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1、第1章 51单片机结构及工作原理,1.1 微型计算机基础,1.2 51单片机的基本组成和功能,1.3 51单片机的内部结构,1.4 51系列单片机的工作方式,1975年，美国Texas Instruments公司成功研制了世界上第一台单片机，它的出现是计算机技术发展史上的一个里程碑，从此，计算机技术不仅在数值处理方面得到了进一步的发展，而且在智能化控制领域里也得到了迅猛的发展，并占有越来越重要的地位。51系列单片机是目前应用最广泛的单片机，该系列单片机简单易学，具有丰富的指令系统和高级语言编译系统。本章重点介绍单片机的基本概念、特点、结构以及工作方式等。,第1章 51单片机结构及工作原理,1.
2、1 微型计算机基础,1单片机的发展单片机的全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），它是将组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、基本输入/输出接口（I/O接口）、定时器/计数器以及串行通信接口等部件有机地结合在一块集成芯片中，构成一台完整的微型计算机，因此单片机又可以称为微处理器（Microcontroller Unit）。一个完整的单片机如图1-1所示。,2.单片机的特点,（1）采用哈佛结构体系（2）采用面向控制的指令系统（3）引脚功能复用（4）片内随机存储器做寄存器（5）类型齐全（6）功能通用,3
3、.单片机的发展趋势,（1）CPU的改进（2）存储器的改进（3）片内I/O的改进（4）外围电路的集成（5）低功耗,1.1.2 计算机中的数制及相互转换,1数制所谓的数制，是指数的制式，是人们利用符号计数的一种科学方法。数制有很多种，微型计算机中常用的数制有十进制、二进制、八进制和十六进制四种。,1.2 51单片机的基本组成和功能,51是Intel公司在1980年推出的8位高档单片机系列，是我国目前应用最广泛的一种单片机系列。51系列单片机的片内RAM容量、I/O端口系统扩展能力以及指令系统和CPU的处理功能都非常强，尤其是51单片机系列所特有的布尔处理机，在逻辑处理与控制方面有着突出的性能。该系
4、列单片机适合用于时控制、智能仪器仪表、自动机床、智能接口、总线实时分布式控制以及通用测控单元等领域。由于51系列单片机体积小、功能全、价格低廉、面向控制、开发应用方便，因此具有极强的竞争力。,1.2.1 51系列单片机的主要功能,51系列单片机芯片有许多种，如等，其中以8051/80C51为核心，其他型号的单片机产品都是在此基础上发展起来的，主要功能基本相同，指令系统完全兼容，仅在内部结构和应用特性方面稍有差异。51系列单片机的主要功能如下：（1）8位CPU（2）片内128KB RAM（3）片内4KB ROM/EPROM（4）特殊功能寄存器区（5）2个优先级的5个中断源结构（6）4个8位并行I
5、/O口（P0P3）（7）2个16位定时器/计数器（8）全双工串行口（9）布尔处理器（10）64KB外部数据存储器地址空间（11）64KB外部程序存储器地址空间（12）片内振荡器及时钟电路,1.2.2 51系列单片机基本结构,51单片机的基本功能总体结构框图如图所示。,1.2.3 51系列单片机外部引脚,P3口线的第二功能,1.3 51单片机的内部结构,1.3.1 中央处理单元,中央处理单元（CPU）是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性，由运算器和控制器两大部分组成。,1运算器运算器是单片机的运算部件，用于实现算术逻辑运算、位变量处理、移位和数据传送等功能，以算术逻辑单元ALU为
6、核心，加上累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字PSW以及十进制调整电路和专门用于位操作的布尔处理器组成。,2控制器控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、数据指针DPTR、堆栈指针SP以及定时控制与条件转移逻辑电路等。它负责对来自存储器中的指令进行译码，并通过定时和控制电路在规定的时刻发出各种操作所需要的控制信号，使各部件协调工作，完成指令所规定的操作。,1.3.2 存储器,在存储单元的设计上，单片机的共同特点是将程序存储器ROM和数据存储器RAM分开，它们有各自的寻址机构和寻址方式，51系列单片机片内集成了一定容量的程序存储器ROM（8031/803
7、2/80C31系列单片机除外，片内无ROM）和数据存储器RAM，同时还具有强大的外部存储扩展能力。51系列单片机存储器配置如图1-13所示。,64KB的程序存储器ROM中有7个地址具有特殊功能，即复位入口地址或系统程序启动地址PC=0000H和5种中断入口地址，如表1-5所示。,1.3.3 定时器/计数器,51单片机内有两个16位可编程的定时器/计数器：T0和T1。T0中包含两个8位寄存器：TH0和TL0，其中，TH0为高8位，TL0为低8位；T1的结构和T0类似，也包含两个8位寄存器TH1和TL1，其中，TH1为高8位，TL1为低8位，TH0、TL0、TH1和TL1都为特殊功能寄存器SFR，
8、用户可以通过指令对其进行操作。T0和T1有定时器和计数器两种工作模式，在每种模式下又分为若干工作方式。在定时器模式下，T0和T1的计数脉冲可以由单片机的时钟脉冲经过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。T0和T1包含两个8位的特殊功能寄存器，一个为定时器方式选择寄存器TMOD，用于确定工作模式（即定时器模式还是计数器模式），另一个为定时器控制寄存器TCON，用于确定定时器/计数器的启动、停止以及中断控制。每种工作模式下又分为四种工作方式，主要功能如下。工作方式0：13位计数器。工作方式1：16位计数器。工作方式2：自动重装8位计数器。工作方式3
9、：T0分为两个8位计数器，T1停止计数。,I/O端口又称为I/O接口，是51单片机对外部实现控制和信息交换的通道，I/O口有串行和并行两种，其中，串行口一次只能传送一位二进制信息；并行口一次可以传送一组（如8位、16位等）二进制信息。,1.3.4 I/O口,51系列单片机提供了5个中断源，分为2个优先级，其中，中断源的中断要求是否得到响应受允许中断寄存器IE控制；优先级由中断优先级寄存器IP确定；同一优先级内的各中断源同时要求中断时，还要通过内部的查询逻辑来确定响应的次序；不同的中断源有不同的中断矢量。,1.3.5 中断系统,优先级结构,1.4 51系列单片机的工作方式,1.4.1 时钟和时钟
10、电路,内部方式时钟电路51单片机片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1和 XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端，时钟可以由内部方式或外部方式产生。,1.4.2 CPU时序,51单片机典型的指令周期（执行一条指令的时间称为指令周期）为一个机器周期，一个机器周期由6个状态（12个振荡周期）组成。每个状态又被分成两个时相P1和P2。所以，一个机器周期可以依次表示为S1P1，S1P2，S6P1，S6P2。通常算术逻辑操作在P1时相进行，而内部寄存器传送在P2时相进行。图1-20给出了51单片机的取指和执行指令的定时关系。这些内部时钟信号不能从外部观察到，使用XTAL2振荡信号作为参考。
11、在图中可看到，低8位地址的锁存信号ALE在每个机器周期中两次有效：一次在S1P2与S2P1期间，另一次在S4P2与S5P1期间。,图1-20 51单片机取指令和执行指令的时序,1.4.3 复位状态和复位电路,复位是单片机的初始化操作，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。（1）内部复位结构51单片机的RST引脚为复位端，该引脚连续保持2个机器周期（24个时钟振荡周期）以上的高电平，可使单片机复位。51单片机的内部复位结构如图1-21所示。内部复位电路在每一个机器周期的S5P2期间采样斯密特触发器的输出端，斯密特触发器可以抑制RST引脚的噪声干扰。复位期间不产
12、生ALE和 信号，并且内部RAM处于不断电状态，其中的数据信息不会丢失。复位后单片机内部各寄存器的内容见表1-9。复位后，只影响SFR中的内容，内部RAM中的数据不受影响。,图1-21 51单片机的内部复位结构,（2）外部复位单片机在启动后，要从复位状态开始运行，因此，上电时要完成复位工作，称为上电复位，如图1-22所示，上电瞬间电容两端的电压不能发生突变，RST端为高电平+5V，上电后电容通过RC电路放电，RST端电压逐渐下降，直至低电平0V，适当选择电阻、电容的值，使RST端的高电平维持2个机器周期以上即可以完成复位。单片机在运行过程中，由于本身或外界干扰的原因会导致出错，这时可按复位键以
13、重新开始运行，按键电平复位和上电复位的原理是一样的，都是利用RC电路的放电原理，让RST端能保持一段时间的高电平，以完成复位。按键电平复位时，按键时间也应保持在两个机器周期以上。按键电平复位电路如图1-23所示，RC电路放电过程如图1-24所示，电平复位过程如 图1-25所示。,图1-22 上电复位电路,图1-23 按键电平复位电路,图1-24 RC电路放电过程,图1-25 电平复位过程,本章主要分为四部分，第一部分是微型计算机基础知识，主要介绍了单片机的发展概况，并阐述了计算机中的数制及其相互转换的关系，重点介绍了二进制数的运算和计算机中数的表示方法；第二部分为51单片机的基本组成和功能，介
14、绍了51单片机的主要功能特点，重点介绍了51单片机的基本结构和外部引脚；第三部分为51单片机的内部结构，重点介绍了51单片机的中央处理单元和存储器，并对其构成单元逐一进行介绍，介绍了定时器/计数器、I/O接口和中断系统的基本概念；最后一部分介绍了51单片机的工作方式，对51单片机的时钟和时钟电路、时序以及复位状态和复位电路进行了介绍。,151单片机主要由哪些逻辑功能部件组成？各组成部分的功能如何？251单片机中常使用的有哪些数制？它们之间是如何相互转换的？351单片机内部RAM区的功能结构如何分配？4何谓程序状态字PSW？简述其中各位的含义。551单片机如何实现工作寄存器组的选择？6什么是堆栈？数据是如何进栈和出栈的？7复位的作用是什么？复位后51单片机的状态如何？,
