1.1.3 單片機(jī)概念、發(fā)展及主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹

1.單片機(jī)的定義

單片機(jī)是將CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等集成在一塊芯片上，是目前銷量最大、應(yīng)用面最廣、價(jià)格最便宜的微型計(jì)算機(jī)，如圖1-14所示。

典型單片機(jī)產(chǎn)品有如下系列。

1）MCS-51系列。美國Intel公司生產(chǎn)的8位字長(zhǎng)單片機(jī)?；拘彤a(chǎn)品有8051、8031、8751等。

2）AT89C51系列。美國ATMEL公司生產(chǎn)的8位字長(zhǎng)單片機(jī)。與MCS-51系列單片機(jī)兼容，內(nèi)含4KB的flash存儲(chǔ)器。

3）STC系列。STC單片機(jī)是由美國設(shè)計(jì)，國內(nèi)宏晶公司生產(chǎn)的，這個(gè)芯片改進(jìn)了加密機(jī)制。STC單片機(jī)出廠的時(shí)候就已經(jīng)完全加密，用戶程序是ISP/IAP機(jī)制寫入，編程的時(shí)候是一邊校驗(yàn)一邊寫，無法讀出命令，這增加了解密難度。

2.單片機(jī)的應(yīng)用

目前單片機(jī)滲透到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控智能玩具、電子寵物等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的工程師。

3.MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)

MCS-51系列單片機(jī)是目前工程上應(yīng)用較為廣泛的單片機(jī)，8051單片機(jī)的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)，如圖1-15所示。

MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部硬件各部分的主要功能如下。

（1）中央處理單元CPU 中央處理單元CPU是單片機(jī)的主要核心部件，由運(yùn)算器、控制器及若干寄存器組成。

1）運(yùn)算器。運(yùn)算器是進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件。與運(yùn)算器有關(guān)的寄存器包括ACC、B、PSW。

2）控制器?？刂破魇怯沙绦蛴?jì)數(shù)器PC、指令寄存器、譯碼器、定時(shí)與控制電路等組成的。PC是一個(gè)16位的寄存器，PC中的內(nèi)容是下一條將要執(zhí)行的指令代碼的起始存放地址。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位之后，(PC)=0000H，引導(dǎo)CPU到0000H地址讀取指令代碼，CPU每讀取一個(gè)字節(jié)的指令，PC的內(nèi)容會(huì)自動(dòng)加1，指向下一個(gè)地址，使CPU按順序讀取后面的指令，從而引導(dǎo)CPU按順序執(zhí)行程序。

3）寄存器。51單片機(jī)中，有21個(gè)特殊功能寄存器（52系列是26個(gè)）不連續(xù)地分布在128字節(jié)的SF存儲(chǔ)空間中，地址空間為80H～FFH，在這片SF空間中，包含有128個(gè)位地址空間，地址也是80H～FFH，但只有83個(gè)有效位地址，可對(duì)11個(gè)特殊功能寄存器的某些位作位尋址操作。

（2）存儲(chǔ)器 51單片機(jī)的存儲(chǔ)器分為兩大存儲(chǔ)空間：程序存儲(chǔ)器（ROM）空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）空間。

片內(nèi)程序存儲(chǔ)器為4KB容量，其地址為0000H～0FFFH。片外程序存儲(chǔ)器為64KB容量，其地址為0000H～FFFFH。

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為256B容量，00H～7FH為通用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，80H～FFH為專用的特殊功能寄存器區(qū)。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為64KB容量，其地址為0000H～FFFFH。

與8051不同的是，8751片內(nèi)包含4KB的EPROM程序存儲(chǔ)器，而8031內(nèi)部不包含程序存儲(chǔ)器。不同型號(hào)的51系列單片機(jī)在容量上面會(huì)有所區(qū)別。

（3）振蕩電路和時(shí)鐘電路 要給單片機(jī)的CPU工作提供時(shí)序，需要有相關(guān)硬件電路，即振蕩器和時(shí)鐘電路。51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但要形成時(shí)鐘，外部還需附加電路。51單片機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方式，即內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘方式。

（4）中斷系統(tǒng) 單片機(jī)的中斷系統(tǒng)是為了響應(yīng)和處理突發(fā)事件，同時(shí)提高工作效率的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)單片機(jī)CPU處理事件的過程時(shí)，有了突發(fā)事件需要其去處理。這時(shí)CPU會(huì)自動(dòng)保存當(dāng)前程序進(jìn)程，然后去處理突發(fā)事件，突發(fā)事件處理完后再回到剛才程序停止的位置繼續(xù)執(zhí)行主程序。如果沒有中斷系統(tǒng)，就只能由CPU按照程序編寫的先后次序，對(duì)各個(gè)外設(shè)，進(jìn)行巡回檢查與處理。這就是查詢式工作方式。貌似公平，實(shí)際效率卻不高。如果有了中斷系統(tǒng)，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，就具有了應(yīng)付突發(fā)事件的處理能力，這就是中斷式工作方式。

（5）兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 51單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，主要用作定時(shí)和計(jì)數(shù)使用。單片機(jī)根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能從而選擇定時(shí)/計(jì)數(shù)器的功能。

（6）并行I/O端口 51單片機(jī)有4個(gè)并行I/O口，用作數(shù)據(jù)的輸入和輸出。具備第二功能的端口還可實(shí)現(xiàn)其他功用。訪問單片機(jī)的外接擴(kuò)展也需要使用這些端口作為地址線和數(shù)據(jù)線使用。

（7）全雙工串行口 51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，這個(gè)串行口既可以用于網(wǎng)絡(luò)通信，也可以實(shí)現(xiàn)串行異步通信，還可作為同步移位寄存器使用。

（8）64KB總線擴(kuò)展控制 當(dāng)單片機(jī)需要外接設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，P0口和P2口可以作為并行擴(kuò)展總線，可以擴(kuò)展64KB程序存儲(chǔ)器和64KB RAM I/O口。

4.MCS-51單片機(jī)的引腳

8051單片機(jī)是HMOS工藝制造，外形為40個(gè)引腳，如圖1-16所示。因?yàn)槭苄酒_數(shù)量的限制，有很多引腳具有雙功能。

（1）主電源引腳

1）VCC：芯片工作電源端，接+5V。

2）VSS：電源接地端。

（2）時(shí)鐘振蕩電路引腳

1）XTAL1：內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸入端。

2）XTAL2：內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸出端。

（3）控制信號(hào)引腳

1）RST：復(fù)位信號(hào)輸入端。外部接復(fù)位電路接法如圖1-17。

2）ALE：地址鎖存允許信號(hào)。在不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6的固定頻率輸出，用示波器觀察ALE引腳上的脈沖信號(hào)是判斷單片機(jī)芯片是否正常工作的一種簡(jiǎn)便方法。

3）：外部程序存儲(chǔ)器ROM的讀選通信號(hào)。當(dāng)外部ROM取指令時(shí)，自動(dòng)向外發(fā)送負(fù)脈沖信號(hào)。

4）：為訪問程序存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。

（4）并行I／O端口引腳 它主要有P0口（P0.0～P0.7）、P1口（P1.0～P1.7）、P2口（P2.0～P2.7）、P3口（P3.0～P3.7）。

5.單片機(jī)外圍電路

（1）復(fù)位電路 單片機(jī)的RST引腳是復(fù)位信號(hào)輸入端，RST引腳上保持兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘周期）以上的高電平時(shí)，可使單片機(jī)內(nèi)部可靠復(fù)位。如采用12MHz的晶振，則須加在RST引腳上的復(fù)位脈沖的持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于2μs。單片機(jī)常用的外圍復(fù)位電路如圖1-17所示。

復(fù)位后，單片機(jī)內(nèi)部的各寄存器的內(nèi)容將被初始化，包括程序計(jì)數(shù)器PC和特殊功能寄存器，其中(PC)=0000H，特殊功能寄存器的初始狀態(tài)見表1-1。復(fù)位不影響片內(nèi)RAM和片外RAM中的內(nèi)容。

（2）時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)是單片機(jī)內(nèi)部各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，控制器按照指令的功能產(chǎn)生一系列在時(shí)間上有一定次序的信號(hào)，控制相關(guān)的邏輯電路工作，實(shí)現(xiàn)指令的功能，如圖1-18所示。

電容容量范圍為（30±10）pF，石英晶體頻率的范圍為1.2～12MHz，常用6MHz或12MHz。