21天学51单片机开发：第1章 51系列单片机概述

21天学51单片机开发第一讲：51系列单片机概述课程安排了解51系列单片机介绍51系列单片机的典型引脚结构介绍51系列单片机的内部结构中央处理器结构存储器结构单片机指令时序掉电保护低功耗模式了解51系列单片机单片机——单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer）的简称1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功。单片机内部集成如下部件：中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）定时器/计数器及I/O（Input/Output）接口等部件。单片机成为最重要的可编程硬件控制单元了解51系列单片机发展历史：1970年~1974年：诞生了第一代4位的单片机。这类单片机已经具有了并行I/O接口，以及一些常用的A/D和D/A等资源。这在当时来说是非常强大的，通过灵活的控制能力，使其应用于电视机、收音机和电子玩具中。1974年~1978年：单片机进入8位时代。这个时期以Intel公司的MCS-48系列单片机最具代表性。此时的单片机内部集成了更为强大的8位CPU内核、多个并行I/O接口、同时增加了定时器/计数器以及小容量的RAM和ROM等。1978年~1983年：Intel公司的MCS-51系列为代表，标志着进入高档8位单片机时代。这个时期的单片机工作频率、硬件资源和RAM/ROM容量等都有极大的突破，创新地加入了串口通信接口以及多级中断处理系统。我们现在所广泛使用的单片机都仍以该内核为基础，因此，也常成为51系列单片机。了解51系列单片机随后，单片机市场便进入百花齐放、百家争鸣时代。各个厂商不仅在增强单片机的性能，同时还推出了不同类型的单片机。PIC系列AVR系列ARM系列C8051F系列PSoC系列等等了解51系列单片机单片机的应用领域家电产品，例如在电视、电话、冰箱、空调、洗衣机、家用防盗报警器等。在这里设备中，单片机主要用于功能控制。随身影音设备，例如MP3、MP4、录音笔等。在这里设备中，单片机用于系统控制和功能管理。电子玩具，例如各种电动玩具、发声玩具、玩具机器人、遥控电动车、遥控航模等。在这里设备中，单片机实现了核心功能的控制和智能人机接口。机电一体化设备，例如车床、铣床、数控机床等。在这类设备中，单片机作为机电一体化设备的控制器，可以简化机械产品的结构设计，实现智能的生产和操作控制，并扩展原有设备的功能。数据通信，例如无线数传、大容量存储设备等。在这类设备中，单片机依靠串口、并口或者高速USB接口等，实现计算机之间、计算机与外围设备之间的控制和数据传输等。测控设备，例如数据采集系统、示波器、智能仪表等。在这里设备中，依靠单片机强大控制和通信能力，实现测试、测量和控制等功能。了解51系列单片机单片机的发展方向高速。早期的51内核只有几MHz的运行频率，现在各个公司推出的51单片机产品均能够达到几十MHz的运行频率，例如Atmel公司的AT89S系列的单片机最大运行于33MHz，还有其他一些公司的产品也都具有很高的速度。缩短指令执行周期。早期的51内核指令一般需要1~4个指令周期来完成，最快的单周期指令也需要6个时钟周期，相当于12个时钟振荡周期。新的增强型51内核大大缩短了指令的执行周期，例如MAXIM的高速单片机每机器周期使用一个时钟，速度是标准8051的33倍。还有其他一些公司也相应提高了指令的执行时间。低功耗。单片机主要应用于各种嵌入式设备中，这类设备最大的共性便是采用电池供电，需要具有出色的功耗控制。否则，一个产品很快没电了，便毫无使用价值了。现在的单片机功耗都在逐步下降，同时还提供了丰富的低功耗模式可供选择，大大延长了电池的使用时间。高度集成性。现在的单片机集成了越来越多的功能，例如A/D转换、D/A转换、SPI接口、I2C接口、USART接口、USB接口、CAN接口等等。在有些设计项目中，甚至仅靠一个单片机便可以完成所有的工作，真正实现“单片”的含义。减小封装尺寸。单片机在提高强度的接口功能的同时，其封装体积也在逐步减少。这样，可以减少电路板的使用面积，使最终产品小型化。目前的手机、笔记本等的日益小型化便是很好的体现。51系列单片机的典型引脚结构51系列单片机的典型引脚结构电源引脚VCC（Pin40）：正电源引脚。正电源接4.0～5.0V电压，正常工作电压为+5V。GND（Pin20）：接地引脚。51系列单片机的典型引脚结构时钟引脚XTAL1（Pin19）：用作片内振荡电路的输入端。XTAL2（Pin18）：用作片内振荡电路的输出端或者外部时钟源的输入引脚。51系列单片机的典型引脚结构P0端口即P0.0～P0.7，占据Pin39～Pin32共8个引脚。P0端口具有两个功能，既可以用作双向数据总线口，也可以分时复用输出低8位地址总线。51系列单片机的典型引脚结构P1端口即P1.0～P1.7，占据Pin1～Pin8共8个引脚。P1端口一般用做通用I/O端口，是8位准并行的，具备4个TTL负载的驱动能力。P1端口可以用做位处理，既各位都可以单独输出或输入数据。51系列单片机的典型引脚结构P2端口即P2.0～P2.7，占据Pin21～Pin28共8个引脚。P2端口可以用作通用I/O端口，或者在扩展外部存储器时用作高8位地址线。51系列单片机的典型引脚结构P3端口即P3.0～P3.7，占据Pin10～Pin17共8个引脚。P3端口可以用作通用I/O端口，可进行位操作，同时还具有特定的第二功能。51系列单片机的典型引脚结构P3端口的第二功能I/O引脚第二功能引脚名称说明P3.0RXD串行通信的数据接收端口P3.1TXD串行通信的数据发送端口P3.2外部中断0的请求端口P3.3外部中断1的请求端口P3.4T0定时/计数器0的外部事件计数输入端P3.5T1定时/计数器1的外部事件计数输入端P3.6外部数据存储单元的写选通信号P3.7外部数据存储单元的读选通信号51系列单片机的典型引脚结构单片机的复位引脚为RST（Pin9），单片机内部CPU的复位信号便从这里输入。单片机复位完全通过RST引脚来完成，其基本原理是在单片机的时钟振荡电路启动后，如果RST引脚外加两个机器周期（即24个时钟振荡脉冲）以上的高电平，单片机便实现了复位。51系列单片机的典型引脚结构上电复位电路手动加上电复位电路51系列单片机的典型引脚结构ALE引脚（Pin30）具有两种功能，可以作为地址锁存使能端和编程脉冲输入端。下面分别进行介绍。当作为地址锁存使能端时为ALE。当单片机访问外部程序存储器时，ALE（地址锁存）的负跳变将低8位地址打入锁存。而当访问外部数据存储器时，例如执行MOVX类指令，ALE引脚会跳过一个脉冲。当单片机在非访问内部程序存储器时，ALE引脚将有一个1/6振荡频率的正脉冲信号输出，该信号可以用于外部计数或电路其他部分的时钟信号。当作为编程脉冲输入端时为，在进行程序下载时使用。51系列单片机的典型引脚结构（Pin29）引脚是单片机访问外部程序存储器的读选通信号。当单片机访问外部程序存储器，读取指令码时，该引脚在每个机器周期产生两次有效信号，即该引脚输出两个负脉冲选通信号；在执行片内程序存储器读取指令码以及读写外部数据时，该引脚不产生脉冲信号。51系列单片机的典型引脚结构/Vpp引脚（Pin31）具有两种功能，访问内部或外部程序存储器选择信号和提供编程电压。下面分别进行介绍。当单片机访问内部或者外部程序存储器时，作为选择信号。如果保持为低电平，则单片机从外部程序存储器（0000H～FFFFH单元）开始执行；如果保持高电平，则单片机先从片内0000H单元开始，执行内部程序存储器程序，如果外部还有扩展程序存储器，则在执行完内部程序存储器程序后，自动转向外部程序存储器执行程序。当需要对单片机编程时，该引脚用于输入编程允许电压。51系列单片机的内部结构51系列单片机的内部结构中央处理器（CPU）程序存储器（ROM）数据存储器（RAM）指令寄存器定时器/计数器并行输入输出（I/O）口中断系统时钟振荡电路单片机的结构类型,哈佛（Harvard）结构中央处理器结构算术逻辑部件（ALU）：直观上相当于一个功能强大的计算器，其是单片机进行算术及逻辑运算的功能部件。控制器：扮演了一个管理者的角色，用来统一指挥和控制单片机参与工作的各个部件。通用寄存器：51系列单片机具有4组共32个通用寄存器R0~R7，在同一时刻只能有一组通用寄存器参与运算。4个通用寄存器区位于单片机片内RAM的00H～1FH（共32B）空间，每组共有8个8位的寄存器R0～R7。专用寄存器：在运算时只用于特定的功能，是专门为某些功能部件而设计的。特殊功能寄存器：简言之就是用于特殊用途的寄存器，一般来说，单片机的各种片上资源如串口、定时器/计数器等都依靠特殊功能寄存器来控制。存储器结构片内程序存储器（片内ROM）：4KB，物理地址为0000H～0FFFH片外程序存储器（片外ROM）：64KB，物理地址为0000H～FFFFH，其中1000H～FFFFH为外部ROM片内数据存储器（片内RAM）：256B，物理地址为00H～FFH片外数据存储器（片外RAM）：64KB，物理地址为0000H～FFFFH单片机指令时序拍：拍为振荡脉冲的周期，是51系列单片机中的最小时序单元。在图中，拍用P来表示。如果采用片内时钟模式，拍（P）的周期便是晶振的振荡周期。如果采用片外时钟模式，拍（P）的周期便是外部时钟脉冲的周期。时钟周期：时钟周期是单片机CPU中最基本的时间单元，在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。振荡脉冲信号（拍）经过二分频后，便可得到单片机的时钟信号。在图中，时钟信号的周期用S来表示。由于是二分频，因此一个时钟周期包含两个拍，分别称为P1和P2。机器周期：一个机器周期由6个时钟周期（S1～S6）构成，也就是12个拍组成。从图中可以看出，这12个拍依次为S1P1、S1P2、S2P1、……、S6P2。指令周期：指令周期执行一条指令所需要的时间。不同的指令有不同的指令周期，例如单周期指令执行需要一个机器周期，双周期指令执行需要两个机器周期。单片机时序的概念指令执行的时序

--单字节单周期指令的执行时序单字节单周期指令是指指令的长度为单个字节，执行需要一个机器周期来完成。指令执行的时序

--双字节单周期指令的执行时序双字节单周期指令是指指令的长度为两个字节，执行需要一个机器周期来完成。指令执行的时序

--单字节双周期指令的执行时序单字节双周期指令是指指令的长度为单个字节，执行需要两个机器周期来完成。指令执行的时序

--MOVX类指令的执行时序MOVX类指令比较特殊指令执行的时序

--访问外部ROM的操作时序访问外部ROM的操作主要发生在外部扩展单片机ROM的时候。指令的操作时序中便包含了外部ROM存储器的操作。这里涉及的操作包括ALE、、P0端口和P2端口。其中，P0端口作为低8位地址，P2端口作为高8位地址。指令执行的时序

--访问外部RAM的操作时序访问外部RAM的操作主要发生在外部扩展单片机RAM的时候。指令的操作时序中便包含了外部RAM存储器的操作。这里涉及的操作包括ALE、、、v、P0端口和P2端口。其中，P0端口作为低8位地址，P2端口作为高8位地址。掉电保护掉电保护主要是为了防止电源突然中断时，保存一些重要的数据。当然对于手持式设备来说，掉电保护也可以防止电源电压下降时的数据丢失。步骤: