单片机的基本构成及工作原理

有了电子电路和数字电路的基础知识，就可以开始学习嵌入式系统的核心元件-单片机。从本期开始我们将为大家介绍单片机的基础知识。

在单片机入门系列讲座中，首先学习单片机的基本构成和工作原理、以及外围功能电路，然后，挑战一个实际单片机的运行。

单片机是控制电子产品的大脑

现如今，我们生活中的许多电器都使用了单片机。例如：手机、电视机、冰箱、洗衣机、以及按下开关，LED就闪烁的儿童玩具。那么，单片机在这些电器中究竟做了些什么呢?

单片机是这些电器动作的关键，是指挥硬件运行的。例如：接收按钮或按键的输入信号，按照事先编好的程序，指挥马达和LCD的外围功能电路动作。

那么，单片机是如何构成的呢?

单片机是由CPU、内存、外围功能等部分组成的。如果将单片机比作人，那么CPU是负责思考的，内存是负责记忆的，外围功能相当于视觉的感官系统及控制手脚动作的神经系统。

尽管我们说CPU相当于人的大脑，但是它却不能像人的大脑一样，能有意识的、自发的思考。CPU只能依次读取并执行事先存储在内存中的指令组合(程序)。当然CPU执行的指令并不是“走路”、“讲话”等高难度命令，而是一些非常简单的指令，象从内存的某个地方“读取数据”或把某个数据“写入”内存的某个地方，或做加法、乘法和逻辑运算等等。然而这些简单指令的组合，却能实现许多复杂的功能。

CPU读取指令时需要知道要执行的指令保存在内存的什么位置，这个位置信息称为地址(相当于家庭住址)。程序计数器(PC)就是存储地址的寄存器。通常，PC是按1递增设计的，也就是说，当CPU执行了0000地址中的指令后，PC会自动加1，变成0001地址。每执行一条指令PC都会自动加1，指向下一条指令的地址。可以说，PC决定了程序执行的顺序。

◇指令解码电路

指令解码电路是解读从内存中读取的指令的含义。运算电路是根据解码结果操作的。确切地讲，指令解码电路就是我们在“数字电路入门(2)”中学过的解码电路，只不过电路结构稍微复杂些，所以，指令解码电路的工作原理就是从被符号化(被加密)的指令中，还原指令。

◇运算电路

运算电路也称为ALU(Arithmetic and Logic Unit)，是完成运算的电路。能进行加法、乘法等算术运算、也能进行AND、OR 、BIT-SHIFT等逻辑运算。运算是在指令解码电路的控制下进行的。通常运算电路的构成都比较复杂。

◇CPU内部寄存器

CPU内部寄存器是存储临时信息的场所。有存储运算值和运算结果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器，比如存储运算标志的标志寄存器等。也就是说，运算电路进行运算时，并不是在内存中直接运算的，而是将内存中的数据复制到通用寄存器，在通用寄存器中进行运算的。

什么是单片机结构和原理？

89C51单片机结构框图

1、一个8位 的微处理器CPU。

2、片内数据存储器(RAM128B/256B）:用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。

3、片内4kB程序存储器Flash ROM（4KB）:用以存放程序、一些原始数据和表格。

4、四个8位并行I/O（输入/输出）接口 P0~P3:每个口可以用作输入，也可以用作输出。

5、两个或三个定时/计数器: 每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以 对 外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果 实现计算机控制

6、一个全双工UART的串行I/O口:可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。

7、片内振荡器和时钟产生电路:但需外接晶振和电容。

8、五个中断源的中断控制系统。

9、具有节电工作方式：休闲方式及掉电方式。

在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。此时的电流可降到大约为正常工作方式的15%。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。这种方式下的电流可降到15 μA以下，最小可降到06 μA。

结构：

由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM及RAM）和I/O接口组成。89C51单片机内部结构如图所示：

下面介绍的是mcs-51

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。

从物理结构的角度讲，51单片机的存储系统可以分为四个存储空间：既片内ROM，RAM和片外ROM、RAM。

从逻辑上讲（既编程的角度），51单片机的存储系统实际上分为三个存储空间。

1. 片内数据存储器RAM；

2. 片外数据存储器RAM；

3. 片内或外的程序存储器ROM（由EA电平决定）。

1.程序存储器ROM用于存放程序、常数或表格。

2.在51单片机中，由引脚 /EA 上的电平选择内、外ROM： EA=1时,CPU执行片内的4KROM中的程序; EA=0时，CPU选择片外ROM中的程序。

3.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。

4.尽管系统可以同时具备片内ROM和外部ROM，但是在一般正常使用情况下，通过/EA的设定来选择其一（或者使用内部ROM，或者使用外部ROM）。

5.如果EA=1（执行片内程序存储器中程序时):如果程序计数器的指针PC值超过0FFFH（4K）时，单片机就要自动的转向片外的ROM存储器且从1000H单元开始执行程序（无法使用片外ROM的低4K空间）。

6.当程序超过4K时，有两种使用程序存储器ROM的方法：

①设置EA=0，使用外部ROM。从地址=0000H开始；

②设置EA=1，使用内部的4KROM和外部ROM（地址从1000H开始的单元）。

程序存储器六个特殊的单元:

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”

单片机第一条指令的两个特征：

①存放在ROM的0000H单元；

②必须是“跳转指令”以跳过下面的5个中断矢量，转到后面的真正的主程序入口0100H单元。

ORG 0000H LJMP 0100H

ORG 0100H

START: MOV A,#00H

∶ ∶

∶ ∶

∶ ∶

∶ ∶

END

外部程序存储器：

当单片机使用外ROM存储器时（扩展系统），必须设定/EA=0，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ROM的地址和数据总线；

② 使用引脚/psen信号来选通外部ROM的数据三态输出。

内部数据存储器RAM：

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。

1.访问内部数据存储单元时，使用 MOV 指令；

2.访问外部数据存储器时，使用 MOVX 指令。内部RAM从功能上将256B空间分为二个不同的块：

1.低128B的RAM块；

2.高128B的SFR（Special Function Register ）块。

在低128B的RAM存储单元中又可划分为：

1.工作寄存器区；

2.位寻址区；

3.通用存储数据的“便签区”。

高128B的专用寄存器区SFR中仅仅使用了21寄存器（51系列），其它107个单元不能使用。

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