1.1.3 單片機概念、發展及主要內部結構介紹

1.單片機的定義

單片機是將CPU、存儲器、輸入/輸出接口、定時/計數器等集成在一塊芯片上，是目前銷量最大、應用面最廣、價格最便宜的微型計算機，如圖1-14所示。

典型單片機產品有如下系列。

1）MCS-51系列。美國Intel公司生產的8位字長單片機。基本型產品有8051、8031、8751等。

2）AT89C51系列。美國ATMEL公司生產的8位字長單片機。與MCS-51系列單片機兼容，內含4KB的flash存儲器。

3）STC系列。STC單片機是由美國設計，國內宏晶公司生產的，這個芯片改進了加密機制。STC單片機出廠的時候就已經完全加密，用戶程序是ISP/IAP機制寫入，編程的時候是一邊校驗一邊寫，無法讀出命令，這增加了解密難度。

2.單片機的應用

目前單片機滲透到人們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通信與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能IC卡，轎車的安全保障系統，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控智能玩具、電子寵物等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫療器械了。因此，單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的工程師。

3.MCS-51單片機的內部的硬件結構

MCS-51系列單片機是目前工程上應用較為廣泛的單片機，8051單片機的內部基本結構，如圖1-15所示。

MCS-51單片機的內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是單片機的主要核心部件，由運算器、控制器及若干寄存器組成。

1）運算器。運算器是進行各種算術運算和邏輯運算的部件。與運算器有關的寄存器包括ACC、B、PSW。

2）控制器。控制器是由程序計數器PC、指令寄存器、譯碼器、定時與控制電路等組成的。PC是一個16位的寄存器，PC中的內容是下一條將要執行的指令代碼的起始存放地址。當單片機復位之后，(PC)=0000H，引導CPU到0000H地址讀取指令代碼，CPU每讀取一個字節的指令，PC的內容會自動加1，指向下一個地址，使CPU按順序讀取后面的指令，從而引導CPU按順序執行程序。

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

（2）存儲器 51單片機的存儲器分為兩大存儲空間：程序存儲器（ROM）空間和數據存儲器（RAM）空間。

片內程序存儲器為4KB容量，其地址為0000H～0FFFH。片外程序存儲器為64KB容量，其地址為0000H～FFFFH。

片內數據存儲器為256B容量，00H～7FH為通用的數據存儲區，80H～FFH為專用的特殊功能寄存器區。片外數據存儲器為64KB容量，其地址為0000H～FFFFH。

與8051不同的是，8751片內包含4KB的EPROM程序存儲器，而8031內部不包含程序存儲器。不同型號的51系列單片機在容量上面會有所區別。

（3）振蕩電路和時鐘電路 要給單片機的CPU工作提供時序，需要有相關硬件電路，即振蕩器和時鐘電路。51單片機內部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器，但要形成時鐘，外部還需附加電路。51單片機時鐘產生有兩種方式，即內部時鐘和外部時鐘方式。

（4）中斷系統 單片機的中斷系統是為了響應和處理突發事件，同時提高工作效率的結構。

當單片機CPU處理事件的過程時，有了突發事件需要其去處理。這時CPU會自動保存當前程序進程，然后去處理突發事件，突發事件處理完后再回到剛才程序停止的位置繼續執行主程序。如果沒有中斷系統，就只能由CPU按照程序編寫的先后次序，對各個外設，進行巡回檢查與處理。這就是查詢式工作方式。貌似公平，實際效率卻不高。如果有了中斷系統，整個計算機系統，就具有了應付突發事件的處理能力，這就是中斷式工作方式。

（5）兩個16位定時/計數器 51單片機內部有兩個16位的定時/計數器，主要用作定時和計數使用。單片機根據所要實現的功能從而選擇定時/計數器的功能。

（6）并行I/O端口 51單片機有4個并行I/O口，用作數據的輸入和輸出。具備第二功能的端口還可實現其他功用。訪問單片機的外接擴展也需要使用這些端口作為地址線和數據線使用。

（7）全雙工串行口 51單片機有一個全雙工的串行口，這個串行口既可以用于網絡通信，也可以實現串行異步通信，還可作為同步移位寄存器使用。

（8）64KB總線擴展控制 當單片機需要外接設備進行擴展時，P0口和P2口可以作為并行擴展總線，可以擴展64KB程序存儲器和64KB RAM I/O口。

4.MCS-51單片機的引腳

8051單片機是HMOS工藝制造，外形為40個引腳，如圖1-16所示。因為受芯片引腳數量的限制，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）時鐘振蕩電路引腳

1）XTAL1：內部晶體振蕩電路的反相器輸入端。

2）XTAL2：內部晶體振蕩電路的反相器輸出端。

（3）控制信號引腳

1）RST：復位信號輸入端。外部接復位電路接法如圖1-17。

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

3）：外部程序存儲器ROM的讀選通信號。當外部ROM取指令時，自動向外發送負脈沖信號。

4）：為訪問程序存儲器的控制信號。

（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.單片機外圍電路

（1）復位電路 單片機的RST引腳是復位信號輸入端，RST引腳上保持兩個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平時，可使單片機內部可靠復位。如采用12MHz的晶振，則須加在RST引腳上的復位脈沖的持續時間應大于2μs。單片機常用的外圍復位電路如圖1-17所示。

復位后，單片機內部的各寄存器的內容將被初始化，包括程序計數器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見表1-1。復位不影響片內RAM和片外RAM中的內容。

（2）時鐘電路 時鐘電路用于產生時鐘信號，時鐘信號是單片機內部各種微操作的時間基準。在此基礎上，控制器按照指令的功能產生一系列在時間上有一定次序的信號，控制相關的邏輯電路工作，實現指令的功能，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。