单片机最小硬件系统介绍

第1章 单片机最小系统 单片机最小硬件系统简介1.1 计算机、微型机、单片机及单片机应用系统概述微型计算机的出现给人类生活带来了根本性的变化，使现代科学研究产生了质的飞跃，单片机技术的出现则给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。它在工业控制、数控采集、智能化仪表、办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应用，毫不夸张地说，单片机技术的开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展的标志之一。单片微型计算机（Single Chip Micro Computer）简称单片机，它是一种把组成微型计算机的各功能部件：中央处理单元CPU、一定容量的随机存储器RAM和只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行口等制作在一块芯片中的计算机。由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的，常用在工业检测、控制装置中，因而也称为微控制器（Micro-Controller）。单片机具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等特点，在家用电器、智能化仪器、工业控制以及火箭导航尖端技术领域都发挥着十分重要的作用。1.1.1 单片机及单片机应用系统1微型计算机及微型计算机系统计算机的硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大部分组成。把运算器、控制器及一些寄存器集成在一块硅片上而成为独立的器件，该器件就称为微处理器（CPU）。微处理器芯片、存储器芯片、输入/输出接口电路芯片以及外部设备，在它们之间用总线连接起来就构成了微型计算机，如图1-1所示。图1-1 微型计算机组成框图可见，微型计算机结构的突出特征是具有一个包含运算器和控制器的集成芯片微处理器（CPU）。微型机硬件系统各部分的组成及功能简述如下：1）微处理器微处理器是微型计算机的核心，其结构示意如图1-2所示。图1-2 微处理器结构示意图微处理器包括运算器，控制器和寄存器组3个基本部分。（1）运算器：运算器是计算机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行。通常运算器由算术/逻辑运算单元ALU、累加器A、暂存寄存器、标志寄存器F等组成。累加器A是一个特殊的寄存器。通常其作用有两个：一是运算时把一个操作数经暂存器送至ALU；二是在运算后保存其运算结果。暂存寄存器用来暂时存储数据总线或其他寄存器送来的操作数，是ALU的数据输 入源。标志寄存器F用来保存ALU运算结果的特征（如进位标志、溢出标志等）和处理器的状态，这些特征和状态可以作为控制程序转移的条件。算术/逻辑运算单元ALU由加法器和相应的控制逻辑电路组成。它能分别对来自两个暂存器数据源的两个操作数进行加、减、与、或等运算，还能进行数据的移位。ALU进行何种运算由控制器发出的命令确定，运算后的结果经数据总线送至累加器A，同时影响标志寄存器F的状态。（2）控制器：计算机的控制器由指令寄存器IR、指令译码器ID、定时及控制逻辑电路和程序计数器PC等组成，它控制使计算机各部分自动、协调地工作。控制器按照指定的顺序从程序存储器中取出指令进行译码并根据译码结果发出相应的控制信号，从而完成该指令所规定的任务。指令寄存器IR用来保存当前正在执行的一条指令。要执行一条指令，首先要把它从程序存储器中取到指令寄存器中。指令的内容包括操作码和操作数（或操作数的地址码）两部分。操作码送到指令译码器ID，经译码后确定所要执行的操作；操作数的地址码也要送到操作数地址形成电路以便形成真正的操作数地址。定时及控制逻辑电路是CPU的核心部件。它的任务有控制取指令、执行指令、存取操作数或运算结果等操作，向其他部件发出控制信号，协调各部件的工作。程序计数器PC也叫指令地址计数器。计算机的程序是有序地存储在程序存储器中的各种指令的集合。计算机运行时，按顺序取出程序存储器中的指令并逐一执行。程序计数器PC指出当前要执行的指令的地址。每当指令取出后，PC的内容自动加1（除转移指令外），从而指向按序排列的下一条指令的地址。若遇到转移指令（JMP）、子程序调用指令（CALL）或返回指令（RET）时，这些指令会把要执行的下一条指令的地址直接置入PC中，PC的内容才会突变。程序计数器PC的位数决定了微处理器所寻址的存储器空间。（3）寄存器组：寄存器组作为CPU内部的暂存单元至关重要，它是CPU处理数据所必需的一个存取空间，其多少直接影响着微机系统处理数据的能力和速度。2）存储器存储器是计算机存放程序或数据的器件，它由若干存储单元组成。存储器有两个指标：存储容量是指存储器所能存放的最大字节数，每个存储单元按顺序都有一个惟一的编号，即存储地址；存取时间是指存储器存取一次数据所需要的时间，在某种程度上，它决定着计算机系统的运行速度。存储器又分内存储器和外存储器。存放程序的存储器采用只读存储器（ROM）；存放输入/输出数据或中间结果的存储器采用随机存储器（RAM）。在实验系统中使用的EEPROM2864、SRAM6264都是存储器芯片。3）输入设备输入设备用于把程序和数据输入到计算机中。常用的输入设备有键盘、鼠标、光电输入机等。4）输出设备输出设备用于把计算机数据计算或数据处理的结果，以用户需要的形式显示或打印出来。常用的输出设备有打印机、显示器、绘图仪等。计算机用于控制时，输入输出信息还包括现场的各种信息和控制命令。软件系统和硬件系统共同构成完整的微型机系统，两者相辅相成，缺一不可。2单片微型计算机前面已经提到：单片微型计算机简称单片机，它是指把组成微型计算机的各功能部件集成在一个芯片上构成一个完整的微型机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机实质上是一个芯片，在实际应用中通常很难直接把单片机和受控对象进行电气连接，而是必须外加各种扩展接口电路以至外部设备，连同受控对象和单片机程序软件构成一个单片机应用系统。 图1-3 微型计算机系统结构示意图 图1-4 单片机内部结构示意图1.1.2 MCS-51系列单片机Intel公司于1976年推出了MCS-48系列单片机，于1980年推出了MCS-51系列单片机，于1983年推出了MCS-96系列单片机。1MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机是一种高性能的8位单片机，它是在MCS-48系列单片机的基础上推出的第二代单片机。其典型产品为8051，封装为40引脚。芯片内部集成有：r 一个8位的微处理器（CPU）r 4KB的程序存储器r 128B的数据存储器r 64KB的片外程序存储器寻址能力r 64KB的片外数据存储器寻址能力r 32根输入/输出线r 1个全双工异步串行口r 2个16位定时/计数器r 5个中断源，2个优先级MCS-51系列单片机按片内有无程序存储器及程序存储器的形式分为三种基本产品：8051、8751和8031。1.2 MCS-51单片机结构和原理1.2.1 MCS-51单片机的引脚及内部结构对于一个单片机应用系统的开发设计者，熟悉并掌握单片机的硬件结构是十分重要的，这里从实际需要出发，只介绍与程序设计和系统扩展应用有关的内容。189C51的外部引脚89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。图1-6 89C51引脚按其功能可分为电源、时钟、控制和I/O接口四大部分：1）电源引脚VCC：芯片主电源，外接+5V；GND：电源地线。2）时钟引脚XTAL1与XTAL2为内部振荡器的两条引出线。3）控制引脚（1）ALE/：地址锁存控制信号/编程脉冲输入端在扩展系统时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低8位地址和数据的隔离，P0口作为数据地址复用口线。当访问单片机外部程序或数据存储器或外接I/O口时，ALE输出脉冲的下降沿用于低8位地址的锁存信号；即使不访问单片机外部程序或收据存储器或外接I/O口，ALE端仍以晶振频率的1/6输出正脉冲信号，因此可作为外部时钟或外部定时信号使用。但应注意，此时不能访问单片机外部程序、数据存储器或外设I/O接口。ALE端可以驱动8个TTL负载。对于EEPROM型单片机（89C51）或EPROM型单片机（8751），在EEPROM或EPROM编程期间，该引脚用来输入一个编程脉冲。（2）：片外程序存储器读选通有效信号在CPU向片外程序存储器读取指令和常数时，每个机器周期两次低电平有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器或I/O接口时，该两次低电平有效信号将不出现。端可以驱动8个TTL负载。（3）/VPP：访问程序存储器控制信号/编程电源输入端当该引脚信号为低电平时，只访问片外程序存储器，不管片内是否有程序存储器；当该引脚为高电平时，单片机访问片内的程序存储器。但对AT89C51来说，当PC（程序计数器）值超出4K地址时，自动转到片外程序存储器1000H开始顺序读取指令。对于EEPROM型单片机（89C51）或EPROM型单片机（8751），在EEPROM或EPROM编程期间，该引脚用于施加一个+12V或+21V的电源。（4）RST/VPD：复位/掉电保护信号输入端当振荡器运行时，在该引脚加上一个2个机器周期以上的高电平信号，就能使单片机回到初始状态，即进行复位。掉电期间，该引脚可接上备用电源（VPD）以保持内部RAM的数据。4）I/O引脚P0口（P0.0P0.7）：8位双向并行I/O接口。扩展片外存储器或I/O口时，作为低8位地址总线和8位数据总线的分时复用接口，它为双向三态。P1口（P1.0P1.7）：8位准双向并行I/O接口。P1口每一位都可以独立设置成输入输出位。P2口（P2.0P2.7）：8位准双向并行I/O接口。扩展外部数据、程序存储器时，作为高8位地址输出端口。P3口（P3.0P3.7）：8位准双向并行I/O接口。除了与P1口有一样的功能外，每一个引脚还兼有第二功能。以上是把MSC-51单片机芯片全部40个信号引脚的定义及功能作一简单说明。289C51的内部结构89C51单片机由运算器和控制器组成的微处理器、片内存储器RAM/ROM、P0P3组成的I/O端口以及各种存储器组成的特殊功能寄存器SFR和串行接口、定时/计数器、中断系统、振荡器等构成。下面介绍其各构成部分的基本含义。1）89C51的微处理器（CPU）微处理器是单片机的核心部分，完成运算和控制功能。89C51的CPU能处理8位二进数或代码，它由运算器（包括算术/逻辑运算单元ALU、累加器A、寄存器B、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW）、控制器（包括指令寄存器IR、指令译码器ID、定时及控制逻辑电路）、程序计数器PC等组成。2）89C51的内部数据存储器（内部RAM）89C51芯片中共有256个RAM单元，但其中高128单元被专用寄存器SFR占用，能作为寄存器供用户使用的只是低128单元，地址范围是00H7FH，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器是指低128单元，简称内部RAM。3）89C51的内部程序存储器（内部ROM）89C51芯片中共有4KBFPEROM，地址范围是0000H0FFFH，用于存放程序、原始数据或表格，因此称之为程序存储器，简称内部ROM。4）定时/计数器89C51芯片中共有两个16位的定时/计数器以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果实现控制功能。5）并行I/O口89C51芯片中共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）以实现数据的并行输入/输出。本书在实训1中已经使用了P1口，通过P1口连接8个发光二极管。6）串行口89C51单片机有一个全双工的串行口以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。7）中断控制系统MCS-51系列单片机的中断功能较强以满足控制应用的需要。89C51共有5个中断 源，即外中断两个、定时/计数中断两个、串行中断一个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。8）时钟电路89C51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路位单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6MHz12MHz。从上述内容可以看出，MCS-51虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已属于一个简单的微型计算机系统了。1.2.2 MCS-51单片机的内部数据存储器存储器功能是存储信息程序和数据。存储器按其存取方式可以分成两大类，一类是随机存取存储器（RAM）；另一类是只读存储器（ROM）。对于RAM，CPU在运行过程中能随时进行写入和读出，但在关闭电源时，其存储信息将丢失，所以它只能用来存放暂时性的输入/输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。因此，RAM常被称作数据存储器。ROM是一种写入信息后不能改写只能读出的存储器，断电后，其信息仍保留不变。ROM用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。所以，ROM常被称作程序存储器。MCS-51单片机的芯片内部包含数据存储器（RAM）和程序存储器（ROM）两类存储器。下文先介绍内部数据存储器（RAM）。1内部数据存储器（RAM）的地址分配内部RAM共有256个单元，通常把256个单元按其功能划分为两部分：低128字节（00H7FH）RAM和高128字节（80HFFH）。2内部数据存储器（RAM）低128单元内部数据存储器的低128单元（00H7FH）是真正的RAM存储器，按其用途划分为工作寄存器区、位寻址区和用户RAM区三个区域。1）寄存器区共有4组寄存器，每组8个寄存单元，各单元8位，每组的8个寄存单元都以R0R7作为寄存单元的编号。寄存器常用于存放操作数及中间结果，由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称为通用寄存器，有时也叫工作寄存器。4组通用寄存器占据内部RAM的00H1F单元地址。在任一时刻，CPU只能使用四组寄存器中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中的RS1、RS0的状态组合来决定（见SFR中的PSW）。通用寄存器为CPU提供了就近存储数据的功能，有利于提高单片机的运算速度。此外，使用通用寄存器还能提高程序编制的灵活性，因此在单片机的应用编程中应充分地利用这些寄存器，以简化程序设计，提高程序运行速度。2）位寻址区内部RAM的20H2FH单元，既可以作为一般的RAM单元，进行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称为位寻址区。位寻址区共有16个RAM单元字节，计128位，各位地址位00H7FH。MCS-51具有布尔处理机的功能，位寻址区可以构成布尔处理机的存储空间。这种位寻址区能力是MCS-51的一个重要特点，表1-4为位寻址区的位地址表。3）用户RAM区在内部RAM的128个单元中，通用寄存器占了32个单元，位寻址区占了16个单元，剩下80个单元，这就是供用户使用的一般RAM区，其单元地址为30H7FH。对用户RAM区的使用没有任何规定和限制，但在实际使用中，常需在RAM区设置堆栈。这在编程中使用RAM单元时应特别注意，不要和栈区单元混淆。3内部数据存储器（RAM）高128单元内部数据存储器（RAM）高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80HFFH。但这21个专用寄存器的地址分散地分布在80HFFH的地址空间中，只占用了高128单元中的21个单元。因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（Special Function Register），也可称之为特殊功能寄存器。1）特殊功能寄存器（SPR）简介8051/89C51共有21个专用寄存器，现把其中部分寄存器简单介绍如下：（1）程序计数器（Program Counter，PC） PC是一个16位的计数器，它的作用是控制程序的执行顺序，其内容为下一条要执行的指令的地址，寻址范围达64KB。PC有自动加1的功能，从而实现程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行读/写操作，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。因地址不在SFR（专用寄存器）内，一般不计作专用寄存器。（2）累加器（Accumulator，ACC） 累加器为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，功能较多，地位重要。它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。MCS-51单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。（3）B寄存器 B寄存器也是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。乘法运算时，B存乘数，乘法操作后，乘积的高8位存于B中；除法运算时，B存除数，除法操作后，余数存于B中。此外，B寄存器也可作为一般寄存器使用。（4）程序状态字（Program Status Word，PSW） 程序状态字是一个8位寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。其中有些位的状态是根据程序执行结果，由硬件自动设置的，而有些位的状态则使用软件方法设定。PSW的位状态可以用专门指令进行测试，也可以用指令读出。一些条件转移指令根据PSW某些位的状态进行程序转移。位或复位，用于控制程序的转向。（5）数据指针（DPTR） 数据指针为16位寄存器。（6）堆栈指针 （Stack Pointer，SP） 堆栈是一个特殊的存储区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”的原则存取数据的。堆栈共有两种操作：进栈和出栈。2）特殊功能寄存器中的字节寻址和位寻址MCS-51系列单片机有21个可寻址的专用寄存器，其中有11个专用寄存器是可以位寻址的。对专用寄存器的字节寻址问题作如下几点说明：（1）21个可字节寻址的专用寄存器不连续地分散在内部RAM高128单元之中，尽管还余有许多空闲地址，但用户并不能使用。（2）程序寄数器PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。（3）对专用寄存器只能使用直接的寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。全部专用寄存器可位寻址的位共83位，这些位都具有专门的定义和用途。这样，加上位寻址的128位，在MCS-51的内部RAM中共有128+83=211个可寻址位。1.2.3 MCS-51单片机的内部程序存储器8051片内有4KB的ROM，8751片内有4KB的EPROM，8031片内无程序存储器。MCS-51的片外最多能扩张64KB程序存储器，片内外的ROM是统一编址的。1.3 MCS-51单片机的并行端口单片机芯片内还有一项主要内容即并行I/O口。MCS-51共有4个8位的I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3。每个口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。1.4 时钟电路与复位电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。1.4.1 时钟电路与时序1时钟电路1）时钟电路的产生在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，即单片机的时钟电路。如图1-15所示。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。请读者特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的错误。一般地，电容C1和C2取30pF左右，晶体的振荡频率范围是2MHz12MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，从而单片机运行速度也就快。通常情况下，MCS-51的应用振荡频率为6 MHz或12 MHz。2）引入外部脉冲信号在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的公用外部脉冲信号作为单片机的振荡脉冲。 2时序时序是用定时单位来说明的。MCS-51的时序单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。下面分别加以说明。（1）节拍与状态把振荡脉冲的周期定义为节拍（用P表示）。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号周期，将其定义为状态（用S表示）。这样，一个状态包含两个节拍。与前半周期对应的节拍为节拍1（P1），与后半周期对应的节拍为节拍2（P2）。（2）机器周期MCS-51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2、S6P2。一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的12分频。当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1s；当振荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期为2s。（3）指令周期指令周期是最大的时序定时单位，执行一条命令所需要的时间称为指令周期。它一般由若干个机器周期组成，不同的指令，所需要的机器周期数也不相同。通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令等。指令的执行速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令其执行的速度越快。MCS-51单片机通常可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令三种。四周期指令只有乘法和除法指令两条，其余都为单周期和双周期指令。单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。MCS-51的取指/执行时序如图1-17所示。由图1-17可知，ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内出现两次高电平：第一次出现在S1P2和S2P1其间，第二次出现在S4P2和S5P1其间。ALE信号每出现一次，CPU就进行一次取指操作，但由于不同指令的字节数和机器周期数不同，因此取指令操作也随指令不同而有些小差异。1.4.2 单片机的复位电路单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从该状态开始工作，例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。实训中已经看出，无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以必须弄清楚MCS-51型单片机复位的条件、复位电路和复位后状态。