单片机硬件结介绍.doc

第1章 单片机硬件系统 ( 本章概要及学习目标： 本章从单片机的概念入手，以AT89C51单片机芯片为例，介绍MCS-51型单片机芯片的外部引脚功能、内部硬件结构及工作特性，并通过单片机应用系统开发过程实验说明使读者对单片机应用系统及其开发有一个感性认识，对单片机的基本工作原理和工作过程有一个大致的了解，同时也指出了学习单片机的两个基本方面：硬件结构和软件编程。 通过对本章的学习，读者应掌握和了解以下知识： 1．计算机、微型机、单片机及单片机应用系统的概念 2．微型机的CPU、存储器和输入/输出的硬件构成及功能 3．89C51外部引脚及功能，内部结构及工作原理 4．89C51的RAM分布、ROM结构及地址形成 5．89C51的SFR 6．89C51的并行口及时钟与复位 7．单片机应用系统的开发过程及工作过程 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）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（CAL