51单片机基本概念

一、中央处理器（CPU）,随机存储器（RAM），只读存储器（ROM）,定时器\计数器以及I\O接口，串并通信等接口电路的功能集成与一块电路芯片的微型计算机。单片机硬件系统仍然依照体系结构：包括CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储器)、ROM(程序存储器）、输入设备和输出设备、内部总线等。由于一块尺寸有限的电路芯片实现多种功能，所以制作上要求单片机的高性能，结构简单，工作可靠稳定。单片机软件系统包括监控程序，中断、控制、初始化等用户程序。一般编程语言有汇编语言和C语言，都是通过编译以后得到机器语言（二进制代码）。典型单片机有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Philip、Motorola、AVR等。MCS-51为主流，52系列是增强版；MSP430为低功耗产品，功能较强；EM78为低功耗产品，价格较低；PIC为低电压、低功耗、大电流LCD驱动、低价格产品；Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。AVR为高速、低功耗产品，支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。二、开发步骤：1.设计单片机系统的电路（最小系统和外围电路）2.利用软件开发工具（例如：PIC系列的MaplabIDE，MCS-51系列的Keilc51）编辑程序，通过编译得到.hex的机器语言。3.利用单片机仿真系统（例如：Protus）对单片机最小系统以及设计的外围电路，进行模拟的硬软件联合调试。4.借助单片机开发工具软件烧写设备将仿真中调试好的.hex程序拷到单片机的程序存储器里面。(在线下载)5.根据设计搭建单片机系统。MCS-51单片机的组成：CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储器)、ROM(程序存储器）、I/O口(串口、并口）、内部总线和中断系统等。组成框图如下：1.中央处理器（CPU）组成：运算器、控制器。8051的CPU包含以下功能部件：（1）8位CPU。（2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。（3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。（4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。（5）2个16位可编程定时器/计数器。（6）32个（4×8位）双向可独立寻址的I/O口。（7）1个全双工UART（异步串行通信口）。（8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。（9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz～12MHz的时钟频率。（10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。（11）111条指令，大部分为单字节指令。（12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。（1）运算器组成：8位算术逻辑运算单元ALU（ArithmeticLogicUnit）、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（ProgramStatusWord）、8位暂存寄存器TMP1和TMP2等。功能：完成算术运算和逻辑运算。（2）控制器组成：程序计数器PC（ProgramCounter）、指令寄存器IR（InstructionRegister）、指令译码器ID（InstructionDecoder）、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路。功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。MCS-51的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又有片内和片外之分。（1）程序存储器一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。可寻址空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。（2）数据存储器一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。片外RAM：最大范围：0000H～FFFFH，64KB；用指令MOVX访问。片内RAM：最大范围：00H～FFH，256B；用指令MOV访问。又分为两部分：低128B（00～7FH）为真正的RAM区，高128B（80～FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。如右图所示。内部RAM的20H～2FH单元为位寻址区，既可作为一般单元用字节寻址，也可对它们的位进行寻址。位地址为00H～7FH。CPU能直接寻址这些位（称MCS-51具有布尔处理功能）特殊功能寄存器（SFR）MCS-51有21个特殊功能寄存器（也称为专用寄存器），包括算术运算寄存器、指针寄存器、I/O口锁存器、定时器/计数器、串行口、中断、状态、控制寄存器等，它们被离散地分布在内部RAM的80H～FFH地址单元中（不包括PC），共占据了128个存储单元，构成了SFR存储块。其字节地址可被8整除的SFR可位寻址。SFR反映了MCS-51单片机的运行状态。（1）程序计数器PC（ProgramCounter）程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于SFR存储器块。PC是一个16位的计数器，专门用于存放CPU将要执行的指令地址（即下一条指令的地址），寻址范围为64KB，PC有自动加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序（2）累加器A（Accumulator）累加器A是8位寄存器，又记做ACC，是一个最常用的专用寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。（3）寄存器B寄存器B是8位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也作通用寄存器用。（4）工作寄存器内部RAM的工作寄存器区00H～1FH共32个字节被均匀地分成四个组（区），每个组（区）有8个寄存器，分别用R0～R7表示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1还经常用于间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器（PSW）第3、4位设置工作寄存器区。（5）程序状态字PSW（ProgramStatusWord）程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其定义格式如下页表所示。Cy：进借位标志；AC：辅助进借位标志；F0：用户标志；RS1、RS0：工作寄存器组（区）选择（如下表所示）；OV：溢出标志位，有溢出时置1；P：奇偶标志位。A中有奇数个1时置1。（6）数据指针DPTR（DataPointer）数据指针DPTR是16位的专用寄存器，即可作为16位寄存器使用，也可作为两个独立的8位寄存器DPH（高8位）、DPL（低8位）使用。DPTR主要用作16位间址寄存器，访问程序存储器和片外数据寄存器。（7）堆栈指针SP（StackPointer）堆栈是一种数据结构，是内部RAM的一段区域。堆栈存取数据的原则是“后进先出”。堆栈指针SP是一个8位寄存器，用于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。MCS-51单片机的堆栈地址向大的方向变化（与微机堆栈地址向小的方向变化相反）。系统复位后，SP初值为07H，实际应用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针SP进行初始化，一般设置SP为60H。设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时断点和现场的保护与恢复。（8）I/O口专用寄存器（P0,P1,P2,P3）8051片内有4个8位并行I/O接口P0,P1,P2和P3，在SFR中相应有4个I/O口寄存器P0,P1,P2和P3。（9）定时器/计数器（TL0,TH0,TL1和TH1）MCS-51单片机中有两个16位的定时器/计数器T0和T1，它们由4个8位寄存器（TL0,TH0,TL1和TH1）组成，2个16位定时器/计数器是完全独立的。可以单独对这4个寄存器进行寻址，但不能把T0和T1当做16位寄存器来使用。（10）串行数据缓冲器（SBUF）串行数据缓冲器SBUF用于存放需要发送和接收的数据，它由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器SBUF进行的。（11）其他控制寄存器除上述外，还有IP,IE,TCON,SCON和PCON等几个寄存器，主要用于中断、定时和串行口的控制。4．I/O接口I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力。8051内部有4个8位并行接口P0,P1,P2,P3，有1个全双工的可编程串行I/O接口。5．定时器/计数器8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器，均为二进制加1计数器，分别命名为T0和T1。T0和T1均有定时器和计数器两种工作模式。在定时器模式下，T0和T1的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经12分频后提供。在计数器模式下，T0和T1的计数脉冲可以从P3.4和P3.5引脚上输入。对T0和T1的控制由定时器方式选择寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON完成。6．中断系统中断：指CPU暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执行中断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。中断系统：指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。中断源：指能产生中断请求信号的源泉。8051可处理5个中断源（2个外部，3个内部）发出的中断请求，并可对其进行优先权处理。外部中断的请求信号可以从P3.2,P3.3（即和）引脚上输入，有电平或边沿两种触发方式；内部中断源有3个，2个定时器/计数器中断源和1个串行口中断源。8051的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级控制器IP等电路组成。MCS-51系列单片机中，各类单片机都是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。8051单片机有40个引脚，分为端口线、电源线和控制线三类。2．端口线P0～P3口：4×8=32条。（1）P0口（P0.0～P0.7）8位双向三态I/O口，可作为外部扩展时的数据总线/低8位地址总线的分时复用口。又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动8个TTL负载。对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，P0口用于输入/输出数据。（2）P1口（P1.0～P1.7）8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为通用I/O口。每个引脚可驱动4个TTL负载。（3）P2口（P2.0～P2.7）8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为外部扩展时的高8位地址总线。又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动4个TTL负载。对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，用来接收高8位地址。（4）P3口（P3.0～P3.7）8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻。它是双功能复用口，作为通用I/O口时，功能与P1口相同，常用第二功能。每个引脚可驱动4个TTL负载。作为第二功能使用时，各位的作用如下页表所示。3．控制线（1）RST/VPDRST/VPD引脚是复位信号/备用电源线引脚。当8051通电时，在RST引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。（2）ALE/地址锁存允许/编程引脚。当访问外部程序存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节，以便P0口实现地址/数据复用。当不访问外部程序存储器时，ALE端将输出一个1/6时钟频率的正脉冲信号。ALE/是复用引脚，其第二功能是对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，此引脚传送52ms宽的负脉冲选通信号，程序计数器PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令码放到P0口上，由CPU读入并执行。（3）/VPP允许访问片外程序存储器/编程电源引脚。对于片内无程序存储器的MCS-51单片机（如8031），必须接地。片内有程序存储器的MCS-51单片机（如8051），必须接高电平。/VPP是复用引脚，其第二功能是片内EPROM编程/校验时的电源线，在编程时，VPP脚需加上21V的编程电压。（4）XTAL1和XTAL2XTAL1脚为片内振荡电路的输入端，XTAL2脚为片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在XTAL1和XTAL2脚外接石英晶体（