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第三章单片机技术

第一节单片机硬件结构

一、单片机的特点

将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及输入/输出（I/O）接口电路等计算机主要部件集成在一块芯片上，配置这种芯片的微型计算机称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），简称单片机。按CPU处理的数据长度，可分为8位、16位及32位单片机。

单片机在水电站中主要应用于数据采集、微机保护装置、智能交流电参数仪、温度巡检仪、微机测速装置等。单片机的特点如下：

（1）具有优异的性能价格比。高性能低价格是单片机最显著的一个特点。

（2）集成度高、体积小、可靠性高。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连续，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，由于其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣工业环境下工作。

（3）控制功能强。单片机的指令系统中有极丰富的转移指令、I/O接口的逻辑操作以及位处理功能，可以满足工业控制的要求。

（4）低电压、低功耗。许多单片机可在2.2V的电压下运行，有的工作电压甚至在1.2V或0.9V下；功耗降至为毫安，一粒纽扣电池就可以长期使用。

二、单片机的硬件结构

20世纪80年代Intel公司推出MCS—51系列单片机以来，该系列的产品已经发展了几十种型号，8051是最早、最典型的产品。Intel公司对该系列单片机采用技术开放的策略，很多公司如Philips、Siemens、Motorola、Zilog、OKI、MATRA—MHS、Atmel、Dallas等相继推出了以8051为基核的各种单片机产品。

Intel公司的MCS—51、MCS—96系列产品为主流单片机。其中，MCS—51的典型产品有8031、8051、8751。8051内部有4KB ROM，8751内部有4KB EPROM，8031片内无ROM，除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。本章以8051单片机为例介绍单片机技术。MCS—51系列的8051单片机的典型结构框图如图3-1所示。

MCS—51系列单片机的基本组成是由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等集成的一块芯片，片内（2）128B RAM数据存储器。

图 3-1 单片机的典型结构框图

（4）1个全双工的异步串行口。

（一）单片机的功能部件

各功能部件通过内部总线相互连接起来。其硬件资源如下：

（1）面向控制的8位CPU。

（3）32位双向输入/输出线。

（5）2个16位定时器/计数器。

（6）时钟发生器。

（7）可寻址64KB程序存储器和64KB外部数据存储器。

单片机的核心部件是一个8位的高性能的微处理器CPU，其主要功能是读入并分析每条指令，根据各指令的功能产生各种控制信号控制存储器、输入/输出端口的数据传送、算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。简单地说，CPU就是分析指令后，告诉单片机各部件在规定的时间做规定的事。CPU从功能上可分为运算器和控制器两部分。

1.控制器

控制器的功能是对来自程序存储器中的指令进行译码，在规定的时刻发出各种操作所需的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的功能。程序计数器PC是其重要的功能部件之一。

PC是一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址，具有自动加1的功能。当CPU要取指令时，PC的内容送地址总线上，从该地址的存储单元中取出指令后，PC内容则自动加1，指向下一条指令，为取下一条指令做准备，以保证程序按顺序执行。在执行转移、子程序调用指令和中断响应时PC的内容不再加1，而是由指令或中断响应过程自动给PC置入新的地址。单片机复位时，PC自动清零，即装入地址0000H，保证了单片机复位后，程序从0000H地址开始执行。

2.运算器

运算器由算术逻辑部件ALU、累加器Acc、寄存器B、暂存器、程序状态字寄存器PSW组成。其任务是完成算术和逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。

（1）累加器Acc。Acc是一个8位的寄存器，简称为A，通过暂存器与ALU相连。累加器A用于向ALU提供操作数和存放运算的结果。它是CPU工作中使用最频繁的寄存器，用来存一个操作数或中间结果。

（2）算术逻辑部件ALU。ALU是由加法器和其他逻辑电路等组成。单片机型号为8051的ALU功能极强，除用于对数据进行加、减、乘、除算术运算和与、或、异或、循环、求补等逻辑运算，还同时具有一般微机的ALU不具备的位处理功能。其运算结果的状态会影响PSW。

（3）程序状态字寄存器PSW。PSW是8位寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息，并可以进行位寻址。PSW各位的定义如下：

CY（PSW.7）：进位标志。在进行加法或减法运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”。在进行位操作时，CY又可以被认为是位累加器，其作用相当于CPU中的累加器A。

AC（PSW.6）：辅助进位标志。在进行加法或减法运算时，低4位向高4位产生进位或借位时，AC将由硬件置“1”，否则清“0”。AC位可用于BCD码调整时的判断位。

F0（PSW.5）：用户标志位。由用户置位或复位，可作为用户自行定义的一个状态标记。

RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：工作寄存器组指针。用来选择CPU当前工作的寄存器组。

OV（PSW.2）：溢出标志。在算术运算中产生溢出时，则由硬件将OV置“1”，否则清“0”。溢出是指运算结果超出了单片机所能表示的数据范围。例如有符号数字长为8位，最高位（D7）为符号位，用于表示正负号，数据有效位为7位，能表示-128至+127之间的数，若超出此范围即产生溢出。

例：0 1 0 1 0 1 0 0（+84）

上式中C_6Y=1，C_7Y=0，所以OV=C_6YC_7Y=10=1，结果为负数产生了正溢出。

在存储器MCS—51中，无符号数乘法指令MUL的执行结果也会影响溢出标志位。当置于累加器A和寄存器B中的两个乘数的积超过255（即0FFH）时，OV=1，否则为0。OV=1表示有溢出，溢出时积的高8位在B中，积的低8位在A中。因此，OV=0表示积没有超出255，B中无高位积，所以只要从A中取得乘积即可。OV=1时，从BA寄存器对中取得乘积。

除法指令DIV也会影响溢出标志位。当装在B中的除数为0（即B=0）时，OV=1，否则为0。

F1（PSW.1）：用户标志位。其用法同F0，由用户定义。

P（PSW.0）：奇偶标志位。该位始终跟踪累加器A内容的奇偶性。如果有奇数个“1”，则P置“1”，否则P清“0”。凡是改变累加器A中内容的指令均会影响P标志位。此标志位对串行口通信中的数据传输有重要的意义。在串行通信中常采用奇偶校验的办法来校验数据传输的可靠性。

（4）寄存器B。寄存器B在乘、除运算时用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果。在不进行乘、除运算时，可以作为通用寄存器使用。

3.存储器

MCS—51包括程序存储器ROM／EPROM和数据存储器RAM。它们相互独立，各有64K的寻址空间。

（1）程序存储器。在MCS—51中内部程序存储器（ROM/EPROM）和外部扩展程序存储器的地址是连续的，内部（4KB）为0000～0FFFH，外部（64KB）为1000～FFFFH。

（2）数据存储器。MCS—51内部RAM共有128个单元，地址为00H～7FH。MCS—51对内部RAM有丰富的位操作指令，编程非常方便。MCS—51可以扩展64KB的RAM或I/O口，即可满足一般应用系统的需要。

（3）特殊功能寄存器。MCS—51单片机共有21个特殊功能寄存器（SFR），用于专用寄存。例如A是累加器，其功能是进行算术运算。其他特殊功能寄存器有B、PSW、SP、DPTR、IP、IE、P0～P3、TMOD、TCON、TH0、TL0、TH1、TL1、SCON、SBUF、PCON。

4.并行口和串行口

（1）并行口。MCS—51内部有4个并行口P0、P1、P2、P3，每个口有8条I/O线，共32条线。具体详见引脚功能一节。

（2）串行口。单片机内部含有一个可编程全双工串行通信接口。其帧格式可为8位、10位或11位，且波特率可以程控设定。单片机的串行口由串行口控制寄存器SCON、发送电路和接收电路3部分组成。通过引脚RXD（P3.0，串行数据接收端）和引脚TXD（P3.1，串行数据发送端）与外界进行通信。

5.定时/计数器

MCS—51单片机内部有两个16位可编程定时/计数器T0和T1，分别由两个8位寄存器组成，高8位分别为TH0和TH1，低8位分别为TL0和TL1。T0和T1由特殊功能寄存器TMOD和TCON来控制。其中每个定时/计数器可以设置为定时器作定时用，或设置为计数器作计数用。也可以设定其他工作方式，CPU通过软件编程来进行这些设定。

（1）工作模式寄存器TMOD。TMOD寄存器用来设置T0 和T1工作模式、定时/计数方式及其他引脚信号对定时/计数器的影响等。其字节地址为89H，格式和意义如图3-2所示。其中，低4位用于设置T0，高4位用于设置T1。

图 3-2 TMOD各位定义

各位的功能为：

1）工作模式控制位M0和M1控制4种工作模式，见表3-1。

2）定时器/计数器工作方式选择位。，定时器/计数器设置为计数方式，计数器的输入信号分别来自外部引脚T0（P3.4），T1（P3.5）；，定时器/计数器设置为定时方式，计数来自8051片内脉冲，即对机器周期计数。

表 3-1 M1 M0控制的4种工作方式

3）门控位GATE。GATE=0时，允许软件控制位TR0或TR1启动定时器；GATE=1时，定时器/计数器的工作受到外部引脚（P3.2）和（P3.3）的影响，仅当=1时，才能启动定时器/计数器1或0工作。

TMOD不能进行位寻址，只能用字节传送指令进行定义，低4位定义定时器0，高4位定义定时器1。复位时，TMOD所有位均清零。

（2）定时器控制寄存器TCON的高4位与定时器/计数器有关，分别用来控制定时器/计数器的启动、溢出。低4位与外部中断有关，其字节地址为88H，可以位寻址，各位定义见表3-2。

表 3-2 TCOM各位定义

6.中断系统

MCS—51的中断系统结构如图3-3所示。由中断请求标志位，中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP及内部硬件查询电路组成。

图 3-3 MCS—51的中断系统结构

MCS—51单片机有5个中断源。其中，2个外部中断源（P3.2）和（P3.3）；3个内部中断源包括T0和T1的溢出中断源及串行口发送/接收中断源（TX/RX）。这5个中断源可分为2个中断优先级，其中断请求信号的产生如下：

（1）：外部中断0和外部中断1，中断请求信号分别由P3.2、P3.3引脚输入。请求信号的有效电平由IT0和IT1设置，一旦输入信号有效，则将TCON中的IE0或IE1标志位置1，可向CPU申请中断。

（2）T0和T1：定时器0和定时器1中断。当T0或T1计数器加1计数产生溢出时，则将TCON中的TF0或TF1标志位置1，向CPU申请中断。

（3）TX和RX：串行口的发送和接收中断。当串行口发送或接收完一帧数据时，将SCON中TI或RI标志位置1，向CPU申请中断。

当某个中断源的中断请求被CPU响应之后，CPU将自动把此中断源的中断入口地址输入程序计数器PC，MCS—51单片机各中断源的入口地址是固定的，见表3-3。

表 3-3 MCS—51单片机中断源的入口地址

（二）单片机的引脚功能

图 3-4 MCS—51系列单片机芯片引脚图

MCS—51系列单片机是40引脚双列直插式封装（DIP）的VLSI芯片，其引脚如图3-4所示。

下面分别说明40条引脚的功能。

（1）主电源引脚：V_SS和V_CC。

V_SS（20脚）：接地。

V_CC（40脚）：接主电源+5V，正常操作和对EPROM编程及验证时均接+5V电源。

（2）外接晶振引脚：XTAL1和XTAL2。

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）是接外部晶振的两条引脚。采用外部振荡器时，XTAL1引脚接地，XTAL2引脚作为外部振荡信号的输入端。

（3）控制信号引脚：RST/V_PD、ALE/。

1）RST/V_PD（9脚）是单片机复位/备用电源引脚。在引脚上输入两个机器周期的高电平将使单片机复位。表3-4为复位后各寄存器的状态。

表 3-4 复位后各寄存器的状态

注 1.表中带有“*”号者是特殊功能寄存器。

2.“×”为任意值。

当芯片在使用中V_CC电压突然下降或为0（称掉电或失电），此引脚可接上备用电源（即V_PD接+5V备用电源）。这样能保护片内RAM中的信息不丢失，恢复供电后能继续正常运行。

2）（30脚）是地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。当访问片外存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存低字节的地址信号。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性的出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

对于EPROM型单片机（8751）片内EPROM编程期间，ALE引脚用于输入编程脉冲。

3）（29脚）是输出访问片外程序存储器的读选通信号。CPU在由片外程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。每当访问片外数据存储器时，这两次有效的信号将不会出现。端同样可以驱动8个LSTTL负载。

4）（31脚）是内部与外部存储器选择端/片内EPROM编程电压输入端。当端输入高电平时，CPU可访问片内程序存储器4KB的地址范围。4KB以上的地址，CPU将自动转向访问片外程序存储器；当端输入低电平时，则只能访问片外程序存储器。型号为8031的单片机无片内程序存储器，必须使用片外扩展程序存储器，所以端应接地。