• 简介

单片机即单片机微型单片机，是将单片机主机(CPU、 内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微型机。 单片机又称微控制器(MCU)。 单片机具有三高优势(集成度高、可靠性高、性价比高)。

• 单片机的历史

第一阶段，初级单片 机阶段。以Intel公司的MCS-48为代表 第二阶段（1978～1983）：高性能单 片机阶段。以MCS-51系列为代表 第三阶段（1988年～）：8位单片机， 巩固、完善及16位单片机推出阶段。 以MCS-96系列为代表

• 单片机的发展趋势

CPU的改进：采用双CPU结构，以提高处理能力。增加数据总线宽度。采用流水线结构。 存储器的发展：加大存储容量。片内EPROM开始FLASH化。程序保密化。 片内I/O的改进：增加并行口的驱动能力。增加I/O口的逻辑控制功能。通信及网络功能加强。 集成更多的外围电路： 引脚的多功能： 低功耗： 专用型单机发展加快：

• 单片机主要技术指标

字长：8位机、16位机、32位机。 内存容量：1K=2^10=1024，1M=2^20 运算速度：时钟频率、主频、每秒运算次数 内存存取周期：50nS 、70nS 、200nS 。

• 单片机运算基础

• MCS-51单片机的结构与原理

一个8位CPU； 片内振荡和定时电路； 128B内部RAM（00H～7FH）； 4个8位并行I/O口； 2个16位可编程定时/计数器； 一个全双工串行口； 5个中断源(可编程为两个优先级)； 22个SFR（除PC外,其余21个分散在 80H～FFH之间） 堆栈深度可达80B（30H～7FH）； 16B（128位，20H～2FH）可位寻址区

• CPU内部结构

算术逻辑运算单元ALU (8位) 寄存器阵列： 1、工作寄存器R0～R7 (8位）：暂存运算数据和中间结果。4个工作寄存器区，工作寄存器0区～3区。每个区均 含8个寄存器R0～R7 。用PSW中的两位PSW.4和PSW.3来切换工作寄存器区，选用一个工作寄存器区进行读写操作。 2、累加器Acc(8位)：需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过A累加器。 3、寄存器B(8位)：与A累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄存器。 4、程序状态字PSW(8位)：存放ALU运算过程的标志状态，Cy AC F0 RS1 RS0 OV — P 5、数据指针DPTR(16位)：存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。可分成 两个8位寄存器DPH、DPL使用。 6、堆栈指针SP(8位)：堆栈是按“先进后出”原则存取数据的存储区。MCS-51堆栈设在片内RAM区。数据入栈/出栈时， SP自动加1/减 1，其内容始终为栈顶地址。复位时 SP=07H。 7、程序计数器PC(16位)：CPU总是按PC的指示读取程序。PC可自动加1。因此CPU执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序 调用、中断和复位等操作，PC被强制改写，程序执行顺序也发生改变。复位时，PC=0000H。

• 8051存储器结构

程序存储器 在MCS-51的指令系统仅有两条： MOVC A，@A+DPTR MOVC A，@A+PC 复位后，程序计数器PC的内容为0000H MCS-51最多可外扩64K字节程序存储器 数据存储器 从00H～1FH的32B单元是4个工作寄存器组。 地址20H～2FH的16B共128位，是可位寻址的内部RAM区，它们既可字节寻址， 亦可位寻址。 其他80B是只能按字节寻址的内部RAM区，为用户区。 MCS-51单片机的堆栈安排在内部RAM内，堆栈 的深度以不超过内部RAM的空间为限。

• 堆栈

堆栈是一种只允许在其一端进行数据 插入和删除操作的一种数据结构。数据 存取为“后进先出” 。 堆栈功能：保护断点和现场信息。 堆栈的建立：MCS-51的堆栈是设置在内部RAM 30H～7FH空间中，栈底为低地址单元，堆栈指针为SP。

• 特殊功能寄存器SFR

SFR区部分寄存器功能介绍如下： 程序计数器（PC、16位）:存放将要执行的指令地址。 累加器（ACC、8位）：存放数据或中间结果。 B寄存器（8位）：主要用于乘、除运算。 数据指针（DPTR、16位）：存放外部数据存储器的地址。 程序状态字（PSW、8位）：用于寄存程序运行的状态信息。 标志位功能： CY：（1）执行算术运算时，最高位向前 进位或借位时,CY为1；否则，CY为0。（2）在位操作中,作“位”累加器。 AC:用于十进制调整。当低四位向高四位进位或借位时，AC为1；否则AC为0。 F0：供用户定义的标志位,可以用指令置位或复位,用以控制程序的转向。 OV:（1)在带符号数的加减运算中,结果产生溢出,OV=1；否则，OV=0。（2)在乘法运算中,乘积超过255,OV=1, 表示积存放在B与A中；否则，OV=0,表示积只存放在A中。（3)在除法运算中,当除数为0时，OV=1， 除法无意义。 P：累加器A中数的奇偶性，若A中“1”的 个数为奇数，则P=1；否则，P=0。

• 对专用寄存器的两点说明

(1) 单片机的22个专用寄存器中,有21个 是可按字节寻址的（PC除外）。这些字 节地址不连续的分散在内部RAM存储空间 的高128B中,剩余的空闲地址不允许用户使用。 (2) SFR只能使用直接寻址方式来访问它们,书写时既可使用寄存器名,也可使用寄存器单元地址。

• 具有位寻址能力专用寄存器

在21个特殊功能寄存器中，有11个特殊功能寄存器具有位寻址能力，它们的字节地址正好能被8整除，其十六进制地址的末位， 只能是0H或8H。

• 外部数据存储器

MCS-51外部数据存储器寻址空间为64KB MCS-51同外部数据存储器的指令有4条： MOVX A，@Ri MOVX A，@DPTR MOVX @Ri， A MOVX @DPTR，A R0，R1为8位寄存器，寻址范围256B，DPTR为16位的数据指针，寻址范围64KB。

• I/O端口

MCS-51有4个双向的8位并行I/O口：P0～P3 每一个口都有一个8位的锁存器 复位后它们的初始状态为全“1” P0口是三态双向口:既可作为并行I/O口，也可作为数据总线口。当外部扩展了存储器或I/O端口，则只能作数据 总线和地址总线低8位。 P1口是专门供用户使用的I/O口，是准双向接口 P2口是准双向接口，既可作为并行I/O口，也可作为地址总线高8位口。当外部扩展了存储器或I/O端口，则只能作地址总线高8位 P3口是准双向口，又是双功能口。该口的每一 位均可独立地定义为第二功能，作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口相同。 P1，P2，P3口内部均有上拉电阻，当它们用作输入方式时，对应的口锁存器必须先“置”1 P0口内部没有上拉电阻，当它作为通用I/O时， 外接上拉电阻，在用作地址/数据线时，不必外加上拉电阻 P0口的每位输出可驱动8个LSTTL负载，P1-P3 口可驱动4个LSTTL负载。

• 复位电路

复位后PC值为0000H，故复位后的程序入口地址为0000H； 复位后PSW=00H，使片内存储器中选择0区工作寄存器，用户标志为F0为0状态； 复位后SP=07H，设定推栈栈底为07H； 复位后的P1，P2，P3口锁存器全为1状态，使 这些准双向口皆处于输入状态; 内部RAM不受复位的影响。 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，在加电瞬间，RST端出现一定时间的高电平， 直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

• CPU时序

MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。 CPU执行一条指令的时间称为指令周期，它是 以机器周期为单位的，MCS-51典型的指令周 期为一个机器周期。 每个机器周期由6个状态周期组成，每个状态周期由2个振荡周期组成，状态周期即S1、S2、 S3、S4、S5、S6，而每个状态周期由两个节拍Pl，P2组成。 大多数8051指令执行时间为一个机器周期， MUL（乘法）和DIV（除法）需要4个机器周期。

• CPU引脚功能

双列直插式封装（DIP，Dual Inline Package 方形封装（PLCC，Plastic Leaded Chip Carrier

• 引脚功能

端口线（4×8 = 32条） 1）P0.0-P0.7         2）P1.0-P1.7          3）P2.0-P2.7           4）P3.0-P3.7 电源线(2条)：    VCC为+5V电源线，VSS为地线 控制线(6条)： ALE／PROG ：地址锁存允许／编程线 EA／VPP：允许访问片外存储器／编程电源线 PSEN：片外ROM选通线 RST／VPD：复位／备用电源线 XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入/输出线

1. ALE／PROG ：地址锁存允许／编程线

配合P0口引脚的第二功能使用 ，用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器 在不访问片外存储器时，MCS-51自动在 ALE线上输出频率为fosc／6的脉冲序列。 该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉 冲源使用。 它可以在对8751片内EPROM编程／校验时传送5ms宽的负脉冲。

1. EA／VPP:允许访问片外存储器／编程电源线

控制MCS-51使用片内ROM还是使用外ROM。 若=1，则允许使用片内ROM； 若=0，则只能使用片外ROM。 对8751的EA／VPP用于在片内EPROM编程/ 校验时输入21V或12.5V编程电源。

1. PSEN:片外ROM选通线

执行访问片外ROM的指令MOVC时， 自动在线上产生一个负脉冲，用于为片外 ROM芯片的选通(相当于读信号RD)。其 他情况下，线均为高电平封锁状态。

1. RST／VPD:复位／备用电源线

使CPU处于复位(即初始化)工作状态。 复位有上电自动复位和人工按钮复位两种 RST／VPD的第二功能是作为备用电源输入端。 当主电源VCC，发生故障而降低到规定低电平 时，RST／VPD线上的备用电源自动投入，以保证片内RAM中信息不丢失。

1. XTAL1和XTAL2：

片内振荡电路输入/输出线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接片内 OSC的定时反馈回路，

• 单片机的工作方式

复位方式： 单片机在开机时都需要复位，以便CPU以及 其他功能部件都处于一个确定的初始状态， 并从这个状态开始工作，RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，持续时间要有24个 时钟周期以上，若时钟频率为12MHz，则复位脉冲宽度至少 应为2µS。 程序执行方式：单步执行方式 、连续执行方式 单步执行方式是指按一次单步执行键就执行一 条用户指令的方式。 单步执行方式常常用于用户程序的调试。 单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。 连续执行方式是单片机都需要的一种工作方式 被执行程序可以放在片内或片外ROM中，由于复位后程序计数器PC＝0000H，可以预先在0000H处放一条转移指令，以便跳转到 0000H～0FFFFH中的任何地方执行程序。 节电方式：待机方式 、掉电保护方式   EPROM的编程和校验方式