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单单片片机机原原理理、、接接口口及及应应用用51系列单片机内部结构如图1-1所示。1.1.2CPUCPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。1.运算器运算器的功能是进行算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较、BCD码十进制调整等逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位C为位累加器，用来处理位操作。可对位置“1”、对位清零、位判断等。操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。2.程序计数器PC程序计数器PC是16位的寄存器，用来存放即将要执行的指令地址，可对64KB程序存储器直接寻址。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。3.指令寄存器指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器，经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。1.2存储器MCS-51的储存器结构与常见的微型计算机的配置方法不同,它将程序存储器和数据存储器分开,各有自己的寻址方式、控制信号和功能。程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。数据存储器存放程序运行中所需要的常数和变量。从物理空间看,MCS-51有四个存储器地址空间：片内数据存储器、片外数据存储器片内程序存储器、片外程序存储器MCS-51存储器物理结构见下图所示：引脚EA的接法决定了程序储存器的0000～0FFFH4KB地址范围是在单片机片内还是片外。1.2.1程序储存器程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。程序储存器以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64KB。在8051/8751/89C51片内，分别内置最低地址空间的4KBROM/EPROM程序储存器（内部程序储存器），而在8031片内，则无内部程序储存器，必须外部扩展EPROM。MCS-51单片机中64KB内、外程序储存器的地址是统一编排的。8031单片机无内部程序存储器，地址从0000H～FFFFH都是外部程序存储空间。应始终接地，对于内部有ROM的单片机（51、52系列），引脚接高电平，使程序从内部ROM开始执行。当PC值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。外部程序存储器地址空间为1000H～FFFFH。访问程序存储器使用MOVC指令。程序存储器中的几个特殊地址的使用：地址用途0000H复位操作后的程序入口0003H外部中断0服务程序入口000BH定时器0中断服务程序入口0013H外部中断1服务程序入口001BH定时器1中断服务程序入口0023H串行口中断服务程序入口由于两入口地址之间的存储空间有限，因此在编程时，通常在这些入口地址开始的两三个地址单元中，放入一条转移类指令，已使相应的程序转到指定的程序存储器区域中执行。1.2.2外部数据存储器用于存放随机读写的数据。外部I/O口地址影像区。MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口实行统一编址，并使用相同的作选通控制信号，均使用MOVX指令访问。MCS-51单片机最多可扩展64KB外部数据存储器1.2.3内部数据储存器内部数据存储器是使用最多的地址空间，存放随机读写的数据通用寄存器区堆栈区运算操作数存放区指令（算术运算、逻辑运算、位操作运算等）的操作数只能在此地址空间或功能寄存器地址空间。内部数据存储器的地址分配51系列单片机内部数据存储器地址范围为00～7FH。各区域地址见下表。（1）地址0～1FH的前32个单元称为寄存器区用途：①作通用寄存器R0～R7。②R0与R1可作间址寄存器使用。使用时应注意：32个单元的寄存器区分为四组，使用时只能选其中一组寄存器。寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位定。RS1RS0选寄存器组000组011组102组113组初始化时或复位时，自动选中0组。一旦选中一组，其它三组只能作为数据存储器使用，而不能作为寄存器使用。设置多组寄存器可以方便保护现场。（2）20H～2FH为位地址区共16个单元，每单元有八个位，每位有一个位地址，共128位，位地址范围为00H～7FH，该区既可位寻址，又可字节寻址。如MOV20H，C(这里C是Cy进位标志位），该指令是将Cy内容送20H位,如果Cy＝1，位20H值为“1”。（3）除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用RAM区。（4）堆栈区8XX51单片机的堆栈设在内部RAM区，深度不大于128字节，初始化时SP指向07H。注：对51基本型单片机只有00H-7FH单元128字节的RAM区。对52增强型的单片机还有80H-FFH组成的高128字节RAM区（共256字节RAM）。1.3特殊功能寄存器MCS-51单片机共有21个字节的特殊功能寄存器用英文缩写SFR（SpecialFuctionRegister）表示。1.用途：A累加器、状态标志寄存器单片机内部各部件专用的控制、状态寄存器并行口、串行口影射寄存器2.地址空间：21个特殊功能器不连续的分布在80H～FFH128个字节地址空间，见表1-2。地址为X0H和X8H是可位寻址的寄存器，表1-2中用“*”表示。表1-2中还标注了各SFR的名称、字节地址、可寻址位的位地址和位名称。21个特殊功能寄存器的名称及主要功能介绍如下，详细的用法见后面各节的内容。A—累加器，自带有全零标志Z，A=0则Z=1；A≠0则Z=0。该标志常用于程序分支转移的判断条件。B—寄存器，常用于乘除法运算（见第2章）。PSW—程序状态字。主要起着标志寄存器的作用，其8位定义见表1-3。其中CY：进/借位标志反映最高位的进位借位情况，加法为进位、减法为借位。CY=1，有进/借位；CY=0，无进/借位。AC：辅助进/借位标志反映高半字节与低半字节之间的进/借位，AC=1有进/借位；AC=0无进/借位。FO：用户标志位。可由用户设定其含义。RS1，RS0：工作寄存器组选择位。OV：溢出标志反映补码运算的运算结果有无溢出有溢出OV=1，无溢出OV=0。-：无效位。P：奇偶标志运算结果有奇个“1”，P=1；运算结果有偶个“1”，P=0。影响标志位的指令及其影响方式见第2章。SP—堆栈指针。8XX51单片机的堆栈设在片内RAM，对堆栈的操作包括压入（PUSH）和弹出（POP）两种方式，并且遵循后进先出的原则，但在堆栈生成的方向上，与8086正好相反8XX51单片机的堆栈操作遵循先加后压，先弹后减的顺序，按字节进行操作。此外还有如下寄存器，它们将在后面章节介绍：IP——中断优先级控制寄存器。IE——中断允许控制寄存器。TMOD——定时器/计数器方式控制寄存器。TCON——定时器/计数器控制寄存器。TH0，TL0——定时器/计数器0。TH1，TH1——定时器/计数器1。SCON——串行端口控制寄存器。SBUF——串行数据缓冲器。PCON——电源控制寄存器。注：在52子系列中，高128字节RAM和SFR的地址是重叠的，究竟访问哪一块可通过不同的寻址方式加以区分，访问高128字节RAM采用寄存器间址，访问SFR则只能采用直接寻址，访问低128字节RAM时，两种寻址均可采用。1.4时钟电路与复位电路内部振荡方式：在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）如图1-3所示。由于单片机内部有一个高增益运算放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。1.4.2基本时序单位单片机的时序单位有：。状态周期：振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。因此，一个状态周期包含2个振荡周期。机器周期（MC）：1个机器周期由6个状态周期及12个振荡周期组成。是计算机执行一种基本操作的时间单位。4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（例如，波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。例：单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位：振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us指令周期=(1～4)机器周期=1～4us上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。当单片机已在运行过程中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。通常选择C=10f,R=10K。单片机的复位操作是使SFR寄存器进入初始化，不改变片内RAM区中的内容。几个主要特殊功能寄存器复位状态归纳如下：PC=0000H程序计数器为零表明单片机复位后程序从0000H地址单元开始执行。A=00H表明累加器已被清零。PSW=00H表明选寄存器0组为工作寄存器组。SP=07H表明堆栈指针指向片内RAM07H单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的数据被写入08H单元中。P0～P3=FFH表明已向各端口线写入１，各端口既可用于输入又可用于输出。记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于熟悉单片机操作，减短应用程序中的初始化部分是十分必要的。其它的特殊功能寄存器复位后的状态见教材表1-4。1.5引脚功能各个引脚的功能说明如下：Vss:接地端。Vcc:电源端，接+5V。XTAL1，XTAL2:接外部晶体或外部时钟。RST/VPD：①复位信号输入。②接备用电源，当VCC掉电后，在低功耗条件下保持内部RAM中的数据。ALE/PROG：①ALE地址锁存允许。ALE输出脉冲的频率为振荡频率的1/6。②PROG对8751单片机片内EPROM编程时，编程脉冲由该引脚引入。PSEN：程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。EA/VPP：①EA=0，单片机只访问外部程序存储器。EA=1，单片机访问内部程序存储器。②在8751单片机片内EPROM编程期间，此引脚引入21V编程电源VPP。在增强型的52系列单片机中，P1.0、P1.1除为端口线外，还为定时/计数器2的外部引脚T2和T2EX。P0.0～P0.7：P0口，数据/低八位地址复用总线端口。P1.0～P1.7：P1口，静态通用端口。P2.0～P2.7：P2口，高八位地址总线端口。P3.0～P3.7：P3口，双功能静态端口。1.6小单片机是集CPU、存储器、I/O接口于一体的大规模集成电路芯片。MCS-51系列单片机是目前市场上应用最广泛的单片机机型。本章重点是单片机的内部结构和存储器结构51系列单片机内部包含：一个8位的CPU。4KB程序存储器ROM（视不同产品型号不同：8031内部无ROM；8051内部为掩模式ROM；8751为EPROM；89C51内部为FLASHEEPROM）。128字节RAM数据存储器。两个16位定时器/计数器。可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路。32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）。一个可编程全双工串行口。具有两个优先级嵌套中断结构的五个中断源。★掌握51系列单片机各存储空间的地址分配，使用特点及数据操作方法。现将此内容归纳于教材表1-5中，此表是编程和硬件扩展的基础，相当重要，务必要熟记和掌握。MCS-51单片机的编程语言可以是汇编语言也可以是高级语言（如C语言），高级语言编程快捷，但程序长，占用存储空间大，执行慢；汇编语言产生的目标程序简短，占用存储空间小，执行快，能充分发挥计算机的硬件功能。无论是高级语言还是汇编语言，源程序都要转换成目标程序（机器语言）单片机才能执行。目前很多公司将编辑器、汇编器、编译器、连接/定位器、符号转换程序做成集成软件包，用户进入该集成环境，编辑好程序后，只需点击相应菜单就可以完成上述的各步，如WAVE、KEIL，WAVE集成软件的使用见附录。汇编的方法：汇编的方法有两种1.手工汇编：人工查指令表，查出程序中每条指令对应的机器代码。早期的计算机使用。2.机器汇编：用计算机中的汇编程序对用户源程序进行汇编。用机器汇编要提供给汇编一些信息，遵循汇编程序的一些约定。这些由伪指令指定。1)确定程序中每条汇编语言指令的指令机器码2)确定每条指令在存储器中的存放地址3)提供错误信息4)提供目标执行文