单片机笔记(1)–单片机概述

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2020年11月25日 09时20分

目录

一.单片机概述

二.单片机结构原理

三.单片机硬件系统结构

1.运算部件

2.控制部件

四.存储器结构

1.程序存储器

2.数据存储器

1.程序计数器PC

2.累加器A

3.B寄存器

4.程序状态字寄存器PSW

5.堆栈指针SP

6.数据指针DPTR

7.端口P0-P3

8.串行数据缓冲器SBUF

9.定时器

3.外部数据存储器

4.I/O端口

5.I/O 口的读一修改—写特性

6.复位电路

7.复位时片内各寄存器的状态

8.时序(未搞清楚,待更新)

9.MCS-51 单片机引脚功能

1.端口线(4×8 = 32 条)

2.电源线(2条)

3.控制线(6条)


 

一.单片机概述

 

单片机即单片机微型单片机,是将单片机主机(CPU、内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微型机。单片机为工业测控而设计,又称微控制器(MCU)。

 

单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把 具有数据处理能力的中央处理器CPU、 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器 等功能集成到一块硅片上 构成的一个小而完善的微型计算机系统。因此,单片机只需要有适当的软件和外部设备,便可组成为一 个单片机控制系统。

 

二.单片机结构原理

 

8051 系列单片机的主要功能如图:

 

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1 .数据存储器 (RAM) :片内为 128B 字节的 RAM ,片外最多可外扩至 64KB 。
2 .程序存储器 (ROM / EPROM) : 8031 无此部件; 8051 为 4K ROM ; 8751 则为 4K EPROM。片外
最多可外扩至 64K 字节。
3 .中断系统:具有 5 个中断源(其中内部 3 个,外部 2 个), 2 级中断优先权。
4 .定时器 / 计数器: 2 个 16 位的定时器/计数器,具有四种工作方式。
5 .串行口: 1 个全双工的串行口,具有四种工作方式。
6 . P1 口、 P2 口、 P3 口、 P0 口:为 4 个并行 8 位 I / O 口。
7 .特殊功能寄存器 (SFR) : 8051 有 128 个特殊功能寄存器寻址空间,有 21 个 SFR ,用于对片内各
功能模块进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器,是一个特殊功能的 RAM区。
8 .微处理器 (CPU) :为 8 位的 CPU ,且内含一个 1 位 CPU( 位处理器 ) ,不仅可处理字节数据,还可
以进行位变量的处理。

三.单片机硬件系统结构

 

MCS-51 系列单片机主要包括 算术/逻辑部件 ALU 、 累加器 A(有时也称 ACC) 、 只读存储器 ROM、
随机存储器 RAM 、 指令寄存器 IR 、 程序计数器 PC 、 定时器/计数器 、 I/O 接口电路 、 程序状态寄存器
PSW 、 寄存器组 ,此外,还有 堆栈寄存器 SP , 数据指针寄存器 DPTR 等部件。这些部件集成在一块芯片
上, 通过内部总线连接 ,构成完整的微型计算机。如下图所示:

 

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1.运算部件

 

运算部件包括 算术逻辑部件 ALU、位处理器、累加器 A、寄存器 B、暂存器以及程序状态字 PSW 寄
存器 等。该模块的功能是实现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。

 

ALU 的功能 十分强,它不仅可对 8 位变量进行逻辑“与”“或”、“异或”、循环、求补和清零等基本
操作,还可以进行加、减、乘、除等基本运算。 ALU 还具有一般微处理器的 ALU 所不具备的功能,即
位处理操作,它可对位 (bit) 变量进行位处理,如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。

 

累加器 A 是一个 8 位的累加器:从功能上看,它与一般微处理器的累加器相比没什么特别之处,但
需要说明的是 A 的进位标志 Cy 是特殊的,因为它同时又是位处理器的一位累加器。

 

寄存器 B 是为执行乘法和除法操作设置的,在不执行乘、除法操作的一般情况下可把它当作一个普
通寄存器使用。

 

MCS-51 系列单片机的 程序状态寄存器 PSW ,是一个 8 位可读写的寄存器,它的不同位包含了程序
状态的不同信息。

 

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CY (PSW.7)进位标志位 ,在执行算术和逻辑指令时,可以被硬件或软件置位或清除,在位处理器中,
它是位累加器。

 

AC (PSW.6)辅助进位标志位 ,当进行加法或减法操作而产生由低 4 位数向高 4 位进位或借位时,AC
将被硬件置 1 ,否则就被清除。

 

F0 (PSW.5)标志位 ,它是由用户使用的一个状态标志位,可用软件来使它置位或清除,也可以靠软
件测试 FO 以控制程序的流向。编程时,该标志位特别有用。

 

RS1、RS0 (PSW.4、PSW.3)寄存器区 选择控制位 1 和 0 ,这两位用来选择 4 组工作寄存器区

 

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OV (PSW.2)溢出标志位 。当执行算术指令时,由硬件置 1 或清 0 ,以指示溢出状态。

 

PSW.1 是保留位 ,未用。

 

P (PSW.0)奇偶标志位 。每个指令周期都由硬件来置位或清除,以表示累加器 A 中值为 1 的位数的奇
偶数。若为奇数,则 P=l ,否则 P=0 。此标志位对串行口通讯中的数据传输有重要的意义,常用奇偶
检验的方法来检验数据传输的可靠性。

 

2.控制部件

 

控制部件是单片机的神经中枢, 以主振频率为基准(每个主振周期称为振荡周期) ,控制器控制 CPU
的时序,对指令进行译码,然后发出各种控制信号,它将各个硬件环节组织在一起。

 

四.存储器结构

 

程序存储器和数据存储器具有各自独立的寻址方式、寻址空间和控制信号。

 

MCS-51 的存储器结构如图  所示 (内部数据 RAM 的高 128B 仅为 52 子
系列单片机拥有,51 子系列无)

 

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MCS-51 系列( 8031 和 8032 除外)有 4 个物理上相互独立的存储器空间,即内、外程序存储器和内、外数据存储器。逻辑上分为三个存储空间,即 片内外统一编址的 64K 字节的程序存储器地址空间 、 256B 字节的片内数据存储器 以及 64K 字节的片外数据存储器地址空间 (可扩展数据 RAM 或I/O 接口)。

 

1.程序存储器

程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。
在 MCS-51 系列的指令系统中,同外部程序存储器打交道的指令仅有两条:

 

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MCS-51 复位后, 程序计数器 PC 的内容为 0000H ,故系统必须从 0000H 单元开始取指令,执行程
序。程序存储器中的 0000H 地址是系统程序的启动地址。 一般在该单元存放 一条跳转指令,跳向用户设计的主程序的起始地址。

 

MCS-51 最多可外扩 64K 字节程序存储器 , 64K 程序存储器中有 5 个单元具有特殊用途, 5 个特殊
单元分别对应于 5 种中断源的中断服务程序的入口地址:

 

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通常在这些入口地址处都放一条跳转指令。加跳转指令的目的是,由于两个中断入口间隔仅有八个
单元,存放中断服务程序往往是不够用的。

 

2.数据存储器

 

数据存储器用以存放和读取数据,它不能存放和执行程序指令。

 

数据存储器在物理上和逻辑上都分 为两个地址空间; 内部数据存储器(简称内部 RAM) 和 外部数据存储器(外部 RAM) 。内部 RAM 的地址空间为 00H-7FH,128B (8052 为 00H~0FFH 为 256B),外部RAM 地址空间为 0000H~0FFFFH 的 64KB,

 

两者是由不同指令来访问的: 访问内部 RAM 用 MOV 类指令 ; 访问外部 RAM 用 MOVX 指令。

 

8051 内部 RAM 的 128B 单元,可按功能分为三个区域:

 

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(1) 从 00H~1FH 的 32B 单元是 4 个工作寄存器组 。前面已介绍每一组包括 8 个工作寄存器, 寄存器
名用 R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7 表示 , 单片机执行程序时同时只能选用其中的一组,具体使用
哪一组是通过对 PSW 的 RS1、RS0 两位的设置来实现的 。设置四组工作寄存器,给程序设计带来了好
处,很容易实现子程序嵌套、中断嵌套时的现场保护,如果在用户程序中只使用了一组内部 RAM 单元
作为工作寄存器,则其他三组 RAM 单元可作为一般的内部 RAM 作用, MCS-51 在复位后,RS1、RS0都为 0,即指定 00H—07H 单元为 R0—R7。

 

(2 )地址 20H 一 2FH 的 16B 共 128 位,是可位寻址的内部 RAM 区,它们既可字节寻址,亦可位寻
址。 这些位寻址单元构成了布尔处理器的数据存储器空间。它们的位地址定义为 00H — 7FH。

 

(3) 其他 80B 是只能按字节寻址的内部 RAM 区,为用户区。

 

MCS-51 单片机的堆栈安排在内部 RAM 内 , 堆栈的深度以不超过内部 RAM 的空间为限。 对 8051
类芯片最多为 128B ,对 8052 类芯片最多为 256B 。

 

1.程序计数器PC

程序计数器 PC 用于存放下—条要执行的指令地址,是一个 16 位专用寄存器,可寻址范围为 0 —
65535(64K) , PC 在物理上是独立的,不属于 SFR ,但它与 SFR 有密切联系,故放在此处介绍。

 

2.累加器A

累加器 A 是一个最常用的专用的寄存器,它属于 SFR ,大部分单操作数指令的操作数取自累加器,
很多双操作数指令的一个操作数取自累加器,加、减、乘、除算术运算指令的运算结果都存放在累加器
A 或 A 、 B 寄存器中。

 

3.B寄存器

在乘、除指令中,用到了 B 寄存器。乘法指令的两个操作数分别取自 A 和 B ,其结果存放在 A 、 B

寄存器对中。除法指令中,被除数取自 A,除数取自 B,运算后商数存放于 A,余数存放于 B。

 

4.程序状态字寄存器PSW

PSW 是一个 8 位寄存器,它包含了程序状态信息。

 

5.堆栈指针SP

堆栈指针 SP 是一个 8 位专用寄存器 。它指示出堆栈顶部在内部 RAM 块中的位置。 系统复位后,SP
初始化为 07H,使得堆栈事实上由 08H 单元开始 ,考虑到 0BH — 1FH 单元分别属于工作寄存器区1 ~ 3 ,
若在程序设计中要用到这些区,则最好把 SP 值改置为 1FH 或更大的值。单片机的堆栈是向上生成的。

 

例如 SP=60H,CPU 执行一条调用指令或响应中断后,PC 进栈,PC 的低 8 位送入到 61H,PC 高 8位送
入到 62H,(SP)=62H。

 

6.数据指针DPTR

数据指针 DPTR 是一个 16 位的 SFR , 其高位字节寄存器用 DPH 表示,低位字节寄存器用 DPL 表
示 。 DPTR 即可以作为一个 16 位寄存器 DPTR 来用,也可以作为两个独立的 8 位寄存器 DPH 和DPL 来
用。

 

7.端口P0-P3

特殊功能寄存器 P0-P3 分别为 I/O 端口 P0-P3 的锁存器 。即每一个 8 位 I/O 口都对应 SFR 的一个地
址( 8 位)。在 MCS-51 中, I/O 和 RAM 统一编址,使用起来较为方便,访问 I/O 端口可用访问RAM 的
指令。

 

8.串行数据缓冲器SBUF

串行数据缓冲器 SBUF 用于存放欲发送或已接收的数据 ,它在 SFR 块中只有一个字节地址,但在物
理上是由两个独立的寄存器组成, 一个是发送缓冲器 SBUF,另一个是接收缓冲器 SBUF ,当要发送的数
据传送到 SBUF 时,进的是发送缓冲器 SBUF ;接收时,外部来的数据存入接收缓冲器 SBUF 。

 

9.定时器

MCS-51 单片机有两个 16 位定时器/计数器 T0 和 T1 ,它们各由两个独立的 8 位寄存器组成,共为 4
个独立的寄存器: TH0 、 TL0 、 THL 、 TL1 。可以对这 4 个寄存器寻址,但不能把 T0 或 T1 当作一个 16
位寄存器来对待。

 

3.外部数据存储器

MCS-51 外部数据存储器寻址空间为 64KB ,这对多数应用领域已足够使用。对外部数据存储器可用
R0,R1 及 DPTR 间接寻址寄存器。R0,R1 为 8 位寄存器,寻址范围为 256B,DPTR 为 16 位的数据指针,
寻址范围为 64KB。在 MCS-51 的指令系统中, 同外部数据存储器打交道的指令有 4 条:

 

微信图片_20201113170449

 

4.I/O端口

MCS-51 单片机有 4 个双向的 8 位并行 I/O 口:P0~P3,每一个口都有一个 8 位的锁存器,复位后
它们的初始状态为全“1”。

 

P0 口是三态双向口,既可作为并行 I/O 口,也可作为数据总线口。当外部扩展了存储器或 I/O 端口,
则只能作数据总线和地址总线低 8 位。当作为数据总线口时是分时使用的,即先输出低 8 位地址,后用
作数据总线,故应在外部加锁存器将先送出的低 8 位地址锁存,地址锁信号用 ALE 。

 

P1 口是专门供用户使用的 I/O 口,是准双向接口。

 

P2 口是准双向接口,既可作为并行 I/O 口,也可作为地址总线高 8 位口。当外部扩展了存储器或 I/O
端口,则只能作地址总线高 8 位。

 

P3 口是准双向口,又是双功能口。该口的每一位均可独立地定义为第二功能,作为第一功能使用时,
口的结构与操作与 P1 口相同。下表表示了P3口作为第二功能时各位的定义:

 

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5.I/O 口的读一修改—写特性

每个 I/O 端口均有两种读入方法,即读锁存器和读引脚,并有相应的指令,那么如何
区分读端口的指令是读锁存器还是读引脚呢?

 

读锁存器指令是从锁存器中读取数据,进行处理,并把处理以后的数据重新写入锁存器中,这类指
令称为“读一修改一写”批令 。当目前操作数是一个 I/O 端口或 I/O 端口的某一位时,这些指令是读锁存
器而不是读引脚,即为“读一修改一写”指令,下面列出的是一些“读一修改一写”指令。

 

ANL (逻辑与,例如 ANL P1,A)
ORL (逻辑或,例如 ORL P2,A)
XRL (逻辑异或,例如 XRL P3,A)
JBC (若位=1,则转移并清零,例如 JBC P1.1,LABEL)
CPL (取反位,例如 CPL P3.0)
INC (递增,例如 INC P2)
DEC (递减,例如 DEC P2)
DJNZ (递减,若不等于 0 则转移,例如 DJNZ P3,LABEL)
MOV P1.7,C (进位位送到端口 P1 的位 7)
CLR P1.4 (清零端口 P1 的位 4)
SETB P1.2 (置位端口 P1 的位 2)

 

读引脚指令一般都是以 I/O 端口为原操作数的指令,执行读引脚指令时,打开三态门,输入口状态。

 

例如,读 P1 口的输入状态时,读引脚指令为:MOV A,P1。
读—修改—写指令指向锁存器而不是引脚,其理由是为了避免可能误解引脚上的电平。

 

6.复位电路

MCS-51 的复位输入引脚 RST( 即 RESET) 为 MCS-51 提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指
定处开始执行, 即从程序存储器中的 0000H 地址单元开始执行程序。

 

只要 RST 保持高电平。则 MCS- 51 循环复位。只有当 RST 由高电平变低电平以后,MCS-51 才从0000H 地址开始执行程序。

 

7.复位时片内各寄存器的状态

程序运行直接受程序计数器(PC)指挥。

 

复位后 PC 值为 0000H , 故复位后的程序入口地址为 0000H;
 复位后 PSW=00H,使片内存储器中选择 0 区工作寄存器 ,用户标志为 F0 为 0 状态;
 复位后 SP=07H,设定推栈栈底为 07H;
 TH1、TL1、TH0 、TL0 都为 00H,表明定时/计数器复位后皆清零;
 TMOD=00H 都处于方式 0 工作状态,并设定 T1、T0 为内部定时器方式,定时器不受外部引脚
控制;
 TCON=00H,禁止计数器计数,并表明定时/计数器无溢出中断请求 ,并禁止外部中断源的中断
请求,外部中断源的中断请求为电平触发方式;
 SCON=00H 使串行口工作在移位寄存器方式(方式 0) ,并且设定允许串行移位接收或发送;
 复位后 IE 的各位均为零,表明在中断系统 CPU 被禁止响应中断,而且每个中断源也被禁止中
断;
 复位后 IP 的各位均为零,表明在断断系统的 5 个中断源都设置为低优先级中断状态;
 复位后的 P1 , P2 , P3 口锁存器全为 1 状态,使这些准双向口皆处于输入状态。

 

     在复位有效期间(即高电平),MCS-51 的 ALE 引脚和引脚均为高电平,且内部 RAM 不受复位的影响。

 

8.时序(未搞清楚,待更新)

 

9.MCS-51 单片机引脚功能

MCS-51 单片机 DIP 封装40 条引脚,共分为端口线、电源线和控制线三类。

 

1.端口线(4×8 = 32 条)

MCS-51 共有四个并行 I/O 端口,每个端口都有 8 条端口线,用于传送数据/地址或其它信息。

 

P0.0-P0.7 :

这组引脚共有 8 条,为 P0 口专用,其中 P0.7 为最高位 P0.0 为最低位。这 8 条引脚共有两种不同
功能,分别使用于两种不同情况之下。

 

第一种情况是 MCS-51 不带片外存储器的型号,P0 口可以作为通 用 I/O 口使用,P0.7~P0.0 用于传送 CPU 的输入/输出数据。
输出数据可以得到锁存,不需外接 专用锁存器,输入数据可以得到缓冲,增加了数据输入的可靠性。

 

第二种情况是带片外程序存储器,P0.7~ P0.0 在 CPU 访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低 8 位地址,然后传送 CPU 对片外存储器的读 或写数据。

 

P1.0-P1.7 :

 

这 8 条引脚和 P0 口的 8 条引脚类似,P1.7 为最高位 , P1.0 为最低位。当 P1 口作为通用 I/O 使用时,
P1.0-P1.7 的功能和 P0 口的第一功能相同,也用于传送用户的输入/输出数据。

 

P2.0-P2.7 :

 

第一功能和上述两组引脚的第一功能相同,即它可以作为通用 I/O 使用。它的第二功能 和 P0 口引脚的第二功能相配合,用于输出片外存储器的高 8 位地址,共同选中片外存储器单元,但并不 能像 P0 口那样还可以传送存储器的读写数据。

 

P3.0-P3.7 :

 

这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同,第二功能作控制用,每个引脚并不完全相同。

 

2.电源线(2条)

VCC 为 +5V 电源线, VSS 为地线。

 

3.控制线(6条)

1.

 

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2.

 

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3.

 

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4.

 

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5.

 

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