教學(xué)課件-單片機原理及應(yīng)用(李建忠)第三版

第1章概述11.1單片機的基本概念1.2單片機的發(fā)展1.3單片機的特點及應(yīng)用1.4單片機的類型與常用單片機系列1.1單片機的基本概念

1.1.1單片機的發(fā)展歷程

電子數(shù)字計算機誕生于1946年，在其后的一個歷史進程中，計算機始終是被供養(yǎng)在特殊的機房中、實現(xiàn)數(shù)值計算的大型昂貴設(shè)備。直到20世紀70年代微處理器的出現(xiàn)，才使得計算機以小型、廉價、高可靠性的特點，迅速走出機房，并被逐漸嵌入到一個對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制。這樣一來，計算機便失去了原來的形態(tài)，其功能也有所不同。為了區(qū)別于原有計算機系統(tǒng)，把嵌入到對象體系中實現(xiàn)對象體系智能化控制的計算機稱做嵌入式計算機系統(tǒng)。

早期，人們通過改裝通用計算機系統(tǒng)，在大型設(shè)備中實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。然而，在眾多的對象系統(tǒng)(如家用電器、儀器儀表、控制單元等)中，無法嵌入通用計算機系統(tǒng)，且嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向完全不同。因此，必須獨立地發(fā)展通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)，這就形成了現(xiàn)代計算機技術(shù)的兩大分支。通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)的專業(yè)分工發(fā)展，導(dǎo)致20世紀末計算機技術(shù)的飛速發(fā)展。計算機專業(yè)領(lǐng)域集中精力發(fā)展通用計算機系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)，不必兼顧嵌入式應(yīng)用的要求，通用微處理器迅速從286、386、486、586到雙核甚至四核的64位，操作系統(tǒng)則迅速升級到具有高速海量的數(shù)據(jù)文件處理能力，使通用計算機進入了一個新的階段。

嵌入式計算機系統(tǒng)則走上了一條完全不同的道路，這條獨立發(fā)展的道路就是單片化道路，將計算機做在一塊芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的單片機時代。單片機是最典型的嵌入式系統(tǒng)，起源于微型計算機時代。單片機的出現(xiàn)實現(xiàn)了最底層的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，帶有明顯的電子系統(tǒng)設(shè)計模式的特點，大多數(shù)從事單片機應(yīng)用開發(fā)的人員都是對象系統(tǒng)領(lǐng)域中的電子工程師。可以說單片機脫離了計算機專業(yè)領(lǐng)域，以“智能化”器件身份進入電子系統(tǒng)領(lǐng)域，不過，單片機仍不具有“嵌入式系統(tǒng)”概念。因此，“單片機”與“嵌入式系統(tǒng)”被看做兩個獨立的名詞。由于單片機是典型的、獨立發(fā)展起來的嵌入式系統(tǒng)，因此，從學(xué)科的角度應(yīng)該把它統(tǒng)一成“嵌入式系統(tǒng)”。單片機的生產(chǎn)與應(yīng)用將計算機技術(shù)擴展到傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)領(lǐng)域，使計算機成為人類社會全面智能化時代的有力工具。1.1.2單片機技術(shù)的多學(xué)科交叉特點

嵌入式系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用特點，決定了它多學(xué)科交叉的特點。作為計算機的內(nèi)容，要求計算機專業(yè)領(lǐng)域人員介入其體系結(jié)構(gòu)、軟件技術(shù)、工程應(yīng)用方面的研究。然而，要了解對象體系的控制要求，實現(xiàn)系統(tǒng)控制模式，則必須具備對象領(lǐng)域的專業(yè)知識。因此，由嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的歷史過程以及嵌入式應(yīng)用的多樣性，形成了兩種應(yīng)用模式，這兩種應(yīng)用模式是電子系統(tǒng)設(shè)計模式和計算機應(yīng)用設(shè)計模式。電子系統(tǒng)設(shè)計模式是指單片機以器件形態(tài)進入到傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域中，以電子技術(shù)應(yīng)用工程師為主體，實現(xiàn)電子系統(tǒng)的智能化。電子技術(shù)應(yīng)用工程師以自己習(xí)慣的電子技術(shù)應(yīng)用模式，從事單片機的應(yīng)用開發(fā)。這種應(yīng)用模式最主要的特點是：軟/硬件的底層性、隨意性，對象系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)的密切相關(guān)性，缺少計算機工程設(shè)計方法。

計算機應(yīng)用設(shè)計模式是指基于嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺，以網(wǎng)絡(luò)、通信為主的非嵌入式底層應(yīng)用，從計算機專業(yè)角度介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，帶有明顯的計算機工程應(yīng)用特點。兩種應(yīng)用模式代表了兩個專業(yè)領(lǐng)域的特色，但又相互交織、相互滲透，形成互補。雖然計算機專業(yè)人士會愈來愈多地介入嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，但由于對象專業(yè)知識的隔閡，其應(yīng)用領(lǐng)域會集中在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體、電子商務(wù)等方面，不可能替代原來電子工程師在控制、儀器儀表、機械電子等方面的嵌入式應(yīng)用。因此，兩種應(yīng)用模式會長期并存，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中相互補充。電子系統(tǒng)設(shè)計模式應(yīng)從計算機應(yīng)用設(shè)計模式中學(xué)習(xí)計算機工程方法和嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)；計算機應(yīng)用設(shè)計模式應(yīng)從電子系統(tǒng)設(shè)計模式中了解嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的電路系統(tǒng)特性、基本外圍電路設(shè)計方法和對象系統(tǒng)的基本要求等。

由于嵌入式系統(tǒng)的兩種應(yīng)用模式并存和互補，形成了單片機技術(shù)的多學(xué)科交叉特點。正因如此，單片機原理及應(yīng)用成為電子電氣類、機電類、計算機類專業(yè)都開設(shè)的重要應(yīng)用技術(shù)課程。1.1.3單片機的功能結(jié)構(gòu)特征

1．單片機與微型計算機的基本功能組成部分

由于單片機是從通用微型計算機分化出來的一個應(yīng)用分支，因此，它的基本功能組成部分和工作原理與通用微型計算機具有一致性。

微型計算機(簡稱微機)的基本組成結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1微機基本組成結(jié)構(gòu)框圖微型計算機由微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口三大功能部分通過總線連接成一個有機的整體，在外部通過I/O接口配置各種外部設(shè)備就構(gòu)成微機的硬件系統(tǒng)?？偩€按其傳輸信息的不同分為地址總線(AddressBus，AB)、數(shù)據(jù)總線(DataBus，DB)和控制總線(ControlBus，CB)。

單片機也具有微機的三大功能組成部分，且具有類似的結(jié)構(gòu)體系。

2．單片機與通用微機不同的功能結(jié)構(gòu)特征

由于嵌入式系統(tǒng)與對象系統(tǒng)密切相關(guān)，因此其主要技術(shù)發(fā)展方向是滿足嵌入式應(yīng)用的要求。所以，單片機除具有通用微機的基本功能組成部分外，還包括實時控制所要求的一些相關(guān)功能器件。單片機的組成結(jié)構(gòu)可用圖1.2來描述。圖1.2單片機組成框圖從功能組成上看，單片機是這樣一種芯片，它把微機的三大組成部分(CPU?+?存儲器?+?I/O接口)和一些實時控制需要的功能器件集成在一塊芯片上。實時控制器件包含的內(nèi)容十分廣泛，可以包括定時器/計數(shù)器、中斷控制、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)、脈沖調(diào)制器(PWM)、電壓比較器、看門狗(Watchdog)、DMA、串行口、傳感器等，以及I2C、SPI、1—Wire等外部串行總線接口。實時控制器件配置的多少也是衡量單片機性能優(yōu)劣的重要方面，不同規(guī)格、不同系列或型號的單片機實時控制器件的配置可能不同。從結(jié)構(gòu)上看，單片機不但與通用微型計算機一樣，是一個有效的數(shù)據(jù)處理機，而且是一個功能很強的過程控制機。從某種意義上講，一塊單片機就具有一臺微型計算機的功能，只需加上所需的輸入/輸出設(shè)備，就可以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域的需要。

單片機結(jié)構(gòu)中包含了通用微機的功能部分，且也具有較強的數(shù)據(jù)處理功能，那么，二者的發(fā)展能否相互取代呢？其實，單片機與通用微機的相同功能部分在具體構(gòu)造中存在許多不同點。正因如此，單片機與通用微機是兩個不同的發(fā)展分支。下面對二者構(gòu)造中的主要不同進行簡要說明。

(1)通用微機的CPU主要面向數(shù)據(jù)處理，其發(fā)展主要圍繞數(shù)據(jù)處理功能、計算速度和精度的進一步提高。例如，現(xiàn)今微機的CPU都支持浮點運算，采用流水線作業(yè)、并行處理、多級高速緩沖(Cache)技術(shù)等，CPU的主頻達到數(shù)吉赫茲(GHz)，字長達到32位以上。單片機主要面向控制，控制中的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)處理相對簡單，滿足控制要求的數(shù)據(jù)處理容易實現(xiàn)，所以單片機的數(shù)據(jù)處理功能相對通用微機要弱一些，計算速度和精度也相對要低一些。例如，現(xiàn)在的單片機產(chǎn)品的CPU大多不支持浮點運算，CPU還采用串行工作方式，振蕩頻率大多在百兆以下，在一些簡單應(yīng)用系統(tǒng)中采用4位字長的單片機，在中、小規(guī)模應(yīng)用場合，8位字長單片機還被廣泛采用，在一些復(fù)雜的中、大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)中，才采用16位字長、32位字長單片機。

(2)通用微機中，存儲器組織結(jié)構(gòu)主要針對增大存儲容量和CPU對數(shù)據(jù)的存取速度。現(xiàn)今微機的內(nèi)存容量達到了數(shù)吉字節(jié)(GB)，存儲體系采用多體、并讀技術(shù)和段、頁等多種管理模式。單片機中存儲器的組織結(jié)構(gòu)比較簡單，存儲器芯片直接掛接在單片機的總線上，CPU讀/寫存儲器時直接按物理地址來尋址存儲器單元，尋址空間一般都是64?KB。還有，通用微機中程序存儲器(ROM)和數(shù)據(jù)存儲器(RAM)是一個地址空間，而單片機中，把程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器設(shè)計為兩個獨立的地址空間，這是考慮了控制的實際需要。

(3)通用微機中I/O接口主要考慮標(biāo)準外設(shè)(CRT、標(biāo)準鍵盤、鼠標(biāo)、打印機、硬盤、光盤等)，用戶通過標(biāo)準總線連接外設(shè)，能實現(xiàn)即插即用。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的外設(shè)都是非標(biāo)準的，千差萬別，種類很多，單片機的I/O接口實際上是向用戶提供了外設(shè)連接的物理界面，用戶對外設(shè)的連接要設(shè)計具體的接口電路，需有熟練的接口電路設(shè)計技術(shù)。下面介紹結(jié)構(gòu)上有相同之處但也有區(qū)別的幾個名詞。

微處理器(MPU)：把運算器、控制器和一定數(shù)量的寄存器集成在一塊芯片上，是構(gòu)成微型計算機的核心部件，所以也稱為中央處理單元(CPU)。

單板機：將微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路以及簡單的輸入/輸出設(shè)備組裝在一塊印刷電路板上，稱為單板微型計算機，簡稱單板機。一些開發(fā)板產(chǎn)品及實驗室提供的試驗箱都是單板機形態(tài)的。

微型計算機：微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路由總線有機地連接在一起的整體，稱為微型計算機。

微型計算機系統(tǒng)：將微型計算機與外圍設(shè)備、電源、系統(tǒng)軟件一起構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為微型計算機系統(tǒng)。

1.2單片機的發(fā)展

1.2.1單片機的發(fā)展概況

隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機先后經(jīng)歷了4位機、8位機、16位機、32位機和64位機的發(fā)展階段。

1．4位單片機

1971年，美國Intel公司首先推出了4位微處理器芯片4004；1975年美國德克薩斯儀器公司首次推出4位單片機TMS-1000；此后，各個計算機生產(chǎn)公司競相推出4位單片機。例如，美國國家半導(dǎo)體(NationalSemiconductor)公司的COP402系列，日本電氣(NEC)公司的μPD75XX系列，美國洛克威爾(Rockwell)公司的PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88系列等。近幾年來，4位單片機在結(jié)構(gòu)和性能上做了很大的改進，在市場中仍占有一席之地。

4位單片機的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：PC機的輸入裝置(鼠標(biāo)、游戲桿)，電池充電器，運動器材，帶液晶顯示的音/視頻產(chǎn)品控制器，一般家用電器的控制及遙控器，電子玩具，鐘表，計算器，多功能電話等。

2．8位單片機

1972年，美國Intel公司首先推出了8位微處理器8008，并于1976年9月率先推出MCS-48系列8位單片機，使單片機發(fā)展進入了一個新的階段。在這之后，8位單片機紛紛面市。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童(Fairchild)公司共同合作生產(chǎn)的3870(F8)系列，摩托羅拉(Motorola)公司的6801系列等。在1978年以前，各廠家生產(chǎn)的8位單片機受集成度(幾千只管/片)的限制，一般沒有串行接口，并且尋址空間的范圍小(小于8KB)，從性能上看屬于低檔8位單片機。

隨著集成電路工藝水平的提高，在1978年到1983年期間，集成度提高到幾萬只管/片，因而一些高性能的8位單片機相繼問世。例如，1978年摩托羅拉公司推出的MC6801系列及齊洛格(Zilog)公司的Z8系列，1979年NEC公司的μPD78XX系列，1980年Intel公司的MCS-51系列。這類單片機的尋址能力達64?KB，片內(nèi)ROM容量達4～8?KB，片內(nèi)除帶有并行I/O口外，還有串行I/O口，甚至某些還有A/D轉(zhuǎn)換器功能。因此，把這類單片機稱為8位高檔單片機。隨后，在高檔8位單片機的基礎(chǔ)上推出了超8位單片機，如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它們不但進一步擴大了片內(nèi)ROM和RAM的容量，同時還增加了通信功能、DMA傳輸功能以及高速I/O功能等。自1985年以來，各種高性能、大存儲容量、多功能的超8位單片機不斷涌現(xiàn)，它們代表了單片機的發(fā)展方向，在單片機應(yīng)用領(lǐng)域起著越來越大的作用。

8位單片機由于功能強，被廣泛用于自動化裝置、智能儀器儀表、智能接口、過程控制、通信、家用電器等各個領(lǐng)域。

3．16位單片機

1983年以后，集成電路的集成度可達十幾萬只管/片，各系列16位單片機逐漸問世。這一階段的代表產(chǎn)品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司推出的80C96，美國國家半導(dǎo)體公司推出的HPC16040，NEC公司推出的783XX系列等。

16位單片機把單片機的功能又推向了一個新的階段。如MCS-96系列的集成度為12萬只管/片，片內(nèi)含16位CPU、8?KBROM、232?BRAM、5個8位并行I/O口、4個全雙工串行口、4個16位定時器/計數(shù)器、8級中斷處理系統(tǒng)，具有多種I/O功能，如高速輸入/輸出(HSIO)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出、特殊用途的監(jiān)視定時器(Watchdog)等。近幾年，16位單片機在功能、性能、價格等方面采取了許多技術(shù)措施，發(fā)展迅速，推出了許多新產(chǎn)品。如Intel的80C196、80C251、80C51XA，美國國家半導(dǎo)體公司的HPC16104，TI的MSP430系列，Motorola的68HC11系列等。

16位單片機主要應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器儀表、便攜式設(shè)備等場合。

4．32位單片機

隨著高新技術(shù)在智能機器人、光盤驅(qū)動器、激光打印機、圖像與數(shù)據(jù)實時處理、復(fù)雜實時控制、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，20世紀80年代末推出了32位單片機，如Motorola推出的MC683XX系列，Intel的80960系列，以及近年來流行的ARM系列單片機。32位單片機是單片機的發(fā)展趨勢，隨著技術(shù)的發(fā)展及開發(fā)成本和產(chǎn)品價格的下降，將會與8位單片機并駕齊驅(qū)。

5．64位單片機

雖然，單片機的發(fā)展按先后順序經(jīng)歷了4位、8位、16

位、32位、64位的階段，但從實際使用情況看，并沒有出現(xiàn)像微處理器那樣推陳出新，更新?lián)Q代的局面，這也是單片機發(fā)展的一大特點。4位、8位、16位、32位單片機都存在于市場中，各有應(yīng)用領(lǐng)域。不過，各類單片機為適應(yīng)市場需求，都在原來的基礎(chǔ)上采取新技術(shù)，提高性能，推出新產(chǎn)品。

圖1.3是電子工程師對單片機選型的市場調(diào)查，從中可以看出，8位單片機仍是市場主流產(chǎn)品，但32位單片機發(fā)展很

迅速。圖1.3單片機選型市場調(diào)查1.2.2單片機技術(shù)的發(fā)展

1．體系結(jié)構(gòu)的變化

從體系結(jié)構(gòu)上看，單片機自誕生以來，經(jīng)歷了從SCM到MCU再到SOC的發(fā)展過程。

(1)?SCM(SingleChipMicrocomputer)—單片微型計算機。其主要是尋求單片形態(tài)的嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了單片機與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。MCS-51奠定了SCM的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)。

(2)?MCU(MicroControllerUnit)—微控制器。隨著SCM在技術(shù)上、體系結(jié)構(gòu)上不斷擴展嵌入式對象要求的各種控制功能，增加對象系統(tǒng)要求的外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力，使單片機迅速進入MCU階段。一塊單片機芯片就是一個比較完整的小型控制系統(tǒng)。Philips公司推出的80C51是MCU的典型代表。

(3)?SOC(SystemOnChip)—片上系統(tǒng)。片上系統(tǒng)是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決。單片機芯片上不僅包含完整的硬件系統(tǒng)，并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。單片機芯片的內(nèi)部功能越來越大，目前除了具有ROM、RAM、I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷、串行口等傳統(tǒng)的內(nèi)容外，一些新型單片機還擴充了許多新功能，如內(nèi)置多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC、電壓比較器、WDT看門狗定時器、可編程定時器/計數(shù)器陣列PCA以及I2C、SMBus、SPI等外部串行總線接口，有的專用單片機甚至還內(nèi)置USB、IRDA紅外和無線電接口，并具有在線編程、調(diào)試、仿真功能。

SOC使得單片機功能越發(fā)完善，用戶不需要擴充資源就可以完成項目開發(fā)，不僅使開發(fā)簡單，而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)SOC，它具有與MCS-51單片機的內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標(biāo)準8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。

2．單片機速度越來越快

為提高單片機的抗干擾能力，降低噪聲和時鐘頻率而不犧牲運算速度是單片機技術(shù)發(fā)展的一個方向。一些8051單片機兼容廠商改善了單片機的內(nèi)部時序，在不提高時鐘頻率的條件下，使運算速度提高了很多，Motorola單片機使用了瑣相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時鐘產(chǎn)生器的頻率；68HC08單片機使用4.9MHz外部振蕩器而內(nèi)部時鐘達32MB；三星電子新近推出了1.2?GHz的ARM處理器內(nèi)核Halla。

3．低電壓與低功耗

幾乎所有的單片機都有Wait、Stop等省電運行方式，允許使用的電源電壓范圍也越來越寬。一般單片機都能在3～6?V范圍內(nèi)工作，電池供電的單片機不再需要對電源采取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機電源下限已由2.7?V降至2.2?V、1.8?V，0.9?V供電的單片機已經(jīng)問世。

4．低噪聲與高可靠性技術(shù)

為提高單片機系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準的要求，各單片機商家在單片機內(nèi)部電路中采取了一些新的技術(shù)措施。如ST公司的μPSD系列單片機片內(nèi)增加了看門狗定時器，NS的COP8單片機內(nèi)部增加了抗EMI電路，增強了“看門狗”的性能。

5．OTP與掩膜

OTP(OneTimeProgramable)是一次性寫入的單片機。過去認為，一個單片機產(chǎn)品的成熟是以投產(chǎn)掩膜型單片機為標(biāo)志的。由于掩膜需要一定的生產(chǎn)周期，而OTP型單片機價格不斷下降，使得近年來直接使用OTP完成最終產(chǎn)品制造更為流行。它較之掩膜具有生產(chǎn)周期短、風(fēng)險小的特點。近年來，OTP型單片機需求量大幅度上揚，為適應(yīng)這種需求，許多單片機都采用了在系統(tǒng)編程技術(shù)(InSystemProgramming)。未編程的OTP芯片可采用裸片Bonding技術(shù)或表面貼裝技術(shù)，先焊在印刷板上，然后通過單片機上的編程線、串行數(shù)據(jù)、時鐘線等對單片機編程，解決了批量寫OTP芯片時容易出現(xiàn)的芯片與寫入器接觸不好的問題，使OTP的裸片得以廣泛應(yīng)用，降低了產(chǎn)品的成本。編程線與I/O線共用，不增加單片機的額外引腳。而一些生產(chǎn)廠商推出的單片機不再有掩膜型，全部為有ISP功能的OTP。

6．MTP向OTP挑戰(zhàn)

MTP是可多次編程的意思。一些單片機廠商以MTP的性能、OTP的價位推出他們的單片機，如ATMELAVR單片機，片內(nèi)采用FLASH，可多次編程。華邦公司生產(chǎn)的8051兼容的單片機也采用了MTP性能、OTP的價位。這些單片

機都使用了ISP技術(shù)，等安裝到印刷板線路板上以后再下載程序。

7．在線編程技術(shù)

在線編程目前有兩種不同方式：

(1)?ISP(InSystemProgramming)，即在系統(tǒng)編程。具備ISP的單片機內(nèi)部集成FLASH存儲器，用戶可以通過下載線以特定的硬件時序在線編程，但用戶程序自身不可以對內(nèi)部存儲器做修改。這類產(chǎn)品如ATMEL8990系列。

(2)?IAP(InApplicationProgramming)，即在應(yīng)用編程。具備IAP的單片機廠家在出廠時向其內(nèi)部寫入了單片機引導(dǎo)程序，用戶可以通過下載線對它在線編程，用戶程序也可以自己對內(nèi)存重新修改。這對于工業(yè)實時控制和數(shù)據(jù)的保存提供了方便。這類產(chǎn)品如SST的89系列。

8．在線仿真技術(shù)

一些新型的SOC單片機都具有在線仿真功能，這些單片機都配置了JTAG接口。JTAG(JointTestActionGroup，聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標(biāo)準測試協(xié)議(IEEE1149.1兼容)，主要用于芯片內(nèi)部測試。JTAG接口的引入，使單片機傳統(tǒng)的仿真調(diào)試產(chǎn)生了徹底的變革。在上位機軟件的支持下，通過串行的JTAG接口直接對產(chǎn)品系統(tǒng)進行仿真調(diào)試。如配置有JTAG接口的C8052F單片機不僅支持FlashROM的讀/寫操作及非入侵式在線調(diào)試，它的JTAG邏輯還為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、SFR和I/O口的功能實現(xiàn)觀察和控制。

9．增加I2C、SPI串行接口功能

單片機增加I2C、SPI串行接口功能是為了方便系統(tǒng)與外圍設(shè)備連接，用戶可以通過I2C、SPI串行接口連接諸如傳感器等設(shè)備，完成檢測功能，同時把系統(tǒng)情況通過串口傳送給上位機管理系統(tǒng)，完成遠程設(shè)備的控制。大部分單片機廠家的后繼產(chǎn)品都提供了這樣的功能。

1.3單片機的特點及應(yīng)用

1.3.1單片機的特點

(1)單片機的存儲器ROM和RAM是嚴格區(qū)分的。ROM稱為程序存儲器，只存放程序、固定常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。RAM則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。這樣的結(jié)構(gòu)主要是考慮到單片機用于控制系統(tǒng)中，有較大的程序存儲器空間，把開發(fā)成功的程序固化在ROM中，而把少量的數(shù)據(jù)存放在RAM中。這樣，小容量的數(shù)據(jù)存儲器能以高速RAM形式集成在單片機片內(nèi)，以加速單片機的執(zhí)行速度。

(2)采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機有更強的邏輯控制能力，特別是單片機具有很強的位處理能力。

(3)單片機的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復(fù)用的方法，引腳處于何種功能，可由指令來設(shè)置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。

(4)單片機的外部擴展能力很強。在內(nèi)部的各種功能部分不能滿足應(yīng)用需求時，均可在外部進行擴展(如擴展ROM、RAM，I/O接口，定時器/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等)，與許多通用的微機接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計帶來極大的方便和靈活。單片機在控制領(lǐng)域中還有以下幾方面的優(yōu)點：

(1)體積小，成本低，運用靈活，易于產(chǎn)品化，能方便地組成各種智能化的控制設(shè)備和儀器，做到機電一體化。

(2)面向控制，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價格比。

(3)抗干擾能力強，適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其他類型計算機無法比擬的。

(4)可以方便地實現(xiàn)多機和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。1.3.2單片機的應(yīng)用

單片機的應(yīng)用范圍十分廣泛，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：

(1)工業(yè)控制，單片機可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，如數(shù)控機床、自動生產(chǎn)線控制、電機控制、溫度控制等。

(2)儀器儀表，如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等。

(3)計算機外部設(shè)備與智能接口，如圖形終端機、傳

真機、復(fù)印機、打印機、繪圖儀、磁盤/磁帶機、智能終端機等。

(4)商用產(chǎn)品，如自動售貨機、電子收款機、電子秤等。

(5)家用電器，如微波爐、電視機、空調(diào)、洗衣機、錄像機、音響設(shè)備等。

1.4單片機的類型與常用單片機系列

1.4.1單片機的類型

眾多的單片機可以從不同角度進行分類。按單片機數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，可將單片機分為4位、8位、16位、32位。

4位單片機在整個單片機市場中所占的比例逐年減少，主要應(yīng)用于各種規(guī)模較小的家電類消費產(chǎn)品。在4位單片機市場中，日本廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品占據(jù)主流地位，使用較多的有OKI公司的MSM64164C、MSM64481，NEC公司的75006X系列，EPSON公司的SMC62系列等。

8位單片機是目前世界上品種最為豐富、應(yīng)用最為廣泛的單片機。雖然單片機經(jīng)歷了從SMC到SCU再到SOC的變遷，但8位單片機始終是嵌入式低端應(yīng)用的主要機型，而且在未來相當(dāng)長的時間里，仍會保持這個勢頭。8位單片機也是我國單片機市場的主流產(chǎn)品。

16位單片機的操作速度及數(shù)據(jù)吞吐能力在性能上比8位單片機有較大提高，目前以Intel的MCS-96/196系列、TI公司的MSP430系列、Motorola公司的68HC11系列為主。

32位單片機在尋址能力、操作速度、運算能力、開發(fā)手段與環(huán)境方面大為增強，尋址能力在吉兆級以上，指令執(zhí)行速度達每秒百萬條指令，有的嵌入浮點運算部件，直接支持高級語言和實時多任務(wù)執(zhí)行，是單片機的發(fā)展趨勢。在32位單片機的生產(chǎn)廠家中，Motorola、ATMEL、HITACH、NEC、EPSON、MITSUBISHI、SAMSUNG等廠商群雄割據(jù)，其中以32位ARM嵌入式微處理器及Motorola的MC683XX、68K系列應(yīng)用相對廣泛。

對于8位單片機，目前主要分為MCS-51系列及其兼容機型和非MCS-51系列單片機。

MCS系列單片機是Intel公司生產(chǎn)的單片機的總稱。Intel公司是生產(chǎn)單片機的創(chuàng)始者，最早推出的MCS系列單片機，因應(yīng)用早而產(chǎn)生了很大影響，已成為事實上的工業(yè)標(biāo)準。20世紀80年代中期，Intel公司將8051內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)給世界許多著名IC制造廠商，如PHILIPS、西門子、AMD、OKI、NEC、Atmel等，這樣，8051就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出數(shù)百個品種的大家族。與MCS-51單片機兼容的單片機都具有8051內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)，引腳信號和指令系統(tǒng)完全兼容?，F(xiàn)在一般把與8051內(nèi)核相同的單片機統(tǒng)稱為“51系列單片機”。

MCS-51系列及其兼容單片機因開發(fā)工具及軟硬件資

源齊全而占主導(dǎo)地位，在國內(nèi)市場流行的8位單片機中，8051體系的占有多半。生產(chǎn)8051及其兼容單片機的廠家有

20多個，代表產(chǎn)品有Atmel公司的89C5X、89S5X系列，WINBOND公司的W77E5X、W78E5X系列，PHILIPS公司的P87C5X、P89C5X、P8LPC7X系列，SST公司的SST89C5X系列，Cygnal公司的C8051F系列，ST公司的μPSD系列等，粗略統(tǒng)計，僅51內(nèi)核的單片機就有350多種衍生品。

MCS-51單片機的體系結(jié)構(gòu)一直是單片機發(fā)展過程中的經(jīng)典體系，在嵌入式系統(tǒng)SOC的最終體系中，MCS-51仍以8051內(nèi)核的形式延續(xù)下去，這對國內(nèi)外從事單片機教學(xué)和科研的廣大人士來說，無論是過去、現(xiàn)在和未來，都能感受到它帶來的好處。正因如此，各高等學(xué)校的教材仍以MCS-51單片機作為代表，進行應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。

非51系列單片機在我國應(yīng)用較廣的是Motorola公司的68HC05/08系列、MICROCHIP公司的PIC單片機以及ATMEL公司的AVR單片機等。

單片機還可以從編程方式上分為OTPROM型、Flash型、ISP型、IAP型及JTAG接口型；從制造工藝技術(shù)上可分為普通MOS型、CMOS型、HMOS型、CHMOS型和HCMOS型；從功耗上可分為普通型和低功耗型；從性價比上可分為普通型和經(jīng)濟型等。1.4.2目前流行的51內(nèi)核的8位單片機

目前，在國內(nèi)市場上流行的單片機不下十幾種，占據(jù)主導(dǎo)地位的仍是51內(nèi)核及其兼容單片機。這些單片機和MCS-51單片機的指令完全兼容，資料和開發(fā)設(shè)備也比較齊全，價格也比較便宜。另外，從學(xué)習(xí)的角度來看，有了51單片機的基礎(chǔ)后，再學(xué)習(xí)其他單片機則非常容易。

1．MCS-51系列單片機

MCS-51系列單片機是Intel公司生產(chǎn)的功能比較強、價格比較低、較早應(yīng)用的單片機，目前仍被廣泛應(yīng)用。MCS-51系列單片機有三種基本產(chǎn)品：8031/8051/8751；三種基本增強型產(chǎn)品：8032/8052/8752；三種基本低功耗型產(chǎn)品：80C31/80C51/87C51。近幾年，又在基本產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，不斷改進性能，形成了不同子系列，有50多種型號的產(chǎn)品，如，51單片機系列、8XC52/54/58系列、8XC51FA/FB/FC系列、8XL51FA/FB/FC系列、8XL51GX/8X152系列、8XL52/54/58系列、8XC51SL系列。MCS-51系列單片機的主要產(chǎn)品及其性能如表1.1所示。

2．ATMEL公司的89系列單片機

89系列單片機內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，因此在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易地進行程序修改，反復(fù)進行試驗，這就大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，同時可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計達到最優(yōu)，而且可以隨用戶的需要和發(fā)展，能使系統(tǒng)不斷追隨用戶的最新要求。

ATMEL公司為適應(yīng)技術(shù)及市場的變化和需求，在AT89C51、AT89C52系列單片機的基礎(chǔ)上又推出了ISP_Flash、I2C_Flash等系列單片機。其主要機型及性能如表1.2所示。

3．SST公司的SST89系列單片機

美國SST公司生產(chǎn)的SST89系列單片機以51為內(nèi)核，與MCS-51系列單片機完全兼容。它具有獨特的超級Flash技術(shù)和小扇區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計，其最大特點是采用在應(yīng)用可編程(IAP)和在系統(tǒng)可編程(ISP)技術(shù)。在不占用戶資源和無須改動硬件的情況下，可通過串口實現(xiàn)“在系統(tǒng)”仿真和“在線”遠程升級，無須專用仿真器和編程器。

SST89系列單片機還在其他功能上有很大的改進和提高，如高速度，雙倍數(shù)(6clock/機器周期，12clock/機器周期；大容量內(nèi)部RAM(1K)，C語言編程更方便；內(nèi)部擴展的4K/8KEEPROM可確保重要數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電后不丟失；雙DPTR數(shù)據(jù)指針，使查表、尋址更方便；SPI串行接口總線，增強型UART；低電壓、低功耗、省電模式、WDT、降低EMI高可靠性措施等。SST生產(chǎn)的與51內(nèi)核兼容的單片機主要機型及其性能如表1.3所示。

4．PHILIPS公司的增強型80C51系列單片機

PHILIPS公司的增強型8位80C51單片機系列提供了完整的產(chǎn)品類型，可滿足各個應(yīng)用領(lǐng)域的需求。其產(chǎn)品類型包括通用型、Flash型、OTP型和低成本經(jīng)濟型。其主要產(chǎn)品系列包括P80、P87、P89、LPC76、LPC900等系列，包含50多種產(chǎn)品。

通用型系列單片機內(nèi)部基本功能結(jié)構(gòu)和引腳信號與MCS-51系列單片機保持一致，但功能、性能方面進一步加強。采用低功耗靜態(tài)設(shè)計，寬工作電壓范圍(2.7～5.5?V)，寬工作頻率(0～33MHz)，有兩種軟件方式可供選擇：空閑和掉電模式?？臻e模式下，凍結(jié)CPU，而RAM、定時器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。由于是靜態(tài)設(shè)計，所以在掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時鐘振蕩停止，停止芯片內(nèi)其他功能。CPU喚醒后，從時鐘斷點處繼續(xù)執(zhí)行程序。通用型系列產(chǎn)品機型有P80C31、P80C32、P80C51、P80C52、P80C54、P80C58、P87C51、P87C52、P87C54、P87C58。其中P87四種機型片內(nèi)采用OTP程序存儲器。

P89系列屬于Flash類型單片機，內(nèi)部采用Flash程序存儲器，其他性能和通用型系列是一致的。其主要產(chǎn)品機型有P89C51、P89C52、P89C54、P89C58。

LPC76系列屬于加速80C51指令周期、內(nèi)部采用OTP程序存儲器、低價位、多功能、少引腳的單片機。該類單片

機指令周期比80C51快兩倍，可提供高速或低速石英晶體振蕩或RC的震蕩功能，可編程端口輸出配置，可選擇斯密特觸發(fā)輸入，LED驅(qū)動輸出；同時，口線的轉(zhuǎn)換速度亦可控，引腳數(shù)為14/16/20。其主要產(chǎn)品機型有P87LPC760、P87LPC761、P87LPC762、P87LPC764、P87LPC767、P87LPC768。

LPC900系列是PHILIPS公司推出的低成本、少引腳、高集成度Flash單片機，適合于要求并不復(fù)雜的小型消費類產(chǎn)品的應(yīng)用場合。在同一時鐘頻率下這類單片機的運行速度是8051的6倍，應(yīng)用編程(IAP)和在線編程(ICP)允許用戶EPROM實現(xiàn)簡單的串行代碼編程，使得程序存儲器可用于非易失性數(shù)據(jù)的存儲，配有模擬比較器、WDT、復(fù)位電路等，芯片僅有8個引腳。PHILIPS公司的增強型80C51系列單片機的主要產(chǎn)品及其性能見表1.4。第2章51系列單片機的硬件結(jié)構(gòu)772.1

51系列單片機簡介2.2

51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳信號2.3微處理器2.4存儲器2.5并行輸入/輸出接口2.6定時器/計數(shù)器2.7串行輸入/輸出口2.8

51單片機的中斷系統(tǒng)2.9復(fù)位狀態(tài)及復(fù)位電路2.10

51單片機的低功耗方式

51系列單片機是具有8051內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)、引腳信號和指令系統(tǒng)完全兼容的單片機的總稱。本章主要從應(yīng)用角度介紹51系列單片機的硬件結(jié)構(gòu)特性。站在應(yīng)用角度學(xué)習(xí)單片機的硬件結(jié)構(gòu)時,主要應(yīng)抓住單片機的供應(yīng)狀態(tài),即單片機提供給用戶哪些可用資源以及怎樣合理地使用這些資源。2.1

51系列單片機簡介

51系列單片機是8051系列單片機的簡稱,是指MCS51系列單片機和其他公司的8051派生產(chǎn)品。2.1.1

MCS51系列單片機

MCS51系列單片機最早是由Intel公司推出的通用型單片機。MCS51系列單片機產(chǎn)品可分為兩大系列:51子系列和52子系列。2.1.2

8051派生產(chǎn)品

8051派生產(chǎn)品是各個廠家以8051為基本內(nèi)核而推出的單片機產(chǎn)品。這些派生產(chǎn)品在8051內(nèi)核基礎(chǔ)上增加了存儲器、通信接口和實時控制部件的數(shù)量與種類,增強了8051單片機的調(diào)試與應(yīng)用能力。這些增強型的8051單片機產(chǎn)品都是基于CMOS工藝的,通常稱為80C51系列單片機。例如,ATMEL公司的AT89C52、AT89C2051就屬于80C51系列單片機。2.2

51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳信號2.2.1

51單片機的基本組成

51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.151單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖從圖2.1可看出,51單片機組成結(jié)構(gòu)中包含運算器、控制器、片內(nèi)存儲器、4個并行I/O口、串行口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。圖中SP是堆棧指針寄存器;PC是程序計數(shù)器;PSW是程序狀態(tài)字寄存器;DPTR是數(shù)據(jù)指針寄存器。2.2.2

51單片機的引腳信號雙列直插(DIP)式封裝的51單片機芯片一般為40條引腳,其引腳示意及功能分類如圖2.2所示。圖2.251單片機引腳及總線結(jié)構(gòu)(a)管腳圖；(b)引腳功能分類各引腳功能說明如下:

1.主電源引腳

VCC(40腳):接+5V電源正端;

VSS(20腳):接+5V電源地端。

2.外接晶體引腳

XTAL1(19腳):接外部石英晶體的一端。

XTAL2(18腳):接外部石英晶體的另一端。

3.輸入/輸出引腳

(1)P0口(39～32腳):P0.0～P0.7統(tǒng)稱為P0口。在不接片外存儲器與不擴展I/O口時,可作為準雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲器或擴展I/O口時,P0口分時復(fù)用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。

(2)P1口(1～8腳):P1.0～P1.7統(tǒng)稱為P1口,可作為準雙向I/O口使用。對于52子系列,P1.0與P1.1還有第二功能:P1.0可用作定時/計數(shù)器2的計數(shù)脈沖輸入端T2;P1.1可用作定時/計數(shù)器2的外部控制端T2EX。

(3)P2口(21～28腳):P2.0～P2.7統(tǒng)稱為P2口,一般可作為準雙向I/O口使用;在接有片外存儲器或擴展I/O口且尋址范圍超過256B時,P2口用作高8位地址總線。

(4)P3口(10～17腳):P3.0～P3.7統(tǒng)稱為P3口。除作為準雙向I/O口使用外,還可以將每一位用于第二功能,而且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。P3口的第二功能見表2.1。表2.1P3口第二功能表

4.控制線

(1)ALE/PROG(30腳):地址鎖存有效信號輸出端。在訪問片外程序存儲器期間,ALE以每機器周期兩次進行信號輸出,其下降沿用于控制鎖存P0輸出的低8位地址;在不訪問片外程序存儲器期間,ALE端仍以上述頻率(振蕩頻率fosc的1/6)出現(xiàn),可作為對外輸出的時鐘脈沖或用于定時目的。但要注意,在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器期間,ALE脈沖會跳空一個,此時作為時鐘輸出就不妥了(詳見2.3.3節(jié)CPU時序)。對于片內(nèi)含有EPROM的機型,在編程期間,該引腳用作編程脈沖PROG的輸入端。

(2)PSEN(29腳):片外程序存儲器讀選通信號輸出端,低電平有效。在從外部程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間,在每個機器周期內(nèi)該信號兩次有效,以通過數(shù)據(jù)總線P0口讀回指令或常數(shù)。在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器期間,PSEN信號將不出現(xiàn)。

(3)RST/VPD(9腳):RST即RESET,VPD為備用電源,該引腳為單片機的上電復(fù)位或掉電保護端。當(dāng)單片機振蕩器工作時,該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平,就可實現(xiàn)復(fù)位操作,使單片機回復(fù)到初始狀態(tài)。上電時,考慮到振蕩器有一定的起振時間,該引腳上高電平必須持續(xù)10ms以上才能保證有效復(fù)位。

(4)EA/VPP(31腳):EA為片外程序存儲器選用端。該引腳有效(低電平)時,只選用片外程序存儲器,否則單片機上電或復(fù)位后選用片內(nèi)程序存儲器。對于片內(nèi)含有EPROM的機型,在編程期間,此引腳用作21V編程電源VPP的輸入端。2.3微處理器微處理器又稱CPU,是單片機內(nèi)部的核心部件,它決定了單片機的主要功能特性。CPU由運算部件和控制部件兩大部分組成。2.3.1運算部件運算部件是以算術(shù)邏輯單元ALU為核心,再加上累加器ACC、寄存器B、暫存器、程序狀態(tài)字PSW等部件而構(gòu)成的。

1.算術(shù)邏輯單元ALU與累加器ACC、寄存器B算術(shù)邏輯單元不僅能完成8位二進制的加、減、乘、除、加1、減1及BCD加法的十進制調(diào)整等算術(shù)運算,還能對8位變量進行邏輯“與”、“或”、“異或”、循環(huán)移位、求補、清零等邏輯運算,并具有數(shù)據(jù)傳輸、程序轉(zhuǎn)移等功能。

2.程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字PSW是一個8位標(biāo)志寄存器,它保存指令執(zhí)行結(jié)果的特征信息,以供程序查詢和判別。其各位的含義如下:

C：進位標(biāo)志位C(PSW.7):在執(zhí)行某些算術(shù)操作類、邏輯操作類指令時,可被硬件或軟件置位或清零。它表示運算結(jié)果是否有進位或借位。如果在最高位有進位(加法時)或有借位(減法時),則C=1,否則C=0。

AC：輔助進位(或稱半進位)標(biāo)志位AC(PSW.6):它表示兩個8位數(shù)運算,低4位有無進/借位的狀況。當(dāng)?shù)?位相加(或相減)時,若D3位向D4位有進位(或借位)時,則AC=1,否則AC=0。在BCD碼運算的十進制調(diào)整中要用到該標(biāo)志。

F0：用戶自定義標(biāo)志位F0(PSW.5):用戶可根據(jù)自己的需要對F0賦予一定的含義,通過軟件置位或清零,并根據(jù)F0=1或0來決定程序的執(zhí)行方式。

RS1、RS0：工作寄存器組選擇位RS1、RS0(PSW.4、PSW.3):可用軟件置位或清零,用于選定當(dāng)前使用的4個工作寄存器組中的某一組(詳見2.4節(jié))。

OV：溢出標(biāo)志位OV(PSW.2):做加法或減法時,由硬件置位或清零,以指示運算結(jié)果是否溢出。OV=1反映運算結(jié)果超出了累加器的數(shù)值范圍(無符號數(shù)的范圍為0～255),以補碼形式表示一個有符號數(shù)的范圍為(－128～+127)。做無符號數(shù)的加法或減法時,OV的值與進位位C的值相同;在做有符號數(shù)加法時,如最高位、次高位之一有進位,或做減法時,如最高位、次高位之一有借位,則OV被置位,即OV的值為最高位和次高位的異或(C7⊕C6)。執(zhí)行乘法指令MULAB也會影響OV標(biāo)志,積大于255時,OV=1,否則OV=0。執(zhí)行除法指令DIVAB也會影響OV標(biāo)志,如B中所放除數(shù)為0時,OV=1,否則OV=0。

P:奇偶標(biāo)志位P(PSW.0):在執(zhí)行指令后,單片機根據(jù)累加器A中1的個數(shù)的奇偶性自動給該標(biāo)志置位或清零。若A中1的個數(shù)為奇數(shù),則P=1,否則P=0。該標(biāo)志對串行通信的數(shù)據(jù)傳輸非常有用,通過奇偶校驗可檢驗傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.布爾處理機布爾處理機(即位處理)是51單片機ALU所具有的一種功能。單片機指令系統(tǒng)中的位處理指令集(17條位操作指令),存儲器中的位地址空間,以及借用程序狀態(tài)寄存器PSW中的進位標(biāo)志CY作為位操作“累加器”,構(gòu)成了51單片機內(nèi)的布爾處理機。2.3.2控制部件及振蕩器控制部件是單片機的神經(jīng)中樞,它包括定時和控制電路、指令寄存器、譯碼器以及信息傳送控制等部件。單片機的定時控制功能是通過一系列時序信號來完成的。51單片機的時序信號有兩類：一類用于片內(nèi)各功能部件的控制，這類信號對用戶來說是沒有意義的；另一類用于片外存儲器或I/O端口的控制，通過單片機的引腳送到片外，這部分時序信號對于分析或設(shè)計硬件電路是至關(guān)重要的。單片機的時序定時單位共有4個，從小到大依次是振蕩周期(節(jié)拍)、狀態(tài)周期、機器周期和指令周期，如圖2.3所示。圖2.351單片機時序信號產(chǎn)生邏輯圖

1．振蕩周期

振蕩脈沖是單片機的一個基準定時信號，其他定時信號是在它的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。振蕩脈沖信號由振蕩器產(chǎn)生。51單片機片內(nèi)有一個高增益反相放大器，其輸入端(XTAL1)、輸出端(XTAL2)對外，只要外接作反饋原件的晶振體(呈感性)與電容組成的并聯(lián)諧振回路，就構(gòu)成一個自激振蕩器，如圖2.3所示。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率，一般晶體可在1.2～12?MHz之間任選。電容C1、C2的值有微調(diào)作用，通常取30?pF左右。振蕩脈沖信號也可由外部振蕩電路產(chǎn)生，仍通過XTAL1和XTAL2接入，但不同工藝制造的單片機芯片，其接法有所不同，見表2.2。

2．狀態(tài)周期

振蕩脈沖信號不被系統(tǒng)直接使用，經(jīng)2分頻形成的狀態(tài)周期信號，才作為系統(tǒng)使用的時鐘信號。即2個振蕩周期為一個狀態(tài)周期，稱為時鐘周期，用S表示。2個振蕩周期作為2個節(jié)拍分別稱為節(jié)拍P1和節(jié)拍P2。在狀態(tài)周期的前半周期P1期間，通常完成算術(shù)邏輯操作；在后半周期P2期間，一般進行內(nèi)部寄存器之間的傳輸。

3．ALE周期信號

狀態(tài)周期經(jīng)3分頻(振蕩周期的6分頻)后形成ALE周期信號。單片機訪問片外程序存儲器(取指令)、片外數(shù)據(jù)存儲器或I/O端口(讀/寫數(shù)據(jù))控制地址鎖存。ALE在一個機器周期兩次有效。ALE是一個控制信號，不屬于內(nèi)部定時單位信號，但可作為外部定時信號使用。

4．機器周期

狀態(tài)周期經(jīng)6分頻(振蕩周期的12分頻)形成機器周期定時信號。機器周期是單片機指令操作的定時單位。如單周期指令在一個機器周期內(nèi)完成指令操作；雙周期指令在2個機器周期內(nèi)完成指令操作。一個機器周期包含6個狀態(tài)周期，用S1、S2、…、S6表示，共12個節(jié)拍，依次可表示為S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P1、S6P2。單片機執(zhí)行一條指令的各種內(nèi)部微操作，都在規(guī)定的狀態(tài)周期的規(guī)定節(jié)拍發(fā)生。如ALE在一個機器周期兩次有效發(fā)生在S1P2和S4P2，產(chǎn)生地址鎖存操作。振蕩頻率確定后，機器周期隨之確定。如振蕩頻率是12MHz，則一個機器周期時間就是1μs；如振蕩頻率是6MHz，則一個機器周期時間就是2μs。

5．指令周期

指令周期是最大的時序定時單位，執(zhí)行一條指令所花費的時間稱之為指令周期。指令周期用機器周期來表示。51單片機除乘法、除法是4周期指令外，其他都是單周期指令和雙周期指令。

單片機的所有操作都是在這4種定時信號控制下完成的。單片機執(zhí)行一條指令，首先到程序存儲器取出指令碼，經(jīng)譯碼，由時序部件產(chǎn)生一系列時序信號，控制其指令操作完成。2.3.3指令操作時序

1．取片內(nèi)程序存儲器(ROM)指令的執(zhí)行時序

單片機執(zhí)行一條指令要經(jīng)過取指令和執(zhí)行指令兩個階段。取指令階段，把PC中的地址送地址總線，從尋址單元讀出指令操作碼和操作數(shù)。執(zhí)行階段，對指令譯碼，產(chǎn)生一系列控制信號完成指令操作。幾種從片內(nèi)程序存儲器讀取的典型指令的執(zhí)行時序如圖2.4所示。單字節(jié)單周期指令(例如：INCA)只需進行一次讀指令操作，在一個機器周期執(zhí)行完，其時序如圖2.4(a)所示。在S1P2進行讀指令操作，因為是單字節(jié)指令，PC不加1；在S4P2仍進行讀指令操作，但讀出的仍是原指令碼，屬于一次無效操作。

雙字節(jié)單周期指令(例如：ADDA，#data)需要進行兩次讀指令操作，在一個機器周期執(zhí)行完，其時序如圖2.4(b)所示。在S1P2進行讀指令操作，PC加1；在S4P2讀指令的第二字節(jié)(本例是立即數(shù))。不需片外存儲器數(shù)據(jù)的單字節(jié)雙周期指令(例如：INCDPTR)，只需進行一次讀指令操作，在兩個機器周期執(zhí)行完，其時序如圖2.4(c)所示。兩個機器周期發(fā)生4次讀指令操作，但第一次讀指令，PC不加1，所以后三次讀指令無效。

需從片外數(shù)據(jù)存儲器取數(shù)據(jù)的單字節(jié)雙周期指令(MOVX類指令)，其時序如圖2.4(d)所示。在第一個機器周期，第一次讀指令，PC不加1，第二次讀指令無效。第二個機器周期，對外部數(shù)據(jù)存儲器進行訪問，不產(chǎn)生讀指令操作。從S5P1～S4P1進入訪問數(shù)據(jù)存儲器操作時序。圖2.4取片內(nèi)ROM的幾種典型指令的執(zhí)行時序(a)單字節(jié)單周期指令；(b)雙字節(jié)單周期指令；(c)單字節(jié)雙周期指令；(d)單字節(jié)雙周期指令從圖2.4可以看出，單片機執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令，ALE在每個機器周期兩次有效，在S1P2和S4P2產(chǎn)生兩次讀指令操作，在指令規(guī)定的周期內(nèi)由內(nèi)部時序信號控制完成操作，不需要其他外部控制信號。

2．取片外程序存儲器(ROM)指令的執(zhí)行時序

單片機從片外程序存儲器取指令的執(zhí)行時序如圖2.5所示。中心線以上是不需片外數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)的指令(不是MOVX指令)時序，中心線以下是需片外數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)的指令(是MOVX指令)時序。圖2.5讀片外ROM指令時序從片外程序存儲器取出的不是MOVX指令，第一個機器周期取指令操作碼，第二個機器周期取指令的第二個字節(jié)是操作數(shù)。ALE、PSEN在一個機器周期兩次有效。P2口只傳送PCH的高8位地址，P0口分時傳送PCL的低8位地址和一個字節(jié)指令或程序存儲器中的數(shù)據(jù)。ALE下降沿鎖存P0口傳送的PCL中低8位地址。PSEN有效，將尋址單元的指令或數(shù)據(jù)送到P0口線。從片外程序存儲器取出MOVX指令，第一個機器周期取指令操作碼，第二個機器周期從片外數(shù)據(jù)存儲器取操作數(shù)。在第一個機器周期ALE第一次有效的下降沿鎖存P0口傳送PCL的低8位地址，P2口出現(xiàn)的是PCH高8位地址，PSEN有效后，從片外程序存儲器讀指令操作碼。第一個機器周期ALE第二次有效的下降沿鎖存P0口傳送DPL的低8位地址(數(shù)據(jù)存儲器的低8位地址)，P2口出現(xiàn)的是DPH地址(片外數(shù)據(jù)存儲器的高8位地址)，PSEN也不再有效，取而代之的是RD有效。從而，在第二個機器周期進行從片外數(shù)據(jù)存儲器讀取操作數(shù)的操作。在第二個機器周期的S1P2不產(chǎn)生有效ALE，到S4P2再產(chǎn)生ALE有效。由此可知，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器一個機器周期中ALE要輪空一個。在這種情況下，ALE用作外部時鐘就不妥了。

3．訪問片外數(shù)據(jù)存儲器(RAM)的指令時序

訪問片外RAM即是執(zhí)行MOVX指令，其時序如圖2.6所示。中心線以上是輸入數(shù)據(jù)指令(執(zhí)行MOVXA，@DPTR)的時序，中心線以下是輸出數(shù)據(jù)指令(執(zhí)行MOVX@DPTR,A)的時序。圖2.6訪問片外RAM指令時序輸入數(shù)據(jù)操作從S1P2時刻開始，ALE有效，DPL中低8位地址送P0口，DPH中高8位地址送P2口；ALE下降沿(S2P2)鎖存P0口低8位地址RD有效，P2口高8位地址同時有效；S3P2時刻P0口8位線變?yōu)楦咦锠顟B(tài)；S4P1時刻有效，S4P2時刻外部RAM尋址單元的數(shù)據(jù)被送上P0口；一個機器周期結(jié)束時，完成讀操作，RD失效，P0口呈現(xiàn)為高阻狀態(tài)，P2口高8位地址仍保持在總線上(因為P0口對輸入無鎖存能力，P2對輸出有鎖存能力)，一直到下一次操作。輸出數(shù)據(jù)時序和輸入數(shù)據(jù)時序相似。相同的操作從圖中顯而易見。不同的操作有：向P0口送地址后緊接著就送要寫入的數(shù)據(jù)，在S3P2時刻P0口直接由地址狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)狀態(tài)；輸出用的是寫控制信號WR；一個機器周期結(jié)束時，完成寫操作，WR失效，P0口的數(shù)據(jù)仍保持在總線上(因為P0口對輸出有鎖存能力)，一直到下一次操作。從上述時序圖容易看出：讀程序存儲器指令，一個機器周期ALE兩次有效；讀片存儲器指令由PSEN控制讀操作；訪問片外數(shù)據(jù)存儲器，一個機器周期ALE只有一次有效，由RD或WR控制讀或?qū)懖僮鳌?.4存儲器

51單片機系統(tǒng)的存儲器組織方式與通用單片機系統(tǒng)不同，程序存儲器地址空間和數(shù)據(jù)存儲器地址空間相互獨立。

51單片機存儲器從物理結(jié)構(gòu)上可分為片內(nèi)、片外程序存儲器(8031和8032沒有片內(nèi)程序存儲器)與片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲器4個部分；從功能上可分為程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、特殊功能寄存器、位地址空間和片外數(shù)據(jù)存儲器5個部分；其尋址空間可劃分為程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器3個獨立的地址空間。2.4.1程序存儲器

1．編址與訪問

51單片機的程序存儲器用于存儲程序代碼和一些固定表格常數(shù)。它可由只讀存儲器ROM或EPROM等組成。為了有序地讀出指令，設(shè)置了一個專用寄存器—程序計數(shù)器PC，用以存放將要執(zhí)行的指令地址。每取出指令的１個字節(jié)后，其內(nèi)容自動加１，指向下一字節(jié)地址，依次使CPU從程序存儲器取指令并加以執(zhí)行。尋址程序存儲器的唯一方式是通過PC。由于51單片機的程序計數(shù)器為16位，因此，可尋址的程序存儲器地址空間為64KB。

51系列單片機從物理配置上有片內(nèi)、片外程序存儲器，但作為一個編址空間，其編址規(guī)律為：先片內(nèi)，后片外，片內(nèi)、外連續(xù)，二者一般不重疊。圖2.7給出了程序存儲器編址圖。圖2.751單片機程序存儲器編址(a)51子系列；(b)52子系列單片機執(zhí)行指令時,是從片內(nèi)程序存儲器取指令,還是從片外程序存儲器取指令,這首先由單片機EA引腳電平的高低來決定。

EA=1為高電平時,先執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器的程序,當(dāng)PC的內(nèi)容超過片內(nèi)程序存儲器地址的最大值(51子系列為0FFFH,52子系列為1FFFH)時,將自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存儲器中的程序;EA=0為低電平時,CPU則從片外程序存儲器中取指令。對于片內(nèi)無程序存儲器的51單片機,EA引腳應(yīng)接低電平。對于片內(nèi)有程序存儲器的單片機,如果EA引腳接低電平,將強行執(zhí)行片外程序存儲器中的程序。此時多在片外程序存儲器中存放調(diào)試程序,以使單片機工作在調(diào)試狀態(tài)。請讀者注意:片外程序存儲器存放調(diào)試程序的部分,其編址與片內(nèi)程序存儲器的編址是可以重疊的,借EA的換接可實現(xiàn)分別訪問?，F(xiàn)在以8051為內(nèi)核的單片機大都帶有內(nèi)部的FLASH程序存儲器,如AT89C51或AT89S51均自帶4KB的FLASH程序存儲器,還有的單片機帶有20KB甚至更大容量的程序存儲器。

2．程序的入口地址程序地址空間可由用戶根據(jù)需要任意安排使用。但有幾個地址是CPU執(zhí)行特殊程序的入口地址，用戶必須按規(guī)定存放相應(yīng)程序。特殊程序的入口地址規(guī)定見表2.3。從表2.3看出，51單片機對復(fù)位后CPU執(zhí)行程序的入口地址和響應(yīng)中斷后CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序的入口地址做了規(guī)定。當(dāng)發(fā)生復(fù)位操作時，PC被自動置0000H地址，從此執(zhí)行程序。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時，PC被自動置相應(yīng)中斷服務(wù)程序入口地址，從此執(zhí)行中斷服務(wù)程序。所以，要求用戶必須把監(jiān)控程序從0000H開始存放，把中斷服務(wù)程序從規(guī)定的入口地址開始存放。否則，程序執(zhí)行將會出現(xiàn)“走飛”現(xiàn)象，即不按正常的執(zhí)行流執(zhí)行。從表2.3還可以看出，入口地址互相離得很近，只隔幾個字節(jié)，程序起始地址與外部中斷0的入口地址僅隔3個字節(jié)，中斷服務(wù)程序之間僅隔8個字節(jié)(實際程序規(guī)模往往不止幾個字節(jié))。實際應(yīng)用中，可在規(guī)定的入口地址處存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，使程序執(zhí)行跳轉(zhuǎn)到存放地址處執(zhí)行。這樣，就可以把各種程序按用戶自己的安排存放了。2.4.2數(shù)據(jù)存儲器

1.編址與訪問

51單片機片內(nèi)、外數(shù)據(jù)存儲器是兩個獨立的地址空間,應(yīng)分別單獨編址。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器除RAM塊外,還有特殊功能寄存器(SFR)塊。對于51子系列,前者有128個字節(jié),其編址為00H~7FH;后者也占128個字節(jié),其編址為80H~FFH;二者連續(xù)而不重疊。對于52子系列,前者有256個字節(jié),其編址為00H~FFH;后者占128個字節(jié),其編址為80H~FFH;后者與前者高128個字節(jié)的編址是重疊的,由于訪問所用的指令不同,因而并不會引起混亂。片外數(shù)據(jù)存儲器一般是16位編址。數(shù)據(jù)存儲器的編址如圖2.８所示。圖2.851單片機數(shù)據(jù)存儲器編址(a)51子系列；(b)52子系列片外數(shù)據(jù)存儲器的低256字節(jié)，也可使用8位地址訪問，訪問的地址為00H～FFH。在這種情況下，地址空間與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器重疊，但訪問片內(nèi)、外數(shù)據(jù)存儲器使用的指令是不同的，也不會引起沖突。片外數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的地址空間是重疊的，但也不會發(fā)生沖突。因為它們是兩個獨立的地址空間，使用不同的指令訪問，控制信號也不同。訪問程序存儲器時，用PSEN信號選通，而訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，由RD(讀)和WR(寫)選通信號。

2．片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器在應(yīng)用中是非常緊缺的資源。為了合理地使用，對低128字節(jié)RAM空間劃分了不同的功能區(qū)。圖2.9給出了51子系列單片機片內(nèi)RAM的配置圖。由圖可見，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器劃分為工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)3個區(qū)域。圖2.951單片機片內(nèi)RAM的配置圖

1)工作寄存器區(qū)

00H~1FH單元為工作寄存器區(qū)。工作寄存器也稱通用寄存器,用于臨時寄存8位信息。工作寄存器分成4組,每組都有8個寄存器,用R0~R7來表示。程序中每次只用1組,其它各組不工作。使用哪一組寄存器工作由程序狀態(tài)字PSW中的PSW.3(RS0)和PSW.4(RS1)兩位來選擇,其對應(yīng)關(guān)系如表2.4所示。

2)位尋址區(qū)

20H~2FH單元是位尋址區(qū)。這16個單元(共計128位)的每一位都賦予了一個位地址,位地址范圍為00H~7FH。位尋址區(qū)的每一位都可當(dāng)作軟件觸發(fā)器,由程序直接進行位處理。通?？梢园迅鞣N程序狀態(tài)標(biāo)志、位控制變量存于位尋址區(qū)內(nèi)。

3)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

30H~7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū),也即用戶RAM區(qū),共80個單元。

4)堆棧和堆棧指針堆棧是按先進后出或后進先出原則進行讀/寫的特殊RAM區(qū)域。51單片機的堆棧區(qū)是不固定的,原則上可設(shè)置在內(nèi)部RAM的任意區(qū)域內(nèi)。要根據(jù)對片內(nèi)RAM各功能區(qū)的使用情況而靈活設(shè)置,應(yīng)避開工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和用戶實際使用的數(shù)據(jù)區(qū),一般設(shè)在2FH地址單元以后的區(qū)域。棧頂?shù)奈恢糜蓪ｉT設(shè)置的堆棧指針寄存器SP指出。51單片機的SP是8位寄存器,堆棧屬向上生長型的(即棧頂?shù)刂房偸谴笥跅５椎刂?堆棧從棧底地址單元開始,向高地址端延伸),如圖2.10所示。圖2.1051單片機堆棧當(dāng)數(shù)據(jù)壓入堆棧時，SP的值自動加1，作為本次進棧的指針，然后再存入數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)從堆棧彈出時，先讀取數(shù)據(jù)，SP值自動減1。復(fù)位時，SP的初值為07H，堆棧實際上從08H開始堆放信息，即工作寄存器區(qū)內(nèi)。實際應(yīng)用中，用戶在初始化程序中要給SP重新賦值，以規(guī)定堆棧的初始位置，即棧底位置。

3.特殊功能寄存器特殊功能寄存器(SFR,SpecialFunctionRegisters)又稱為專用寄存器,專用于控制、管理片內(nèi)算術(shù)邏輯部件、并行I/O口、串行I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作。用戶在編程時可以置數(shù)設(shè)定,卻不能自由移作它用。在51子系列單片機中,各專用寄存器(PC例外)與片內(nèi)RAM統(tǒng)一編址,且作為直接尋址字節(jié),可直接尋址。除PC外,51子系列有18個專用寄存器,其中3個為雙字節(jié)寄存器,共占用21個字節(jié);52子系列有21個專用寄存器,其中5個為雙字節(jié)寄存器,共占用26個字節(jié)。按地址排列的各特殊功能寄存器的名稱、表示符、地址等如表2.5所示。

必須注意：在SFR塊的地址空間80H～FFH中，僅有21個(51子系列)或26個(52子系列)字節(jié)作為特殊功能寄存器離散分布在這128個字節(jié)范圍內(nèi)。其余字節(jié)無定義，但用戶不能對這些字節(jié)進行讀/寫操作。若對其進行訪問，則將得到一個不確定的隨機數(shù)，因而是沒有意義的。2.5并行輸入/輸出接口

51系列單片機有4個8位并行輸入/輸出接口:P0、P1、P2和P3口。這4個口既可以并行輸入或輸出8位數(shù)據(jù),又可以按位使用,即每1位均能獨立作輸入或輸出用。每個口的功能雖有所不同,但都具有1個鎖存器(即特殊功能寄存器P0~P3)、1個輸出驅(qū)動器和2個(P3口為3個)三態(tài)緩沖器。下面分別介紹各口的結(jié)構(gòu)、原理及功能。2.5.1P0口

1．P0口結(jié)構(gòu)

P0口是1個三態(tài)雙向口，可作為地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用口，也可作為通用I/