第2章 80C51单片机的硬件结构

第2章80C51单片机的硬件结构第2.1节单片机的概念2.1.1单片机基本概念一、单片机的概念计算机的组成：指由中央处理器CPU(CentralProcessingUnit)、只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）、随机存储器RAM（RandomAccessMemory）、中断系统（InterruptSystem）、定时器/计数器（Timer/Counter）、I/O(Input/Output)接口。如下图所示：图1－1计算机硬件系统组成在计算机中，这些基本单元都是分别制作成独立功能的芯片，它们分别单独封装，然后通过外部的总线把它们连接起来，构成一台完整的计算机。单片机的组成：将计算机的基本组成部分集成在一个芯片或一个完整封装的器件内。虽然单片机仅仅是一个芯片，但从组成功能上看，它已经具备了计算机系统的基本属性。因此，也把它称为微型单片计算机。单片机主要应用于控制领域，用于实现各种参数的测量和控制功能。为强调其控制属性，有的地方也把单片机称为微控制器(MCU,MicroControllerUnit);单片机在应用时，常常在控制系统中处于核心的地位，并融入其中，即嵌入式系统。为强调其嵌入式特性，有时也称它为嵌入式微控制器（EMCU，EmbeddedMicroControllerUnit）。单片机系统：单片机系统是在单片机芯片的基础上扩展其它电路构成的具有一定应用功能的计算机应用系统。也就是说，需要对单片机进行二次开发。二、通用单片机和专用单片机根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。通用型单片机是一种基本芯片，它的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需求。用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个再设计的过程。（本书所介绍的均为通用型单片机！）专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化、软硬件资源利用的最优化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了通盘的考虑和论证，所以专用单片机具有十分明显的综合优势。例如电度表和IC卡读写器上的单片机等。三、单片机与单片机系统CPUROMRAMT/C时钟电路I/O1I/O2I/On总线单片机通常是指芯片本身。单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。（通常我们所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机控制应用系统。学习单片机，既要学习单片机（单片机内部的组成和原理），也要学习单片机系统（单片机系统的组成方法））四、单片机应用系统与单片机开发系统单片机应用系统是为控制应用而设计的，该系统与控制对象结合在一起使用，是单片机开发应用的成果。单片机开发系统是单片机应用系统开发调试的工具。主要有：逻辑分析仪：只能用于简单的单片机系统；微型计算机：用于复杂的单片机系统；在线仿真器：进行单片机应用系统的软硬件开发和EPROM写入。（这里要求大家了解：⑴仿真器具有专一性，即不同型号的单片机芯片，需要相对应的仿真器，⑵仿真器与编程器的区别，简单地说，仿真器是用来调试程序；而编程器是将调试好的程序写到ROM中去。也俗称烧程序。也有集成了仿真和编程功能于一体的仿真器。⑶仿真器与微机的区别：仿真器没有复杂的操作系统，只有监控程序的开发环境，另外一般也不具有汇编程序。故仿真器基本上都是和微机配合在一起使用。）五、单片机的程序设计语言和软件（这里要问的是：什么是单片机程序设计语言？主要指在单片机系统开发时，人们为实现预想的控制功能而使用的语言，它有机器语言、汇编语言、高级语言等。其中汇编语言、高级语言都是为方便高效编程而发展起来的语言。在实际的单片机系统中，它只能使用机器语言，因此程序员编写的程序需要由编译程序帮忙，将高级语言写的程序翻译成机器语言，这些也是仿真器完成的工作。而编译好的机器语言如何到单片机的存储器中去？依靠编程器。）机器语言是用二进制代码表示的单片机指令，用机器语言构成的程序称之为目标程序。汇编语言是用符号表示的指令，汇编语言是对机器语言的改进，是单片机最常用的程序设计语言。注意：这两种语言均与单片机硬件关系密切，这就要求程序设计人员必须精通单片机的硬件系统和指令系统。高级语言：编译型语言有PL/M51、C-51、C、MBASIC-51等；解释型的有MBASIC和MBASIC-52等。软件：包括各类程序、数据以及相关的文档资料。2.1.2单片机的发展一、单片机的历史及发展概况（略讲！一两句话简单提出即可。）根据单片机发展过程中各个阶段的特点，（根据单片机的位数和内部资源的多少来划分，内部资源主要是串行口、中断源数量、定时器／计数器、存储器大小、相关接口A/D、D/A等）其发展历史大概可划分为以下四个阶段：第一阶段（1974～1976）：单片机的初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式，而且功能简单。第二阶段（1976～1978）：低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS-48系列单片机为代表第三阶段（1978～现在）：高性能单片机阶段。这个阶段推出的单片机普遍带有串行I/O口，多级中断处理系统，16位定时器／计数器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64K字节，有的还内置有A/D转换器。这类单片机的代表是Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的6810和Zilog公司的Z8等。第四阶段（1982～现在）：8位单片机的巩固发展以及16位单片机、32位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同用户的需要。16位单片机的典型产品如Intel公司生产的MCS-96系列单片机。而32位单片机除了具有更高的集成度外，其振荡频率已达20MHz或更高，这使32位单片机的数据处理速度比16位单片机快许多，性能同8位、16位单片机相比，具有更大的优越性。计算机厂家已投放市场的产品就有70多个系列，500多个品种。单片机的产品已占整个微机（包括一般的微处理器）产品的80%以上，其中8位单片机的产量又占整个单片机的产量的60%以上，因此可以看出，8位单片机在最近若干年里，在工业检测、控制应用方面将继续占有一定的市场份额。(引子：MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系？我们平常老是讲8051，又有什么8031，现在又有89C51，它们之间究竟是什么关系?我们课本提到的80C51和它们又有什么关系呢？下面我们就来先来看看单片机的分类，从中寻找我们的答案！)二、单片机的种类：◇INTEL公司：8位单片机：MCS-48,MCS-51系列。16位单片机：MCS-96,MCS-196系列◇MOTOROLA公司：68系列，68HC系列。◇ZILOG公司：Z8系列◇ATMEL公司：89系列◇TI公司：MSP系列每个系列都包含若干个子系列或若干型号。通常MCS-51即8051系列。ROM工艺改进后为80C51系列。1、MCS-51单片机系列MCS－51为一个单片机系列产品，可分为两个子系列（51子系列和52子系列）和4种类型（8031、8051、8751、8951），如表1－1所示。它们的差异在于内部资源配置不同（大小和ROM类型）。51子系列为基本型，而52子系列为增强型。2、80C51单片机系列80C51是在MCS-51基础上发展起来的，由于芯片型号众多，把它单独列为一个新的系列，代表当前的8位单片机。后来许多半导体公司以80C51为核心，增加一些功能，并兼容MCS－51，命名也显得有些杂乱。新增的功能主要有：数模转换器A/D，可编程计数器阵列PCA，监视定时器WDT，高速I/O口，计数器的俘获/比较逻辑等。MCS-51单片机中包含了10个子系列，每个子系列中又有多种型号。型号ROM/EPROMRAMT/CI/O串行口速度（MHz）8051子系列8031无128232UART1280514KROM128232UART1287514KEPROM128232UART128751BH4KOTP128232UART128052子8032无256332UART12系列80528KROM256332UART1287528KEPROM或OTP256332UART1280C51子系列80C31无128232UART12,1680C514KEPROM128232UART12,1687C514KEPROM或OTP128232UART12,16,208051子系列的差别在于：片内是否具有ROM，以及ROM的制造工艺。ROM为掩模工艺型，EPROM为紫外线可擦除型，OTP为一次写入型。UART：通用的异步串行接口。80C51子系列和8051子系列相比，主要差别在于：采用CMOS工艺制造，因此，功耗低得多。）3、80C51和8051的比较：⑴兼容性；⑵芯片工艺；8051为HMOS工艺（高速度、高密度、但功耗大），而80C51为CHMOS工艺（高速度、高密度、低功耗）；⑶功能改进；80C51降低功耗、增加待机和调电保护，ROM类型改进和ROM容量增大。（到这里，我们对MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系应该比较清除了吧！MCS51是指由美国INTEL公司（对了，就是大名鼎鼎的INTEL）生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。）三、单片机的特点及应用领域（一般了解）1、单片机的特点：★结构简单，体积小；★性能价格比高（即性价比高）；★可靠性高，功耗低；（集成封装，受外界干扰小，功耗低，发热小，寿命长）★应用范围十分广泛。2、单片机的应用范围：⑴．构成智能化产品，实现仪器设备的智能化，自动化。●智能化仪器仪表。（用单片机实现数据采集、处理，具有自动化程度高，功耗小，抗干扰能力强）●家用电器。（实现家用电器的智能化和自动化）●在计算机外设中的应用。（打印机、键盘，软盘驱动器，光驱等外设均采用单片机进行控制）⑵．在工业测控领域中的应用●数据采集与处理；（工业上由单片机来构建的测量控制系统，可以实现工业现场的数据采集与处理的智能化，多功能显示，宽量程的自动切换，取代传统的模拟量显示和手工切换，大大提高测量精度）●工业过程控制；（实现生产过程的控制，如数控机床，工业机器人，生产流水线等，也可以用单片机作为它们的前端控制器使用。）。2.2、80C51单片机内部逻辑结构（问题：计算机5大基本组成部分指：CPU,RAM，ROM，I/O，中断系统？）2.2.180C51单片机内部逻辑机构图2-180C51芯片逻辑结构图⑴中央处理单元CPUCPU是单片机的核心，由运算器和控制器组成，完成运算和控制操作。（对照图2.1，CPU主要由运算部件（即运算器，由ALU,ACC,B,TEMP1,TEMP2,PSW组成，）和控制部件（PC,PC+1寄存器，指令寄存器IP，指令译码器ID，定时控制电路和振荡电路）（PC：用于外部取指令时所需要的地址，从ROM中取出指令代码，送到指令寄存器，再经过指令译码器，变成单片机内部的时序控制信号，这些信号对该条指令应该完成的操作的内部相应部件起作用，以完成对应的操作。执行程序就是不断重复这个过程）⑵内部数据寄存器即图中的RAM，内部数据寄存器包括了128字节×8位的RAM和RAM地址寄存器。