对单片机的认识

1、对单片机的认识 单片机的介绍单片机是一种集成度很高的微型计算机，自20世纪70年代问世以来，单片机已广泛应用于工业自动化控制、自动检测、家用电器、电力电子等领域。单片机是在半导体硅片上集成了微处理器（CPU）存储器（RAMROMEPROM）和各种输入、输出（I/O）接口等形成的芯片级的微型计算机。因而单片机具有一台计算机的属性，其主要应用于测控领域，也称为微控制器MCU(microcontroller unit)。 单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用

2、和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 MCS-51单片机是单片机中典型的一种，它是美国INTEL公司于1980年推出的产品，与MCS- 48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。 80C51单片机的内部结构 80C51是MCS-51系列单片机的典型产品

3、，它包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。 80C51 芯片内部集成了 CPU、RAM、ROM、定时/计数器和I/O口等各功能部件，并由内部总线把这些不见连接在一起。80C51单片机内部包含以下一些功能部件：(1) 一个8位CPU；(2) 一个片内振荡器和时钟电路；(3) 4KB ROM（80C51有4KB掩膜ROM，87C51有4KB EPROM，80C31片内有无ROM）；(4) 128B内RAM；(5) 可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；(6) 两个16位定时/计

4、数器；(7) 21个特许功能寄存器；(8) 4个8位并行I/O口，共32条可编程I/O端线；(9) 一个可编程全双工串行口； (10) 5个中断源，可设置成2个优先级。80C51单片机各部分的功能如下：（1） 中央处理器：中央处理器（CPU）是整个芯片的核心。MCS-51单片机的CPU是一个8位数据宽度的处理器，负责控制、指挥、调度和协调整个单片机系统的工作，完成和控制每个接口的操作。（2） 片内数据存储器RAM：片内数据存储器RAM的低128B用于存放可以读、写的数据，高128B被特殊功能寄存器占用。故MCS-51子系列单片机能作为寄存器供用户使用的只有低128B。（3） 片内程序存储器RO

5、M:8051单片机内部有4KB的掩模ROM，是用来存放用户程序、原始数据或表格的，但也有一些单片机内部不含ROM/EPROM,如：8031,8032,80C31等。需要进一步说明的是：在MCS-51系列单片机中，绝大部分已经把ROM换成了可电擦除的EPROM了。（4） 特殊功能寄存器SFR：SFR是一个具有特殊功能的RAM区域，主要用于实现CPU对功能部件的集中控制。（5） 定时器/计数器：8051单片机有两个独立的16位可编程的定时器/计数器,以实现定时或计数功能。（6） 可编程并行I/O口：8051单片机共有4组8位I/O口（P0、p1、p2和p3），用于进行外部数据的交换，其中p0、p2

6、、p3口均有多功能复用功能。（7） 全双工串行口：8051单片机中内置一个标准的全双工串行通行口，用于与其他期间或设备间的串行数据传输，既可以异步通信，也可以同步移位传输数据。（8） 中断系统：8051单片机中有两个外部中断源，两个定时/计数器中断源和一个串口中断源。（9） 时钟电路：8051单片机内置时钟处理电路，可外接112MHZ的晶振。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形

7、式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。 MCS-51单片机的外部引脚 MCS-51单片机读采用40只引脚的双列直插式封装（DIP）。这40只引脚可分为4类：电源引脚、时钟电路引脚、控制信号引脚、并行I/O口。 1.电源引脚 （1)Vcc芯片电源，接+； (2)Vss接地端。 正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V）不同的单片机可以允许使用不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也不同。 2.时钟电路引脚 （1）XTAL1（19）：用于接外部晶振和微调电容的一端，在片内它作为振荡器倒相放大器的输入端，若使用外部TTL时钟，则该引脚必须接地。 （2）XTAL2(18

8、)：用于接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它作为振荡器倒相放大器的输出端，若使用外部TTL时钟，则该引脚为外部时钟的输入端。 3.控制信号引脚 (1)ALE/PROG地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。 80C51在并行扩展外存储器（包括并行扩展I/O口）时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号，且均为二进制数。那么如何区分是低8位地址还是8位数据信号呢？当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；ALE信号无效时，P0口传送的是8位数据信号。在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的内容，即低8位地址信号。 需要指出的是，当CPU不执行访

9、问外RAM指令（MOVX）时，ALE以时钟振荡频率1 / 6的固定频率输出，因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟或其他需要。但是，当CPU执行MOVX指令时，ALE将跳过一个ALE脉冲。 ALE端可驱动8个LSTTL门电路。 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 (2)PSEN外ROM读选通信号。 80C51读外ROM时，没个机器周期内PSEN两次有效输出。PSEN可作为外ROM芯片输出允许OE的选通信号。在读内ROM或读外RAM时，PSEN无效。 PSEN可驱动8个LSTTL门电路。 (3) RST/Vpd复位/备用电源。 正常工作时，RST（

10、Reset）端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，80C51芯片即实现复位操作，复位后一切从头开始，CPU从0000H开始执行指令。 Vpd功能：在Vcc掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由Vpd向片内供电，以保持片内RAM中的数据不丢失。 (4) EA/Vpp 内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：正常工作时，EA为内外ROM选择端。80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外（80C31芯片无内ROM，全部在片外）。当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC（程序计数器）值超过4KB（0FFFH）时，将自动转向执行外

11、ROM中的程序。当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，因此EA必须接地。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电源Vpp。 4.并行I/O口 80C51共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚 (1)P0口8位双向I/O口。 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用作双向I/O口。 在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。位结构如图2-4所示。P0口能驱动8个LSTTL门。 (2) P1口8位准双向I/

12、O口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。位结构如图2-5所示。 P1口能驱动为4个LSTTL门。 (3) P2口8位准双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用于传送高8位地址(属地址总线) 。P2口能驱动4个LSTTL门。P2口的位结构如图2-6所示，引脚上拉电阻同P1口。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。 (4) P3口8位准双向I/O口。可作一般I/O口用,同时P3口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。P3口驱动能力为4个LSTTL

13、门。P3口第二功能如下: P3.0RXD:串行口输入端; P3.1TXD:串行口输出端; P3.2INT0:外部中断0请求输入端; P3.3INT1:外部中断1请求输入端 P3.4T0:定时/计数器0外部信号输入端; P3.5T1:定时/计数器1外部信号输入端; P3.6WR:外RAM写选通信号输出端; P3.7RD:外RAM读选通信号输出端。上述4个I/O口,各有各的用途。 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, 4个I/O口都可作为双向I/O口用。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口专用于分时传送低8位地址信号和8位数据信号,P2口专用于传送高8位地址信号。P3

14、口根据需要常用于第二功能,真正可提供给用户使用的I/O口是P1口和一部分未用作第二功能的P3口端线。单片机最小系统的基本电路所谓单片机最小系统，是指能满足单片机基本应用的最简单而又是必不可少的基本电路。一个单片机最小应用系统中最简单也要包括三部分：（1）电源模块电路；（2）复位电路；（3）始终振荡电路。单片机的应用范围按照单片机的特点，单片机的应用分为单机应用与多机应用。在一个应用系统中，只使用一片单片机称为单机应用。单片机的单机应用的范围包括： (1) 测控系统。 用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。 (2) 智能仪表。 用单片

15、机改造原有的测量、控制仪表, 促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。 (3) 机电一体化产品。单片机与传统的机械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智能化。 (4) 智能接口。 在计算机控制系统, 特别是在较大型的工业测、控系统中, 用单片机进行接口的控制与管理, 加之单片机与主机的并行工作, 大大提高了系统的运行速度。 (5) 智能民用产品。 如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中, 单片机控制器的引入, 不仅使产品的功能大大增强, 性能得到提高, 而且获得了良好的使用效果。 单片机的发展趋势 自单片机诞生至今，已发展出了上百个系列的近千个机种。目前，单片机正朝着高性能和多品种的方向发展，CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外部电路内装化等时期发展的主要特点。（1） CMOS化 近年来，由于CHMOS技术的发展，大大促进了单片机的CMOS化。（2） 低功耗 单片机的工作电流降到mA数量级；工作电压在36V之间，完全可以用电池供电 。（3） 低电压 几乎所有的单片机都有WAITSTOP等省电运行方式。（4） 低噪声与高可靠性 （5） 大容量 以往单片机内的ROM容量为14KB,RAM的容量在64128B。但在需要复杂控制的场合，这样的存储容量是不够的，必须进行外部扩充。（6） 小容量、低价