單片機基本原理

• 51系列單片機簡介
• MCS-51系列單片機的結構原理
• • MCS-51系列單片機的基本組成
  • MCS-51系列單片機的內部結構
  • 51系列單片機的中央處理器
  • • 運算部件
    • 控制部件
  • MCS-51系列單片機的存儲器結構
  • • 程序存儲器
    • 數據存儲器
  • MCS-51系列單片機的輸入輸出接口
• 51系列單片機的外部引腳及片外總線
• • 外部引腳
  • 片外總線結構
• 51系列單片機的工作方式
• • 復位方式
• 51系列單片機的時序
• • 時鐘周期、機器周期和指令周期

51系列單片機簡介

MCS-51系列單片機是美國Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機，它包含51和52兩個子系列。

對于51子系列，主要有8031，8051，8751三種機型，它們的指令系統與芯片引腳完全兼容，僅片內程序存儲器有所不同。8031芯片不帶ROM，8051芯片帶4KB的ROM，8751芯片帶4KB的EPROM。
對于52子系列，有8031、8052、8752三種機型。52子系列與51子系列相比大部分相同，不同之處在于：片內數據存儲器增至256B；8032芯片不帶ROM，8052芯片帶8KB的ROM，8752芯片帶8KB的EPROM ;有3個16位定時/計數器；6個中斷源。

MCS-51系列單片機的結構原理

MCS-51系列單片機的基本組成

MCS-51系列單片機的內部結構

它集成了中央處理器（CPU）、存儲器系統（RAM和ROM）、定時\計數器，并行接口、串行接口、中斷系統及一些特殊功能寄存器（SFR）。他們通過內部總線緊密地聯系在一起。它的總體結構仍是通用cpu加上外圍芯片的總線結構。只是在功能部件的控制上與一般微機的通用寄存器加接口寄存器控制不同，CPU與外設的控制不再分開，采用特殊功能寄存器集中控制，使用更方便。

51系列單片機的中央處理器

運算部件

以算術邏輯運算單元ALU為核心，包含累加器ACC（A）、B寄存器、暫存器1、暫存器2、標志寄存器PSW等部件。
邏輯運算單元ALU：8位的運算器，可以實現算術運算、邏輯運算，數據傳輸、程序轉移等功能。
累加器ACC（A）：參與絕大多數運算處理。
寄存器B稱為輔助寄存器：輔助累加器ACC（A）完成乘法和除法運算。
標志寄存器PSW：用于保存指令執行的狀態，以供程序查詢和判別；4位狀態標志和2位控制標志。

其中RS0和RS1是寄存器組選擇位，用軟件置1或清0。在51單片機中為了彌補CPU寄存器的不足，在片內數據存儲器中用了32個字節作寄存器使用。，這32個字節分成4組，每組8個，用寄存器R0~R7表示，這兩位用于從4組工作寄存器中選定當前的工作寄存器組。

控制部件

控制部件：包括定時和控制電路、指令寄存器、指令譯碼器、程序指針PC、PC增量器、堆棧指針SP、數據指針DPTR以及信息傳送控制部件等。
程序指針寄存器PC是一個16位的寄存器，8051單片機通過PC控制從程序存儲器取指令。
堆棧指針寄存器SP，8位，用于控制對堆棧空間進行操作，堆棧空間位于片內數據存儲器。
數據指針寄存器DPTR，16位，DPTR作指針控制對片外64KB數據存儲器進行訪問。可分為高8位（DPH）和低8位（DPL）。

MCS-51系列單片機的存儲器結構

MCS-51系列單片機的存儲結構與一般微機的存儲結構不同，采用哈佛結構，，分程序存儲器ROM和數據存儲器RAM。程序存儲器存放程序、固定常數和數據表格，數據存儲器用作工作區及存放數據，兩者完全分開。

程序存儲器

注意，對于51單片機程序存儲器的64KB存儲空間，使用時有7個特殊的地址，即復位地址和各種中斷地址，復位地址占3個單元，其他的中斷地址占8個單元，中斷地址的8個單元用于存放中斷服務程序往往不夠用，通常會放一條絕對轉移指令，轉到真正的中斷服務程序。

6個中斷入口地址之后是用戶程序區，用戶可以把用戶程序放在用戶程序區的任一位置，一般我們把用戶程序放在從0100H開始的區域 。

數據存儲器

數據存儲器用于存取程序執行時所需的數據，它從物理結構上分為片內數據存儲器和片外數據存儲器。這兩個部分在編址和訪問方式上各不相同，其中片內數據存儲器又可分成多個部分，采用多種方式訪問。

1、片內數據存儲器
MCS -51系列單片機的片內數據存儲器可分為片內隨機存儲塊和特殊功能寄存器( SFR )塊。對于 MCS －51子系列,前者有128字節,編址為00H-7FH;后者也占128字節,編址為80H- 0FFH :二者連續不重疊。對于52子系列,前者有256字節,編址為00H~ OFFH :后者也有128字節,編址為80H~ 0FFH :后者與前者的后128字節編址重疊訪問時通過不同的指令相區分。片內隨機存儲塊按功能又可以分成以下幾個部分:工作寄存器組區、位尋址區、一般 RAM 區和堆棧區。具體分配情況如圖所示。

片內存儲器便于CPU快速頻繁訪問
容量有限，51系列僅128B

工作寄存器組區
工作寄存器也稱為通用寄存器。共32個字節，為00H~1FH單元。共四組，分為0組，1組，2組，3組，每組8個寄存器，依次用R0-R7表示和使用。這一點注意與CPU中的標志寄存器PSW建立起聯系。使用哪一組當中的寄存器由程序狀態寄存器PSW中的RS0和RS1兩位來選擇。

位尋址區
20H-2FH為位尋址區，共16字節，128位。這128位每位都可以按位方式使用，每一位都有一個直接位地址，位地址范圍為00H-7FH。

一般RAM區
30H-7FH是一般RAM區，也稱用戶RAM區，共80字節。一般可以用來存放用戶建的表或其他一些數據。

堆棧區與堆棧指針
堆棧是在存儲器中按“先入后出，后入先出”的原則進行管理的一段存儲區域，通過堆棧指針SP管理。

特殊功能寄存器
特殊功能寄存器( SFR )也稱為專用寄存器,專門用于控制、管理片內算術邏輯部件、并行 O 接口、串行口、定時/計數器、中斷系統等功能模塊的工作。用戶在編程時可以給其設定值,但不能移作他用。 SFR 分布在80H~ OFFH 的地址空間,與片內隨機存儲塊統一編址。

這里注意，有一個小問題，我們知道51子系列單片機片內數據存儲器只有128B那么為什么SFR可以分布在80H-0FFH這一段不存在的地址空間呢，其實SFR只是在邏輯上與片內隨機存儲塊統一編址，而實際的物理地址并不在片內數據存儲器中。

除 PC 外, MCS －51子系列有18個特殊功能寄存器,其中3個為雙字節,共占用21個字節;52子系列有21個特殊寄存器,其中5個為雙字節,共占用26個字節。它們的分配情況如下。

MCS-51系列單片機的輸入輸出接口

MCS －51系列單片機有4個8位的并行 I / O 接口:P0、P1、 P 和P3。它們是特殊功能寄存器中的4個。這4個接口,既可以作輸入,也可以作輸出,既可按8位處理,也可按位方式使用。輸出時具有鎖存能力,輸入時具有緩沖功能。每個接口的具體功能有所不同。下面分別介紹。

1. P0口

P0口是一個三態雙向口，可作為地址/數據分時復用接口，也可作為通用的I/O接口。由控制信號決定，當控制信號為高電平1時，P0口作為地址/數據分時復用總線。當控制信號為低電平0時，作為普通的I/O接口使用。
當P0作為通用I/O時，應注意以下兩點：

2. P1口

P1口是準雙向口，它只能用作通用I/O接口使用，內部有上拉電阻，不需要外接上拉電阻。
3. P2口

P2口也是準雙向口，它有兩種用途：通用I/O接口和高8位地址線。
4. P3口

P3口除了作為準雙向通用I/O接口外，它的每一根線還有第二種功能。當P3口作為第二功能使用時，鎖存器的Q輸出端必須為高電平，否則V1管導通，引腳將被鉗位在低電平，無法實現第二功能。‘

51系列單片機的外部引腳及片外總線

外部引腳

MCS-51系列單片機有40個引腳

片外總線結構

地址總線
地址總線的寬度為16位,尋址范圍都為64KB。由 P0 口經地址鎖存器提供低8位(A7-A0),P2口提供高8位(A15-A8)而形成。可對片外程序存儲器和片外數據存儲器尋址。

數據總線
數據總線的寬度為8位,由 P0口直接提供。

控制總線
控制總線由第二功能狀態下的P3口和4根獨立的控制線 RST 、 EA 、 ALE 和 PSEN 組成。

51系列單片機的工作方式

復位方式

51系列單片機的時序

時鐘周期、機器周期和指令周期

時鐘周期(振蕩周期):單片機內部時鐘電路產生(或外部時鐘電路送入)的信號周期,單片機的時序信號是以時鐘周期信號為基礎而形成,在它的基礎上形成了機器周期、指令周期和各種時序信號。
機器周期:機器周期是單片機的基本操作周期,每個機器周期包含S1、S2、……、S6共6個狀態,每個狀態包含兩拍 Pl 和P2,每一拍為一個時鐘周期(振蕩周期)。因此,一個機器周期包含12個時鐘周期。依次可表示為SiP1、SIP2、S2P1、S2P2、……、S6P1、S6P2。
指令周期:計算機從取一條指令開始,到執行完該指令所需要的時間稱為指令周期。不同的指令,指令長度不同,指令周期也不一樣。但指令周期以機器周期為單位。51單片機指令根據指令長度和指令周期可分為:單字節單周期指令、單字節雙周期指令、雙字節單周期指令、雙字節雙周期指令、三字節雙周期指令以及一字節四周期指令。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的c51单片机期末复习个人总结2单片机基本原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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