1.2 認識單片機

單片機系統中的核心部分是單片機。

我們在學校、家庭中都使用PC，也稱為電腦。電腦的基本組成是：CPU、內存、硬盤、主板、接口等，如果將這些部件濃縮到一塊芯片上，就稱之為單片機，當然單片機的運算位數和運算速度比不上PC，但其應用的場合是PC所做不到的，例如家用電器、機電一體化設計、工業控制現場、工業控制網絡，等等。單片機的實物圖如圖1.5所示。

從圖1.5中不難看出，從外形上來說，單片機與普通的集成電路沒有什么不同，只是在內部結構上有區別。這就要從單片機的組成說起。

一個比較完整的單片機應該包括：中央處理器（CPU）、片內數據存儲器（RAM）、片內程序存儲器（ROM）、輸入/輸出接口（I/O口）、可編程串行口、定時/計數器、中斷系統及特殊功能寄存器（SFR）。

隨著電子技術的發展，芯片集成度不斷提高，使得單片機的功能越來越強大。現在市面上流行的單片機內還增加了很多部件，如閃速存儲器（Flash存儲器）、模擬/數字轉換器（A/D轉換器）、數字/模擬轉換器（D/A轉換器）、I2 C總線接口、USB總線接口、CAN總線接口、“看門狗”電路（WDT），等等，使單片機的應用領域越來越寬，用包含這些部件的單片機組成的單片機系統的體積越來越小。

下面以AT89S51單片機為例，簡單了解一下單片機的基本組成部件。

1.2.1 CPU

CPU是單片機的核心部分，它的作用是讀入和分析每條指令，根據每條指令的功能要求，控制各個部件執行相應的操作。CPU的運算位數決定單片機的位數。AT89S51為8位單片機。

CPU中包含運算器和控制器。運算器主要用來實現數據的傳送、數據的算術運算以及布爾（位）運算等。控制器主要用來統一指揮和控制計算機進行工作的部件。

1.2.2 片內寄存器

在MCS-51系列（Intel公司生產）單片機的片內有256B（隨機存儲器）RAM和4KB（只讀存儲器）ROM，而在AT89S51單片機內除了同樣具有256B RAM外，還具有4KB的Flash存儲器，這種存儲器允許在線編程（這部分將在第7章中詳細介紹）。

由于目前大部分的單片機系統都不再使用“三總線”結構，系統的程序全部都放在單片機的片內，所以片外的ROM幾乎不再擴展，除非有十分特殊的要求。另外，在實驗室或參加全國大學生電子設計競賽時，常常需要快速編程，并下載到單片機中，以往的紫外線擦除方式和電擦除方式已經顯得十分笨拙，取而代之的方法是在線編程方式。應用這種方法，單片機可以不必從電路板上取下，而是直接編寫程序，十分方便、簡單。

單片機（除一些特殊型號的單片機外）片內的RAM容量始終比較小，當我們進行運算的數據較少，并且RAM單元足夠使用時，可以不進行擴展。但是，當單片機的運算量較大，RAM單元不夠使用時，常常需要進行擴展。如圖1.6所示為單片機片內RAM的結構示意圖。圖中灰色區域為用戶RAM區。

1.2.3 輸入/輸出接口（I/O口）

AT89S51單片機與MCS-51系列單片機相同，都具有4個8位的并行輸入/輸出接口（I/O口），記作P0、P1、P2和P3，共占用單片機的32個引腳。

單片機的輸入/輸出接口具有多種功能，其中的一種功能是連接成“三總線”形式，如圖1.7所示。由于現在的大部分系統不采用“三總線”結構，所以這里不再詳細說明。

目前的單片機系統中，大部分是利用I/O口的輸入/輸出功能，在使用這些功能之前，必須先要了解這些I/O口的特性。

1. P0口

P0口是一個8位、漏極開路的雙向I/O口。由其內部結構決定，當P0口作輸出口時，必須外接上拉電阻，如圖1.8所示。上拉電阻的大小需要根據負載的阻抗進行匹配，一般情況下為1～10kΩ。

當P0口作輸入口時，必須先向P0口輸出高電平，即“寫1”操作，方能正確地讀取該端口上的外部數據。

由于P0口為漏極開路輸出，所以每個引腳可驅動8個LS型TTL負載。

2. P1口

P1口只能用做普通的I/O口，是一個8位的、可進行位尋址的I/O端口，在端口的內部具有一個20～40kΩ的上拉電阻，所以在使用P1口時，不需連接上拉電阻。

當P1口作輸入口時，必須先向P1口執行“寫1”操作，方能正確地讀取該端口上的外部數據。由于P0口為漏極開路輸出，所以每個引腳可驅動4個LS型TTL負載。

3. P2口

P2口既可以用做“三總線”結構中的“地址線的高8位”，又可用做普通的I/O口，在端口內部有一個20～40kΩ的上拉電阻，所以在使用P2口時，無須連接上拉電阻。

當P2口作輸入口時，必須先向P2口執行“寫1”操作，方能正確地讀取該端口上的外部數據。由于P2口為漏極開路輸出，所以每個引腳可驅動4個LS型TTL負載。

4. P3口

P3口是一個多功能端口，除了具有準雙向I/O端口的功能外，還具有第二功能，如表1.1所示。

在P3口的端口內部有一個20～40kΩ的上拉電阻，所以在使用P3口時，不需要連接上拉電阻。

當P3口作普通I/O口的輸入口時，必須先向P3口執行“寫1”操作，方能正確地讀取該端口上的外部數據。由于P3口為漏極開路輸出，所以每個引腳可驅動4個LS型TTL負載。

1.2.4 特殊功能寄存器（SFR）

如圖1.6所示，SFR位于單片機片內RAM的高128個字節當中，反映了單片機的狀態，實際上就是單片機的狀態字和控制字寄存器，分為兩大類：一類與單片機芯片的引腳有關，另一類作內部控制用。在圖1.6中我們看到，在128個字節當中，只使用了21個字節用于存放不同的寄存器，其余的部分主要是留給生產廠商進行不同的開發時使用。

這21個特殊功能寄存器是最基本的寄存器，凡是與MCS-51系列單片機兼容的型號（AT89C1051、AT89C2051和AT89C4051使用的數量少于21個）都具有這21個寄存器，只是不同的單片機型號，對應增加功能的同時，也會增加特殊功能寄存器的數量，如AT89S51增加了片內“看門狗”電路（WDT），所以增加了一個WDTRST（WDT復位寄存器）；增加了2個輔助寄存器AUXR和AUXR1；增加了一個數據指針寄存器DPTR1等。這些新增的寄存器全部被安放在片內RAM的高128B中。

這些特殊功能寄存器在使用時有一個特點：凡是寄存器所在的單元地址尾數為“0”和“8”的，都可以進行位尋址，如ACC、B、PSW等。

在SFR中有兩個寄存器與片內RAM低128B有關：一個是PSW，狀態字寄存器，一個是SP，堆棧指針寄存器。PSW中的D4和D3決定了用戶當前所能使用的工作寄存器組（第0組～第3組）。SP用于標定堆棧的棧底，SP的值設為多少，堆棧的棧底就是多少。所謂堆棧是指用于保護現場值和斷點地址值的區域。在單片機內堆棧屬于向上生長型，即有數據壓棧時，堆棧指針SP加一，當在單片機上電復位時（不包括手動復位），SP的默認值為07H，即棧底為07H，這個地址剛好占用了第1組工作寄存器，隨著堆棧的不斷向上生長，將逐一的占用第2組工作寄存器、第3組工作寄存器和位尋址區，在圖1.6中能夠清晰地看到。所以，在使用堆棧前，通常都要對SP重新賦值，一般的設定在30H以上，這樣才不會影響正常使用工作寄存器組和位尋址區，同時可以提高堆棧的安全性。

其余的特殊功能寄存器，這里就不再贅述了。

1.2.5 定時/計數器

AT89S51單片機內有兩個16位的定時/計數器T0和T1，都具有兩種功能：定時功能和計數功能。

這兩種功能最基本的實現方法都是“計數”。

所謂定時功能，是對固定時間間隔的計數，這個過程好比我們平時的“數秒”，由于秒的間隔是固定的，每經過1秒，將計數值加一，所以“數秒”最后可以反映出時間的概念。在單片機內最穩定的就是振蕩器脈沖的時間間隔，振蕩器脈沖經過12分頻后，由計數器進行計數，計數值就是時間。

所謂計數功能，是對任意時間間隔的計數，由于這個時間間隔不固定，所以用于對單片機片外的脈沖信號進行計數，這個脈沖信號通過P3.4（T0）和P3.5（T1）引腳引入到單片機的片內。需要注意的是外部脈沖信號的頻率不能低于晶振振蕩頻率經過12分頻后的頻率值，否則將無法完成準確的計數。

如圖1.9所示為定時功能和計數功能的示意圖。

定時/計數器T1在定時功能中還有一個用途：就是為串行通信作波特率發生器。當T1用做波特率發生器時，只需要設定好初值并將T1啟動即可，這常常要關閉T1的中斷請求，防止誤操作。有關定時/計數器的設置請查閱其他有關單片機的書籍。

1.2.6 串行通信接口

在單片機內，目前所使用的串行通信接口的種類較多，如UART、I2 C、SPI、USB等。不同型號的單片機內使用的串行通信接口不同，如AT89系列單片機內使用的是UART，C8051F系列單片機內有的具有UART和SPI，有的具有UART和USB，等等，所以我們可以根據自己的需要選擇相應的單片機，在有些場合如果單片機沒有需要的串行通信接口，可以通過單片機的I/O口進行模擬，這部分將在第5章中詳細介紹。

在MSC-51和AT89系列單片機中使用的是全雙工UART（異步串行通信接口），I/O端口位P3.0和P3.1也是一個很通用的通信接口。在單片機內這個接口被定義成了兩種工作狀態：同步串行通信狀態和異步串行通信狀態。

同步串行通信雖然傳輸速率較高，但由于其硬件電路復雜，并且無論是在發射狀態還是在接收狀態都要同時使用兩條信號線，這就致使在單片機上進行同步通信只能使用單工方式或半雙工方式，很不方便。單片機上的串行口在同步方式下除了可以用于通信外，還可以用于I/O口的擴展，當與74LS164聯合使用時，可以擴展成并行輸出口；當與74LS165聯合使用時，可以擴展成并行輸入口，等等。

異步串行通信技術比較簡單，雖傳輸速率不高（這里指的是單片機的串行口），但應用卻很廣泛，并且方便與其他的通信標準進行銜接。這在第5章中也會詳細介紹。

1.2.7 中斷系統

中斷技術是計算機中一個很重要的技術，它既與硬件電路有關，也與軟件有關。正是因為有了中斷功能，才能夠很好地解決快速CPU與慢速外設之間的矛盾；才能夠隨時響應外部設備提出的請求；才能夠及時處理計算機在運行過程中出現的故障，保障計算機的安全。

在單片機中，中斷系統并不是獨立存在的，而是與其他部分相關聯。中斷系統被分成三大類：外部中斷、定時中斷和串行中斷。外部中斷有兩個中斷源（也可以稱之為中斷向量），占用I/O端口中的P3.2和P3.3；定時中斷有兩個中斷源，當定時/計數器計滿溢出時便會產生中斷；串行中斷只有一個中斷源，但無論是發送中斷還是接收中斷，都只使用同一個中斷源（主要是由于發送SBUF與接收SBUF為同一個寄存器），當產生中斷后需要進行判別。

中斷系統在使用時有一些問題需要注意：

①中斷優先級的設置；

②中斷允許位的設置；

③中斷發生后，現場的保護、中斷的屏蔽；

④中斷返回前，現場的恢復、中斷的重新允許等。