1.2 任务2 初识单片机——内部结构

任务描述

本任务的目标是要掌握单片机的基本组成部分和单片机的工作过程，以及MCS-51系列单片机有哪些内部资源，外部引脚有什么样的功能。

任务分析

在本任务中我们应从以下几个方面去认识单片机：

（1）单片机的基本组成和工作过程。

（2）单片机的主要组成部分及作用。

（3）单片机的外部引脚及其功能。

任务讨论

请同学们根据任务1的演示信息解决以下问题：

（1）单片机工作起来的硬件基础是什么？

（2）单片机的工作过程是什么？

1.2.1 MCS-51单片机简述

MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了许多品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其他单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。INTEL公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其他公司，所以有很多公司在生产8051为核心的单片机。当然，其功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。以后我们将用89C51、89S51来完成一系列的实验。

1.MCS-51系列单片机分类

MCS-51系列单片机分为两大系列，即51子系列与52子系列。这两大系列单片机的主要硬件特性如表1.1所示。

51子系列：基本型，根据片内ROM的配置，对应的芯片为8031、8051、8751、8951。

52子系列：增强型，根据片内ROM的配置，对应的芯片为8032、8052、8752、8952。

表1.1 51系列单片机的主要硬件特性

从上表中可以看到，8031、8031、8032、80C32片内是没有ROM的。对应着上表看，我们可以发现，51系列的单片机的RAM大小为128B，52系列的RAM大小为256B，51系列的计数器为两个16位计数器，52系列的计数器为三个16位计数器。51系列的中断源为5个，52系列的中断源为6个。

2.8051与80C51的区别

80C51单片机是在8051的基础上发展起来的，即在单片机的发展过程中是先有8051，然后才有80C51。

8051单片机与80C51单片机从外形看是完全一样的，其指令系统、引脚信号、总线等完全一致（完全兼容），即在8051下开发的软件完全可以在80C51上应用，反过来，在80C51下开发的软件也可以在8051上应用。这两种单片机是完全兼容的。

既然这两种单片机外形及内部结构都一样，那它们之间的主要差别在哪里呢？

8051与80C51单片机的主要差别就在于芯片的制造工艺上。80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进。8051系列单片机采用的是HMOS工艺：高速度、高密度；80C51系列单片机采用的是CHMOS工艺：高速度、高密度、低功耗。80C51单片机是一种低功耗单片机。

1.2.2 单片机的工作过程

一个完整的计算机是由硬件和软件两部分组成的，缺一不可。上面所述为计算机的硬件部分，是看得到、摸得着的实体部分，但计算机硬件只有在软件的指挥下，才能发挥其效能。计算机采取“存储程序”的工作方式，即事先把程序加载到计算机的存储器中，当启动运行后，计算机便自动进行工作。

计算机执行程序是一条指令一条指令执行的。执行一条指令的过程分为三个阶段：取指令、指令译码与执行指令。每执行完一条指令，自动转向下一条指令的执行。

1.取指令

根据程序计数器中的地址，到程序存储器中取出指令代码，并送到指令寄存器中。

2.指令译码

指令译码器对指令寄存器中的指令代码进行译码，判断出当前指令代码的工作任务。

3.执行指令

判断出当前指令代码任务后，控制器自动发出一系列微指令，指挥计算机协调地动作，完成当前指令指定的工作任务。

1.2.3 8051单片机的内部结构

如图1.2所示，8051单片机由中央处理器CPU（运算器和控制器、存储器（RAM和ROM）、I/O口（P0、P1、P2、P3）以及特殊功能寄存器SFR、定时器/计数器、中断系统、时钟电路、串行口以及总线等构成。那么这些功能单元的作用是什么呢？其实我们可以把单片机和人对比一下，就可以明白了！

单片机像人一样，有它最重要的部分——大脑，即CPU，由它完成计算、控制等操作。单片机的四个I/O口就像人的大脑获取外界信息的渠道一样，由它来完成信息的传送，即单片机通过P0、P1、P2、P3口和CPU之间进行数据的传送。单片机的RAM就像人计算时的稿纸一样用来存放中间结果，而ROM就像人做记录的笔记本一样，用来存放程序。而时钟电路就像人确定时间的手表一样，单片机通过时钟电路产生一定周期的矩形波来确定时间。定时器就像我们的闹钟一样用来实现定时，计数器就像我们的计算器一样用来实现计数功能。而串行口就像我们的手机一样用来实现单片机与单片机之间的通信。而中断就像我们的报警装置可以对一些紧急情况进行监控。

1.CPU

单片机的核心部分是CPU，由运算器、控制器和布尔（位）处理器组成。8051单片机的CPU是8位数据宽度的微处理器。

（1）运算器。运算器主要由8位算术逻辑运算单元ALU、8位累加器ACC、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW和暂存寄存器等组成。运算器主要负责算术运算、逻辑运算和位操作运算，包括：累加器（ACC）、程序状态字（PSW）、暂存器、B寄存器等部件。

① 累加器ACC。累加器为8位寄存器，是程序中最常用的专用寄存器，在指令系统中累加器的助记符为A。大部分单操作数指令的操作取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数也取自累加器。加、减乘和除等算术运算指令的运算结果都存放在累加器A或AB寄存器中，在变址寻址方式中累加器被作为变址寄存器使用。在MCS－51中由于只有一个累加器，而单片机中的大部分数据操作都是通过累加器进行的，故累加器的使用是十分频繁的。

② B寄存器。B寄存器为8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B，其中B为乘数，乘法结果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除数取自A，除数取自B，除法的结果商数存放于A，余数存放于B中。在其他指令中，B寄存器也可作为一般的数据单元来使用。

③ 算术/逻辑部件。算术/逻辑部件ALU是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，由加法器和其他逻辑电路（移位电路和判断电路等）组成。在控制信号的作用下，完成算术加、减、乘、除和逻辑与、或、异或等运算，以及循环移位操作、位操作等功能。

④ 程序状态字PSW。程序状态字是一个8位寄存器，它包含程序的状态信息。在状态字中，有些位状态是根据指令执行结果，由硬件自动完成设置的，而有些状态位则必须通过软件方法设定。PSW中的每个状态位都可由软件读出，PSW的各位定义如表1.2所示。

表1.2 PSW的各状态位定义

a.CY：进位标志位。在执行某些算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清零。在算术运算中它可作为进位标志，在位运算中，它作为累加器使用，在位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进位标志位。

b.AC：辅助进位标志。进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置“0”。在进行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。

c.用户标志位。该位为用户定义的状态标记，用户根据需要用软件对其置位或清零，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。

d.RS1和RS0：寄存器区选择控制位。该两位通过软件置“0”或“1”来选择当前工作寄存器区，如表1.3所示。

e.OV：溢出标志位。当执行算术指令时，由硬件置位或清零来指示溢出状态。在带符号的加减运算中，OV＝1表示加减运算结果超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（－128～＋127），即运算结果是错误的，反之，OV＝0表示运算正确，即无溢出产生。

无符号数乘法指令MUL的执行结果也会影响溢出标志，若置于累加器A和寄存器B的两个数的乘积超过了255，则OV＝1，反之OV＝0。由于乘积的高8位存放于B中，低8位存放于A中，OV＝0则意味着只要从A中取得乘积即可，否则要从BA寄存器对中取得乘积结果。在除法运算中，DIV指令也会影响溢出标志，当除数为0时，OV＝1，否则OV＝0。

f.P：奇偶标志位。每个指令周期由硬件来置位或清零，用以表示累加器A中1的个数的奇偶性，若累加器中1的个数为奇数则P＝1，否则P＝0。

（2）控制器。控制器是CPU的大脑中枢，它包括：定时控制逻辑、指令寄存器、数据指针（DPTR）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、地址寄存器、地址缓冲器。

① 程序计数器：程序计数器（Program Counter，PC）用来存放下一条要执行的指令的地址。当按照PC所指的地址从存储器中取出一条指令后，PC会自动加l，即指向下一条指令。程序计数器PC是控制器中的一个重要部件，是一个16位的计数器，用于存放CPU所要执行的下一条指令的地址，可寻址范围为0000H～FFFFH。PC有自动加1功能，以实现程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行读写操作，但在复位、中断以及执行转移、调用和返回指令时会自动改变其内容，以改变程序的执行顺序。通俗来讲，PC是整个CPU的“指挥者”，PC指到哪，CPU就从那里开始执行程序。

② 堆栈指针：堆栈指针（Stack Pointer，SP）是指在片内RAM的l28B（52子系列为256B）空间中开辟的堆栈区的栈顶地址，并随时跟踪栈顶地址变化。堆栈是按先进后出的原则存取数据的，开机复位后，单片机栈底地址为07H。

③ 指令寄存器和指令译码器：指令寄存器和指令译码器（Instruction Register，IR）的功能是对将要执行的指令进行存储和译码。当指令送入指令寄存器后，对该指令进行译码，即把指令转变成所需的电平信号，CPU根据译码输出的电平信号，使定时控制电路产生执行该指令所需的各种控制信号，以便计算机能正确地执行指令所要求的操作。

④ 数据指针：由于8051系列单片机可以外接64KB的数据存储器和I/O接口电路，故在单片机内设置了l6位的数据指针寄存器（Data Pointer，DPTR）。它可以对64KB的外部数据存储器和I/O进行寻址，DPTR可分为高8位数据指针寄存器（DPH）和低8位数据指针寄存器（DPL），地址分别为83H和82H。

（3）布尔（位）处理器。在8051单片机系统中，与字节处理器相对应，还特别设置了布尔（位）处理器，主要进行位操作运算。

2.存储器

如图1.3所示，8051在物理结构上有4个存储空间：片内程序存储器，0000H～0FFFH；片外程序存储器（可扩展），0000H～FFFFH；片内数据存储器：00H～FFH；片外数据存储器（可扩展），0000H～FFFFH。

从用户使用的角度上，MSC-51有3个存储空间：片内外统一编址的64 KB程序存储器空间（用16位地址），256 B片内数据存储器空间（用8位地址），64KB片外数据存储器地址空间。

3.并行输入/输出端口

8051单片机有4个8位I/O口（P0、P1、P2和P3），以实现CPU与片外数据的并行输入/输出。

4.定时器/计数器

8051单片机有2个16位的可编程定时器/计数器，以实现定时、延时和计数功能。

5.中断系统

8051单片机有5个中断源，即2个外部中断、2个定时器/计数器中断和1个串行口中断，采用高级和低级两个优先级管理。

6.串行口

8051单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据通信。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位寄存器使用。

1.2.4 单片机的引脚

图1.4所示为单片机的引脚及其逻辑符号，共有电源及晶振引脚（共4只），控制引脚（共4只），输入/输出引脚（共32只）。

其功能分别为：

（1）电源及晶振引脚。如图1.5所示。VCC（40脚）：+5V电源引脚；VSS（20脚）：接地引脚；XTAL1（19脚）：外接晶振引脚（内置放大器输入端）；XTAL2（18脚）：外接晶振引脚（内置放大器输出端）。

（2）控制引脚。如图1.6所示。RST/VPD（9）为复位/备用电源引脚：当RST（RESET）端保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，单片机完成复位操作。VPD为内部RAM的备用电源输入端，当主电源VCC一旦发生断电或电压降到一定值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使VCC上电后能继续正常运行。

（30）为地址锁存使能输出/编程脉冲输入：在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0送出的低8位地址信号，还可以固定输出振荡频率的脉冲，可作为脉冲信号源使用。用于8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。

（29）：输出访问片外程序存储器读选通信号引脚。当访问外部ROM时，产生负脉冲作为外部ROM的选通信号。

/VPP（31）。片内、外ROM选择控制引脚/编程电源输入引脚。=0：访问外部程序存储器，外部程序存储器的地址从0000H开始到FFFFH（64KB）；=1：访问片内与片外程序存储器，CPU先执行内部数据存储器的指令，地址从0000H到0FFFH（4KB），然后执行外部数据存储器的指令（超过4KB时），地址为1000H到FFFFH。由于8031无内部ROM所以必须接地。VPP为8751 EPROM的21V编程电源输入端。

（3）并行I/O口引脚。共计4×8=32个引脚，其中，P0.0～P0.7（39～32脚）为P0口I/O引脚，或数据线/低8位地址总线复用引脚；P1.0～P1.7（1～8脚）为P1口I/O引脚；P2.0～P2.7（21～28脚）为P2口I/O引脚，或高8位地址总线引脚；P3.0～P3.7（10～17脚）为P3口I/O引脚。此外，每个引脚都有第二功能。