单片机基础原理阐述

Posted 2023-03-03 Mr song song

一.单片机概述

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。单片机为工业测控而设计，又称微控制器(MCU)。

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把 具有数据处理能力的中央处理器CPU、 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器 等功能集成到一块硅片上 构成的一个小而完善的微型计算机系统。因此，单片机只需要有适当的软件和外部设备，便可组成为一 个单片机控制系统。

二.单片机结构原理

8051 系列单片机的主要功能如图：

1 .数据存储器 (RAM) ：片内为 128B 字节的 RAM ，片外最多可外扩至 64KB 。

2 .程序存储器 (ROM / EPROM) ： 8031 无此部件; 8051 为 4K ROM ; 8751 则为 4K EPROM。片外最多可外扩至 64K 字节。

3 .中断系统：具有 5 个中断源(其中内部 3 个，外部 2 个)， 2 级中断优先权。

4 .定时器 / 计数器： 2 个 16 位的定时器/计数器，具有四种工作方式。

5 .串行口： 1 个全双工的串行口，具有四种工作方式。

6 . P1 口、 P2 口、 P3 口、 P0 口：为 4 个并行 8 位 I / O 口。

7 .特殊功能寄存器 (SFR) ： 8051 有 128 个特殊功能寄存器寻址空间，有 21 个 SFR ，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的 RAM区。

8 .微处理器 (CPU) ：为 8 位的 CPU ，且内含一个 1 位 CPU( 位处理器 ) ，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。

三.单片机硬件系统结构

MCS-51 系列单片机主要包括 算术/逻辑部件 ALU 、 累加器 A(有时也称 ACC) 、 只读存储器 ROM、随机存储器 RAM 、 指令寄存器 IR 、 程序计数器 PC 、 定时器/计数器 、 I/O 接口电路 、 程序状态寄存器PSW 、 寄存器组 ，此外，还有 堆栈寄存器 SP ， 数据指针寄存器 DPTR 等部件。这些部件集成在一块芯片上， 通过内部总线连接 ，构成完整的微型计算机。如下图所示:

1.运算部件

运算部件包括 算术逻辑部件 ALU、位处理器、累加器 A、寄存器 B、暂存器以及程序状态字 PSW 寄存器 等。该模块的功能是实现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。

ALU 的功能 十分强，它不仅可对 8 位变量进行逻辑“与”“或”、“异或”、循环、求补和清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。 ALU 还具有一般微处理器的 ALU 所不具备的功能，即位处理操作，它可对位 (bit) 变量进行位处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。

累加器 A 是一个 8 位的累加器：从功能上看，它与一般微处理器的累加器相比没什么特别之处，但需要说明的是 A 的进位标志 Cy 是特殊的，因为它同时又是位处理器的一位累加器。

寄存器 B 是为执行乘法和除法操作设置的，在不执行乘、除法操作的一般情况下可把它当作一个普通寄存器使用。

MCS-51 系列单片机的 程序状态寄存器 PSW ，是一个 8 位可读写的寄存器，它的不同位包含了程序状态的不同信息。

CY (PSW.7)进位标志位 ，在执行算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清除，在位处理器中，它是位累加器。

AC (PSW.6)辅助进位标志位 ，当进行加法或减法操作而产生由低 4 位数向高 4 位进位或借位时，AC将被硬件置 1 ，否则就被清除。

F0 (PSW.5)标志位 ，它是由用户使用的一个状态标志位，可用软件来使它置位或清除，也可以靠软件测试 FO 以控制程序的流向。编程时，该标志位特别有用。

rs1、RS0 (PSW.4、PSW.3)寄存器区 选择控制位 1 和 0 ，这两位用来选择 4 组工作寄存器区。

OV (PSW.2)溢出标志位 。当执行算术指令时，由硬件置 1 或清 0 ，以指示溢出状态。

PSW.1 是保留位 ，未用。

P (PSW.0)奇偶标志位 。每个指令周期都由硬件来置位或清除，以表示累加器 A 中值为 1 的位数的奇偶数。若为奇数，则 P=l ，否则 P=0 。此标志位对串行口通讯中的数据传输有重要的意义，常用奇偶的方法来检验数据传输的可靠性。

2.控制部件

控制部件是单片机的神经中枢， 以主振频率为基准(每个主振周期称为振荡周期) ，控制器控制 CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环节组织在一起。

四.存储器结构

程序存储器和数据存储器具有各自独立的寻址方式、寻址空间和控制信号。

MCS-51 的存储器结构如图 所示 (内部数据 RAM 的高 128B 仅为 52 子系列单片机拥有，51 子系列无)

MCS-51 系列( 8031 和 8032 除外)有 4 个物理上相互独立的存储器空间，即内、外程序存储器和内、外数据存储器。逻辑上分为三个存储空间，即 片内外统一编址的 64K 字节的程序存储器地址空间 、 256B 字节的片内数据存储器 以及 64K 字节的片外数据存储器地址空间 (可扩展数据 RAM 或I/O 接口)。