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單片機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

單片機(jī)概述

微型計(jì)算機(jī)的組成

微處理器、存儲(chǔ)器加上I/O接口電路組成微型計(jì)算機(jī)。各部分通過地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB）相連。

微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用形態(tài)

? 從應(yīng)用形態(tài)上，微機(jī)可以分成三種：

多板機(jī)（系統(tǒng)機(jī)）

? 系統(tǒng)機(jī)（桌面應(yīng)用）屬于通用計(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動(dòng)化及輔助設(shè)計(jì)。 單板機(jī)單片機(jī)（單芯片微型計(jì)算機(jī)）

單片機(jī)（嵌入式應(yīng)用）屬于專用計(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng)。

單片機(jī)體積小、價(jià)格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對(duì)于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

單片機(jī)的特點(diǎn)

控制性能和可靠性高體積小、價(jià)格低、易于產(chǎn)品化 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

智能儀器儀表機(jī)電一體化產(chǎn)品實(shí)時(shí)工業(yè)控制分布式系統(tǒng)的前端模塊家用電器 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)介

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)

正確無誤的硬件設(shè)計(jì)和良好的軟件功能設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)用的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。完成這一目標(biāo)的過程稱為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。 單片機(jī)作為一片集成了微型計(jì)算機(jī)基本部件的集成電路芯片，與通用微機(jī)相比，它自身沒有開發(fā)功能，必須借助開發(fā)機(jī)（一種特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）來完成如下任務(wù)：

排除應(yīng)用系統(tǒng)的硬件故障和軟件錯(cuò)誤程序固化到內(nèi)部或外部程序存儲(chǔ)器芯片中 指令的表示形式

指令是讓單片機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。在單片機(jī)中，指令按一定的順序以二進(jìn)制碼的形式存放于程序存儲(chǔ)器中。為了書寫、輸入和顯示方便，人們通常將二進(jìn)制的機(jī)器碼寫成十六進(jìn)制形式。 匯編或編譯 符號(hào)指令要轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的機(jī)器碼并存入計(jì)算機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，這種轉(zhuǎn)換稱為匯編。常用的匯編方法有三種：

手工匯編利用開發(fā)機(jī)的駐留匯編程序進(jìn)行匯編交叉匯編現(xiàn)在人們還可以常常采用高級(jí)語言（如C51）進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。這種方法具有周期短、移植和修改方便的優(yōu)點(diǎn)，適合于較為復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)傳統(tǒng)開發(fā)方式

利用獨(dú)立型仿真器開發(fā)

利用非獨(dú)立型仿真器開發(fā)

51單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)核

51 單片機(jī)內(nèi)核

1.8051是51系統(tǒng)單片機(jī)中的典型產(chǎn)品，8051單片機(jī)主要參數(shù)及功能如下：

·8 位 CPU ·4kbytes 程序存儲(chǔ)器(ROM) (52 為 8K) ·128bytes 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM) （52 有 256bytes 的 RAM） ·32 條 I/O 口線 ·111 條指令，大部分為單字節(jié)指令 ·21 個(gè)專用寄存器 ·2 個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 ·5 個(gè)中斷源，2 個(gè)優(yōu)先級(jí)（52 有 6 個(gè)）

可以通過SFR中的IP來設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)別，默認(rèn)最高級(jí)別是外部中斷0，最低級(jí)別是串口中斷。如果將兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)都設(shè)為最高，則按照默認(rèn)的較高優(yōu)先級(jí)來執(zhí)行。程序在執(zhí)行較低優(yōu)先級(jí)中斷子程序的時(shí)候能夠響應(yīng)更高級(jí)別的中斷，但是在執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)中斷子程序的時(shí)候不能響應(yīng)同級(jí)別或更低級(jí)別的中斷。

·一個(gè)全雙工串行通信口 ·外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為 64kB ·外部程序存儲(chǔ)器尋址空間為 64kB ·邏輯操作位尋址功能 ·雙列直插 40PinDIP 封裝 ·單一+5V 電源供電 CPU：由運(yùn)算和控制邏輯組成，同時(shí)還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄 存器；

RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示 的數(shù)據(jù)； ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格； I/O 口：四個(gè) 8 位并行 I/O 口，既可用作輸入，也可用作輸出 T/C：兩個(gè)定時(shí)/記數(shù)器，既可以工作在定時(shí)模式，也可以工作在計(jì)數(shù)模式； 五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)； 一個(gè)全雙工 UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行 I/O 口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之 間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信； 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最佳振蕩頻率 為 6M—12M。

? 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下所示：

總線（BUS）是單片機(jī)各部件之間傳送信息的公共通道。單片機(jī)中有內(nèi)部總 線和外部總線兩類，內(nèi)部總線是 CPU 內(nèi)部之間的連線，外部總線是指 CPU 與其它 部件之間的連線；外部總線有三種: 數(shù)據(jù)總線 DB（Data Bus）,地址總線 AB （Address Bus）和控制總線 CBControl Bus）。

單片機(jī)的主要封裝

51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CPU結(jié)構(gòu)

單片機(jī)的定義

? 單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱，把各種功能部件包括中央處理器（CPU）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）、輸入輸出（I/O）單元、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行口等集成在一塊芯片上構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)。

51單片機(jī)的CPU結(jié)構(gòu)

MCS-51系列的8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖

? 中央處理器（CPU）是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算器和控制器的功能。主要由算術(shù)邏輯單元、定時(shí)控制部件和專用寄存器組三部分電路組成。

算術(shù)邏輯單元（ALU）

8位的ALU，可對(duì)4位、8位、16位數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。ALU由一個(gè)加法器、兩個(gè)8位暫存器和布爾處理器組成。程序可控制累加器A、寄存器B和寄存器組R0-R7控制ALU完成算術(shù)和邏輯運(yùn)算。

定時(shí)控制部件

組成：定時(shí)控制邏輯、指令寄存器和振蕩器組成。 作用：控制指令的執(zhí)行

第一步**取指**：指令寄存器IR：存放程序存儲(chǔ)器中取出的指令。

第二步**譯碼**：指令譯碼器通過定時(shí)控制邏輯對(duì)指令寄存器中的指令譯碼。

第三步**執(zhí)行**：在振蕩器配合下產(chǎn)生執(zhí)行指令所需的時(shí)鐘脈沖，從而完成指令的執(zhí)行。

? 3. 專用寄存器組

? 用于指示當(dāng)前要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址、存放操作數(shù)和指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)。

程序計(jì)數(shù)器PC，16位。

? PC是程序的字節(jié)地址計(jì)數(shù)器，PC內(nèi)容為將要執(zhí)行的指令地址。改變PC內(nèi)容，改變執(zhí)行的流向。它由兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器PCH、PCL組成。PC可對(duì)64KB的ROM直接尋址，也可對(duì)89C51片內(nèi)RAM尋址 。

累加器ACC，8位。

? 用于向ALU提供操作數(shù)，許多運(yùn)算的結(jié)果也存放在累加器中，是應(yīng)用最頻繁的寄存器。

寄存器B，8位。

? 主要用于乘、除法運(yùn)算。也可以作為RAM的一個(gè)單元使用。

?

在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，工作寄存器的內(nèi)存單元為1FH-00H+1即為31-0+1=32個(gè)，共分為0~3四個(gè)寄存器區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有8個(gè)寄存器 - 堆棧指針SP，8位。它總是指向棧頂。 堆棧操作遵循“先進(jìn)后出、后進(jìn)先出”的原則。 SP原先指向棧底。入棧操作時(shí)，SP先加1，數(shù)據(jù)再壓入SP指向的單元。出棧操作時(shí)， 先將SP指向的單元的數(shù)據(jù)彈出，然后，SP再減1，這時(shí)SP指向的單元是新的棧頂。可見，80C51單片機(jī)的堆棧區(qū)是向地址增大的方向生成的。 堆棧的作用：斷點(diǎn)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。

數(shù)據(jù)指針DPTR，16位。 用來存放16位的地址。由兩個(gè)8位的寄存器DPH和DPL組成。間接尋址或變址尋址可訪問片外的64KB范圍的RAM或ROM數(shù)據(jù)。 ### 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

51單片機(jī)單片機(jī)工作時(shí)序

時(shí)鐘電路

根據(jù)硬件電路的不同，單片機(jī)的時(shí)鐘連接方式可以分為內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘方式。 內(nèi)部振蕩方式：MCS-51單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。 外部振蕩方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)，接XTAL2引腳，XTAL1引腳接地。 ? 內(nèi)部時(shí)鐘 外部時(shí)鐘

機(jī)器周期及指令周期

? T狀態(tài)周期=2T振蕩周期，T機(jī)器周期=6T狀態(tài)=12T振蕩=12*1/fosc fosc為晶振頻率

? 12MHZ晶振的機(jī)器周期=12÷12000000=0.000001秒=1微秒

單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)

單片機(jī)復(fù)位后，PSW為0切記，當(dāng)前工作寄存器為0組。

堆棧指針SP重新指向棧底07H，P0~P3=FFH -的高阻態(tài)（既可輸入也可以輸出），其他都為0。

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