【正文】 和寄存器陣列構(gòu)成。 1．運算器: 運算器用來完成算術(shù)運算和邏輯運算功能， 它是 89C51 內(nèi)部處理各種信息的主要部 件。運算器主要由算術(shù)邏輯單元(ALU)、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(xué)成都學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計 (1) 算術(shù)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(shù)運算和邏輯運算的一個操作數(shù)或運算的結(jié)果。 (3) 暫存寄存器(TMPTMP2)： 用來存放參與算術(shù)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(biāo)志寄存器，用來存放 ALU 操作結(jié)果的有關(guān)狀態(tài)。 2．控制器: 控制器是單片機(jī)內(nèi)部按一定時序協(xié)調(diào)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(gòu) 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(jìn)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(yīng)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(jī)內(nèi)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(dāng)前要執(zhí)行指令的內(nèi)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(xué)成都學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計 4．存儲器: 89C51 單片機(jī)內(nèi)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(dāng)不夠使用時，可分別擴(kuò)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(jī)構(gòu)和尋址方式。這種結(jié)構(gòu)的單片機(jī)稱 為哈佛型結(jié)構(gòu)單片機(jī)。 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(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)暫存及數(shù)據(jù)緩沖等。 89C51 單片機(jī)對外部電路進(jìn)行控制或交換信息都是通過 I/O 端口進(jìn)行的。單片機(jī)的 I/O 端口分為并行 I/O 端口和串行 I/O 端口，它們的結(jié)構(gòu)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(zhǔn)雙向口，每次可以并行輸入或輸出 8 位二進(jìn)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(nèi)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(gòu)成，其中 T0 由 TH0(高 8 位)和 TL0(低 8 位) 構(gòu)成，T1 由 TH1(高 8 位)和 TL1(低 8 位)構(gòu)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(dāng)定時或計數(shù)溢出時還可申請中斷。 4 四川師范大學(xué)成都學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計 （四）中斷系統(tǒng): 單片機(jī)中的中斷是指 CPU 暫停正在執(zhí)行的原程序轉(zhuǎn)而為中斷源服務(wù)(執(zhí)行中斷服務(wù) 程序)，在執(zhí)行完中斷服務(wù)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(biāo)志寄存器)等構(gòu)成， IP、 IE、 TCON 均為 SFR 特殊功能寄存器(見表 )。 （五）內(nèi)部總線: 總線是用于傳送信息的公共途徑。總線可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。單 片機(jī)內(nèi)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(jié) 構(gòu)可以減少信息傳輸線的根數(shù)，提高系統(tǒng)可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性。 89C51 單片機(jī)內(nèi)部總線是單總線結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)總線和地址總線是公用的。 （六）89C51 單片機(jī)引腳及其功能: 89C51 有 40 條引腳，與其他 51 系列單片機(jī)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(xué)成都學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)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(jī)工作方式: 單片機(jī)在開機(jī)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(fù)位。復(fù)位的作用是使中央處理器 CPU 以及其他功能部件都恢復(fù)到 一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 1．復(fù)位原理: 89C51 單片機(jī)的復(fù)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(jī)器周期，單片機(jī)即復(fù)位。復(fù)位后，PC 程序計數(shù)器的內(nèi)容為 0000H，其他特殊功能寄存器的復(fù)位狀態(tài)如表 所示。片內(nèi) RAM 中內(nèi)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(xué)成都學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計 2．常用復(fù)位電路: 一般有上電復(fù)位、手動開關(guān)復(fù)位和自動復(fù)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(fù)位電路；(b) 手動復(fù)位電路；(c) 自動復(fù)位電路 圖 2 單片機(jī)復(fù)位電路圖 3．89C51 時鐘電路: 單片機(jī)內(nèi)各部件之間有條不紊的協(xié)調(diào)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(guān)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(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的單級反相放大器，如圖所示。 內(nèi)內(nèi)內(nèi)內(nèi) 電電 D1 R1 XTAL1 D2 Q1 PD V CC Q2 Rf XTAL2 Q3 Q4 GND 圖 3 89C51 內(nèi)部振蕩器電路圖 7 四川師范大學(xué)成都學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計 引腳 XTAL1 為反相器輸入端， XTAL2 為反相器輸出端。 當(dāng)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(gòu)成一個自激 振蕩器，如下圖所示。 V CC PD 內(nèi)內(nèi)內(nèi)內(nèi) 電電 R1 GND XTAL1 Rf XTAL2 C1 C2 石石石石石 陶陶陶陶陶 (外內(nèi)) 圖 4 內(nèi)部振蕩器等效電路圖 二、單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 （一）在智能儀器儀表的應(yīng)用: 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點， 廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)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(jī)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(qiáng) 大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，各種分析儀） 。 （二）在家用電器中的應(yīng)用: 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、 空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。 8 四川師范大學(xué)成都學(xué)院專科畢業(yè)設(shè)計 （三）在工業(yè)控制中的應(yīng)用: 用單片機(jī)可以構(gòu)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(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。 （四）在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用: 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計算 機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單 片機(jī)智能控制，從手機(jī)、電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、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(jī)等。 （五）單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用: 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀， 超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 此外，單片機(jī)在工商、金融、科研、教育、國防航空等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 三、單片機(jī)的發(fā)展趨勢 單片機(jī)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(jī)，從 8 位、16 位到 32 位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)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(jī)的應(yīng)用提供了廣闊的天地。 縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)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(jī)普遍都是將中央處理器（CPU） 、隨機(jī)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(qiáng)型的單片機(jī)集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、PMW（脈寬調(diào)制電路） 、WDT（看 門狗） 、有些單片機(jī)將 LCD（液晶）驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的 9 四川師范大學(xué)成都學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計 單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)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(jī)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(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低 外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機(jī)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(jī)構(gòu)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(dá) 630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在 100mW 左右， 隨著對單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各 個單片機(jī)制造商基本都采用了 CMOS（互 補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝） 像 80C51 就采用了 HMOS 。 （即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝） 和 CHMOS（互補高密度金屬氧化物半導(dǎo)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(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機(jī)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(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以 80C51 為核心的單片機(jī)占主流，兼 容其結(jié)構(gòu)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(jī)。 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(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的 HOLTEX 公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，與其底 價質(zhì)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(jī)。在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機(jī)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(jī)在結(jié)構(gòu)上采用雙 CPU 或內(nèi)部流水線， CPU 位數(shù)有 8 位、 位、 16 32