【正文】 CPU、存儲器 ROM 和 RAM、輸入 /輸出（ I/O）接口電路等集成在一塊集成電路芯片上的微型計算2 機，簡稱單片機?？傮w來講，單片機可以用以下”表達式”來表示 單片機 =CPU ROM RAM I/O 功能部件。 單片機的發(fā)展史及發(fā)展趨勢 單片機的發(fā)展歷史可劃分為 3個階段： 第一階段（ 19741976）為單片機初級階段。因受工藝和集成度的限制，單片機采用雙片形式。 第二階段（ 19761978）為低性能單片機階段。單片機由一塊芯片構成，但性能低 、品種少。 第三階段（ 1978 以后）為高性能單片機階段。在這一階段出現(xiàn)了很多新型單片機，這些新型單片機不僅有功能很強的 CPU，較多 I/O 口種類和數(shù)量，而且具有容量較大的 ROM和 RAM及種類繁多的功能部件。 隨著繼承工藝的不斷發(fā)展，單片機一方面向集成度高、體積更高、功能更強、功耗更低的方向發(fā)展；另一方面向 32 位以上及雙 CPU 方向發(fā)展。 單片機的特點及應用 單片機的特點 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，單片機的集成度越來越高， CPU 的位數(shù)也越來越高，已能將所有主要部件都集成在一塊芯片上，使其應用模式多 、范圍廣，并具有以下特點： 1. 體積小，功耗低，價格便宜，重量輕，易于產(chǎn)品化。 2. 控制功能強，運行速度快，能針對性地解決從簡單到復雜的各類控制問題，滿足工業(yè)控制要求，并有很強的位處理和接口邏輯操作等多種功能。 3. 抗干擾能力強，適用溫度范圍寬。由于許多功能部件集成在芯片內(nèi)部，受外界影響小，故可靠性高。 4. 雖然單片機內(nèi)存儲器的容量不可能很大，但存儲器和 I/O 接口都易于擴展。 5. 可以方便的實現(xiàn)多機和分布式控制。 3 單片機的應用 單片機的應用具有面廣量大的特點，目前它廣泛的應用于國 民經(jīng)濟各個領域，對技術改造和產(chǎn)品的更新起著重要作用。主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1. 單片機在智能化儀器、儀表中的應用：由于單片機有機算計的功能，它 不僅能完成測量，還既有數(shù)據(jù)處理、溫度控制等功能，易于實現(xiàn)儀器、儀表的數(shù) 字化和智能化。 2. 單片機在實時控制中的應用：單片機可以用于各種不太復雜的實時控制系統(tǒng)中，如一般性的溫度控制、液面控制、電鍍順序控制等。將測量技術、自動控制技術和單片機技術相結合，充分發(fā)揮單片機的數(shù)據(jù)處理和實時控制功能，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。 3. 單片機在 機電一體化中的應用：單片機有利于機電一體化技術的發(fā)展，已廣泛應用于數(shù)控機床、醫(yī)療設備、汽車設備等。 4. 單片機在多機系統(tǒng)中的應用：單片機在多機系統(tǒng)中的應用是將來單片機發(fā)展的主要模式，它可以提高單片機的可靠性，使系統(tǒng)運行速度更快。單片機在計算機外圍設備中的應用：單片機廣泛應用于打印機、繪圖機等多種計算機的外圍設備，特別是用于智能終端，可大大減輕主機負擔，提高系統(tǒng)的運行速度。 5. 單片機在家用電器中的應用：單片具有體積小、重量輕、價格便宜等特點，所以家電產(chǎn)品中配上微電腦后，使其身價百倍，功能更強，使用方便， 靈活，深得用戶歡迎。 6. 單片機在通信中的應用：單片機廣泛應用于移動通信領域，使移動電話 的功能更強大，操作更方便。 4 2 MCS51 單片機的結構與原理 MCS51 單片機內(nèi)部結構 MCS－ 51 系列單片機的內(nèi)部結構框圖如圖 所示。 MCS－ 51 單片機組成結構中包含運算器、控制器、片內(nèi)存儲器、并行 I/O 口、串行 I/O 口、定時 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。圖中 SP 是堆棧指針寄存器， PC 是程序計數(shù)器， PSW 是程序狀態(tài)字 寄存器， DPTR是數(shù)據(jù)指針寄存器。 5 圖 MCS－ 51 單片機內(nèi)部結構框圖 1. 中央處理器 中央處理器 (CPU)是由運算器和控制器構成，是單片機的最核心部分。它的主要功能是讀入并分析每條指令，根據(jù)指令的功能，控制單片機的各功能部件執(zhí)行指定的操作。 (1) 運算器 運算器以算術邏輯單元 (ALU)為核心，包括累加器 (ACC)、寄存器 (B)、暫存器 暫存器 程序狀態(tài)字寄存器 (PSW)等許多部件構成。它的功能是完成算術和邏輯運算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送等操作。 (2) 控制器 控制器是單片機的神經(jīng) 中樞，是由指令寄存器 IR、指令譯碼器 ID、程序計數(shù)器 PC、堆棧指針 SP、數(shù)據(jù)指針 DPTR、定時及控制邏輯電路等組成。它先以主振頻率為基準發(fā)出 CPU的時序，對指令進行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列定時控制的微操作，用來協(xié)調(diào)單片機內(nèi)部各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)運算等操作。 2. 片內(nèi)存儲器 存儲器編程結構可分為兩種。 (1) 普林斯頓結構： ROM和 RAM 安排在同一空間的不同范圍 (統(tǒng)一編址 )。 (2) 哈佛結構： ROM和 RAM 分別在兩個獨立的空間 (分開編址 )。 MCS－ 51 單片機采用的是哈佛結構 ，而 MCS－ 9 8086 等采用的是普林斯頓結構。 ROM 的尋址范圍： 0000H～ FFFFH，片內(nèi)、片外統(tǒng)一編址。 片內(nèi) RAM 的尋址范圍：普通型 128B(00H～ 7FH)、增強型 256B(00H～ FFH)。 6 3. 特殊功能寄存器 SFR 8051 單片機內(nèi)部有 21 個特殊功能寄存器，它們與內(nèi)部 RAM 統(tǒng)一編址，離散地分布在80H～ FFH的地址單元中。 4. 并行 I/O口 8051 單片機有 4 個 8 位的并行口 (P0、 P P P3)，每個并行口各有 8 根 I/O 口線，可單獨操作每個口線。 5. 串行 I/O口 8051 單片機提供全雙工串行 I/O口，可對外與外設進行串行通信，也可用于擴展 I/O口。 6. 定時 /計數(shù)器 8051 單片機有兩個 16 位的可編程定時 /計數(shù)器 T0 和 T1，用于精確定時或?qū)ν獠渴录M行計數(shù)。 7. 中斷系統(tǒng) 8051 單片機提供 5個中斷源，具有兩個優(yōu)先級，可形成中斷嵌套。 MCS51 單片機引腳 1. MCS－ 51 單片機的引腳分布 MCS－ 51 單片機的封裝有兩種形式： (1)雙列直插式 (DIP)封裝。 (2)方形封裝。 HMOS工藝的 8031 單片機采用 40個引腳的 DIP 封裝，而 CHMOS工藝的 8031 單片機除采用 DIP 封裝外，還采用方形封裝形式。 HMOS工藝的 MCS－ 51 單片機的雙列直插式封裝引腳如圖 (a)所示，方形封裝引腳如圖 (b)所示，總線結構如圖 (c)所示。 7 圖 MCS－ 51 系列單片機引腳及總線結構 2. MCS－ 51 單片機的引腳功能 下面分別說明 DIP 封裝的 40 個引腳的功能： (1) 電源及復位引腳 VCC(40 腳 )：電源端，接＋ 5V。 VSS(20 腳 )：接地端。 RST/ PD V (9腳 )： RST即為 RESET， PDV 為備用電源。該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現(xiàn)復位操作，使單片機回復到初始狀態(tài)。當 Vcc 電源降低到低電平時， RST/ PD V 線上的備用電源自動投入，以保證片內(nèi) RAM 中的信息不丟失。 8 EA / Vpp(31 腳 )： EA 為片內(nèi)外程序存儲器選用端。該引腳為低電平時，只選用片外程序存儲器；該引腳為高電平時，先選用片內(nèi)程序存儲器，然后選用片外程序存儲器。 PP V片內(nèi) EPROM 編程電壓輸入端，當用作編程時，輸 入 21V 編程電壓。 (2) 晶體振蕩器接入或外部振蕩信號輸入引腳 XTALl(19 腳 )：晶體振蕩器接入的一個引腳。采用外部振蕩器時，此引腳接地。 XTAL2(18 腳 )：晶體振蕩器接入的另一個引腳。采用外部振蕩器時，此引腳作為外部振蕩信號的輸入端。 (3) 地址鎖存及外部程序存儲器編程脈沖信號輸出引腳 ALE/ PROG (30 腳 )：地址鎖存允許信號輸出 /編程脈沖輸入引腳。 ALE 為地址鎖存允許信號輸出引腳，當 8051 單片機上電正常工作時，自動在該引腳上輸出頻率為 fosc/6 的脈沖序列。當 CPU 訪問外部存儲器時，此信號作為鎖存低 8位地址的控制信號。 PROG為編程脈沖輸入引腳，在對片內(nèi) ROM 編程寫入時，作為編程脈沖輸入端 。 (4) 外部程序存儲器選通信號輸出引腳 PSEN (29 腳 )：外部程序存儲器選通信號，低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或數(shù)據(jù)期間，每個機器周期該信號兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線 P0 口讀取指令或數(shù)據(jù)。 (5) I/O引腳 ～ : 8位數(shù)據(jù) /低 8 位地址復用總線端口。 ～ ：靜態(tài)通用 I/O口。 ～ ：高位地址總線端口。 ～ ：雙功能端口。 3. MCS－ 51單片機的片外總線配置 8051 的 40 個引腳，除電源、地、復位、晶振引腳和 P1 通用 I/O口外，其他的引腳都是為系統(tǒng)擴展而設置的。典型的結構就是三總線結構，即地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。 MCS51 單片機的存貯器 1. 程序存儲器 8051 單片機的程序存儲器有片內(nèi)和片外之分。片內(nèi)有 4KB字節(jié)的程序存儲器，地址范圍為 0000H～ 0FFFH。當不夠使用時，可以擴展片外程序存儲器，因為 MCS－ 51 單片機的程序計數(shù)器 PC 是 16位的計數(shù)器，所以片外程序存儲器 擴展的最大空間是 64KB，地址范圍為0000H～ FFFFH。其典型結構如圖 。 9 圖 8051 存儲器的結構 8051 單片機在芯片內(nèi)部設置了 4 KB 的 ROM，而 8751 單片機在芯片內(nèi)部設置了 4 KB的EPROM， 89C51 單片機片內(nèi)有 4 KB 的 Flash 程序存儲器， 8031 單片機在芯片內(nèi)部沒有設置程序存儲器，需要在單片機外部配置 EPROM。對于帶有片內(nèi) ROM 的 MCS－ 51 系列單片機來說，片內(nèi)程序存儲器和外部程序存儲器地址空間重疊。如果 EA / PP V 引腳為高電平，CPU 將首先訪問片內(nèi)存儲器，當指令地址超過 0FFFH 時，自動轉(zhuǎn)向片外 ROM 去取指令。即在 P0 口輸出低 8 位地址 (A0～ A7)，在 P2口輸出高 8 位地址 (A15～ A8)。當 EA / PP V 引腳為低電平時， CPU 只能從外部程序存儲器取指令。因此對于不帶 ROM 或 EPROM 的 80C380C32 的 CPU 來說， EA/Vpp 引腳一律接地。 程序存儲器低端的一些地址被固定地用作特定程序的入口地址： (1) 0000H—— 單片機復位后的程序入口地址。 (2) 0003H—— 外部中斷 0的中斷服務子程 序入口地址。 (3) 000BH—— 定時 /計數(shù)器 0 的中斷服務子程序入口地址。 (4) 0013H—— 外部中斷 1的中斷服務子程序入口地址。 (5) 001BH—— 定時 /計數(shù)器 1 的中斷服務子程序入口地址。 (6) 0023H—— 串行口的中斷服務子程序入口地址。 (7) 002BH