MCS-51系列单片机的基本硬件结构

何为单片机？

单片机的诞生标志着计算机的发展已经形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。
作为嵌入式控制器，单片机的设计理念是：微型化、低成本、低功耗及具有很好的性价比。是通用计算机所无法取代的。
类别：8位、16位和32位
?8位单片机：使用数量最大的一类单片机。特点：成本低，性能又能满足大多要求。如MCS-51、PIC和AVR系列。
? MCS-51系列
? PIC系列
? AVR系列
?16位单片机：适合数据运算的场合。但由于价格的居高，其数据运算功能又不如32位机，所以发展处于停滞状态。具有代表性有MCS-96系列、台湾的“凌阳”16位单片机。
?32位单片机：当前高档次单片机发展的一个方向，具有超强的数据处理能力、合理的价格。其核心技术基本被美国ARM公司所垄断。具有代表性的产品是ARM系列（ARM-7、ARM-9）。
广泛的应用于家用电器、汽车电子、机器人、工业控制及仪表设计、办公自动化等重要的场合。

单片机的特点

在结构上：不仅将计算机主板上的主要器件尽可能的包含到自身的芯片中，还集成了放大器、比较器、A/D转换器和PWM电路等等。用它来设计一个智能化的产品可以进一步简化外围电路，系统硬件尽可能的实现“单片化” 。
在工业控制、家电产品、智能仪表、汽车电子等领域进行智能化设计时，将嵌入到被控制对象（如：家电、汽车、机床等）中的、已经失去了原有通用计算机形态及功能的专用计算机称之为“嵌入式计算机系统”。
嵌入式计算机系统要有极小的体积和极低的成本，要有极小的功耗和较高的可靠性。
单片机系统的所有基本单元都组装在一个IC芯片上
MCS-51系列单片机的基本硬件结构

组成单元

内部程序存储器ROM ：4K的flash程序存储器；
内部数据存储器RAM：256B（128B的RAM+21B的SFR）；
寄存器区：4个寄存器区，每个区有R0-R7八个工作寄存器；
8位并行输入输出端口：P0、P1、P2和P3；
定时/计数器：2个16位的定时/计数器 T0、T1；
串型口：全双工串行端口（RXD：接收端、TXD发送端）；
中断系统：设有5个中断源（T0、T1、Int0、Int1、ES）；
系统扩展能力：可外接64K的 ROM 和64K的 RAM；
堆栈：设在RAM单元、位置可以浮动（通过指针SP来确定堆栈在RAM中的位置）系统复位时SP=07H；
布尔处理机：配合布尔运算的指令进行各种逻辑运算；
指令系统：111条指令。按功能可分为数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移和布尔操作5大类。

引脚种类

主电源引脚
?Vcc（+5V— 40脚）
? Vss （GND 20脚）
外接晶体引脚
?XTAL1（19脚）
?XTAL2（18脚）
控制与电源复用引脚
?RST / V pd（9脚）
? 复位信号输入，高电平有效。
?ALE/PROG（30脚）
? 以系统时钟 fosc 的1/6的频率，周期性输出方波脉冲
?/PSEN（29脚）
? 外部程序程序存储器的选通输出信号
?/EA / Vdd （31脚）
? 程序存储器的选择控制端
并行输入输出端口引脚（P0-P3）
? P0.0 - P0.7： P0端口线（39-32脚）
? 输出能力最强的端口，可带动8个TTL负载
?P1.0 - P1.7： P1端口线（1 – 8脚）
? 负载能力4个TTL负载
?P2.0 – P2.7： P2端口线（21 – 28脚）
? 具有两种工作方式
?P3.0 – P3.7 P3端口线（10 – 17脚）
? 做通用的I/O端口，负载能力为4个TTL

存储器

?MCS-51单片机存储器的配置特点
? ① 内部集成了4K的程序存储器ROM； ② 内部具有256B的数据存储器RAM； ③ 可以外接64K的程序存储器ROM和数据存储器RAM。
? 逻辑结构
? 片内或片外程序存储器ROM（由EA电平决定）
? 片内数据存储器RAM
? 片外数据存储器RAM
? 物理结构
? 片内程序存储器ROM
? 片外程序存储器ROM
? 片内数据存储器RAM
? 片外数据存储器RAM
? 功能介绍
? 程序存储器ROM （read only memory）又称：只读存储器，如：硬盘，存储卡。
? 程序存储器ROM用于存放程序、常数或表格。
? 无论是使用片内还是使用片外ROM，程序的起始地址都是从ROM的0000H单元开始。
? 在51单片机中，由引脚 /EA 上的电平选择内、外ROM
? 当引脚EA=1时， CPU从片内ROM的0000H单元运行程序；
? 当引脚EA=1，且PC值大于0FFFH时， CPU会自动从内部ROM转到片外ROM的1000H单元运行程序（无法使用片外ROM的低4K空间）。
? 若引脚EA=0时， CPU从片外ROM的0000H单元运行程序。
? ROM可以在掉电的情况下，依然保存原有的数据
? 速度慢（较RAM）
? 在ROM中有六个单元具有特定功能。
? 0000H单元：复位时程序计数器PC所指向的单元，因此用来存放程序中的第一条指令；
? 0003H单元：外部中断/INT0的矢量入口地址；
? 000BH单元：定时器T0溢出中断的矢量入口地址；
? 0013H单元：外部中断/INT1的矢量入口地址；
? 001BH单元：定时器T1的溢出中断矢量入口地址；
? 0023H单元：串行口接收、传送的中断矢量入口地址。
? 矢量入口单元：在编写中断程序时，写入对应的“跳板指令”。
? 数据存储器RAM （Random Access Memory）又称：随机存取存储器俗称：运行内存运存
? RAM为随机存储，掉电不会保存数据
? 速度快(较ROM)
? 无论在物理上还是逻辑上，系统中RAM 都可分为两个独立空间：内部和外部RAM。由不同的指令来访问。
? 访问内部数据存储单元时，使用 MOV 指令；
? 内部RAM从功能上将256B空间分为二个不同的块：
? 低128B的RAM块；
? 通用存储数据的“便签区”。
? 通用的RAM区地址：30H-7FH
? 位寻址区；
? 位寻址区16个单元20H-2FH，共有128 可寻址位个位。位地址：00H-7FH 注意：位地址与字节地址的区别
? 工作寄存器区
? 四个工作寄存器区每个区中有八个工作寄存器R0-R7
? 高128B的特殊功能寄存器SFR（Special Function Register ）块。
? 尽管特殊功能寄存器与RAM在同一个单元中，但不能作为普通的RAM存储单元来使用。
? 设定单片机内部各模块的工作方式，存放相关模块的状态与标志。如定时器、串行口，并行端口和中断设置等。
? 常见SFR
? 累加器
? 最常用的寄存器。所有的算术运算指令所要使用的寄存器且运算结果都存放在A中。
? B寄存器
? 乘、除法指令专用的寄存器，当然也可作为一般的工作寄存器使用。
? 数据指针(包括DPH,DPL)
? 由两个8位寄存器构成。高八位寄存器DPH和低八位寄存器DPL构成16位的寄存器DPTR。
? DPTR主要用来存放外部数据存储器RAM的地址，作为CPU访问外部RAM的数据指针；
? 堆栈指针
? 堆栈是一种按“先进后出”规律操作的存储结构。不同类型的处理器其堆栈的设计各不相同：
? 独立于RAM的结构。优点是与RAM无关，不会造成RAM中的数据与堆栈发生“冲突”。但这种结构比较复杂，且堆栈的长度往往是固定的，限制了中断或子程序的“嵌套”次数。采用这种结构的单片机有 PIC系列。
? 利用RAM空间“兼做”堆栈空间，但必须靠专用指针来控制堆栈的起始位置。MCS-51单片机就是采用这种结构。
? SP寄存器作为堆栈指针。这种结构的特点是充分的利用RAM的空间，使堆栈的空间得以扩大。但它也有一种“致命”的弱点：数据很容易与堆栈发生冲突，特别是初学编程者。
? 堆栈的作用：
? ①保护程序的断点地址（既返回地址）。
? ②保护数据（也称保护现场）。
? 堆栈操作过程：
? 进栈: PUSH ACC指令（设SP=07H）
? ① SP+1送SP，既SP=SP+1=08H
? ② ACC送RAM的08H单元
? 出栈: POP ACC （设SP=08H）
? ①将RAM 中08H单元内容送A
? ②SP-1送SP ，此时SP=07H
? 访问外部数据存储器时，使用 MOVX 指令。
? 在硬件具备的条件下,MCS-51单片机可以使用64KB的外部数据存储器.如果要访问外部数据存储器RAM时,只能使用间址的寻址方式.
? 间址寄存器有R0,R1或DPTR.前者寻址范围为256KB(00H-FFH);后者为64KB(0000H-FFFFH).使用的指令是 MOVX。
? 当单片机需要外加RAM存储器时（扩展系统），必须使用专用的MOVX指令，此时单片机的端口功能就要发生相应的改变：
? ① P0、P2作为外部RAM的地址和数据总线；
? ② 使用MOVX指令进行读写操作。
? ③MOVX指令在执行时，会自动地产生/RD或/WR信号对外部RAM实现控制。

本课内容：介绍51单片机内部硬件的基本结构。重点掌握数据寄存器RAM、程序存储器ROM的结构特点及使用方法。
深刻掌握单片机的硬件结构及特点（RAM、ROM、特殊功能寄存器SFR、定时器、并行和串行口、中断系统，）。
熟练掌握指令系统。掌握“寻址方式” 是学习汇编程序设计的关键。
掌握中断原理，学会使用中断的方法编程；
掌握单片机与外围电路的接口。掌握MOVX指令的时序是接口电路设计的关键。
要有一本好的参考书。