单片机硬件

集成了一个计算机系统芯片————单片机。单片机和外设、软件结合形成计算机应用系统。

单片机内部包含了中央处理器CPU、存储器和I/O接口电路。

CPU:运算器、控制器、中断电路组成，字长分为4位、8位、16位和32位。字长越长，运算速度越快。

存储器分为数据存储器和程序存储器。

I/O接口有串行口和并行口，串行口用于串行通信。

单片机的优点：体积小、成本低、运用灵活、易于产品化。

单片机的用途：民用家电、智能仪表、航空航天、工业控制、医用设备、计算机网络和通信等领域。

单片机的发展历程：
单片机作为嵌入式微控制器在工业测控系统、智能仪器和家用电器中得到广泛应用。
虽然单片机的品种很多，但其中最具有代表性的是Intel公司的MCS-51系列单片机，以及其与之兼容的派生系列芯片。Intel 8位单片机的发展经历了以下4代：
第1代：以1976年推出的MCS-48系列为代表。
第2代：以MCS-51的8051为代表的单片机，
第3代：以80C51系列为代表。
第4代：各种多功能、高性能单片机

单片机结构特点
存储结构为哈佛结构，将程序存储器和数据存储器分开；
片内接口电路丰富，由特殊功能寄存器管理；
芯片引脚具有复用功能；
面向控制，位处理功能强。

总体结构图主要包含下列的硬件资源：
8位CPU，片内振荡器。
4KB/8KB字节程序存储器ROM
128B+21B/256B字节数据存储器RAM
2/3个16位定时器/计数器
32个可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）
一个可编程全双工串行口
5/6个中断源，两个中断优先级
可寻址64KB外部数据存储器空间及控制电路
可寻址64KB外部程序存储器空间及控制电路
有位寻址功能，适于布尔处理机的位处理机

单片机的各功能部件均连接在内部总线上，按功能可划分为八个部分
中央处理机CPU
数据存储器RAM
程序存储器ROM
特殊功能寄存器SFR
输入/输出(I/O)接口
定时/计数器
中断源
串行通信口

1） 输入/输出引脚
P0口（39脚_{32脚）：P0.0}P0.7统称为P0口；
P1口（1脚~8脚）： P1.0~P1.7统称为P1口；
P2口（21脚_{28脚）：P2.0}P2.7统称为P2口；
P3口（10脚_{17脚）：P3.0}P3.7统称为P3口；

2）控制引脚
ALE地址锁存使能信号输出端。存取片外存储器时，用于锁存低8位地址。
PROG是对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
程序存储器输出使能输出端。它是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。
片内程序存储器屏蔽控制端，低电平有效。
复位信号输入端，高电平有效。备用电源VPD功能

3）电源与晶振引脚
Vcc（40脚） 主电源正端，接+5V。
Vss（20脚） 主电源负端，接地。
XTAL1（19脚） 它是片内高增益反向放大器的输入端。接外部石英晶体和电容的一端。若使用外部输入时钟，该脚必须接地。
XTAL2（18脚） 它是片内高增益反向放大器的输出端。接外部石英晶体和电容的另一端。若使用外部输入时钟，该脚作为外部输入时钟的输入端。

2.2 中央处理器（CPU）
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件。负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入/输出功能等操作

1）运算器
是进行算术运算和逻辑运算,也可以对单字节、半字节（4位）等数据进行操作。

专用寄存器
8051内部有工作寄存器、专用寄存器和特殊功能寄存器。

累加器A(8位)
寄存器B(8位)
数据指针DPTR(16位)
程序状态字PSW(8位)

堆栈及栈指针SP（8位)

2） 控制器
控制器是控制单片机的神经中枢。

3） 位处理器（布尔处理机）
逻辑电路的仿真
开关量的控制
设置状态标志位等

有自己累加器CY，数据存储器（可位寻址空间）

是一个完整的位单片机，每次处理的数据只是一位

MCS-51CPU内有一个1位处理机子系统

2.3 存储器
通用存储器RAM
128B/256B(8051/52)
存放运算中间或临时数据等可扩展至64KB

特殊功能寄存器
21/26个(8051/52)

专用寄存器每个不得随便定义用途,如累加器A,定时器/计数器等。不能扩展

程序存储器ROM
4KB/8KB(8051/52)
存放用户程序、常数及表格等。可扩展至64KB

单片机时钟电路

MCS-51单片机各种周期的相互关系 一个机器周期=6个状态=12个振荡周期

三、MCS-51存储器与布尔处理器
MCS-51：程序存储器与数据存储器分为两个独立存储器逻辑空间，各有自己的寻址系统、控制信号和功能，分开编址，称为哈佛结构。

MCS-51的存储空间分为三类：

片内、片外统一编址的64K字节程序存储器空间

64K字节的外部数据存储器地址空间

128/256字节的内部程序存储器空间，其中包括特殊功能寄存器

MCS-51的程序存储空间：
MCS-51设置16位的程序计数器PC,可寻址64K字节程序存储器空间.

8051/8751片内4K字节的ROM/EPROM;8052片内8K字节的ROM/EPROM;8031/8032无内部程序存储器;

/EA引脚为高电平,CPU首先访问内部程序存储器,访问超过4K(8K)字节的程序存储器时, CPU自动转向访问外部程序存储器,/PSEN输出有效信号.

/EA引脚为低电平, CPU只访问外部程序存储器.

程序存储器的某些单元专用于某些特定的程序段：
0000H—0002H 程序的起始
0003H—0032H 中断服务程序

每个中断只保留8个单元,一般不够存放中断服务程序,常用转移指令转向实际的中断服务程序段.
MCS-51的数据存储器
MCS-51的数据存储器也分为内部和外部,分别用MOV和MOVX 指令访问.

外部程序存储器与访问

对于8051/8751/8052/8752片内4K/8K字节的程序存储器外,还可扩展60/56K程序存储器;对于8031/8032无内部程序存储器,必须全部由外部配置,一般选用EPROM;

若低地址程序段在片内,/EA引脚为高电平,CPU从0000H访问内部程序存储器,程序执行超过4095/8191单元后, CPU自动转向访问外部程序存储器,内部和外部访问速度相同.
若无外部程序存储器, 4095/8191单元不能有数据.

CPU访问外部程序存储器时,PC的低8位地址由P0口输出,高8位地址由P2输出.从外部程序存储器读入的指令由P0口输入.

/ALE为地址锁存信号,每个机器周期出现两次,只有访问外部数据存储器时才减为一次.因此/ALE信号为主振频率的1/6,实际应用中可借用作定时信号.

/PSEN是访问外部程序存储器的专用选通信号,低电平有效.每个机器周期有效两次.

MCS-51片内配置128/256字节的RAM,可根据需要扩展至64KRAM

CPU访问外部数据存储器的地址由数据指针DPTR或工作寄存器Ri提供, Ri提供8位地址,由P0口输出; DPTR提供16位地址,由P0口输出DPL,DPH由P2输出.读写操作的数据由P0口输入/输出.

访问外部RAM的读/写选通信号由/RD、/WR提供。

访问内部还是外部RAM是通过不同的指令来区别。访问内部RAM选用MOV类指令，访问外部RAM选用MOVX指令。
MOVX A，@Ri/ MOVX A，@DPTR,
MOVX @Ri,A/ MOVX @DPTR,A

由于访问外部程序或数据存储器各有不同的选通信号，提供访问的地址单元不同，从而在结构上把程序存储器和数据存储器分开。

外部扩展地址/数据总线
P0口既是低8位地址总线,又是8位数据总线,分时复用,P2口为高8位地址总线,从而形成了16位地址总线和8位数据总线.ALE、/PSEN以及P3口的一部分组成控制总线，形成总线结构。

P0口分时复用，具有双向功能，不需外接上拉电阻。

一旦外部扩展存储器， P2口不能作一般I/O口使用。

MCS-51单片机有7种基本寻址方式

布尔（位）处理器
为了更好地“面向测控系统”。MCS-51系列单片机内部设置有完整的功能极强的位处理器，被誉为具有双CPU的单片机。

位累加器,位寻址寄存器,位寻址I/O口,位寻址内部RAM,位寻址指令,程序存储器等组成MCS-51的位处理器

对每个位单元可以进行置位,清零,求反,传送,判跳和逻辑运算.操作结果一般存于位累加器中.