【正文】 )、累加器(ACC)、暫存寄存器(TMPTMP2)和狀態(tài) 寄存器(PSW)組成。 2 四川師范大學成都學院?？飘厴I(yè)設計 (1) 算術邏輯單元(ALU)： 89C51 中的 ALU 由加法器和一個布爾處理器組成。 (2) 累加器(ACC)： 用來存放參與算術運算和邏輯運算的一個操作數(shù)或運算的結果。 (3) 暫存寄存器(TMPTMP2)： 用來存放參與算術運算和邏輯運算的另一個操作數(shù)，它對用戶不開放。 (4) 狀態(tài)寄存器(PSW)： PSW 是一個 8 位標志寄存器，用來存放 ALU 操作結果的有關狀態(tài)。 2．控制器: 控制器是單片機內部按一定時序協(xié)調工作的控制核心，是分析和執(zhí)行指令的部件。 控制器主要由程序計數(shù)器 PC、指令寄存器 IR、指令譯碼器 ID 和定時控制邏輯電路等構 成。 程序計數(shù)器 PC 是專門用于存放現(xiàn)行指令的 16 位地址的。 CPU 就是根據(jù) PC 中的地址 到 ROM 中去讀取程序指令碼和數(shù)據(jù)，并送給指令寄存器 IR 進行分析。指令寄存器 IR 用 于存放 CPU 根據(jù) PC 地址從 ROM 中讀出的指令操作碼。指令譯碼器 ID 是用于分析指令操 作的部件，指令操作碼經(jīng)譯碼后產(chǎn)生相應于某一特定操作的信號。定時控制邏輯中定時 部件用來產(chǎn)生脈沖序列和多種節(jié)拍脈沖。 3．寄存器陣列: 寄存器陣列是單片機內部的臨時存儲單元或固定用途單元，包括通用寄存器組和專 用寄存器組。通用寄存器組用來存放過渡性的數(shù)據(jù)和地址，提高 CPU 的運行速度。 專用寄存器組主要用來指示當前要執(zhí)行指令的內存地址，存放特定的操作數(shù)，指示 指令運行的狀態(tài)等。 3 四川師范大學成都學院專科畢業(yè)設計 4．存儲器: 89C51 單片機內部有 256 個字節(jié)的 RAM 數(shù)據(jù)存儲器和 4 KB 的閃存程序存儲器 (Flash)，當不夠使用時，可分別擴展為 64 KB 外部 RAM 存儲器和 64 KB 外部程序存儲 器。它們的邏輯空間是分開的，并有各自的尋址機構和尋址方式。這種結構的單片機稱 為哈佛型結構單片機。 程序存儲器是可讀不可寫的，用于存放編好的程序和表格常數(shù)。數(shù)據(jù)存儲器是既可 讀也可寫的，用于存放運算的中間結果，進行數(shù)據(jù)暫存及數(shù)據(jù)緩沖等。 89C51 單片機對外部電路進行控制或交換信息都是通過 I/O 端口進行的。單片機的 I/O 端口分為并行 I/O 端口和串行 I/O 端口，它們的結構和作用并不相同。 （1）并行 I/O 端口: 89C51 有四個 8 位并行 I/O 端口，分別命名為 P0 口、P1 口、P2 口和 P3 口，它們 都是 8 位準雙向口，每次可以并行輸入或輸出 8 位二進制信息。 （2）串行 I/O 端口: 89C51 有一個全雙工的可編程串行 I/O 端口， 它利用了 P3 口的第二功能， 即將 引腳作為串行數(shù)據(jù)的發(fā)送線 TXD，將 引腳作為串行數(shù)據(jù)的接收線 RXD。 （三）定時器/計數(shù)器: 89C51 內部有兩個 16 位可編程定時器/計數(shù)器，簡稱為定時器 0(T0)和定時器 1(T1)，T0 和 T1 分別由兩個 8 位寄存器構成，其中 T0 由 TH0(高 8 位)和 TL0(低 8 位) 構成，T1 由 TH1(高 8 位)和 TL1(低 8 位)構成。TH0、TL0、THTL1 都是 SFR 中的特殊 功能寄存器。 T0 和 T1 在 TCON 和 TMOD 的控制下可工作在定時器模式或計數(shù)器模式下，每種模式 下又有不同的工作方式。當定時或計數(shù)溢出時還可申請中斷。 4 四川師范大學成都學院?？飘厴I(yè)設計 （四）中斷系統(tǒng): 單片機中的中斷是指 CPU 暫停正在執(zhí)行的原程序轉而為中斷源服務(執(zhí)行中斷服務 程序)，在執(zhí)行完中斷服務程序后再回到原程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷系統(tǒng)是指能夠處理上述 中斷過程所需要的部分電路。 89C51 的中斷系統(tǒng)由中斷源、中斷允許控制器 IE、中斷優(yōu)先級控制器 IP、定時器控 制器 TCON(中斷標志寄存器)等構成， IP、 IE、 TCON 均為 SFR 特殊功能寄存器(見表 )。 （五）內部總線: 總線是用于傳送信息的公共途徑?？偩€可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。單 片機內的 CPU、存儲器、I/O 接口等單元部件都是通過總線連接到一起的。采用總線結 構可以減少信息傳輸線的根數(shù)，提高系統(tǒng)可靠性，增強系統(tǒng)靈活性。 89C51 單片機內部總線是單總線結構，即數(shù)據(jù)總線和地址總線是公用的。 （六）89C51 單片機引腳及其功能: 89C51 有 40 條引腳，與其他 51 系列單片機引腳是兼容的。這 40 條引腳可分為 I/O 端口線、電源線、控制線、外接晶體線四部分。其封裝形式有兩種：雙列直插封裝(DIP) 形式和方形封裝形式，如圖所示。 5 四川師范大學成都學院?？飘厴I(yè)設計 (a) (a) 雙列直插式封裝 (b) 方形封裝 圖 1 89C51 封裝和引腳分配圖 （七）89C51 單片機工作方式: 單片機在開機時或在工作中因干擾而使程序失控或工作中程序處于某種死循環(huán)狀 態(tài)等情況下都需要復位。復位的作用是使中央處理器 CPU 以及其他功能部件都恢復到 一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 1．復位原理: 89C51 單片機的復位靠外部電路實現(xiàn)，信號由 RESET(RST)引腳輸入，高電平有效， 在振蕩器工作時，只要保持 RST 引腳高電平兩個機器周期，單片機即復位。復位后，PC 程序計數(shù)器的內容為 0000H，其他特殊功能寄存器的復位狀態(tài)如表 所示。片內 RAM 中內容不變。 6 (WR) (RD) XTAL2 XTAL1 GND NC (A8) (A9) (A10) (A11) (A12) (T ) 2 (T2EX) RST (RXD) (TXD) (TNT0) (TNT1) (T0) (T1) (WR) (RD) XTAL2 XTAL1 GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 VCC (AD0) (AD1) (AD2) (AD3) (AD4) (AD5) (AD6) (AD7) EA/V PP ALE/PROG PSEN (A15) (A14) (A13) (A12) (A11) (A10) (A9) (A8) 6 5 4 3 2 1 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 (T2EX) (T2) NC VCC (AD0) (AD1) (AD2) (AD3) RST (RXD) NC (TXD) (INT0) (INT1) (T0) (T1) 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 (AD4) (AD5) (AD6) (AD7) EA/V PP NC ALE/PROG PSEN (A15) (A14) (A13) (b) 四川師范大學成都學院?？飘厴I(yè)設計 2．常用復位電路: 一般有上電復位、手動開關復位和自動復位電路三種，如圖所示。 ＋5 V VCC C 10μF RST R k ? 89C51 VSS 1k ? ＋5 V VCC C 10μF RST R k ? 89C51 VSS MAX750 ＋5 V 89C51 VCC 10μF WDO PESET 10 k ? 1 RST 2 89C51 WDI (a) (b) (c) (a)上電復位電路；(b) 手動復位電路；(c) 自動復位電路 圖 2 單片機復位電路圖 3．89C51 時鐘電路: 單片機內各部件之間有條不紊的協(xié)調工作，其控制信號是在一種基本節(jié)拍的指揮下 按一定時間順序發(fā)出的，這些控制信號在時間上的相互關系就是 CPU 時序。而產(chǎn)生這種 基本節(jié)拍的電路就是振蕩器和時鐘電路。 89C51 單片機內部有一個用于構成振蕩器的單級反相放大器，如圖所示。 內內內內 電電 D1 R1 XTAL1 D2 Q1 PD V CC Q2 Rf XTAL2 Q3 Q4 GND 圖 3 89C51 內部振蕩器電路圖 7 四川師范大學成都學院?？飘厴I(yè)設計 引腳 XTAL1 為反相器輸入端， XTAL2 為反相器輸出端。 當在放大器兩個引腳上外接 一個晶體(或陶瓷振蕩器)和電容組成的并聯(lián)諧振電路作為反饋元件時，便構成一個自激 振蕩器，如下圖所示。 V CC PD 內內內內 電電 R1 GND XTAL1 Rf XTAL2 C1 C2 石石石石石 陶陶陶陶陶 (外內) 圖 4 內部振蕩器等效電路圖 二、單片機的應用領域 （一）在智能儀器儀表的應用: 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點， 廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、 溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片 機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強 大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀） 。 （二）在家用電器中的應用: 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、 空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。 8 四川師范大學成都學院?？飘厴I(yè)設計 （三）在工業(yè)控制中的應用: 用單片機可以構成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化 管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構成二級控制系統(tǒng)等。 （四）在計算機網(wǎng)絡和通信領域中的應用: 現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算 機網(wǎng)絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，現(xiàn)在的通信設備基本上都實現(xiàn)了單 片機智能控制，從手機、電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線 通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。 （五）單片機在醫(yī)用設備領域中的應用: 單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀， 超聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 此外，單片機在工商、金融、科研、教育、國防航空等領域都有著十分廣泛的用途。 三、單片機的發(fā)展趨勢 單片機現(xiàn)在可以說是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出 了自己的單片機，從 8 位、16 位到 32 位，數(shù)不勝數(shù)，應有盡有，有與主流 C51 系列兼 容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供了廣闊的天地。 縱觀單片機的發(fā)展過程，可以預示單片機的發(fā)展趨勢，大致有： （一）微型單片化: 現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器（CPU） 、隨機存取數(shù)據(jù)存儲（RAM） 、只 讀程序存儲器（ROM） 、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一 塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如 A/D 轉換器、PMW（脈寬調制電路） 、WDT（看 門狗） 、有些單片機將 LCD（液晶）驅動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的 9 四川師范大學成都學院?？飘厴I(yè)設計 單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制 造出具有自己特色的單片機芯片。 此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低 外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中 SMD（表面封裝） 越來越受歡迎，使得由單片機構成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。 （二）低功耗 CMOS 化: MCS51 系列的 8031 推出時的功耗達 630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在 100mW 左右， 隨著對單片機功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各 個單片機制造商基本都采用了 CMOS（互 補金屬氧化物半導體工藝） 像 80C51 就采用了 HMOS 。 （即高密度金屬氧化物半導體工藝） 和 CHMOS（互補高密度金屬氧化物半導體工藝） 。CMOS 雖然功耗低，但由于其物理特征 決定其工作速度不夠高，而 CHMOS 則具備了高速和低功耗的特點，這些特征，更適合于 要求低功耗像電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要 途徑。 （三）主流與多品種共存: 現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以 80C51 為核心的單片機占主流，兼 容其結構和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品， ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺灣的 Winbond 系列單片機。 所以 80C51 占據(jù)了半壁江山。 Microchip 公司的 PIC 精簡指令集合 而 （RISC） 也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的 HOLTEX 公司近年的單片機產(chǎn)量與日俱增，與其底 價質優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場份額。此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品，日本幾大公司 的專用單片機。在一定的時期內，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機一統(tǒng)天下 的壟斷局面，走的是依存互補、相輔相成、共同發(fā)展的道路。 九十年代以后， 單片機在結構上采用雙 CPU 或內部流水線， CPU 位數(shù)有 8 位、 位、 16 32 位，時鐘頻率高達 20MHZ，片內帶有 PWM 輸出、監(jiān)視定時器 WDT、可編程計數(shù)器陣列 PCA、DMA 傳輸、調制解調器等。芯片向高度集成化、低功耗方