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。
其他
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。
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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：①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；②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word版本.
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。
微型计算机系统
图1-3 微型计算机系统结构示意图图1-4 单片机部结构示意图
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。
1．MCS-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。芯片部集成有：
?一个8位的微处理器（CPU）
?4KB的程序存储器
?128B的数据存储器
?64KB的片外程序存储器寻址能力
?64KB的片外数据存储器寻址能力
?32根输入/输出线
?1个全双工异步串行口
?2个16位定时/计数器
?5个中断源，2个优先级
MCS-51系列单片机按片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。
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word版本. 1.2 MCS-51单片机结构和原理
1.2.1 MCS-51单片机的引脚及部结构
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容。
1．89C51的外部引脚
89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。
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为部振荡器的两条引出线。
3）控制引脚
（1）ALE/PROG：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）PSEN：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PS EN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PS EN两次低电平有效信号将不出现。PSEN端可以驱动8个TTL负载。
（3）EA/VPP：访问程序存储器控制信号/编程电源输入端
当该引脚EA信号为低电平时，只访问片外程序存储器，不管片是否有程序存储器；当该引脚为高电平时，单片机访问片的程序存储器。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。
图1-6 89C51引脚
掉电期间，该引脚可接上备用电源（VPD）以保持部RAM的数据。
4）I/O引脚
P0口（P0.0～P0.7）：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（P1.0～P1.7）：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（P2.0～P2.7）：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（P3.0～P3.7）：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。
2．89C51的部结构
89C51单片机由运算器和控制器组成的微处理器、片存储器RAM/ROM、P0～P3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的部数据存储器（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，地址围是00H～7FH，用于存放可读写的数据。因此通常所说的部数据存储器是指低128单元，简称部RAM。
3）89C51的部程序存储器（部ROM）
89C51芯片中共有4KBFPEROM，地址围是0000H～0FFFH，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6MHz～12MHz。