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MCS-51系列单片机的基本硬件结构
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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。
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