單片機(jī)的基本組成

單片機(jī)的基本組成在講單片機(jī)的組成之前我們先來(lái)說(shuō)一下大家都熟知的計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)匈牙利籍?dāng)?shù)學(xué)家馮.諾依曼提出的“程序存儲(chǔ)”和“二進(jìn)制運(yùn)算”的思想。1、二進(jìn)制運(yùn)算決定了計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。二進(jìn)制運(yùn)算包括二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算（邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)是邏輯代數(shù)，又稱布爾代數(shù)）。邏輯量只表示兩種不同的狀態(tài)，可以對(duì)應(yīng)電子線路中的電阻高低、二極管、三極管的通斷等。因此，二進(jìn)制運(yùn)算決定了計(jì)算機(jī)可以由電子元器件，特別是集成電路組成。程序存儲(chǔ)決定了軟件控制硬件工作。因此，計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括硬件和軟件兩部分。計(jì)算機(jī)的工作原理：由輸入設(shè)備將軟件送入存儲(chǔ)器，然后由控制器逐條取出存儲(chǔ)器中的控制軟件，并運(yùn)行，再將運(yùn)行結(jié)果送到輸出設(shè)備。3、計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)根據(jù)以上思路，計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入設(shè)備、輸出設(shè)備組成。圖1.1.1計(jì)算機(jī)經(jīng)典結(jié)構(gòu)圖對(duì)經(jīng)典結(jié)構(gòu)中各部分有機(jī)組合，就構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)。由于各部分的具體電路（元器件及元器件的組合方式）不同，又形成了各種應(yīng)用形態(tài)。微型計(jì)算機(jī)（Microcomputer）組成及應(yīng)用形態(tài)微型計(jì)算機(jī)組成將經(jīng)典結(jié)構(gòu)中的運(yùn)算器、控制器組合在一起，再增加一些寄存器等，集成為一個(gè)芯片，這個(gè)芯片稱為微處理器（Microcontroller），即CPU(CenterProcessingUnit)。這樣微型計(jì)算機(jī)就由CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出（I/O）接口組成。再配以輸入/輸出（I/O）設(shè)備和軟件，就構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱微型計(jì)算機(jī)。圖1.1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖應(yīng)用形態(tài)（1）系統(tǒng)機(jī)（多版機(jī)）微處理器CPU、存儲(chǔ)器、I/O端口電路和總線接口等組裝在一塊主板上，再通過(guò)系統(tǒng)總線和外設(shè)適配卡連接鍵盤、顯示器、打印機(jī)等，再配上系統(tǒng)軟件就構(gòu)成了一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖1.1.3微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖這就是辦公室、家庭使用的PC機(jī)的典型形態(tài)。由于較大的存儲(chǔ)容量（存儲(chǔ)器、硬盤、軟盤、光盤等），輸入、輸出設(shè)備齊全，而且軟件豐富（系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件），能夠進(jìn)行海量計(jì)算和應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。(2)單板機(jī)將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口芯片和簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備等裝配在一塊線路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中）就構(gòu)成了單板機(jī)。圖1.1.4單板機(jī)結(jié)構(gòu)圖實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)就是單板機(jī)的典型形態(tài)：由于有硬件和軟件，能獨(dú)立運(yùn)行，但I(xiàn)/O設(shè)備簡(jiǎn)單，特別是軟件資源少（只有監(jiān)控程序），不能應(yīng)用于海量計(jì)算和大型應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，主要用于計(jì)算機(jī)原理教學(xué)和簡(jiǎn)單的測(cè)試（調(diào)試）系統(tǒng)。三單片機(jī)將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路集成到一塊芯片上，這個(gè)芯片稱為單片機(jī)。積的高八位和除法的余數(shù)。4）程序狀態(tài)字PSW(programstatusword)a)定義：程序狀態(tài)字PSW也是八位二進(jìn)制寄存器b)功能：用來(lái)存放指令執(zhí)行后的狀態(tài)（程序設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)狀態(tài)來(lái)控制程序執(zhí)行）。PSW中有的位的值（狀態(tài)），通常是在執(zhí)行指令的過(guò)程中由硬件電路自動(dòng)形成的，如：CY,AC,OV,P位，有的也可以根據(jù)需要采用位送指令加以改變，如：FO,RSI,RSO位。各位的定義如下：PSWCYACFORSIRSOOV__P其中：CY(carry)：進(jìn)位標(biāo)志位，用于表示加減運(yùn)算過(guò)程中最高位（累加器A7）有無(wú)進(jìn)位或借位。有進(jìn)位或借位CY=1,否則CY=0。AC(auxiliarycarry)：輔助進(jìn)位標(biāo)志位，用于表示加減運(yùn)算中累加器低四位（A3）有無(wú)向高四位(A4)進(jìn)位或借位，有：AC=1,無(wú)：AC=0。F0（FLAGZERO）：用戶標(biāo)志位。它是用戶根據(jù)需要通過(guò)傳送指令確定的，用于決定用戶程序的流向。RS1,RS0：寄存器組選擇位，即它控制（選擇）了當(dāng)前使用的寄存器組，也就是它確定了當(dāng)前使用寄存器組的物理地址。在MCS-51的片內(nèi)存儲(chǔ)器中，有32個(gè)8位寄存器，但這32位寄存器只給出了8個(gè)寄存器的地址。R0-----R7(通常用Rn表示)。為了用這8個(gè)地址表示32個(gè)寄存器（存儲(chǔ)空間），只能將這32個(gè)寄存器進(jìn)行分組，即分成4組。這樣，用R0-----R7，即Rn就可以表示這4組中的任意一組中的一個(gè)寄存器（均是8位的）。也就是說(shuō)通過(guò)分組后，從邏輯上能用Rn把它們區(qū)分開(kāi)來(lái)。如R0-代表（第0組的）第一個(gè)寄存器，則R5就表示（第0組的）第六個(gè)寄存器。故將Rn稱為這32個(gè)工作寄存器的邏輯地址?！斑壿嫛备拍畹膶?shí)質(zhì)就是各組之間相互區(qū)分與屏蔽，達(dá)到方便保護(hù)其中數(shù)據(jù)的目的。但是，用Rn只能區(qū)分某一組中的8個(gè)寄存器，具體使用了哪一組，還要其他條件，即RS1RS0。既然共有四組，可用22表達(dá)。故可以通過(guò)改變RS1和RS0的值決定哪一組的R0-----R7。這對(duì)我們進(jìn)行程序設(shè)計(jì)是非常有利的。OV（overflow）溢出標(biāo)志位：提示運(yùn)算結(jié)果是否發(fā)生了溢出，即累加器A中運(yùn)算結(jié)果是否超出了其能表示的數(shù)的范圍，即－128——＋127，由機(jī)器執(zhí)行過(guò)程中自動(dòng)形成。溢出OV=1,否則OV=0。人們可以根據(jù)OV的狀態(tài)判斷結(jié)果是否正確。計(jì)算公式為：OV＝CPCS＝CP*＋*CS其中CP為最高進(jìn)位位，CS是次高進(jìn)位位。P(Pority):奇偶標(biāo)志位。用于指示運(yùn)算結(jié)果中“1”的個(gè)數(shù)的奇偶行。機(jī)器執(zhí)行中自動(dòng)形成。若“15）堆棧指針SP(STACKPOINTER)a)定義：SP是一個(gè)8位寄存器，能自動(dòng)加“1”或減“b)功能：專門用來(lái)寄放堆棧的棧頂?shù)刂?。MCS－51中，在片內(nèi)RAM中設(shè)置了一個(gè)特殊的存儲(chǔ)區(qū)。CPU對(duì)這個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)存取時(shí)必須按照“先進(jìn)后出”或“后進(jìn)先出”的原則進(jìn)行。這樣的特殊存儲(chǔ)區(qū)域稱為堆棧。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)堆棧中數(shù)據(jù)的操作，芯片設(shè)計(jì)者在CPU中設(shè)計(jì)了一個(gè)堆棧指示器SP,存放堆棧元頂?shù)刂?。SP具有自動(dòng)加“1”或減“18051的片內(nèi)共有128B的RAM存儲(chǔ)單位，地址范圍為00H～FFH，原則上，這個(gè)區(qū)域中的任何子域都可以作為堆棧區(qū)。實(shí)際應(yīng)用中，常使用30H-7FH中的部分空間作為堆棧區(qū)。堆棧在片內(nèi)RAM中的具體物理位置，由堆底決定?？梢杂孟铝兄噶疃x：movsp,#data這樣就定義了從data+1～7FH為堆棧區(qū)6）數(shù)據(jù)指針DPTR(DATAPOINTER)a)定義：DPTR是一個(gè)16位寄存器，由兩個(gè)8位寄存器DPH和DPL拼接而成。b)功能：用來(lái)存放片內(nèi)ROM的地址，也可用來(lái)存放片內(nèi)外RAM和ROM的地址。存儲(chǔ)器MCS-51的存儲(chǔ)器不僅有ROM和RAM之分，而且有片內(nèi)和片外之分。MCS-51片內(nèi)存儲(chǔ)器集成在芯片內(nèi)部，是MCS-51的一個(gè)組成部分；片外存儲(chǔ)器是外按的專用存儲(chǔ)器芯片。MCS-51只提供地址和控制命令，需要通過(guò)印刷電路板上三總線才能聯(lián)機(jī)工作。在物理上設(shè)有4個(gè)存儲(chǔ)空間片內(nèi)程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)空間ROM片外程序存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間RAM片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MCS-51對(duì)這些空間的存?。ㄔL問(wèn)）是通過(guò)不同的控制信號(hào)和不同的指令進(jìn)行的。故這4個(gè)物理空間在邏輯上，又可以劃分為3個(gè)邏輯空間，即：片內(nèi)，片外統(tǒng)一編址的64KROM片內(nèi)128B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，＋SFR片外，64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間MCS-51存儲(chǔ)器的地址分配是教材P24,圖2.12和圖2.13片內(nèi)RAM：80C51片內(nèi)RAM共有128B存儲(chǔ)單元，分為工作寄存器區(qū)（00H—1FH）,位尋地址（20H—2FH）和通用寄存器區(qū)（30H—7FH）。工作寄存器用Rn(R0-R7)進(jìn)行邏輯區(qū)分，再配合RS1,RS0位尋地址（P27表2.3）的16個(gè)單元具有雙重功能，它們既可以進(jìn)行字節(jié)存取，又可以進(jìn)行位存取。進(jìn)行位存取時(shí)，位地址的表示方法有兩種，一種就是直接分配給每一位一個(gè)特定的地址（16×8＝128位）故其地址范圍為00H—7FH,見(jiàn)P27表2.3；另一種方法是采用字節(jié)地址和位數(shù)相結(jié)合的方法表示某一位地址，如09H這個(gè)位可以表示成21H.1。在MCS-51單片機(jī)中，還設(shè)置21個(gè)特殊功能寄存器(SFR)。特殊功能寄存器（SPECIALFUNETINREGIDTER）是MCS-51的各功能部件的狀態(tài)及控制寄存器。SFR綜合的，實(shí)際的反映了整個(gè)單片機(jī)的基本系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)及工作方式。它們與片內(nèi)RAM統(tǒng)一編址，它們離散地分布在80H-FFH的地址空間中，字節(jié)地址能被8整除的（即十六進(jìn)制的地址碼尾數(shù)為0或8的）單元可以進(jìn)行字節(jié)尋址或位尋址。訪問(wèn)SFR只允許用直接尋址方式，而且地址的表示方法也只能用符號(hào)地址或物理地址（即要用寄存器的名稱符號(hào)，而不是寄存器號(hào)。如累加器的名稱符號(hào)為ACC,它的寄存器號(hào)為A）。P28表2.4。I/O端口 I/O端口，也稱為I/O接口或I/O通路功能：是MCS-51與外部實(shí)現(xiàn)控制和交換的通道，分為并行端口和串行端口。（1）并行I/O端口80C51有4個(gè)I/O端口，分別為P0—P3,它們都有雙向功能每個(gè)端口都有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。4個(gè)鎖存器與端口名稱相同，皆為SFR中的一個(gè)。由于4個(gè)端口的結(jié)構(gòu)不同，它們的功能和作用也不同，通常P0口作為低8位地址輸出口，同時(shí)又可以用作數(shù)據(jù)輸入/輸出口，故其后一般跟一個(gè)地址鎖存器對(duì)低位地址鎖存。P2口作為高8位地址輸出口，還可以用作譯碼控制信號(hào)。P1口常用作通用I/O口，為CPU傳送用戶數(shù)據(jù)。P3口除作為通用I/O端口外，還具有第二功能。P29表2－5當(dāng)4個(gè)口作為通用的I/O口是，共有三種操作方式，其含義為：寫端口：即寫到端口，就是把CPU中的A或其它寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到端口鎖存器中，然后由端口自動(dòng)輸出到引腳線上。讀端口：即讀出端口，就是把端口鎖存器中的數(shù)據(jù)輸送到累加器A中。讀引腳：即讀出引腳，就是把引腳上的外部數(shù)據(jù)輸送到內(nèi)部。讀引腳時(shí)一定要先關(guān)斷端口，即先將端口鎖存器置位，這樣鎖存器的輸出使驅(qū)動(dòng)器T3截止，引腳上的信號(hào)就可以通過(guò)三態(tài)緩沖器輸入到內(nèi)部總線上。故讀引腳時(shí)，必須同時(shí)有兩條指令：ORLP1,#0FFHMOVA,P1（2）串行I/O端口80C51是具有一個(gè)全雙工可編程串行I/O端口。故可以由TXD串行發(fā)出，又可以由RXD串行接收。它們都利用了P3口的第二功能：RXD（P3.0）,TXD(P3.1)。接收器發(fā)射器注：串行通信的三種方式：接收器發(fā)射器1）、單工方式：數(shù)據(jù)只能向一個(gè)方向傳輸。2）、半雙工方式：允許數(shù)據(jù)向兩個(gè)方向傳輸，但不能同時(shí)傳輸，只能交替進(jìn)行。因此，可以利用一條傳輸線進(jìn)行兩個(gè)反方向的數(shù)據(jù)傳送。發(fā)射器接收器發(fā)射器接收器發(fā)射器接收器發(fā)射器接收器、全雙工方式：數(shù)據(jù)可以同時(shí)向兩個(gè)相反方向傳輸，因此，需要兩條獨(dú)立的數(shù)