矿井维修电工技师培训班大家好！第八章 单片机原理及控制 第一节 单片微型计算机概述 第二节 80C51单片机的硬件结构第一节 单片微型计算机概述 一、单片机 单片微型计算机简称单片机，它是把组成微型计算机的各 功能部件即中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、I/O 接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部分制作 在一块集成芯片中，构成一个完整的计算机。 二、单片机的发展趋势 在短短的近三十年间，单片机经历了四次更新换代，其发 展速度大约每二至三年要更新一代，集成度增加一倍、功 能翻一番。目前按内部数据通道的宽度来说，单片机已从 最初的4位发展到32位。纵观近三十年的发展，单片机正 朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储 容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展。 三、单片机的应用 单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程 碑，单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系 统和嵌入式计算机系统两大分支。与巨大体积和高成本的 通用计算机相比，单片机的单芯片的微小体积和极低的成 本，使其可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪 器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备 、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通信产品中，成 为现代电子系统中最重要的智能化工具。 单片机作为最典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌 入式系统的发展。近年来，除了各种类型的工控机，各种 以通用微处理器构成的计算机主板模块、以通用微处理为 核心的、片内扩展一些外围功能电路单元构成的嵌入式微 处理器甚至单片形态的PC机等，都实现了嵌入式应用， 成为嵌入式系统的庞大家族。 单片机是现代计算机、电子技术的新兴领域，无论是单片 机本身还是单片应用系统设计方法都会随时代的变化而不 断的发生变化。 在所有单片机类型中，MCS-51系列单片机和80C51系列 单片机的硬件结构简单明了、特殊功能寄存器功能规范并 且软件指令系统易于掌握，是一种便于学习、理解和掌握 的单片机。该系列单片机在国内介绍较多、资料比较齐全 ，其本身性能价格比较高，供货渠道较多，所以本书以 80C51系列为例介绍单片机知识。 MCS-51系列8位高档单片机是在总结MCS-48系列单片机 的基础上，于20世纪80年代初推出的新产品。其主要的技 术特征是： 扩大了片内存储容量、外部寻址空间：程序存储器和片 外数据存储器的寻址都啬到64KB。 增强了并行口、增设了全双工串行口I/O；4个位并行I/O 接口，可用于地址和数据的传送，也可以与8243、8155 、8255等连接进行外部I/O接口的扩展；1个全双工串行 I/O通信接口，可用于数据的串行接收和发送，为构成串 行通信网络提供了方便。 增加了定时器/计数器的个数并扩展了长度；定时器/计 数器由一个变为两个（8052为三个），计数长度由8位增 为16位，肯有4种工作方式，这样，既提高了定时/计数范 围，又使用户使用灵活方便。 增强了中断系统：设置有2级中断优先级，可接收5个中 断源的中断请求，中断优先级别可由用户定义。这样，就 使MCS-51单片机很适合用于数据采集与处理，智能仪器 仪表和工业过程控制中。 具备较强的指令寻址和运算等功能：有111条指令，可 分为4大类，使用了7种寻址方式。这些指令44%为单字节 指令，41%为双字节指令，15%为三字节指令。若用 12MHZ晶振，50%的指令可在职s内执行完毕，40%的 指令可在2s内执行完毕。增设了颇具特色的布尔处理 机：在指令系统中设置有位操作指令，可用于位寻址空间 ，这些位操作指令与位寻址空间一起构成布尔处理机，布 尔处理机对于实时逻辑控制处理具有突出的优点。 可以看出，这一代单片机主要的技术特征 是为单片机配置了完善的外部并行总线（ 地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB ）和具有多机识别功能的串行通信接口（ UART），规范了功能单元的特殊功能寄存 器（SFR）控制模式及适应控制器特点的 布尔处理系统和指令系统，为发展具有良 好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基 础。80C51为第三代单片机。第二节 80C51单片机的硬件结构一、80C51单片机的硬件结构特点 80C51系列单片机采用了CMOS技术制造，较之NCS-51系列单片机， 集成度高、速度快、功耗低。其基本硬件结构如图8-1所示，硬件结构 具有如下特点：图8-1 80C51单 片机的基 本组成结 构 1、内部程序存储器（ROM）和内部数据存 储器（RAM）容量 80C51/87C51/80C52单片机的内部ROM和 内部RAM的容量如表8-1所示： 2、外部和谐存储器和外部数据存储器寻址 空间 80C51可对64KB的外部数据存储器寻址肯 不受该系列中各种芯片型号的影响，而对 于程序存储器是内外总窨为64KB，所以 80C51外部程序存储器最大寻址范围为 64KB。 3、输入/输出（I/O）口 80C51单片机内的I/O口的数量和种类较多且齐全 ，尤其是它有一个全双工的串行口。该串口是利 用两根据I/O口线构成的，有四种工作方式，可通 过编程选定，80C51共有32根据口线。 4、定时/计数器与寄存器区 80C51系列单片机有2个16位定时/计数器，通 过编程可以实现四种工作方式，80C52则有3个16 位定时/计数器。80C51在内部RAM中开设了4个 通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应 多种中断或子程序嵌套的要求。表8-1 80C51单片机的存储器容量 5、中断与堆栈 80C51有6个中断源，分为4个优先级，每个中断源的优先 级是编程的。它的堆栈也是可编程的，堆栈深度可达128 字节。 6、指令系统 80C51系统单片机完全继承了MCS-51的指令系统，共有 111条指令，按其功能可分为五大数：数据传送类指令、 算术运算类指令、逻辑运算类指令、控制转移类指令、布 尔操作。 7、布尔处理器 80C51布尔处理器，实际上是一个完整的一位微计算机， 这个一位微机有自己的CPU、位寄存器、I/O和指令集。 一位在开关决策、逻辑电路仿真和实时测控方面非常有效 ，而位机在运算处理、智能仪表常用的数据采集方面有明 显的长处。在80C51单片机中8位机和一位机的硬件资源 是结合在一起的，二者相辅相成。 二、80C51单片机的内部结构及中央处理器 1、80C51的内部结构框图与组成 80C51单片机片总体结构详细框图如图8-2所示， 它主要由九个部件组成，分别是：1个8位的中央 处理器；4KB/8KB的只读存储器（ROM或 EPROM）（80C52为8K）；128字节/256字节的 数据存储器（RAM）；32条I/O口线（四个8位口 P0、P1、P2、P3）；2个或3个（80C52有三个 ）定时/计数器；一个具有6个中断源、4个优先级 的中断嵌套结构；用于多处理机通讯、I/O扩展或 全双工UART（通用异步接收发器）的串行口； 特殊功能寄存器（SFR）以及一个片内振荡和时 钟电路和。图8-2 80C51的内部结构框图及组成 2、80C51的中央处理器 中央处理器（CPU）单片机内部的核心部件，它决定了单 片机的主要功能特性。CPU主要由运算部件和控制部分构 成。下面将对这两部分以及涉及到的部分硬件进行详细的 介绍。 （1）运算部件 运算部件包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器 A、寄存器B、暂存器1和暂存器2、程序状态寄存PSW以 及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术 运算、位变量处理和数据传送操作。 算术、单元ALU 80C51单片机的ALU功能十分强，它不仅可以对8位变量 进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补、清零等基本操 作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘除运 算的需要，设置了N寄存器。 累加器A 累加器A又记作ACC，是CPU中使用最频繁的一 个寄存器，其作用为： a 、累加器A是ALU单元的输入之一，因而是处理 数据源之，一，同时又是ALU运算结果的存放单 元。 b 、CPU中的数据传送大多都通过累加器，故又 相当于一个数据的中转站。在80C51中，增加了 一部分可能不经过累加器的传送指令，如：寄存 器与直接寻址单元之间；直接寻址单元与间接寻 址单元之间等。这样，既加快了传送速度，又减 少了累加器的“堵塞”现象。 B寄存器 B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一 。 乘法中，ALU的两个输入分别为A、C，运算结果 存放于AB寄存器对中。A中放积的低沉位，B中 放积的高8位；除法中，被除数取自A，除数取自 B，商数存放于A，余数存放于B。在其他情况下 ，B寄存器可以作为内部RAM中的一个单元来使 用。 程序状态PSW 程序状态字PSW（Program Status Word）是下 个逐位定义的位寄存器，其内容的主要部分是算 术单元（ALU）的输出。 2、控制部件 控制部件是单片机的神经中枢，与运算部件一起 组成中央处理器，在80C51单片机中，它包括程 序计数器PC、程序地址寄存器IR，指令译码器， 条件转移逻辑电路及定时控制逻辑电路。它以主 振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码 ，然后发出各种控制信号，完成一系列控制的微 操作，用来控制单片各部分的运行。 3、时钟电路及CPU的工作时序 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号 ，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相 互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电 路，为了保证同点工作方式的实现，电路应在唯 一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。 (1)时钟电路 80C51单片机的时钟电路框图8-3所示。 时钟信号通常用两种电路形式得到：内部 振荡方式和外部振荡方式。 内部振荡方式：80C51单片机内带有时钟 电路，因此，只需要在片外通过XTAL1和 XTAL2引脚接入定时控制元件（晶体振荡 器和电容），即可构成一个稳定地自激振 荡器，如图8-4所示。图8-3 80C51单片机的时钟电路图8-4 内部振荡方式 图8-5外部振荡方式 外部振荡方式：把外部已有的时钟信号引入单片 机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部 信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如图8-5 所示。 由图可见，外部振荡信号由XTAL2引入，XTAL1 接地。为了使时入单处机的时钟信号为TTL电平 ，通常外部信号一个带有上拉电阻的TTL，反相 器后接入XTAL2。 （2）CPU时序及有关概念 振荡周期：是指为单片机提供定时信号的振荡 源的周期。单片机以晶体振荡器的振荡周期（或 外部引入的时钟周期）为最小的时序单位，片内 的各种微操作都以此周期为时序基准。 状态周期：振荡频率二分频后形成状态周期， 又称时钟周期或称S周期，所以，一个状态周期 包含两个振荡周期。状态周期被分为两个节拍， 即P1节拍和P2节拍。在每个时钟的前半周期， P1信号有效，这时通常完成算术逻辑操作；在每 个时钟的后半周期，P2信号有效，内部寄存器与 寄存器间的传输一般在此状态发生。 机器周期：一个机器周期由6个状态（12个振 荡脉冲）组成，即六个时钟周期、12个振荡周期 。 是指执行一条指令所占用的全部时间，一个指 令周期通常含有1-4个机器周期。 三、80C51单片机的工作方式 80C51单片机共有复位、程序执行、低功耗等工作方式。 1、复位方式 （1）复位操作 复位是单片机的初始化操作，其主要功能是PC初始化为 0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入 系统的正常初始化之外，当由于程序运行时出错或错误使 系统处于死锁状态时，为使单片机正常工作，也需按复位 键以重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些特殊 功