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1、第二章 单片机的结构与32作原理 微型计算机是大规模集成电路技术的产物，微型计算机向着两个主要的方向发展，一个是高速度、高性能的高档微型机，另一个是小而廉价稳定可靠的单片微机，简称单片机。 单片机也称微控制器MCU(Micro Controller Unit)，它实际上是把中央处理器CPU (Central Processing Unit)，随机存储器RAM(Random Access Memory)，只读存储器ROM (Read Only Memory)，定时器卅数器以及IO接口电路等主要计算机部件集成在一块集成 电路芯片上的微型计算机。单片机按内部数据通道的宽度分为4位单片机、8位单片机、
2、16位单片机和32位单片机。 目前，大多数的汽车用单片机属于特定的“用户产品”，其输入/输出功能、指令集及结构体系等是以标准单片微机为基础，根据实际应用需要，对某方面进行增强，如增加ROMRAM，IO口或AD转换器等，以便其更适应在汽车这样一个复杂的环境中使用，所以从这点来说，了解标准的单片机的构成及特性就显的尤为重要。第一节 MCS51系列单片机 MCS5l系列单片机是Intel公司于1980年推出的高性能8位单片机，这一系列单片机依据制造工艺来分，可分成HMOS和CHMOS两大类。从其内部结构可分成三档，即805187518031，80528032和804487448344。采用CHMOS
3、工艺制造的产品属于低功耗产品，编号为80C51、80C31等。 8051系列的所有产品都是40脚封装，其引脚功能与指令系统完全兼容。应用比较广泛的产品为805187518031这一档的产品，其中又属8031应用最多。因此，这里首先要介绍的是8031芯片。 一、MCS5l单片机的基本特性 有一8位处理器(CPU) 有片内振荡和定时电路 128256字节片内数据存储器(RAM) 4K8K字节片内程序存储器(ROMEPROM) 2126个特殊功能寄存器 32根(4个并行口)IO线 23个16位可编程定时/计数器 一个全双工的，可运行于同步/异步方式的串行口 可进行片外64K程序存储器空间寻址 可进行
4、片外64K数据存储器空间寻址 具有位寻址功能 使用单一+5V电源，主时钟频率从612MHz之间选用 二、MCS5l单片机的组成 图3-1是MCS5l系列单片机的组成框图。下面将对其各部分进行具体介绍。 1中央处理器(CPU) 中央处理器是单片机的核心，用于实现运算和控制功能。因此其中的运算器和控制器成了CPU的两个主要部分。 (1)运算器。运算器主要包括算术逻辑运算部件(ALU)、位处理器、累加器A、寄存器B、缓存器TMPl和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路(为简化起见，这些内容没有在图中画出)。运算器的主要功能是实现数据的算术运算、逻辑运算、位操作以及数据传送等。 (2)控
5、制器。控制器主要是由时钟和时序电路以及一些控制寄存器组成。控制器的主要功能是调整整个单片机的工作，产生时序脉冲，提供控制信号等。 2数据存储器 MCS5l单片机芯片内的数据存储器共有128个存储单元，用于存放可读写的数据。为了与外部扩展的数据存储器相区别，通常把芯片内部的数据存储器称之为内部数据存储器，简称内部RAM。主要是用来存储计算操作时的可变数据，如用来存储计算机输入、输出数据和计算过程中产生的中间数据等。根据需要，可随时调出或被新的数据代替(改写)。RAM在计算机中起暂时存储信息的作用。当电源切断时所有存人RAM的数据将完全消失。 3程序存储器 标准的8051芯片内有4KB掩膜ROM，
6、用于存放程序和原始数据。通常称之为内部程序存储器或简称内部ROM。ROM用来存储固定数据，即存放各种永久性的程序和永久性、半永久性的数据。如电子控制燃油喷射发动机系统中的一系列控制程序软件、喷油脉谱图、点火脉谱图以及其它特性数据等。这些信息资料一般都是制造厂家一次性存人运用且无法改变其中的内容，即计算机工作时，新的数据不能存人，只有需要时读出存人的原始数据资料。当电源切断时，存在ROM中的信息不会丢失，通电后又可以立即使用。8031片内无ROM。 4定时器计数器 MCS51共有两个16位的定时器计数器，以实现定时和计数功能。 5并行IO口 MCS-51共有四个8位的IO口(即凹、P1、P2和P
7、3)，用以完成数据的并行输入/输出。 6串行IO口 MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它计算机或设备之间的串行数据传送。7中断控制系统 以上各个部分集成在一块芯片上，可见一个单片机芯片“麻雀随小，五脏俱全”，不但作为计算机应该具有的基本部件单片机都已包括，而且还具有一些系统的概念，因此，我们应当从微型计算机系统的角度来学习和理解单片机。 三、AT89C51单片机介绍 1AT89C51概述 AT89C51是国内比较流行的MCS51系列单片机，与标准的MCS51系列单片机在引脚和指令上完全兼容，但同时又具有自身的特点。图32是AT89C51LV51的引脚结构图，有双列直插封装
8、(DIP)方式和方形封装方式。与标准MCS51明显的区别在于： 4KB可改编程序Flash存储器(可经受1000次的写入/擦除) 全静态工作：0Hz24MHz 三级程序存储器加密 由于AT89C51是采用全静态逻辑来设计的，其工作频率可以下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式(IdLe,Mode)和掉电方式(PowerDownMode)。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作；在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保留片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。 2AT89C51引脚说明 (1)
9、P0端口(P0.7一P0.0)：PO口是一个8位漏极断路型双向IO端口，作为输出口用时，每位能以灌电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。 在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址(低8位)/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。 在Flash编程期间，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输入指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。 (2)P1端口(P1.7P1.0)：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口端口。P1的输出缓冲器可以驱动(灌电流或拉电流方式)4个TTL输入。对端口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输人口。P1作输
10、人口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外电路拉低的引脚会输出一个电流(IIL)。 在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。 (3)P2端口(P2.7P2.0)：作为标准IO口，基本功能同N口。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器(如执行MOVXDPTR指令)时，P2口送出高8位地址。 在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVXR工指令)时，P2口引脚上的内容(就是专用寄存器(SFR)区中P2寄存器的内容)，在整个访问期间不会改变。 在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址和一些控制信号。 (4)P3端口（P3.7P3.0）:P3是一个带内部上拉电阻的
11、8位双向I/O口端口。作为标准I/O口，基本功能同P1、P2口，此外，在AT89C51中，P3端口还有一些复用功能。见表21。P3各端口引脚复用功能表 表21端口引脚复用功能P3.0RXD(串行输人口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外部中断0) P3.3INTl(外部中断1)P3.4TO(定时器0的外部输入)P3.5T1(定时器1的外部输入)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通) (5)ALE(输出)地址锁存在控制信号；系统扩展时，在ALE信号的情况下把P0口输出的低8位地址送锁存器锁存起来以实现低位地址和数据的分离。此外在不使用MOVX指令的
12、情况下，以晶振六分之一固定频率输出的ALE信号，还可以作为外部的定时脉冲使用。 (6)PSEN(输出)外部程序存储器选通信号：在读外部扩展ROM时PSEN信号应该有效，以实现外部程序存储器单元的读操作。 (7)EA()(输入)访问程序存储器控制信号：当EA信号为低电平时，对程序存储器的读写操作限定在外部ROM；而当EA信号接高电平时，对程序存储器的读操作则包括内部和外部的全部ROM空间。 (8)RST(输入)复位信号：当振荡器运行时，在该引脚上出现2个机器周期以上高电平将使单片机复位。 (9)XTALl和XTAL2(输入/输出)外接晶振引线端： XTALl：在单片机内部，它是构成片内振荡器的反
13、向放大器的输入端。当使用芯片内部振荡器时，此引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：接外部晶体的另外一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反向放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬空不连接。 (10)GND搭铁线。 (11)VCC+5V电源。 四、单片机存储器及IO接口扩展 虽然芯片内部具有CPU、ROM、RAM、定时器卅数器和IO口等，相当于一台计算机。 但单片机芯片内的资源毕竟有限。在实际应用中，许多情况下，需要对单片机进行资源扩展，其中包括存储器扩展和IO扩展，从而构成一个功能更强的单片
14、机系统。单片机扩展 结构框图如图2-3所示。 整个扩展系统是以单片机芯片为核心。扩展内容包括程序存储器、数据存储器和IO 的数据存储器称之为外部数据存储器，简称外部RAM。 1.系统总线 扩展是通过总线进行的，即通过总线把各扩展部件连接起来。 所谓系统总线就是连接系统中各扩展部件的一束公共信号线。按其功能可把系统总线分成三组，即：地址总线，数据总线和控制，总线。 (1)地址总线AB(Address Bus)。地址总线用于传送单片机送出的地址信号，以便进行存储单元和IO端口选择。地址总线是单向的，只能由单片机向外发出地址信号。地址总线的位数决定着可直接访问的存储单元的数目。例如n位地址，可以构成2n个连续的地址编码，因此可访问2n存储单元。MCS51单片机存储器扩展最多可达64KB，所以最多需16位地址线。 (2)数据总线DB(Data Bus)。数据总线用于在单片机与存储器之间或单片机与IO端口之间传送数据。数据总线的位数应与单片机的字长一致。MCS51单片机的字长为8位，所以数据总线的位数也为8。数据总线是双向的，即可以进行两个方向的数据传送。 (3)控制总线CB(Control Bus)。控制总线实际上是一组控制信号线，包括单片机发出的以及其它部件传送给单片机的。对于一条具体的控
