单片机基础知识

微型计算机基本结构

总线

片内总线和片外总线

数据总线地址总线与控制总线

系统总线和IO总线

微处理器的内部结构

内部寄存器

通用寄存器

指针和变址寄存器

段寄存器

控制寄存器

标志寄存器

存储器的基本结构

存储器的分类

IO接口的功能

外部设备与CPU之间的数据传送方式

单片机

单片机基本介绍

单片机的特点

单片机的命名规则

51子系列单片机特点

MCS-51系列单片机

基本组成

内部结构

中央处理器

控制部件

存储器结构

程序存储器的6个特殊的地址

数据存储器

片内数据存储器

片外数据存储器

输入输出接口

P0口

P1口

P2口

P3口

外部引脚

控制线

主电源引脚

外接晶体引脚

片外总线结构

单片机的工作方式

复位方式

单片机的时序

微型计算机基本结构

前言：微型计算机由中央处理器、存储器、输入、输出设备和系统总线等组成。

注意：具体理解请见计算机组成原理。

总线

含义：总线是将各大基本部件按照一定得方式连接起来就构成了硬件系统，为各部件提供服务的公共信息传送线路。他能够分时的发送和接收各种部件的信息，是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的公共通道，CPU通过总线实现读取指令，并实现与内存、外设之间的数据交换，在CPU、内存与外设确定的情况下，总线的速度是制约计算机整体性能的关键。

片内总线和片外总线

片内总线：CPU内部的寄存器、算数逻辑部件、控制部件以及总线接口部件之间的公共信息通道
片外总线：泛指CPU与外部器件之间的公共信息通道。我们通常所说的总线就是指片外总线

数据总线地址总线与控制总线

数据总线：用于在各个部件/设备之间传输数据信息
地址总线：用于CPU与存储器、IO接口设备之间传输地址信息
控制总线：用于CPU与存储器、IO接口之间传输控制和状态信息

系统总线和IO总线

系统总线：CPU连接其他高速功能（如存储器）的总线
IO总线： 中低速IO设备之间相互连接的总线

微处理器的内部结构

前言：微处理器由运算器、控制器、寄存器组和片内总线组成。

注意：

运算器和控制器在计算机组成原理有讲，这里就不再赘述；而操作单片机主要是操作寄存器，这里主要讲一下寄存器相关。
ALU一次性最多能够处理多少位数据，那么该单片机就是几位。

内部寄存器

通用寄存器

AX：累加寄存器，是算术运算时使用的主要寄存器，所有外部设备的输入输出指令只能使用AL或AX作为数据寄存器
BX：基址寄存器，可以用作数据寄存器，在访问存储寄存器时，可以存放被读写存储单元的地址，是具有双重功能的寄存器
CX：计数寄存器，可以用作数据寄存器，在字符串操作、循环操作和移位操作时用作计数器
DX：数据寄存器，它可以用作数据寄存器，在乘除法中作为辅助累加器，在输入输出操作中存放接口的地址

指针和变址寄存器

前言：主要用于存放操作数的偏移地址（即操作数的段内地址）

SP：堆栈指针寄存器，在堆栈操作中存放栈顶的偏移地址
BP：基址指针寄存器，常用作堆栈区基址地址寄存器
SI：源变址寄存器，主要用于在字符串操作中存放原操作数的偏移地址
DI：目的变址寄存器，主要用于字符串操作中存放目的操作数的偏移地址

段寄存器

前言：主要用于存放段的基址（即段的起始地址的高16位）。

CS：代码段段寄存器，代码段用于存放程序代码。CS中存放当前正在执行的代码段的段基址
DS：数据段段寄存器，数据段用于存放当前使用的数据，DS中存放当前数据段的段基址
SS：堆栈段段寄存器，堆栈段是内存中一段特殊的存储区，SS中存放堆栈段的段基址
ES：附加数据段段基址，程序需要第二个数据段时，可以使用ES存放该数据段的段基址

控制寄存器

IP：指令指针寄存器是一个16位的寄存器，IP存放下一条要执行的指令的偏移地址
FLAGS：标志寄存器共有9个标志位，其中6个为状态标志位，3个为控制标志位

标志寄存器

前言：在单片机中若要运行一些数据的话肯定会涉及到+-*/等操作，这就涉及到标志寄存器功能

C：进位标志位
P：奇偶标志位
A：半加标志位
Z：零标志位
S：符号标志位
T：陷阱标志位（单步标志位）
I：中断允许标志位
D：方向标志位
O：溢出标志位

存储器的基本结构

前言：半导体存储器主要由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑和三态双向缓冲器等部分组成。

注意：地址译码器主要用于判断地址总线的电平的不同状态来确定要给RAM中哪个字节存储数据

存储器的分类

随机读写存储器：RAM（掉电以后数据直接丢失，类似内存）
只读存储器：ROM（掉电以后数据是不丢失的，类似固态硬盘）

IO接口的功能

数据的寄存和缓冲
信号的转换
设备选择功能
外设的控制和监测
中断或DMA管理功能
可编程功能

外部设备与CPU之间的数据传送方式

无条件传送方式
查询传送方式
中断传送方式

单片机

含义：单片机属于微型计算机的一种，是把微型计算机中的微处理器、存储器、IO接口，定时器/计数器、串行接口、中断系统等电路集成在一块集成电路芯片上形成微型计算机。因而被称为单片微型计算机，简称单片机。

单片机基本介绍

单片机英文Micro Controller Unit，简称MCU
单片机内部集成了CPU、RAM、ROM、定时器、中断系统、通讯接口等一系列电脑的常用硬件功能
单片机的任务是：信息采集（依靠传感器）、处理（依靠CPU）和硬件设备（例如电机和LED等）的控制
单片机和计算机相比，单片机是一个袖珍版的计算机，一个芯片就能构成完整的计算机系统。但是在性能上与计算机相差甚远，但单片机成本低，体积小，结构简单，在生活和工业控制领域有很大作用
单片机的适用领域已经十分广泛，如智能仪表，实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上单片机就能起到使产品升级换代的功效（智能洗衣机）。

单片机的特点

在存储结构上单片机采用哈佛结构。ROM和RAM是严格分开的，ROM称为程序存储器，只存放程序，固定常数和数据表格。RAM则数据存储器，用作工作区和存放数据
在芯片引脚上，大部分采用时分复用技术
在内部资源访问上，通过特殊功能寄存器（SFR）的方式
在指令系统上，采用，面向控制的指令系统
内部一般都集成一个全双工的串行接口
单片机有很强的外部扩展能力

注意：51单片机为80年代intel开发的8051单片机内核的统称，就是因为这个8051有个51，所以，凡事以8051内核一样的单片机都统称为51系列单片机。

单片机的命名规则

51子系列单片机特点

8位CPU
片内带有振荡器，频率范围为1.2——12MHz
片内带有128字节的数据存储器
片内带有4K的程序存储器
程序存储器的寻址空间为64K字节
片外数据存储器的寻址空概念为64K字节
128个用户位寻址空间

MCS-51系列单片机

基本组成

内部结构

中央处理器

前言：运算部件以算数逻辑单元ALU为核心，包含累加器ACC（简称A）、B寄存器、暂存器、标志寄存器PSW等许多部件，他能实现算数运算、逻辑运算、位运算、数据传输等处理。

注意：标志寄存器是一位8位寄存器，它用于保存指令执行结果的状态，以供程序查询和判别。

C（PSW.7）：进位标志位
AC（PSW.6）：辅助进位标志位
F0（PSW.5）：用户标志位
RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器组选择位
OV（PSW.2）：溢出标志位
P（PSW.1）：奇偶标志位；若累加器A中1的个数为奇数，则P置位；若为偶数，则P清零

控制部件

理解：控制部件是单片机的控制中心，它包括定时和控制电路、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、堆栈和指针SP、数据指针DPTR以及信息传送控制部件等。他先以震荡信号为基准产生CPU时序，从ROM中取出指令到指令寄存器，然后在指令译码器中对指令进行译码，产生指令执行所需的各种控制信号，送到单片机内部的各个功能部件，指挥各个功能部件产生相应的操作，完成对应的功能。

存储器结构

前言：MCS-51单片机存储结构与一般微机的存储器结构不同，分为程序存储器ROM和数据存储器RAM。程序存储器存放程序、固定常数和数据表格。数据存储器用作工作区和存放数据

程序存储器的6个特殊的地址

复位地址

0000H

数据存储器

注意：数据存储器从物理结构上分为片内数据存储器和片外数据存储器。

片内数据存储器

片内数据存储器按功能分为以下几个部分

工作寄存器组区：00H-1FH单元为工作寄存器组区，共32个字节。工作寄存器也称为通用寄存器，用于临时寄存8位信息。工作寄存器共4组，称为0组、1组、2组、3组，每组8个，分别依次用R0-R7表示
位寻址区：20H-2FH为位寻址区，共16字节，128位。这128位每位都可以按位方式使用，每一位都有一个位地址，位地址范围为00H-7FH
一般RAM区：30H-7FH为一般RAM区，也称为用户RAM区，共80字节，对于52子系列，一般RAM区从30H-FFH单元。另外，对于前两区中未使用的单元也可用为用户RAM单元使用
堆栈区与堆栈指针：堆栈是按先入后出、后入先出的原则进行管理的一段存储区域。

片外数据存储器

扩展外部数据存储器最多64kb，地址范围为0000H-0FFFFH，通过数据指针寄存器DPTR作指针间接方式访问，对于低端的256字节，可用两位十六进制地址编址，地址范围为00H-0FFH，可通过R0和R1间接方式访问。

输入输出接口

前言：MSC-51系列单片机有4个8位的并行IO接口：P0、P1、P2和P3口。他们是特殊功能寄存器中的4个。这4个口，既可以作输入，也可以作输出，既可以按8位处理，也可以按位方式使用。输出时具有锁存能力，输入时具有缓冲功能。

P0口

前言：P0口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用口，也可作为通用的IO接口。它包括一个输出锁存器、两个三态缓冲器、输出驱动电路和输出控制电路组成

当P0口作通用I/O接口时，应注意以下两点

在输出数据时，必须外接上拉电阻
P0口作为通用I/O口输出使用时，在输入数据前，应先向P0口写1

P1口

前言：P1口是准双向口，他只能作通用I/O接口使用。对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二个功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX

准双向IO口和双向IO口的区别

准双向口：准双向口就是做输入用的时候要有向锁存器写1这个准备动作，所以叫准双向口
真正的双向口不需要任何预操作可直接读入读出

P2口

P2口也是准双向口，他有两种用途：通用IO接口和高8位地址线。（在接有片外存储器或扩展IO口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线）

P3口

P3口除了作为准双向通用IO口使用外，他的每一根线还具有第二种功能。（P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能）

外部引脚

控制线

ALE/PROG（30脚）：地址锁存信号输出端。ALE在每个机器周期内输入两个脉冲
PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效
RST/VPD（9脚）：RST即为reset，VPD为备用电源。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可以实现复位操作，使单片机恢复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位
EA/VPP（31脚）：EA为片外程序存储器选用端。该引脚低电平时，选用片外程序存储器，高电平或悬空时选用片内程序存储器

主电源引脚

VCC（40脚）： 接+5v电源正极
VSS（20脚）：接+5v电源地级

外接晶体引脚

XTAL1、XTAL2（19、18脚）：当使用单片机内部震荡电路时，这两个引脚用来外接石英晶体（不分正负极）和微调电容，如图a。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，对XTAL1引脚接地，XTAL2接片外震荡脉冲输入（带上拉电阻）；对于CHMOS单片机XTAL2引脚接地，XTAL1接片外震荡脉冲输入（带上拉电阻）

理解：单片机在运行时需要一个步调作为运行基准的，通过晶体振荡器输出的方波信号就像指挥方队的口号一样。

片外总线结构

地址总线：地址总线宽度为16位，寻址范围都为64kb。由P0口径地址锁存器提供低8位（A7-A0），P2口提供高8位（A15-A8）而形成。可对片外程序存储器和片外数据存储器寻址
数据总线：数据总线宽度为8位，由P0口直接提供
控制总线：控制总线由第二功能状态下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成

单片机的工作方式

复位方式

前言：在时钟电路工作以后，当外部电路使得RST端出现2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平，系统内部复位。复位有两种方式：上电复位和按钮复位

上电复位：VCC加电以后，电容器充电，电容器左板电子流出显正电，电容器右板电子流入显负电，因而rst处电流方向由右板流入rst，rst处表示为高电平
按键复位：按键后短接上面电容，进而使rst处电位处于高电平状态。

注意：复位端没有标上划线就代表高电平有效（当这个引脚输入5V高电平时就会触发单片机从头执行程序代码）

单片机的时序

时钟周期：也称振荡周期，单片机内部时钟电路产生（或外部时钟电路送入）的信号周期
指令周期：计算机取一条指令至执行完该指令需要的时间称为指令周期、
机器周期：机器周期是单片机的基本操作周期，每个机器周期包含S1，S2……S6 6个状态，每个状态包含2拍P1，P2，每一拍为一个时钟周期。因此，一个机器周期包含12个时钟周期。