片機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

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1、第1章51單片機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理1.1微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.251單片機(jī)的基本組成和功能1.351單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.451系列單片機(jī)的工作方式1975年，美國(guó)TexasInstruments公司成功研制了世界上第一臺(tái)單片機(jī)，它的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，從此，計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅在數(shù)值處理方面得到了進(jìn)一步的發(fā)展，而且在智能化控制領(lǐng)域里也得到了迅猛的發(fā)展，并占有越來(lái)越重要的地位。51系列單片機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)，該系列單片機(jī)簡(jiǎn)單易學(xué)，具有豐富的指令系統(tǒng)和高級(jí)語(yǔ)言編譯系統(tǒng)。本章重點(diǎn)介紹單片機(jī)的基本概念、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及工作方式等。第1章51單片

2、機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理1.1微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1．單片機(jī)的發(fā)展單片機(jī)的全稱(chēng)為單片微型計(jì)算機(jī)（SingleChipMicrocomputer），它是將組成微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件，如中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、基本輸入/輸出接口（I/O接口）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通信接口等部件有機(jī)地結(jié)合在一塊集成芯片中，構(gòu)成一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)，因此單片機(jī)又可以稱(chēng)為微處理器（MicrocontrollerUnit）。一個(gè)完整的單片機(jī)如圖1-1所示。2.單片機(jī)的特點(diǎn)（1）采用哈佛結(jié)構(gòu)體系（2）采用面向控制的指令系統(tǒng)（3）引腳功能復(fù)用（4

3、）片內(nèi)隨機(jī)存儲(chǔ)器做寄存器（5）類(lèi)型齊全（6）功能通用3.單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)（1）CPU的改進(jìn)（2）存儲(chǔ)器的改進(jìn)（3）片內(nèi)I/O的改進(jìn)（4）外圍電路的集成（5）低功耗1.1.2計(jì)算機(jī)中的數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換1．?dāng)?shù)制所謂的數(shù)制，是指數(shù)的制式，是人們利用符號(hào)計(jì)數(shù)的一種科學(xué)方法。數(shù)制有很多種，微型計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)制有十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制四種。1.251單片機(jī)的基本組成和功能51是Intel公司在1980年推出的8位高檔單片機(jī)系列，是我國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的一種單片機(jī)系列。51系列單片機(jī)的片內(nèi)RAM容量、I/O端口系統(tǒng)擴(kuò)展能力以及指令系統(tǒng)和CPU的處理功能

4、都非常強(qiáng)，尤其是51單片機(jī)系列所特有的布爾處理機(jī)，在邏輯處理與控制方面有著突出的性能。該系列單片機(jī)適合用于時(shí)控制、智能儀器儀表、自動(dòng)機(jī)床、智能接口、總線實(shí)時(shí)分布式控制以及通用測(cè)控單元等領(lǐng)域。由于51系列單片機(jī)體積小、功能全、價(jià)格低廉、面向控制、開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便，因此具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。1.2.151系列單片機(jī)的主要功能51系列單片機(jī)芯片有許多種，如8051.8751.80C51.89C51.89S51等，其中以8051/80C51為核心，其他型號(hào)的單片機(jī)產(chǎn)品都是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要功能基本相同，指令系統(tǒng)完全兼容，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性方面稍有差異

5、。51系列單片機(jī)的主要功能如下：（1）8位CPU（2）片內(nèi)128KBRAM（3）片內(nèi)4KBROM/EPROM（4）特殊功能寄存器區(qū)（5）2個(gè)優(yōu)先級(jí)的5個(gè)中斷源結(jié)構(gòu)（6）4個(gè)8位并行I/O口（P0～P3）（7）2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（8）全雙工串行口（9）布爾處理器（10）64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間（11）64KB外部程序存儲(chǔ)器地址空間（12）片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路1.2.251系列單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)51單片機(jī)的基本功能總體結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。1.2.351系列單片機(jī)外部引腳P3口線的第二功能1.351單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.3.1中央處理單元中央處理單

6、元（CPU）是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，它決定了單片機(jī)的主要功能特性，由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成。1．運(yùn)算器運(yùn)算器是單片機(jī)的運(yùn)算部件，用于實(shí)現(xiàn)算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變量處理、移位和數(shù)據(jù)傳送等功能，以算術(shù)邏輯單元ALU為核心，加上累加器ACC、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字PSW以及十進(jìn)制調(diào)整電路和專(zhuān)門(mén)用于位操作的布爾處理器組成。2．控制器控制器包括程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP以及定時(shí)控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路等。它負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)自存儲(chǔ)器中的指令進(jìn)行譯碼，并通過(guò)定時(shí)和控制電路在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所

7、需要的控制信號(hào)，使各部件協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。1.3.2存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)上，單片機(jī)的共同特點(diǎn)是將程序存儲(chǔ)器ROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM分開(kāi)，它們有各自的尋址機(jī)構(gòu)和尋址方式，51系列單片機(jī)片內(nèi)集成了一定容量的程序存儲(chǔ)器ROM（8031/8032/80C31系列單片機(jī)除外，片內(nèi)無(wú)ROM）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，同時(shí)還具有強(qiáng)大的外部存儲(chǔ)擴(kuò)展能力。51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器配置如圖1-13所示。64KB的程序存儲(chǔ)器ROM中有7個(gè)地址具有特殊功能，即復(fù)位入口地址或系統(tǒng)程序啟動(dòng)地址PC=0000H和5種中斷入口地址，如表1-5所示。1.3.3定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

8、51單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)16位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：T0和T1。T0中包含兩個(gè)8位寄存器：TH0和TL0，其中，TH0為高8位，TL0為低8