1.1.3 单片机概念、发展及主要内部结构介绍

1.单片机的定义

单片机是将CPU、存储器、输入/输出接口、定时/计数器等集成在一块芯片上，是目前销量最大、应用面最广、价格最便宜的微型计算机，如图1-14所示。

典型单片机产品有如下系列。

1）MCS-51系列。美国Intel公司生产的8位字长单片机。基本型产品有8051、8031、8751等。

2）AT89C51系列。美国ATMEL公司生产的8位字长单片机。与MCS-51系列单片机兼容，内含4KB的flash存储器。

3）STC系列。STC单片机是由美国设计，国内宏晶公司生产的，这个芯片改进了加密机制。STC单片机出厂的时候就已经完全加密，用户程序是ISP/IAP机制写入，编程的时候是一边校验一边写，无法读出命令，这增加了解密难度。

2.单片机的应用

目前单片机渗透到人们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通信与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控智能玩具、电子宠物等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的工程师。

3.MCS-51单片机的内部的硬件结构

MCS-51系列单片机是目前工程上应用较为广泛的单片机，8051单片机的内部基本结构，如图1-15所示。

MCS-51单片机的内部硬件各部分的主要功能如下。

（1）中央处理单元CPU 中央处理单元CPU是单片机的主要核心部件，由运算器、控制器及若干寄存器组成。

1）运算器。运算器是进行各种算术运算和逻辑运算的部件。与运算器有关的寄存器包括ACC、B、PSW。

2）控制器。控制器是由程序计数器PC、指令寄存器、译码器、定时与控制电路等组成的。PC是一个16位的寄存器，PC中的内容是下一条将要执行的指令代码的起始存放地址。当单片机复位之后，(PC)=0000H，引导CPU到0000H地址读取指令代码，CPU每读取一个字节的指令，PC的内容会自动加1，指向下一个地址，使CPU按顺序读取后面的指令，从而引导CPU按顺序执行程序。

3）寄存器。51单片机中，有21个特殊功能寄存器（52系列是26个）不连续地分布在128字节的SF存储空间中，地址空间为80H～FFH，在这片SF空间中，包含有128个位地址空间，地址也是80H～FFH，但只有83个有效位地址，可对11个特殊功能寄存器的某些位作位寻址操作。

（2）存储器 51单片机的存储器分为两大存储空间：程序存储器（ROM）空间和数据存储器（RAM）空间。

片内程序存储器为4KB容量，其地址为0000H～0FFFH。片外程序存储器为64KB容量，其地址为0000H～FFFFH。

片内数据存储器为256B容量，00H～7FH为通用的数据存储区，80H～FFH为专用的特殊功能寄存器区。片外数据存储器为64KB容量，其地址为0000H～FFFFH。

与8051不同的是，8751片内包含4KB的EPROM程序存储器，而8031内部不包含程序存储器。不同型号的51系列单片机在容量上面会有所区别。

（3）振荡电路和时钟电路 要给单片机的CPU工作提供时序，需要有相关硬件电路，即振荡器和时钟电路。51单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟，外部还需附加电路。51单片机时钟产生有两种方式，即内部时钟和外部时钟方式。

（4）中断系统 单片机的中断系统是为了响应和处理突发事件，同时提高工作效率的结构。

当单片机CPU处理事件的过程时，有了突发事件需要其去处理。这时CPU会自动保存当前程序进程，然后去处理突发事件，突发事件处理完后再回到刚才程序停止的位置继续执行主程序。如果没有中断系统，就只能由CPU按照程序编写的先后次序，对各个外设，进行巡回检查与处理。这就是查询式工作方式。貌似公平，实际效率却不高。如果有了中断系统，整个计算机系统，就具有了应付突发事件的处理能力，这就是中断式工作方式。

（5）两个16位定时/计数器 51单片机内部有两个16位的定时/计数器，主要用作定时和计数使用。单片机根据所要实现的功能从而选择定时/计数器的功能。

（6）并行I/O端口 51单片机有4个并行I/O口，用作数据的输入和输出。具备第二功能的端口还可实现其他功用。访问单片机的外接扩展也需要使用这些端口作为地址线和数据线使用。

（7）全双工串行口 51单片机有一个全双工的串行口，这个串行口既可以用于网络通信，也可以实现串行异步通信，还可作为同步移位寄存器使用。

（8）64KB总线扩展控制 当单片机需要外接设备进行扩展时，P0口和P2口可以作为并行扩展总线，可以扩展64KB程序存储器和64KB RAM I/O口。

4.MCS-51单片机的引脚

8051单片机是HMOS工艺制造，外形为40个引脚，如图1-16所示。因为受芯片引脚数量的限制，有很多引脚具有双功能。

（1）主电源引脚

1）VCC：芯片工作电源端，接+5V。

2）VSS：电源接地端。

（2）时钟振荡电路引脚

1）XTAL1：内部晶体振荡电路的反相器输入端。

2）XTAL2：内部晶体振荡电路的反相器输出端。

（3）控制信号引脚

1）RST：复位信号输入端。外部接复位电路接法如图1-17。

2）ALE：地址锁存允许信号。在不访问外部存储器时，ALE以时钟振荡频率的1/6的固定频率输出，用示波器观察ALE引脚上的脉冲信号是判断单片机芯片是否正常工作的一种简便方法。

3）：外部程序存储器ROM的读选通信号。当外部ROM取指令时，自动向外发送负脉冲信号。

4）：为访问程序存储器的控制信号。

（4）并行I／O端口引脚 它主要有P0口（P0.0～P0.7）、P1口（P1.0～P1.7）、P2口（P2.0～P2.7）、P3口（P3.0～P3.7）。

5.单片机外围电路

（1）复位电路 单片机的RST引脚是复位信号输入端，RST引脚上保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，可使单片机内部可靠复位。如采用12MHz的晶振，则须加在RST引脚上的复位脉冲的持续时间应大于2μs。单片机常用的外围复位电路如图1-17所示。

复位后，单片机内部的各寄存器的内容将被初始化，包括程序计数器PC和特殊功能寄存器，其中(PC)=0000H，特殊功能寄存器的初始状态见表1-1。复位不影响片内RAM和片外RAM中的内容。

（2）时钟电路 时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准。在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能，如图1-18所示。

电容容量范围为（30±10）pF，石英晶体频率的范围为1.2～12MHz，常用6MHz或12MHz。