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1、第1章 单片机硬件系统第1章 单片机硬件系统M 本章概要及学习目标：本章从单片机的概念入手，以AT89C51单片机芯片为例，介绍MCS-51型单片机芯片的外部引脚功能、内部硬件结构及工作特性，并通过单片机应用系统开发过程实验说明使读者对单片机应用系统及其开发有一个感性认识，对单片机的基本工作原理和工作过程有一个大致的了解，同时也指出了学习单片机的两个基本方面：硬件结构和软件编程。通过对本章的学习，读者应掌握和了解以下知识：1计算机、微型机、单片机及单片机应用系统的概念2微型机的CPU、存储器和输入/输出的硬件构成及功能389C51外部引脚及功能，内部结构及工作原理489C51的RAM分布、RO
2、M结构及地址形成589C51的SFR689C51的并行口及时钟与复位7单片机应用系统的开发过程及工作过程1.1 计算机、微型机、单片机及单片机应用系统概述微型计算机的出现给人类生活带来了根本性的变化，使现代科学研究产生了质的飞跃，单片机技术的出现则给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。它在工业控制、数控采集、智能化仪表、办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应用，毫不夸张地说，单片机技术的开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展的标志之一。单片微型计算机（Single Chip Micro Computer）简称单片机，它是一种把组成微型计算机的各功能部件：中央处理单元CPU、一定容量的随机
3、存储器RAM和只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行口等制作在一块芯片中的计算机。由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的，常用在工业检测、控制装置中，因而也称为微控制器（Micro-Controller）。单片机具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等特点，在家用电器、智能化仪器、工业控制以及火箭导航尖端技术领域都发挥着十分重要的作用。1.1.1 单片机及单片机应用系统1微型计算机及微型计算机系统计算机的硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大部分组成。把运算器、控制器及一些寄存器集成在一块硅片上而成为独立的器件，该器件就称为微
4、处理器（CPU）。微处理器芯片、存储器芯片、输入/输出接口电路芯片以及外部设备，在它们之间用总线连接起来就构成了微型计算机，如图1-1所示。图1-1 微型计算机组成框图可见，微型计算机结构的突出特征是具有一个包含运算器和控制器的集成芯片微处理器（CPU）。微型机硬件系统各部分的组成及功能简述如下：1）微处理器微处理器是微型计算机的核心，其结构示意如图1-2所示。图1-2 微处理器结构示意图微处理器包括运算器，控制器和寄存器组3个基本部分。（1）运算器：运算器是计算机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行。通常运算器由算术/逻辑运算单元ALU、累加器A、暂存寄存器
5、、标志寄存器F等组成。累加器A是一个特殊的寄存器。通常其作用有两个：一是运算时把一个操作数经暂存器送至ALU；二是在运算后保存其运算结果。暂存寄存器用来暂时存储数据总线或其他寄存器送来的操作数，是ALU的数据输 入源。标志寄存器F用来保存ALU运算结果的特征（如进位标志、溢出标志等）和处理器的状态，这些特征和状态可以作为控制程序转移的条件。算术/逻辑运算单元ALU由加法器和相应的控制逻辑电路组成。它能分别对来自两个暂存器数据源的两个操作数进行加、减、与、或等运算，还能进行数据的移位。ALU进行何种运算由控制器发出的命令确定，运算后的结果经数据总线送至累加器A，同时影响标志寄存器F的状态。（2）
6、控制器：计算机的控制器由指令寄存器IR、指令译码器ID、定时及控制逻辑电路和程序计数器PC等组成，它控制使计算机各部分自动、协调地工作。控制器按照指定的顺序从程序存储器中取出指令进行译码并根据译码结果发出相应的控制信号，从而完成该指令所规定的任务。指令寄存器IR用来保存当前正在执行的一条指令。要执行一条指令，首先要把它从程序存储器中取到指令寄存器中。指令的内容包括操作码和操作数（或操作数的地址码）两部分。操作码送到指令译码器ID，经译码后确定所要执行的操作；操作数的地址码也要送到操作数地址形成电路以便形成真正的操作数地址。定时及控制逻辑电路是CPU的核心部件。它的任务有控制取指令、执行指令、存
7、取操作数或运算结果等操作，向其他部件发出控制信号，协调各部件的工作。程序计数器PC也叫指令地址计数器。计算机的程序是有序地存储在程序存储器中的各种指令的集合。计算机运行时，按顺序取出程序存储器中的指令并逐一执行。程序计数器PC指出当前要执行的指令的地址。每当指令取出后，PC的内容自动加1（除转移指令外），从而指向按序排列的下一条指令的地址。若遇到转移指令（JMP）、子程序调用指令（CALL）或返回指令（RET）时，这些指令会把要执行的下一条指令的地址直接置入PC中，PC的内容才会突变。程序计数器PC的位数决定了微处理器所寻址的存储器空间。（3）寄存器组：寄存器组作为CPU内部的暂存单元至关重要
8、，它是CPU处理数据所必需的一个存取空间，其多少直接影响着微机系统处理数据的能力和速度。2）存储器存储器是计算机存放程序或数据的器件，它由若干存储单元组成。存储器有两个指标：存储容量是指存储器所能存放的最大字节数，每个存储单元按顺序都有一个惟一的编号，即存储地址；存取时间是指存储器存取一次数据所需要的时间，在某种程度上，它决定着计算机系统的运行速度。存储器又分内存储器和外存储器。存放程序的存储器采用只读存储器（ROM）；存放输入/输出数据或中间结果的存储器采用随机存储器（RAM）。在实验系统中使用的EEPROM2864、SRAM6264都是存储器芯片。3）输入设备输入设备用于把程序和数据输入到
9、计算机中。常用的输入设备有键盘、鼠标、光电输入机等。4）输出设备输出设备用于把计算机数据计算或数据处理的结果，以用户需要的形式显示或打印出来。常用的输出设备有打印机、显示器、绘图仪等。计算机用于控制时，输入输出信息还包括现场的各种信息和控制命令。通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称为计算机的外部设备，简称“外设”。 微型计算机加上它的软件系统便构成了微型计算机系统，如图1-3所示。软件系统是微型机系统所使用的各种程序的总称。人们通过它对整机进行控制并与微型机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统和硬件系统共同构成完整的微型机系统，两者相辅相成，缺一不可。2单片微型
10、计算机前面已经提到：单片微型计算机简称单片机，它是指把组成微型计算机的各功能部件集成在一个芯片上构成一个完整的微型机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机的内部结构示意图如图1-4所示。单片机实质上是一个芯片，在实际应用中通常很难直接把单片机和受控对象进行电气连接，而是必须外加各种扩展接口电路以至外部设备，连同受控对象和单片机程序软件构成一个单片机应用系统。 图1-3 微型计算机系统结构示意图 图1-4 单片机内部结构示意图3单片机应用系统及组成图1-5 单片机应用系统示意图单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、测量和控制等外围电路和软件能实现一种或多种功能的实用系统。本书的实
11、训系统即一个单片机的应用系统。该应用系统除了有单片机芯片，还有许多其他外围电路，所以说单片机应用系统是由硬件和软件组成的。硬件是单片机应用系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。硬件和软件二者相互依赖，缺一不可。单片机应用系统的组成示意图如图1-5所示。因此，单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解单片机，并能将二者有机地结合起来，才能设计制作出具有特定功能的单片机应用系统或整机产品。自1974年美国Fairchild公司研制出第一台单片机F8以来，单片机经历了由4位机到8位机再到16位、32位机的发展过程。单片机制造商很多
12、，主要有美国的Intel、Motorola、Zilog等公司。目前，单片机正朝着高性能、多品种方向发展。近年来，32位单片机已进入了实用阶段，但是由于8位单片机在性能价格比上占有优势，并且8位增强型单片机在速度和功能上可向现在的16位单片机挑战，因此在未来相当长的时期内，16位机可能被淘汰，而8位单片机仍是单片机的主流机型。1.1.2 MCS-51系列单片机Intel公司于1976年推出了MCS-48系列单片机，于1980年推出了MCS-51系列单片机，于1983年推出了MCS-96系列单片机。1MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机是一种高性能的8位单片机，它是在MCS-48系列单片机
13、的基础上推出的第二代单片机。其典型产品为8051，封装为40引脚。芯片内部集成有：r 一个8位的微处理器（CPU）r 4KB的程序存储器r 128B的数据存储器r 64KB的片外程序存储器寻址能力r 64KB的片外数据存储器寻址能力r 32根输入/输出线r 1个全双工异步串行口r 2个16位定时/计数器r 5个中断源，2个优先级MCS-51系列单片机按片内有无程序存储器及程序存储器的形式分为三种基本产品：8051、8751和8031。8051单片机片内含有4KB的ROM，ROM中的程序是由单片机芯片生产厂家固化的，适合于大批量的产品；8751单片机片内含有4KB的EPROM，单片机应用开发人员
14、可以把编好的程序用开发机或编程器写入其中，需要修改时，可以先用紫外线擦除器擦除，然后再写入新的程序；8031片内没有程序存储器，当在单片机芯片外扩展EPROM后，就相当于一片8751，此种应用方式方便灵活。这三种芯片只是在程序存储器的形式上不同，在结构和功能上都一样。表1-1为MCS-51系列单片机常用产品特性一览表。表1-1 MCS-51系列单片机常用产品特性一览表型号片内存储器（B）I/O口线定时/计数器片外存储器（B）程序存储器数据存储器程序存储器数据存储器80514KROM128322个16位64K64K87514KEPROM128322个16位64K64K8031无128322个16
15、位64K64K80C514KROM128322个16位64K64K87C514KEPROM128322个16位64K64K80C31无128322个16位64K64K续表型号片内存储器（B）I/O口线定时/计数器片外存储器（B）程序存储器数据存储器程序存储器数据存储器80524KROM256323个16位64K64K87524KEPROM256323个16位64K64K8032无256323个16位64K64K2其他51系列单片机（1）AT89系列单片机AT89系列单片机是美国ATMEL公司的8位Flash单片机产品，它以MCS-51为内核，与MCS-51系列的单片机软硬件兼容。该系列中有20引脚封装的产品，体积的减小使其应用更加灵活。时钟频率的提高可使运算速度加快。在片内含有Flash存储器，Flash存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器（简记为FPEROM），这使开发调试更为方便。表1-2 AT89系列单片机常用产品特
