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1、8051单片机的结构和原理2.1 51系列单片机的结构51单片机最初是由Intel公司开发设计的，但后来Intel公司把51核的设计方案卖给了几家大的电 子设计生产商，譬如SST、Philip、Atmel等大公司。如是市面上出现了各式各样的但均以51为内核的 单片机，倒是Intel公司自己的单片机却显得逊色了。这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51指令、 并在51的基础上扩展一些功能而内部结构是与51 一致的，在前一章我们已经提到51单片机在今后很长 一段时间内仍是主流，所以我们的教材将还是以51核为例给大家进行详细的介绍。2.1.1 51系列单片机的结构框图我们假设读者是已经学完了计算机的
2、组成原理，所以下面出现的有关计算机的专有名词就不做详细介绍了。我们知道我们PC机的CPU是基于冯诺伊曼的体系结构，然而MCU （单片机）、Dsp （数字信号 处理器）都是基于哈佛结构的体系结构。哈佛结构与冯诺伊曼结构有很大的不同，在冯诺伊曼体系结构下 只有一个地址空间，ROM和RAM可以随意安排在这一地址范围内的不同空间，即ROM和RAM地址 统一分配。CPU访问存储器时，一个地址对应唯一的存储单元，可能是ROM,也可能是RAM。而哈佛 结构下ROM和RAM是分开编址，即程序和数据分开保存，访问时用不同的指令加以区分，并可同时访 问，在这样的体系结构下有利于提高指令的执行速度。在后面的章节我们
3、将详细介绍单片机的存储器配置。图2 1所示为MCS51系列单片机的基本结构框图。图21刃慕別卑片机的甚危结构雅的从结构框图我们可以看出在这一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分。这些部分包 括:(1) 一个8位的微处理器(CPU)。(2) 片内数据存储器RAM (128B/256B)，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、 最终结果以及欲显示的数据等，SST89系列单片机最多提供1K的RAM。(3) 片内程序存储器ROM / EPROM (4KB/8KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但 也有一些单片机内部不带ROM/EPROM,如8031, 8032, 80C31等。目
4、前单片机的发展趋势是将RAM 和ROM都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST公司推出的 89系列单片机分别集成了 16K、32K、64K Flash存储器，可供用户根据需要选用，读者可查看书的后面部分。(4) 四个8位并行I/O接口 P0P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。(5) 两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计 数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前 的52系列单片机都会提供3个16位定时器/计数器。(6) 五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单
5、片机都不只5个中断源，例如SST89E58RD就 有9个中断源。(7) 一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O 口，用于实现单片机之间或单机与微 机之间的串行通信。(8) 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHz。 SST89V58RD最高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。以上各个部分通过内部数据总线相互连接。早期的51系列单片机有十多个品种，目前已发展到数百种，我们可以看看早期单片机的性能如表2 1所示，拿它和现代新型单片机比较，我们会发现它们的性能相差很大，可以参见后文的 SST89系列单片机性能。RDM走式
6、n肉ROMfB片内寻址KO中斯淵料內ROM片內EPROM卯療EPRCM计数勢并齐口串行口3K1穴158抽啟2X 16b-IX 8b153K5IS0C311282心:2Xl6b4X#b153K?8752SO32EK256lx 6W：3X16bX3b16SDC552705230C328K2賢3Xl6t)$X3t215嶷2 I中”瑕片机出号吿叱”表示曲用的杲CMOS三备县管切耗握的烧点-3051 的功軽为630ftiW.而甜C51的功120mW,它用干怅功雄的晅書弍产品或航天披术禎 城中.tiCS-51片机的盪度适用免憾也我做处理诺芯片ZE趴阴前毎觅，其最座范GB甘；民晶（商业用）OX?NU工业品W
7、C-笳匸至用品m1鮎1C市场上的鹄冒品爹为工业品其機定性相拭丰桃性冊忧干谶处理聘芯片.淞紳系蝴单片机住瞬53 ?HfghRAMUARTRS中IKA屯Kcm=：-n#* 电 & 曲n 科p4口SP15V/E3V iVSSTB9E 吧 bRD2jjmJ33M沁+SKEECBJttr:-hS2*1/*SSTSfV5D2五I |32K+3n血st8曲2J1XdSST9E/V5ffiD2w35M问琲s4i诃y*SSTE9EV53tD2上甬33MS&BKtK&B42Vi/*喲砸州那.:、：筒：世Ifh-取E42V救临E用尬直125M盼UiIdrs-0842yJ8051单片机内部结构如图2-2所示。一个完整
8、的计算机应该由运算器、控制器、存储器（ROM及 RAM）、数据总线和I/O接口组成。一般微处理器（如8086）就只包括运算器和控制器两部分。和一般 微处理器相比，8051增加了四个8位I/O 口、一个串行口、4KB ROM、128BRAM、很多工作寄存器 及特殊功能寄存器（SFR），所以单片机具有比微处理器更强大的控制功能，单片机是专为进行控制设计 的，而常见的微处理器是用于运算功能的，下图各部分的功能描述一、中央处理单元（CPU）和PC机的CPU 一样，它是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，由运算器和控制器等部 件组成。1. 运算器运算器包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU
9、，8位的暂存器1、暂存器2, 8位的 累加器ACC，寄存器B和程序状态寄存器PSW等。ALU：可对4位（半字节）、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。能做加、减、乘、 除、加1、减1、BCD数十进制调整及比较等算术运算和与、或、异或、求补及循环移位等逻辑操作。印卜PC .7竇P2“R?f1PDgl 二PC|癖孙fw箱规E祺J、12864阳1-1嗨朋-sraI.-ZCC I3P |jrlRSfT TOKxwi.nlTOLlp|j(HPI.T“F3.卜 P3T曲昭 M51 *.片申If塞结旳阴ACC累加器ACC经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的 运算数
10、进行运算，运算结果又送回ACC。除此之外，ACC在8051内部经常作为数据传送的中转站。同 一般微处理器一样，它是最繁忙的一定寄存器了。在指令中用助记符A来表示。PSW:程序状态字寄存器，8位，用于指示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄 存器。PSW中各位状态供程序查询和判别用。详见特殊功能寄存器SFR中介绍。B： 8位寄存器，在乘、除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果； 若不做乘、除运算时，则可作为通用寄存器使用。另外，8051片内还有一个布尔处理器，它以PSW中的进位标志位CY为其累加器（在布尔处理器 及其指令中以C代替CY），专门用于处理位操作
11、：可执行置位、位清0、位取反、位等于1转移、位等 于0转移、位等于1转移并清0以及位累加器C与其他可位寻址的空间之间进行信息传送等位操作，也 能使C与其他可寻址位之间进行逻辑“与”、逻辑“或”操作，结果存放在进位标志位（位累加器）C中。2控制器控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器及定时电路等。程序计数器PC：由两个8位的计数器PCH及PCL组成，共16位。PC实际上是程序的字节地 址计数器，PC中的内容是将要招待的下一条指令的地址。改变PC的内容就可改变程序执行的方向。PC 可对64KB的ROM （程序存储器）直接寻址，也可对8051片外RAM （数据存储器）寻址。
12、指令寄存器IR及指令译码器ID,由ID对指令译码并送PLA产生一定序列的控制信号，以执行指 令所规定的操作。例如，控制ALU的操作、在8051片内工作寄存器间传送数据，以及发出ACC与I/ O 口（P0P3）或存储器之间通信的控制信号等等。振荡器及定时电路8051单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容（2个30pF左 右），其频率范围为1.2MHz12MHz。该脉冲信号就作为8051工作的基本节拍，即时间的最小单位。8051 同其他计算机一样，在基本节拍的控制下协调地工作，就像一个乐队按着指挥的节拍演奏一样。二、存储器8051片内有ROM （程序存储器，只能读）和RAM （数据存
13、储器，可读可写）两类，它们有各自独 立的存储地址空间，与一般微机的存储器配置方式很不相同。1、程序存储器（ROM）8051及8751的片内程序存储器容量为4KB，地址从0000H 一开始，用于存放程序和表格常数。2、数据存储器（RAM）8051 / 8751 / 8031片内数据存储器均为128B，地址为00H7FH，用于存放运算的中间结果、数 据暂存以及数据缓冲等。在这128B的RAM中，有32个字节单元可指定为工作寄存器，这同一般微处理器不同，8051的 片内RAM和工作寄存器排在一个队列里统一编址。由图22可见,8051单片机内部还有SP,DPTR,PCON,，IE,IP 等特殊功能寄存
14、器，它们也同128 字节RAM在一个队列里编址，地址为80HFFH。在这128字节RAM单元中有21个特殊功能寄存器 （SFR）,这些特殊功能寄存器还包括P0P3 口锁存器。如何使用RAM中的32个工作寄存器和特殊功能寄存器，后面将详细介绍。三、I/O接口8051有四个8位并行接口，即P0P3。它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O线，为可输入 /输出。P0P3 口四个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O 口当作一般特殊功能寄存器来寻址。2.2 51单片机的引脚及其功能MCS-51系列中各种芯片的引脚是互相兼容的，如8051,8071和8031均采用40脚双列直插封装 （DIP）方式。当然，不同芯片之间引脚功能也略有差异。8051单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目 的限制，所以有不少引脚具有第二功能，如图2-3所示。P1.0Pl. 1PL2Pl般Pl.4Pl.5Pl.6Pl.7RSTRXD P3. 0
