1.2 單片機結(jié)構(gòu)

1.2.1 單片機的基本結(jié)構(gòu)

單片機的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

下面介紹各組成部分的功能。

1.中央處理器

CPU又稱微處理器，是單片機的核心部件，由運算器和控制器組成，它決定了單片機的主要功能特性，在單片機中承擔運算和控制作用。

2.存儲器

存儲器用來存放程序和中斷結(jié)果，單片機的存儲器在物理上分片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器4個空間；在邏輯結(jié)構(gòu)上分成片內(nèi)外統(tǒng)一編址的程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器及片外數(shù)據(jù)存儲器，如圖1.2所示。

（1）程序存儲器

程序存儲器用來存放操作程序，共64KB空間，片內(nèi)和片外統(tǒng)一編址。當EA=1時，先訪問片內(nèi)程序存儲器，再訪問片外存儲器；當EA=0時，只訪問片外程序存儲器。系統(tǒng)復位時PC=0000H。值得注意的是，程序存儲器從0003H～0030H共40個單元專供中斷服務使用。

（2）數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲器用來存放中間運算結(jié)果。數(shù)據(jù)存儲器由片內(nèi)和片外兩個獨立的存儲空間組成，如圖1.3所示。片內(nèi)又分成高、低兩個128字節(jié)，其中高128字節(jié)離散分布了具有特別功能的寄存器。

（3）特殊功能寄存器

① 累加器Acc：Acc是一個具有特殊用途的8位寄存器，它既可作為通用的寄存器使用，也可作為累加器使用。作為累加器使用時用A表示，作為寄存器使用時用Acc表示。

② 程序狀態(tài)字（PSW）：PSW是一個可位尋址的8位寄存器，如圖1.4所示，用來存放當前指令執(zhí)行后的狀態(tài)。單片機有許多指令的執(zhí)行會影響PSW的位狀態(tài)。

③ 寄存器B：寄存器B是一個8位的通用寄存器，主要用于乘/除法。乘法運算時，B是乘數(shù)，乘法操作后，積的高8位存于B中；除法運算時，B是除數(shù)，除法操作后，余數(shù)存于B中。

④ 數(shù)據(jù)指針DPTR：數(shù)據(jù)指針是一個16位地址寄存器，由高位字節(jié)DPH和低位字節(jié)DPL組成，這兩個字節(jié)也可單獨使用。使用DPTR可以訪問64KB外部數(shù)據(jù)存儲器的任一單元。

⑤ 定時器控制寄存器TCON：定時器控制寄存器TCON用來啟動定時/計數(shù)和設(shè)置外部中斷觸發(fā)方式，如圖1.5所示。定時控制寄存器可位尋址。

TR0，TR1：啟停定時/計數(shù)器。當TRx=1時，啟動定時/計數(shù)；當TRx=0時，停止定時/計數(shù)。

TF0，TF1：定時/計數(shù)器中斷標志。當TFx=1時，表示定時/計數(shù)溢出，可用查詢或中斷來處理。

IE0，IE1：外中斷標志。當IEx=1時，表示外部有中斷發(fā)生（與ITx配合使用）；當IEx=0時，表示外部無中斷請求。

⑥ 方式控制寄存器TMOD：方式控制寄存器TMOD是專門用來設(shè)置定時/計數(shù)器的工作方式的SFR寄存器，如圖1.6所示，CPU只能通過字節(jié)傳送類指令來設(shè)置TMOD中各位的狀態(tài)。

當GATE=0時，定時/計數(shù)器由定時控制寄存器中的TR0（或TR1）啟動。當GATE=1時，定時/計數(shù)器由外部中斷請求信號（或）與TRx共同啟動。

當C/=0時，定時/計數(shù)器工作在定時工作方式；當C/=1時，定時/計數(shù)器工作在計數(shù)方式。

M1M0=00時，定時/計數(shù)器工作在方式0；M1M0=01時，定時/計數(shù)器工作在方式1；

M1M0=10時，定時/計數(shù)器工作在方式2；M1M0=11時，定時/計數(shù)器工作在方式3。

⑦ 堆棧指針（SP）：堆棧指針是專門用來指示堆棧的起始位置的8位寄存器，系統(tǒng)復位時堆棧指針初始化地址為07H，用戶開辟堆棧時必須指明SP的初始值（棧底）。堆棧的存儲區(qū)域一般設(shè)置在RAM的30H～7FH之間。進棧用PUSHdirect指令，出棧用POPdirect指令。

⑧ 中斷控制寄存器IE：中斷允許寄存器是一個SFR，地址為A8H，可以位尋址。通過向IE寫入中斷控制字，實現(xiàn)CPU對中斷的開放和屏蔽，如圖1.7所示。

⑨ 中斷優(yōu)先級控制寄存器IP：中斷優(yōu)先級控制寄存器用來設(shè)置中斷的級別，單片機中斷系統(tǒng)有高級和低級兩種，當IP的對應中斷位為1時為高級中斷，當IP的對應中斷位為0時為低級中斷。

PX0：外部中斷0中斷優(yōu)先級控制位。

PT0：定時/計數(shù)器T0中斷優(yōu)先級控制位。

PX1：外部中斷1中斷優(yōu)先級控制位。

PT1：定時/計數(shù)器T1中斷優(yōu)先級控制位。

PS：串行口中斷優(yōu)先級控制位。

⑩ 串行控制寄存器SCON：SCON是一個可位尋址的專用寄存器，地址為98H，用于串行數(shù)據(jù)通信的控制，位功能如下：

SM0，SM1：串行口工作方式選擇位，工作方式的選擇如表1.5所示。

SM2：多機通信控制位。在方式2或方式3下，如果SM2=1，當RB8=1時（RB8為收到的第9位數(shù)據(jù)），接收數(shù)據(jù)送SBUF，并產(chǎn)生中斷請求（RI=1），否則丟失8位數(shù)據(jù)。在方式2或方式3下，如果SM2=0，無論RB8=0或1，接收數(shù)據(jù)裝入SBUF，并產(chǎn)生中斷（RI=1）。在方式1下，如果SM2=1，則只有接收到有效的停止位時，才激活RI；如果SM2=0，接收一幀數(shù)據(jù)，停止位進入RB8，數(shù)據(jù)進入SBUF，才激活RI。在方式0下，SM2只能為0。

REN：允許接收位，由軟件置位或清0。REN=1，允許接收；REN=0，禁止接收。

TB8：發(fā)送數(shù)據(jù)位。在方式2或方式3下，將要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)放在TB8中。可根據(jù)需要由軟件置位或復位。在多機通信中，TB8=0表示主機發(fā)送的是數(shù)據(jù)，TB8=1表示主機發(fā)送的是地址。

RB8：接收數(shù)據(jù)位。方式0不使用這位。在方式1下，如果SM2=0，RB8的內(nèi)容是接收到的停止位。在方式2或方式3下，存放接收到的第9位數(shù)據(jù)。

TI：發(fā)送中斷標志位。在方式0下，發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)時，TI=1；在其他方式下，開始發(fā)送停止位時，TI=1。在任何工作方式下，TI必須由軟件清0。

RI：接收中斷標志位。在方式0下，接收完第8位數(shù)據(jù)時，RI=1；在其他方式下，接收到停止位時，RI=1。在任何工作方式下，RI也必須由軟件清0。

3.I/O端口

單片機的I/O端口是連接單片機內(nèi)外的紐帶和橋梁，51系列的單片機有P0，P1，P2，P3共4個端口，每個端口有8位，其結(jié)構(gòu)如圖1.8所示。

①P0端口

P0端口是一個8位漏極開路的雙向I/O端口，當控制信號為低電平時，作為通用的I/O端口使用，當控制信號為高電平時，作為數(shù)據(jù)/地址總線。值得注意的是，由于P0口作為通用I/O口使用時，漏極處于開路狀態(tài)，所以需接5～10kΩ的上拉電阻。

②P1端口

P1端口只能作為通用的I/O端口使用。

③P2端口

P2端口既可作為通用的I/O端口使用，也可作地址總線使用。P2端口作地址總線使用時，與P0口一起構(gòu)成16位地址信號。值得注意的是，當P2口作地址總線使用時，就不能作通用的I/O端口使用。

④P3端口

P3端口除了作通用的I/O端口使用外，還具有第二功能，如表1.6所示。P3端口的第二功能是通過設(shè)置相應的寄存器實現(xiàn)的。

⑤ 端口負載能力

P0端口可帶動8個LSTTL負載，P1～P3端口輸出可帶動4個LSTTL。P0～P3均為雙向I/O端口，作輸入時，先置“1”。單片機的端口負載能力是動態(tài)的，如AT89C2051單片機，共有15個輸入/輸出端口，端口的負載能力為80mA。從使用經(jīng)驗來看，單個端口輸入/輸出控制在5mA以下是比較安全的，并且盡量采用灌電流、端口輸入以低電平有效的電路結(jié)構(gòu)。通用I/O端口讀/寫控制：

⑥ 總線端口讀/寫控制

具有總線結(jié)構(gòu)的單片機應用系統(tǒng)如圖1.9所示。

讀外部單元：MOVX A，@DPTR

寫外部單元：MOVX @DPTR，A

1.2.2 單片機的功能單元

1.單片機定時/計數(shù)器

（1）定時/計數(shù)器結(jié)構(gòu)

定時/計數(shù)器是單片機的重要功能部件，51單片機內(nèi)帶有兩個16位定時/計數(shù)器（T0和T1），它們既可作定時器用，也可作計數(shù)器用。在檢測、控制及智能儀器等應用中，常用定時器作實時時鐘來實現(xiàn)定時檢測和定時控制，計數(shù)器用于外部脈沖計數(shù)。圖1.10是定時/計數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

TMOD：方式控制寄存器，用于設(shè)置定時/計數(shù)器的工作方式。

TCON：定時器控制寄存器，用于啟動定時/計數(shù)器。

（2）定時/計數(shù)器工作原理

單片機內(nèi)部定時/計數(shù)器的工作原理可用圖1.11來說明。當C/=0時，為定時器功能，此時，C與A相連（計數(shù)脈沖為機器周期）；當C/=1時，為計數(shù)功能，此時，C與B相連（計數(shù)脈沖從P3.4或P3.5口輸入）。Tx、GATE、TRx、共同決定計數(shù)器的開關(guān)，單片機的計數(shù)器是一個16位的加計數(shù)器，每來一個脈沖，計數(shù)器的值加1，當加到FFFFH時，TFx置1，如果開放中斷，則向CPU申請中斷。

（3）定時/計數(shù)器工作方式

定時/計數(shù)器有4種工作方式，由特殊功能寄存器TMOD中的M1、M0位決定，如表1.7所示。

（4）定時/計數(shù)器初始化

定時/計數(shù)器設(shè)置由工作方式控制寄存器（TMOD）、定時控制寄存器（TCON）及中斷允許寄存器（IE）共同完成。定時/計數(shù)器初始化應完成的過程是：

① 依據(jù)題目要求確定TMOD的值；

② 給TH1、TL1或TH0、TL0賦初值；

③ 根據(jù)題目要求確定是否開放中斷；

④ 啟動定時/計數(shù)器。

2.單片機中斷系統(tǒng)

（1）單片機中斷

程序在運行過程中，由于某種原因，CPU暫停當前的處理轉(zhuǎn)去執(zhí)行緊急事件，待緊急事件執(zhí)行完畢后再轉(zhuǎn)回執(zhí)行原程序，這就是單片機中斷。引起中斷的原因叫中斷源，中斷之后執(zhí)行的處理稱為中斷服務，對應的處理程序稱為中斷服務程序，原程序稱為主程序。單片機中斷功能的實現(xiàn)是通過設(shè)置IE、TCON、SCON、IP等特殊寄存器完成的。

（2）單片機中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單片機具有6源5向量，中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.12所示。

、、T0、T1、TI、RI為中斷源，TCON、IE、IP是與中斷相關(guān)的特殊功能寄存器。

（3）單片機中斷控制

中斷設(shè)置：單片機的中斷設(shè)置由TCON、SCON、IE、IP4個特殊功能寄存器確定。若開啟外部中斷0，采用脈沖觸發(fā)方式的中斷設(shè)置為：

            SETB  IT0
            MOV  IE,#81H

中斷處理過程：單片機在每一指令的S5P2期間，CPU采樣各中斷源，并設(shè)置相應的中斷標志位。CPU在下一個周期的S6狀態(tài)期間按優(yōu)先級順序查詢各中斷標志，若查詢到某個中斷標志為1，將在下一個機器周期的S1狀態(tài)期間按優(yōu)先級響應中斷。中斷處理過程分成3個階段，即中斷響應、中斷處理和中斷返回。

中斷入口地址：單片機響應中斷后，將按表1.8規(guī)定的地址轉(zhuǎn)入相應的中斷入口，因此在系統(tǒng)初始化時要明確相應入口應完成的工作。

（4）中斷系統(tǒng)擴展

利用定時器擴展外部中斷：定時/計數(shù)器作計數(shù)器用，工作在方式2，計數(shù)器初值為#0FFH。這樣，當外部來一個脈沖時，計數(shù)器產(chǎn)生溢出，用計數(shù)器的溢出信號作為中斷請求標志。例如，將定時器T1作為外部中斷源的程序如下：

        MOV   TMOD,#60H
        MOV   TL1,#0FFH
        MOV   TH1,#0FFH
        SETB  TR1
        SETB  EA
        SETB  ET1
        ……

利用中斷和查詢相結(jié)合擴展外部中斷：如圖1.13所示，外部有多個中斷信號，只用一個外部中斷源，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法解決外部多中斷請求的問題。

3.單片機串行接口

（1）串行口結(jié)構(gòu)

51單片機內(nèi)部有一個功能很強大的全雙工串行口，可同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。串行口由發(fā)送/接收緩沖器、發(fā)送控制器、接收控制器、輸出控制門、輸入移位寄存器等組成。串行口的結(jié)構(gòu)與工作方式有關(guān)，圖1.14為方式0的串行口結(jié)構(gòu)，圖1.15為方式1、2、3的串行口結(jié)構(gòu)。

單片機發(fā)送數(shù)據(jù)時，由累加器A將數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖寄存器SBUF，每發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)，TI置1。單片機接收數(shù)據(jù)時，每接收完一幀數(shù)據(jù)，RI置1。值得注意的是，TI和RI只能用軟件復位。接收、發(fā)送數(shù)據(jù)均可工作在查詢方式或中斷方式。

（2）串行口工作方式

串行口有4種工作方式，如表1.5所示。方式0以固定的波特率通過外接移位寄存器（如74HC164、74HC165等）實現(xiàn)I/O口的擴展。方式1、方式2、方式3均為異步通信，方式1用于雙機通信，方式2、方式3主要用于多機通信，也可用于雙機通信。

（3）串行口波特率設(shè)置

波特率反映串行口通信速度的快慢，單片機工作在不同的工作方式，其波特率的設(shè)置如下。

① 工作在方式0的波特率：是固定的，為fosc/12。

② 工作在方式2的波特率：波特率=（2SMOD*fosc）/64（其中SMOD為PCON.7）。

③ 工作在方式1和方式3的波特率：設(shè)置定時器T1工作在方式2，定時器T1的初值決定串行口的波特率，即

例如，單片機工作在串行方式1，串口波特率為2400bps的設(shè)置：

            MOV  SCOM,#40H  ；設(shè)置串行口工作在方式 1
            MOV  TMOD,#20H  ；設(shè)置T1作定時器工作在方式 2
            MOV  TH1,#0F4H  ；波特率為 2400bps的定時器初值
            MOV  TL1,#0F4H
            SETB  TR1      ；啟動定時器

（4）雙機通信

在硬件上，只要將兩塊單片機的串行口交叉相連，地線連在一起，即可實現(xiàn)雙機通信。在程序設(shè)計上，單片機工作在方式1（或方式2、3），設(shè)置相同波特率，并處于允許接收狀態(tài)。例如，工作在方式1，以1200bps實現(xiàn)雙機通信的初始化程序：

            MOV  SCON,#30H   ；串行口工作在方式 1，允許接收
            MOV  TMOD,#20    ；設(shè)置T1定時工作在方式 2
            MOV  TH1,#0E8H   ；波特率為 1200bps的定時器初值
            MOV  TL1,#0E8H
            SETB  TR1       ；啟動定時器

（5）多機通信

單片機在方式2或方式3下可實現(xiàn)多機通信。圖1.16所示是廣泛應用的主從式多機通信結(jié)構(gòu)圖。主機可以跟任一臺從機通信，從機只能同主機通信。

在主從式多機系統(tǒng)中，①先對串行口進行如下設(shè)置：主、從機的SM2=1，串行口工作在方式2（或方式3），主、從機的波特率相同，主機的TB8=1，所有從機的REN=1。②主機發(fā)出一幀（其中包括8位需要與之通信的從機地址，第9位為1（TB8=1））地址信息。③所有從機接收到信息后，與本機地址相比較，相同地址的從機，使SM2=0，以便接收主機發(fā)來的數(shù)據(jù)；對地址不相符合的從機，仍保持SM2=1的狀態(tài)。④主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，TB8=0，此時只有SM2=0的從機才能接收。