型不断升级,目前是简单系统设计中常使用的一种机型。
由于单片机的高度集成化,缩短了系统内部的信号传送距离,优化了结构配置,大大提高了系统的可靠新性,同时它的指令系统又适合于工业控制要求,所以单片机在工业控制中得到可广泛的应用。
第2章 单片机结构及原理2.1 单片机的概述 单片机(single-chip microcomputer)是把微型计算机主要部分集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。
单片机的芯片上集成了中央处理单元 CPU,只读存储器ROM定时/计数器,并行和穿行输入/输出接口等。
由于单片机的高度集成化,缩短了系统内部的信号传送距离,优化了结构配置,大大提高了系统的可靠性及运行速度,同时它的指令系统又很适合于工业控制要求,所以单片机在工业控制及设备控制中得到可广泛的应用。
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
CMOS 化 CMOS 电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快,但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高,又出现了 HMOS(高密度、高速度 MOS)和 CHMOS 工艺。
低功耗化 单片机的功耗已从 Ma 级,甚至 1uA 以下;使用电压在 36V 之间,完全适应电池工作。
低功耗化的效应不仅是功耗低,而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
低电压化 几乎所有的单片机都有 WAIT、STOP 等省电运行方式。
允许使用的电压范围越来越宽,一般在 36V 范围内工作。
低电压供电的单片机电源下限已可达 1~2V。
目前 0.8V 供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求。
大容量化 以往单片机内的 ROM 为 1KB~4KB,RAM 为 64~128B。
但在需要复杂控制的场合,该存储容量是不够的,必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求,运用新的工艺,使片内存储器大容量化。
目前,单片机内 ROM 最大可达 64KB,RAM 最大为 2KB。
高性能化 主要是指进一步改进 CPU 的性能,加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。
采用精简指令集(RISC)结构和流水线技术,可以大幅度提高运行速度。
小容量、低价格化 与上述相反,以 4 位、8 位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。
这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化,可广泛用于家电产品。
外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。
随着集成度的不断提高,有可能把众多的各种外围功能器件集成在片内。
除了一般必须具有的 CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外,片内集成的部件还有模/数转换器、DMA 控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。
串行扩展技术 在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。
随着低价位 OTP(One Time Program)及各种类型片内程序存储器的发展,加之外围接口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。
特别是 I C、SPI 等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化。
2.2 M C S - 5 1 单 片 机 的 硬 件 结 构 MCS-51 系列包括 3 种产品 8051、8751、和 8031。
8051 片内有 4K 节的 ROM。
用户将已开发好的程序交给芯片制造厂商,在制造芯片时用掩膜工序将用户程序写入 ROM。
显然用户本身是无法将自己的程序些8051 芯片的。
程序一经写入片内 ROM用户也无法改变程序。
8751 片内有 4K 直接的 EPROM。
用户可以用高压脉冲将用户程序写入片内EPROM。
所以当用户的程序不长时使用这种芯片可以简化电路,也可以作为开发系统内 ROM 8051 单片机的代用芯片。
由于 EPROM 可通过照射紫外线后抹去原有程序进行改写,所以这类芯片也可以用于程序的开发工作。
8031 片内无 ROM和 EPROM使用时必需配置外部的程序存储器 EPROM。
当 8051 和 8751 芯片无法利用其片内 ROM 或 EPROM 时,可作为 8031 芯片使用。
这三中引脚相容的产品均可寻址 64K 字节的外部程序存储器和 64K 字节的外部数据存储器。
2.2.1 8051 单片机的硬件结构特点 8051 单片机具有如下基本性能: 8 位 CPU片内有振荡器; 4K 字节的片内 ROM 128 子节的片内 RAM 21 个特殊功能寄存器; 32 根 I/O 线; 可寻址 64K 字节的外部数据存储器空间; 可寻址 64K 字节的外部程序存储器空间; 2 个 16 位定时器/计数器; 5 个中断源,有 2 个优先级; 1 个全双工穿行通道; 对逻辑操作具有为寻址功能。
MCS-51 单片机在物理结构上有四个存储空间: 1.片内程序存储器 2.片外程序存储器 3.片内数据存储器 4.片外数据存储器但在逻辑上,即从用户的角度上,8051 单片机有三个存储空间: 1.片内外统一编址的 64K 的程序存储器地址空间MOVC) 2.256B 的片内数据存储器的地址空间MOV) 3.以及 64K 片外数据存储器的地址空间MOVX)下图是 8051 单片机存储器的空间结构图 图 2-1 MCS-51 存储器结构 从上图中大家可以看到,0000H-0002H,只有三个存储单元,3 个存储单元在我们的程序存放时是存放不了实际意义的程序的,通常我们在实际编写程序时是在这里安排一条 ORG 指令,通过 ORG 指令跳转到从 0033H 开始的用户 ROM 区域,再来安排我们的程序语言。
从 0033 开始的用户 ROM 区域用户可以通过 ORG指令任意安排,但在应用中应注意,不要超过了实际的存储空间,不然程序就会找不到。
2.2.2 8051 的引脚介绍 8051 的引脚如图 2-2 所示,它们的功能如下: 图 2-2 8051 的引脚引脚功能:l P0.0~P0.7 P0 口 8 位双向口线(在引脚的 39~32 号端子)。
l P1.0~P1.7 P1 口 8 位双向口线(在引脚的 1~8 号端子)。
l P2.0~P2.7 P2 口 8 位双向口线(在引脚的 21~28 号端子)。
l P3.0~P3.7 P2 口 8 位双向口线(在引脚的 10~17 号端子)。
1.P0 口有三个功能:(1)外部扩展存储器时,当作数据总线(如图 1 中的 D0D7 为数据总线接口)(2)外部扩展存储器时,当作地址总线(如图 1 中的 A0A7 为地址总线接口)(3)展时,可做一般的 I/O 使用,但内部无上拉电阻,作为输入或输出时应在外 部接上拉电阻。
2. P1 口只做 I/O 口使用:其内部有上拉电阻。
3. P2 口有两个功能: (1)扩展外部存储器时,当作地址总线使用。
(2)做一般 I/O 口使用,其内部有上拉电阻。
4.P3 口有两个功能: 除了作为 I/O 使用外(其内部有上拉电阻),还有一些特殊功能,由特殊寄存器来设置,具体功能请参考我们后面的引脚说明。
有内部 EPROM 的单片机芯片(例如 8751),为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源,这些信号也是由信号引脚的形式提供的。
地址锁存控制信号:在系统扩展时,ALE 用于控制把 P0口的输出低 8 位地址送锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据的隔离。
在后面关于扩展的课程中我们就会看到 8051 扩展 复位信号:当输入的信号连续 2 个机器周期以上高电平时即为有效,用以完成单片机的复位初始化操作,当复位后程序计数器 PC0000H,即复位后将从程序存储器的 0000H 单元读取第一条指令码。
外接晶振引脚 当使用芯片内部时钟时,此二引脚用于外接石英晶体和微调电容;当使用外部时钟时,用于接外部时钟脉冲信号。
VCC:电源5V 输入VSS:GND 接地。
2.3 MCS-51 指令系统简介 2.3.1 概
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