RAM：

  • 随机性：RAM(Random Access Memory) 随机存储器。存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关。
  • 遗失性： 在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。
  • 静动态：按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（Static RAM,SRAM)和动态随机存储器（Dynamic RAM,DRAM)。
  • 用来存放：程序运行中所需要数据（常数和变量）或运算结果。

1.2.2 普林斯顿结构、哈佛结构

• 计算机的存储器地址结构形式有两种：普林斯顿结构和哈佛结构

  • 普林斯顿结构：RAM和ROM连续编址在同一地址空间。
  • 哈佛结构：RAM和ROM分别编址在不同一地址空间，RAM和ROM可以有相同的地址，CPU靠不同的指令区别。
    

• 51单片机采用哈佛结构

  它将ROM和RAM分开编址,各有自己的寻址方式、控制信号和指令。

1.2.3 片内存储器、片外存储器

• 从物理上看，51单片机有四个存储器地址空间：片内数据、片外数据、片内程序、片外程序（存储器）

• 51单片机，就那个小黑方块里面程序存储器有4K，这个就是片内。
  然后你程序大，里面放不下，就在片外安了个FLASH芯片，这个就是片外了。
  片内不是说CPU内部，说CPU会让人联想到单片机的内核。
  

• 引脚EA的接法

  • EA接法决定了程序储存器的0000～0FFFH 4KB地址范围是在单片机片内还是单片机外。

  • 若接+5V（EA=1）程序从片内开始执行。

  • 若接地（EA=0）程序从片外开始执行，而不管片内是否实际存在程序存储器。

1.2.4 程序存储器、外部数据、内部数据存储器

• 程序存储器

  • 程序储存器以程序计数器 PC 作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64KB。访问程序存储器使用MOVC指令。
  • 8031单片机，无内部ROM。必须外接程序存储器才能使用（最大能扩64K），EA应始终接地（目前已被淘汰）。
  • 8051单片机，有内部ROM，大小为4K。EA接+5V，程序从内部ROM开始，当PC值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存储器空间（最大能扩60K）。外部程序存储器地址空间为1000H～FFFFH，60K。
  • 特殊地址的使用
    

• 外部数据存储器

  • 用于存放随机读写的数据。
  • 外部I/O口地址影像区。
  • MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口实行统一编址 ，并使用相同的RD、WR作选通控制信号，均使用 MOVX 指令和相同的寄存器间址访问。
  • MCS-51 单片机最多可扩展64KB外部数据存储器。

• 内部数据存储器 —— 是使用最多的地址空间 【重点】

  • 存放随机读写的数据

  • 通用寄存器区、堆栈区、运算操作数存放区

  • 指令（算术运算、逻辑运算、位操作运算等）的操作数，只能在此地址空间，或特殊功能寄存器（SFR）地址空间。

    • 在基本型51子系列中只有128字节RAM,占地址00-7FH,SFR占地址80H-FFH；
    • 在增强型52子系列中它有256字节RAM,占地址00-FFH,其中80H-FFH地址的RAM，和基本型中 SFR 80H-FFH占的地址是重合的
    • 在52子系列中，高128字节RAM和SFR的地址是重叠的，CPU访问内部RAM和访问SFR的指令是相同的，所访问的地址究竟是RAM还是SFR呢？？？靠寻址方式区别，访问SFR用直接地址（称为直接寻址）访问RAM采用寄存器间接寻址。即：访问高128字节RAM采用寄存器间址，访问SFR则只能采用直接寻址，访问低128字节RAM时，两种寻址均可采用。
      

  • 51 系列单片机内部数据存储器地址范围为00～7FH。各区域地址见下表：
    
    （1）地址 0～1FH 的前32个单元称为：通用寄存器区

  ​ 用途：① 作通用寄存器R0～R7 ② R0与R1可作间址寄存器使用。

  ​ 32个单元的寄存器区分为四组，使用时只能选其中一组寄存器。

  ​ 寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位定。
  ​ RS1 RS0 选寄存器组
  ​ 0 0 0组
  ​ 0 1 1组
  ​ 1 0 2组
  ​ 1 1 3组
  ​ **初始化时或复位时，自动选中0组。**一旦选中一组，其它三组只能作为数据存储器使用，而不能作为寄存器使用。设置多组寄存器可以方便保护现场。
  （2）20H～2FH：可位寻址区
  ​ 共16个单元，每单元有八个位，每位有一个位地址，共128位，位地址范围为00H～7FH，该区既可位寻 址，又可字节寻址。
  ​ 如 MOV 20H，C (这里C是Cy进位标志位），该指令是将Cy内容送20H位,如果Cy＝1，位20H值为“1”。
  （3）30H~7FH：通用存储区。

1.3 特殊功能寄存器

• 51单片机共有21个字节的特殊功能寄存器SFR （Special Fuction Register）

• 用途：

  • A累加器、状态标志寄存器
  • 单片机内部各部件专用的控制、状态寄存器

• 并行口、串行口影射寄存器

• 地址空间：

  • 21个特殊功能寄存器不连续的分布在80H～FFH 128个字节地址空间。
  • 地址为X0H和X8H是可位寻址的寄存器，用 * 表示，即：不仅可以按字节使用，还可以一位一位的使用。
    

• 21个SFR简要介绍
  
  

1.4 时钟电路和复位电路

1.4.1 时钟电路

• 为什么要时钟电路？
  单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作时间基准。
  拥有时钟电路是单片机正常工作的必要条件。

• 8XX51单片机的时钟信号通常有两种电路形式：
  内部振荡方式和外部振荡方式。

• 内部振荡方式：

  • 有三个引脚：GND，XTAL1，XTAL2
  • 在引脚XTAL1和XTAL2外接一个晶体振荡器（晶振），外加两个电容C01，C02
  • 接好以后，结合单片机内部电路，它能够自动产生一个振荡频率的信号，给单片机工作使用。
    

• 外部振荡方式：

  • XTAL2悬空，XTAL1接外部时钟
  • 是把已有的时钟信号引入单片机。
  • 适用于使单片机的时钟与外部信号保持一致。
    

1.4.2 基本时序单位

• 三个时序单位：振荡周期（时钟周期），机器周期，指令周期。

  三种时序单位中，振荡周期 和 机器周期 是单片机计算 其他时间值（例如：波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。
  

1.4.3 复位电路

• 复位电路功能？

  复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。

• 复位电路物理实现？

  当51系列单片机的复位引脚 RST出现 5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

• 复位操作 2 种基本形式？

  • 上电复位和开关复位。

  • 上电复位要求一接通电源后，自动实现复位。

  • 开关复位要求在电源接通的条件下，单片机运行期间或发生死机状态时控制其退出程序，通过操作按钮开关使其复位。

• 常用的上电且开关复位电路：
  

  • 电容，开关，电阻。
  • 上电时，由于电容充电，会使得RST持续一段时间高电平，起到复位作用。
  • 按下复位键，开关接通，VCC高电平送入RST，起到复位作用。
  • 通常选择 $C=10\mu f,R=10K\Omega$

• 复位操作对SFR的初始化

  单片机的复位操作使SFR寄存器进入初始化，但不会改变片内RAM区中的内容。

  记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于熟悉单片机操作，减短应用程序中的初始化部分是十分必要的。

  寄存器	复位含义
  PC=0000H	单片机复位后程序从0000H地址单元开始执行
  A=00H	累加器已被清0
  PSW=00H	选寄存器0组为工作寄存器
  SP=07H	堆栈指针指向片内RAM 07H单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的数据被写入08H单元中
  P0~P3=FFH	已向各端口线写入１，各端口既可用于输入又可用于输出

1.5 引脚

1.5.1 概述

• 根据单片机的引脚多少，有可总线扩展的单片机和 不可总线扩展的单片机。

  它们指令系统兼容、使用的内部资源不一样。

  同一系列的单片机有不同的封装，绝大多数的同引脚的同系列单片机可以互换，也有少数的不同(如51系列的STC15WXX），为保险起见，替换前应查相关的技术手册。

1.5.2 可总线扩展单片机（重要）

• 可总线扩展单片机：

  如果设计大系统，内部资源还不够，还需要扩展外部存储器或I/O接口，需要选择可总线扩展的单片机。这种单片机有地址总线、数据总线等引脚，引脚通常多于40个，有44……64、100脚。

• 引脚图：
  

• 引脚说明：
  

1.5.3 不可总线扩展单片机（简单了解）

• 不可总线扩展单片机：

  有的系统较小，单片机内部资源足够需求， 无需扩展外围芯片，为减小体积，缩小PCB(印刷电路板)面积，可选择不可总线扩展的单片机，它们省去总线引脚，引脚少于40个，有8~36脚不等。

• 引脚图：
  

1.6 小结

• 单片机
  单片机是集CPU、存储器、I/O接口于一体的大规模集成电路芯片。8XX51系列单片机是目前市场上应用最广泛的单片机机型。

• 单片机内部结构：
  

• 单片机内部中存储器的结构：
  掌握51系列单片机各存储空间的地址分配，使用特点及数据操作方法。现将此内容归纳于教材表1-5中，此表是编程和硬件扩展的基础，相当重要，务必要熟记和掌握。
  

• 时钟电路和复位电路：

  • 时钟电路和复位电路对嵌入式系统是很重要的计算机内部数字电路，都按时钟节拍工作，如果系统的时钟电路有问题，没有时钟信号，嵌入式系统是无法工作的，因此，如果你的单片机应用系统不能工作，检查系统有没有时钟信号，也是查找毛病的步骤之一。
  • **如果系统不能工作，也应查一查有无复位信号，**因为：
    1.果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，PC总为0，不会执行程序 。
    2.如果复位电路有问题， PC不会置初始值0，而是其他随机值，而该地址没有程序，或者是乱码，也不会正常执行程序。因此，用户主程序必须从0地址开始存放。后面我们将看到汇编语言程序的第1句是：ORG 0000H(或ORG 0）
  • EA是否接到＋5V ,否则不会到片内取指令、执行程序。