C51_基础核心_芯片结构

一、基本组成

   1、单片机

     在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器、多功能I/O等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称 MCU。

   2、51单片机内包含部件：

    

     一个8位CPU。
     128字节 RAM 数据存储器。
     一个片内4KB ROM 程序存储器。
     可寻址 64KB 外部 RAM 和 64KB 外部 ROM 的控制电路。
     32条可编程的 I/O 线（4个8位并行I/O端口）。
     两个16位的定时/计数器。
     一个可编程全双工串行口。
     5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
     一个片内震荡器及时钟电路。

二、CPU

   1、CPU:

     是单片机的核心部件，由运算器、程序计数器PC、指令寄存器 等部件组成。

   2、运算器

     功能就是进行运算（算术运算、逻辑运算、位运算）。
     操作结果的状态信息存至 状态寄存器PSW。

   3、程序计数器PC（Program Counter）

     16位自动加 1 的寄存器
     存放即将执行的指令地址
     可对64KB程序存储器直接寻址
     执行指令时，PC内容的低8位经 P0 输出，高8位经 P2 输出。
     取出指令码后，PC寄存器内容自动加 1 ，指向下一指令地址。

   4、指令寄存器

     存放指令代码
     CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经指令寄存器译码后，由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。

三、存储器

   1、存储器地址空间的结构形式

    

     普林斯顿结构：

       RAM 和 ROM 连续编址在同一地址空间，CPU访问ROM和RAM用相同的访问指令。

     哈佛结构：

       RAM 和 ROM 分别编址在不同地址空间，（RAM和ROM可以有相同的地址，CPU靠不同的指令区别）MCS-51采用这个结构，各有各自的指令。
       51 存储器采用哈佛结构，拥有片内RAM、片内ROM、片外RAM、片外ROM；

   2、程序存储器

     1）、程序存储器 ROM：

       用于存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。
       8051单片机内置最低4KB ROM程序存储器。

     2）、51 ROM的执行特点：

      

       1）片内、片外的两个ROM统一编址，用MOC指令访问。程序存储器以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64KB。
       2）EA_n引脚=1时，程序先执行片内ROM地址的0000H～0FFFH，再执行片外ROM地址的1000H～FFFFH，是连续的（此时片内、片外ROM中被用的空间共占64K）；
       3）EA_n引脚=0时，程序只执行外部ROM地址的0000H～FFFFH（即只用外部ROM的64K）。
     程序存储器中几个特殊地址：
      
       由于两入口地址之间的存储空间有限，因此在编程时，通常在这些入口地址开始的两三个地址单元中，放入一条转移类指令，已使相应的程序转到指定的程序存储器区域。

   3、外部数据存储器

     数据存储器RAM：存放随机读写的数据。
     外部数据存储器和外部I/O 统一编址，并使用相同的选通控制信号，均使用 MOVX指令和相同的寄存器间接寻址。
     MCS-51单片机最多可扩展64KB外部数据存储器。

   4、内部数据存储器

     1）、内部数据存储器：

      

       1）使用最多的的地址空间，用于存放随机读写的数据，所有操作指令的操作数只能存在此地址空间或特殊功能寄存器中。
       2）其区域包括通用寄存器区、堆栈区、运算操作数存放区。

     2）、加强型 52 RAM特点：

       有256字节RAM，占地址00～FFH，其中80H～FFH地址的RAM和SFR所占地址是重合的。
       区分方法：访问SFR用直接地址（称为直接寻址），访问RAM采用寄存器采用寄存器间接寻址。

     3）、基本型51 RAM 的地址分配：

       51系列单片机内部数据存储器地址范围为00～7FH。（附：而SFR占地址80H～FFH，两者的地址空间是连续的）。
       1）通用寄存器区 ：
         00H～1FH的前32个单元。共4组寄存器（寄存器0组～3组），每组寄存器有8个8位通用寄存器（R0～R7）。
         寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位决定。
           
         初始化或复位时自动选中0组。
         使用时之能选其中一组寄存器，一旦选中一组，其他三组只能作为数据存储器使用，而不能作为寄存器使用。
         设置多组寄存器可以方便保护现场。
         除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用 RAM 区。
       2）位地址区 ：
         20H～2FH为，共16个单元，每个单元有8个位，每位有一个位地址，共128位，位地址范围是00H～7FH。该区既可位寻址，又可字节寻址。
       3）堆栈区：
         8XX51单片机的堆栈设在内部RAM区，深度不大于128字节，除选中寄存器组以外的存储区可作为堆栈区，初始化时SP指向07H。

   5、特殊功能寄存器

       共21个特殊功能寄存器，不连续地分布在80H～FFH 128个字节地址空间。
       常见的SFR ：累加器A，寄存器B，程序状态字PSW，堆栈指针SP，数据指令寄存器DPTR，P0 P1 P2 P3 I/O端口寄存器等。
       PS：52系列中，高128字节RAM和SFR地址是重合的。访问高128字节RAM用寄存器间址，访问SFR只能采用直接寻址，访问低128字节RAM两种寻址方式均可使用。
       地址为X0H和X8H是可位寻址的寄存器。

四、时钟电路

   1、周期

     震荡周期、时钟周期
       晶振的震荡周期。12MHZ晶振的震荡周期为1/12。
     状态周期
       两个震荡周期。震荡频率会经过单片机内部的二分频电路。
     机器周期
       12个震荡周期。单片机执行一种基本操作的单位时间。
     指令周期
       单片机执行一条指令所需的时间。一个指令周期由1～4个机器周期组成（依据指令不同而不同）。
     例：单片机外接晶振频率12MHz时的时序单位：
       震荡周期 =1/fose = 1/12MHz = 0.0833us
       状态周期 =2/fose = 2/12MHz = 0.167us
       机器周期 =12/fose = 12/12MHz = 1us
       指令周期 =（1~4）机器周期 = 1~4us

   2、时钟信号

     单片机的时钟信号用于给单片机提供震荡周期，即操作时间的基准。
     8XX51单片机的时钟信号通常有两种电路形式：内部振荡方式和外部振荡方式。

     1）、内部振荡方式:

      

       在引脚XTAL1和 XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)。
       电容器C01、C02起稳定振荡频率、快速起振的内部振荡方式作用。
       电容值一般为5~30pF。

     2）、外部振荡方式:

      

       外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机。
       这种方式适宜用于使单片机的时钟与外部信号保持一致。

五、复位电路

   1、复位：

     使单片机内部电路初始化，从程序的初始状态开始执行。

   2、复位操作的实质

     使SFR寄存器进入初始化，不改变片内RAM区的内容。

   3、MCS-51复位操作

     引脚RST出现5ms以上的高电平，单片机就会复位。若RST一直是高电平，则会一直死循环复位。

   4、复位操作的基本种类

     上电复位：单片机一通电，就会自动复位。
     开关复位：电源接通时，利用开关，控制RST引脚接高电平实现复位。当出现死循环或崩溃的时候，可通过开关令其复位使单片机退出当前崩溃状态。

   5、常用复位电路

    

     上电后，电容充电，有电流流经电容器，RST维持高电平一段时间，当电容充电至电容两端电压为VCC后，就没有电流流经电容器。

   6、常见寄存器的复位状态

     PC=0000H： 程序计数器为零表明单片机复位后程序从0000H地址单元开始执行。
     A=00H： 表明累加器已被清零
     PSW=00H： 表明选寄存器0组为工作寄存器组。
     SP=07H 表明堆栈指针指向片内RAM 07H单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的数据被写入08H单元中。
     PO~P3=FFH 表明已向各端口线写入1各端口既可用于输入又可用于输出。

六、引脚

   1、引脚图

    

   2、引脚说明

     Vss：
       接地端。
     Vcc：
       电源端，接+5V。
     XTAL1，XTAL2：
       接外部晶体。
     RST/VPD：
       复位信号输入。
       接备用电源。
     ALE/PROG:
       DALE 地址锁存允许。ALE输出脉冲的频率为振荡频率的1/6.
       PROG对8XX51单片机片内EPROM编程时，编程脉冲由该引脚引入。
     PSEN_n：
       程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选PSEN :通信号。
     EA/VPP:
       EA =0，单片机只访问外部程序存储器。
       EA =1，单片机访问内部程序存储器.
       在8XX51单片机片内EPROM编程期间，此引脚引入21V编程电源VPP。
     P0.0~P0.7：
       P0口，数据/低八位地址复用总线端口。
     P1.0~P1.7：
       P1口，静态通用端口。
     P2.0~P2.7：
       P2口，高八位地址总线端口。
     P3.0~P3.7：
       P3口，双功能静态端口。

七、最小系统

   1、最小系统

    

   2、Proteus51最小系统