單片機基礎知識

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2024-02-24 01:23:27 543

單片機的組成

　　單片機要自動完成計算，它應該具有哪些最重要的部分呢？

　　我們以打算盤為例計算一道算術題。例：36＋163×156－166÷34。現在要進行運算，首先需要一把算盤，其次是紙和筆。我們把要計算的問題記錄下來，然后*步先算163×156，把它與36相加的結果記在紙上，然后計算166÷34，再把它從上一次結果中減去，就得到最后的結果。

　　現在，我們用單片機來完成上述過程，顯然，它首先要有代替算盤進行運算的部件，這就是“運算器”；其次，要有能起到紙和筆作用的器件，即能記憶原始題目、原始數據和中間結果，還要記住使單片機能自動進行運算而編制的各種命令。這類器件就稱為“存貯器”。此外，還需要有能代替人作用的控制器，它能根據事先給定的命令發出各種控制信號，使整個計算過程能一步步地進行。但是光有這三部分還不夠，原始的數據與命令要輸入，計算的結果要輸出，都需要按先后順序進行，有時還需等待。

　　如上例中，當在計算163×156時，數字36就不能同時進入運算器。因此就需要在單片機上設置按控制器的命令進行動作的“門”，當運算器需要時，就讓新數據進入。或者，當運算器得到最后結果時，再將此結果輸出，而中間結果不能隨便“溜出”單片機。這種對輸入、輸出數據進行一定管理的“門”電路在單片機中稱為“口”（Port）。在單片機中，基本上有三類信息在流動，一類是數據，即各種原始數據（如上例中的36、163等）、中間結果（如166÷34所得的商4、余數30等）、程序（命令的集合）等。這樣要由外部設備通過“口”進入單片機，再存放在存貯器中，在運算處理過程中，數據從存貯器讀入運算器進行運算，運算的中間結果要存入存貯器中，或最后由運算器經“出入口”輸出。

　　用戶要單片機執行的各種命令（程序）也以數據的形式由存貯器送入控制器，由控制器解讀（譯碼）后變為各種控制信號，以便執行如加、減、乘、除等功能的各種命令。所以，這一類信息就稱為控制命令，即由控制器去控制運算器一步步地進行運算和處理，又控制存貯器的讀（取出數據）和寫（存入數據）等。第三類信息是地址信息，其作用是告訴運算器和控制器在何處去取命令取數據，將結果存放到什么地方，通過哪個口輸入和輸出信息等。

　　存貯器又分為只讀存貯器和讀寫存貯器兩種，前者存放調試好的固定程序和常數，后者存放一些隨時有可能變動的數據。顧名思義，只讀存貯器一旦將數據存入，就只能讀出，不能更改（EPROM、E2PROM等類型的ROM可通過一定的方法來更改、寫入數據——編者注）。而讀寫存貯器可隨時存入或讀出數據。

　　實際上，人們往往把運算器和控制器合并稱為中央處理單元——CPU。單片機除了進行運算外，還要完成控制功能。所以離不開計數和定時。因此，在單片機中就設置有定時器兼計數器，其基本結構與本連載之（二）中的舉例類似。到這里為止，我們已經知道了單片機的基本組成，即單片機是由中央處理器（即CPU中的運算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為ROM）、讀寫存貯器（又稱隨機存貯器通常表示為RAM）、輸入/輸出口（又分為并行口和串行口，表示為I/O口）等等組成。實際上單片機里面還有一個時鐘電路，使單片機在進行運算和控制時，都能有節奏地進行。另外，還有所謂的“中斷系統”，這個系統有“傳達室”的作用，當單片機控制對象的參數到達某個需要加以干預的狀態時，就可經此“傳達室”通報給CPU，使CPU根據外部事態的輕重緩急來采取適當的應付措施。

　　現在，我們已經知道了單片機的組成，余下的問題是如何將它們的各部分連接成相互關聯的整體呢？實際上，單片機內部有一條將它們連接起來的“紐帶”，即所謂的“內部總線”。此總線有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中斷系統等就分布在此“總線”的兩旁，并和它連通。從而，一切指令、數據都可經內部總線傳送，有如大城市內各種物品的傳送都經過干道進行。　

單片機指令系統與匯編語言程序

　　前面已經講述了單片機的幾個主要組成部分，這些部分構成了單片機的硬件。所謂硬件（Hardware），就是看得到，摸得到的實體。但是，光有這樣的硬件，還只是有了實現計算和控制功能的可能性。單片機要真正地能進行計算和控制，還必須有軟件（Software）的配合。軟件主要指的是各種程序。只有將各種正確的程序“灌入”（存入）單片機，它才能有效地工作。單片機所以能自動地進行運算和控制，正是由于人把實現計算和控制的步驟一步步地用命令的形式，即一條條指令（Instruction）預先存入到存貯器中，單片機在CPU的控制下，將指令一條條地取出來，并加以翻譯和執行。就以兩個數相加這一簡單的運算來說，當需要運算的數已存入存貯器后，還需要進行以下幾步：

　　*步：把*個數從它的存貯單元（Location）中取出來，送至運算器。　　第二步：把第二個數從它所在的存貯單元中取出來，送至運算器；第三步：相加；第四步：把相加完的結果，送至存貯器中指定的單元。

　　所有這些取數、送數、相加、存數等等都是一種操作（Operation），我們把要求計算機執行的各種操作用命令的形式寫下來，這就是指令。但是怎樣才能辨別和執行這些操作呢？這是在設計單片機時由設計人員賦予它的指令系統所決定的。一條指令，對應著一種基本操作；單片機所能執行的全部指令，就是該單片機的指令系統（Iustruction Set），不同種類的單片機，其指令系統亦不同。

　　使用單片機時，事先應當把要解決的問題編成一系列指令。這些指令必須是選定的單片機能識別和執行的指令。單片機用戶為解決自己的問題所編的指令程序，稱為源程序（Source Program）。指令通常分為操作碼（Opcode）和操作數（Operand）兩大部分。操作碼表示計算機執行什么操作，即指令的功能；操作數表示參加操作的數或操作數所在的地址（即操作數所存放的地方編號）。因為單片機是一種可編程器件，只“認得”二進碼（0、1）。要單片機運作，單片機系統中的所有指令，都必須以二進制編碼的形式來表示。例如，在Intel公司的MCS－51系列單片機中，從存貯器中取出一數到CPU中的累加器（在運算器中，參與運算、存放運算結果的專用寄存器）的指令代碼為74H，累加器內容加立即數的代碼為24H，再加上立即數代碼，累加器送數到內部RAM存貯器的代碼為F6H～F7H等。這些指令是用十六進制表示二進制的機器碼。

　　MCS－51單片機的字長為8位，有時，要完成某些操作用一個字節尚不能充分表達。所以，在指令系統中有單字節指令，也有多字節指令。機器碼是由一連串的0和1組成，沒有明顯的特征，不好記憶，不易理解，易出錯。所以，直接用它來編寫程序十分困難。因而，人們就用一些助記符（Mue monic）——通常是指令功能的英文縮寫來代替操作碼，如MCS－51中數的傳送常用MOV（Move的縮寫）、加法用Add(Addition的縮寫）來作為助記符。這樣，每條指令有明顯的動作特征，易于記憶和理解，也不容易出錯。用助記符來編寫的程序稱為匯編語言程序。但是，助記符編寫的程序便于人理解，可單片機卻只認識二進制機器代碼，因此，為了讓單片機能“讀懂”匯編語言程序必須再轉換成由二進制機器碼構成的程序，這種轉換過程，就稱為“匯編”。匯編可借助于人工查表法來實現，也可借助PC機通過所謂“交叉匯編程序”來完成。由機器碼構成的用戶程序一旦“進入”了單片機，再“啟動”單片機，就可讓它執行輸入程序所規定的任務。

MCU--51 CPU和存儲器

單片機8051的CPU由運算器和控制器組成。

　　一、運算器　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　運算器以完成二進制的算術/邏輯運算部件ALU為核心，再加上暫存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序狀態標志寄存器PSW及布爾處理器。累加器ACC是一個八位寄存器，它是CPU中工作最頻繁的寄存器。在進行算術、邏輯運算時，累加器ACC往往在運算前暫存一個操作數（如被加數），而運算后又保存其結果（如代數和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。標志寄存器PSW也是一個八位寄存器，用來存放運算結果的一些特征，如有無進位、借位等。其每位的具體含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV － P對用戶來講，最關心的是以下四位。

　 1進位標志CY（PSW7）。它表示了運算是否有進位（或借位）。如果操作結果在最高位有進位（加法）或者借位（減法），則該位為1，否則為0。

　 2輔助進位標志AC。又稱半進位標志，它反映了兩個八位數運算低四位是否有半進位，即低四位相加（或減）有否進位（或借位），如有則AC為1狀態，否則為0。

　 3溢出標志位OV。MCS－51反映帶符號數的運算結果是否有溢出，有溢出時，此位為1，否則為0。

　 4奇偶標志P。反映累加器ACC內容的奇偶性，如果ACC中的運算結果有偶數個1（如11001100B，其中有4個1），則P為0，否則，P=1。
PSW的其它位，將在以后再介紹。由于PSW存放程序執行中的狀態，故又叫程序狀態字?運算器中還有一個按位（bit）進行邏輯運算的邏輯處理機（又稱布爾處理機）。其功能在介紹位指令時再說明。

二、控制器

　　控制器是CPU的神經中樞，它包括定時控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、地址指針DPTR及程序計數器PC、堆棧指針SP等。這里程序計數器PC是由16位寄存器構成的計數器。要單片機執行一個程序，就必須把該程序按順序預先裝入存儲器ROM的某個區域。單片機動作時應按順序一條條取出指令來加以執行。因此，必須有一個電路能找出指令所在的單元地址，該電路就是程序計數器PC。當單片機開始執行程序時，給PC裝入*條指令所在地址，它每取出一條指令（如為多字節指令，則每取出一個指令字節），PC的內容就自動加1，以指向下一條指令的地址，使指令能順序執行。只有當程序遇到轉移指令、子程序調用指令，或遇到中斷時（后面將介紹），PC才轉到所需要的地方去。8051 CPU碢C指定的地址，從ROM相應單元中取出指令字節放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號，這些信號與單片機時鐘振蕩器產生的時鐘脈沖在定時與控制電路中相結合，形成按一定時間節拍變化的電平和時鐘，即所謂控制信息，在CPU內部協調寄存器之間的數據傳輸、運算等操作。

三、存儲器

　　存儲器是單片機的又一個重要組成部分，圖6給出了一種存儲容量為256個單元的存儲器結構示意圖。其中每個存儲單元對應一個地址，256個單元共有256個地址，用兩位16進制數表示，即存儲器的地址（00H～FFH）。存儲器中每個存儲單元可存放一個八位二進制信息，通常用兩位16進制數來表示，這就是存儲器的內容。存儲器的存儲單元地址和存儲單元的內容是不同的兩個概念，不能混淆。

一、程序存儲器
　　程序是控制計算機動作的一系列命令，單片機只認識由“0”和“1”代碼構成的機器指令。如前述用助記符編寫的命令MOV A，＃20H，換成機器認識的代碼74H、20H：（寫成二進制就是01110100B和00100000B）。在單片機處理問題之前必須事先將編好的程序、表格、常數匯編成機器代碼后存入單片機的存儲器中，該存儲器稱為程序存儲器。程序存儲器可以放在片內或片外，亦可片內片外同時設置。由于PC程序計數器為16位，使得程序存儲器可用16位二進制地址，因此，內外存儲器的地址最大可從0000H到FFFFH。8051內部有4k字節的ROM，就占用了由0000H～0FFFH的最低4k個字節，這時片外擴充的程序存儲器地址編號應由1000H開始，如果將8051當做8031使用，不想利用片內4kROM，全用片外存儲器，則地址編號仍可由0000H開始。不過，這時應使8051的第{31}腳（即EA腳）保持低電平。當EA為高電平時，用戶在0000H至0FFFH范圍內使用內部ROM，大于0FFFH后，單片機CPU自動訪問外部程序存儲器。

二、數據存儲器

　　單片機的數據存儲器由讀寫存儲器RAM組成。其最大容量可擴展到64k，用于存儲實時輸入的數據。8051內部有256個單元的內部數據存儲器，其中00H～7FH為內部隨機存儲器RAM，80H～FFH為專用寄存器區。實際使用時應首先充分利用內部存儲器，從使用角度講，搞清內部數據存儲器的結構和地址分配是十分重要的。因為將來在學習指令系統和程序設計時會經常用到它們。8051內部數據存儲器地址由00H至FFH共有256個字節的地址空間，該空間被分為兩部分，其中內部數據RAM的地址為00H～7FH（即0～127）。而用做特殊功能寄存器的地址為80H～FFH。在此256個字節中，還開辟有一個所謂“位地址”區，該區域內不但可按字節尋址，還可按“位（bit）”尋址。對于那些需要進行位操作的數據，可以存放到這個區域。從00H到1FH安排了四組工作寄存器，每組占用8個RAM字節，記為R0～R7。究竟選用那一組寄存器，由前述標志寄存器中的RS1和RS0來選用。在這兩位上放入不同的二進制數，即可選用不同的寄存器組，如附表1所示。

三、特殊功能寄存器

　　特殊功能寄存器（SFR）的地址范圍為80H～FFH。在MCS－51中，除程序計數器PC和四個工作寄存器區外，其余21個特殊功能寄存器都在這SFR塊中。其中5個是雙字節寄存器，它們共占用了26個字節。各特殊功能寄存器的符號和地址見附表2。其中帶＊號的可位尋址。特殊功能寄存器反映了8051的狀態，實際上是8051的狀態字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。這些特殊功能寄存器大體上分為兩類，一類與芯片的引腳有關，另一類作片內功能的控制用。與芯片引腳有關的特殊功能寄存器是P0～P3，它們實際上是4個八位鎖存器（每個I/O口一個），每個鎖存器附加有相應的輸出驅動器和輸入緩沖器就構成了一個并行口。MCS－51共有P0～P3四個這樣的并行口，可提供32根I/O線，每根線都是雙向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中，累加器A、標志寄存器PSW、數據指針DPTR等的功能前已提及，而另一些寄存器的功能在后面有關部分再作進一步介紹

單片機的指令系統和尋址方式

　　單片機要正常運作，事先需編制程序，再把程序放入存貯器中，然后由CPU執行該程序。程序是由指令組成的，指令的基本組成是操作碼和操作數。單片機的品種很多，設計時怎樣表示操作碼和操作數，都有各自的規定，再有指令代碼也各不相同，因此，必須對所選單片機的全部指令，也就是所謂“指令系統”，有足夠的了解。各個系列的單片機雖然有不同的指令系統，但也有其共同性。掌握一種單片機的指令系統，對其它系列單片機可以起到觸類旁通的作用。MCS－51單片機應用廣泛，派生品種多，具有代表性，所以，這里以MCS－51系列的指令系統為例說明“指令”的組成和應用。

1、MOV A，＃20H
　　這條指令表示把20H這個數送入累加器A中（一個特殊功能寄存器）。

2、ADD A，70H
　　這條指令表示把累加器A中的內容（在上例中送入的＃20H）和存貯器中地址為70H單元中的內容（也是一個數字），通過算術邏輯單元（英文縮寫為ALU）相加，并將結果保留在A中。這里MOV、ADD等稱為操作碼，而A、＃20H、70H等均稱為操作數。在匯編語言程序中，操作碼通常由英文單詞縮寫而成，這樣有助于記憶，所以又稱助記符。如MOV就是英文單詞MOVE的縮寫，含有搬移的意思；而ADD即為英文單詞，其意為相加。因此，對于略懂英語的用戶，掌握單片機指令的含意是較為方便的。操作數有多種表示法，如以上的＃20H稱為立即數，即20H就是真正的操作數。而70H是存貯器中某個單元的地址，在該單元中，放著操作數（比如說是3AH），ADD A，70H不是將70H和A中的內容相加，而是從存貯器70H單元中將3AH取出和A中的內容相加。由上可知，要找到實際操作數，有時就要轉個彎，甚至轉幾個彎，這個過程稱為尋址，MCS－51共有7種尋址方式，現介紹如下：

一、立即尋址：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　操作數就寫在指令中，和操作碼一起放在程序存貯器中。把“＃”號放在立即數前面，以表示該尋址方式為立即尋址，如＃20H。

二、寄存器尋址：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　操作數放在寄存器中，在指令中直接以寄存器的名字來表示操作數的地址。例如MOV A，R0就屬于寄存器尋址，即將R0寄存器的內容送到累加器A中。

三、直接尋址：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　操作數放在單片機的內部RAM某單元中，在指令中直接寫出該單元的地址。如前例的ADD A，70H中的70H。

四、寄存器間接尋址：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　操作數放在RAM某個單元中，該單元的地址又放在寄存器R0或R1中。如果RAM的地址大于256，則該地址存放在16位寄存器DPTR（數據指針）中，此時在寄存器名前加@符號來表示這種間接尋址。如MOV A，@ R0。其它還有變址尋址、相對尋址、位尋址等，待以后再詳細介紹。可能有人會問，在指令中直接給出實際操作數，不是簡單、明了嗎？為什么還要用其它幾種尋址方式呢？這是因為在編制程序時很難一下子就給出操作數。如用單片機控制溫度時，時時需要將給定的控制溫度（如20℃）減去環境溫度，而環境溫度時時有變化，顯然無法在程序指令中給出，只有通過一定方式，將其送入某個輸入/輸出口，再存放在某個寄存器中，這就必須用到寄存器尋址。又如要進行算術運算，要計算每班學員各科成績的平均值，如果把每個學員的各科都編一個程序，在程序中直接給出該學員各科成績，再求平均值，顯然太麻煩。這里可以編一個求平均成績的通用程序，把每位學員的成績送入存貯器的各個單元中，這時可采取直接尋址，一個程序可供每個學員用，不是更方便嗎？所以，尋址方式越多，編制程序就越方便、靈活，適用范圍就越廣。

　　尋址有如找人，如被找的人有手機、BP機、座機電話等多種聯系方式則就容易找到他，單片機也是如此，尋址方式越多，找操作數越方便，單片機的功能就越強。前面介紹51系列單片機的尋址方式時，常遇到單片機內部的一些寄存器、累加器A、通用寄存器R0～R7、數據指針DPTR和存貯器等。在以后介紹指令時，數據就要在這些寄存器、存貯器之間傳送，或者進行運算。因此，編制程序就需熟悉單片機的內部結構。

8051單片機的內部總體結構其基本特性如下：

8位CPU、片內振蕩器
4k字節ROM、128字節RAM
21個特殊功能寄存器
32根I/O線
可尋址的64k字節外部數據、程序存貯空間
2個16位定時器、計數器
中斷結構：具有二個優先級、五個中斷源
一個全雙口串行口
位尋址（即可尋找某位的內容）功能，適于按位進行邏輯運算的位處理器。除128字節RAM、4k字節ROM和中斷、串行口及定時器模塊外，還有4組I/O口P0～P3，余下的就是CPU的全部組成。把4kROM換為EPROM就是8751的結構，如去掉ROM/EPROM部分即為8031的框圖，如果將ROM置換為Flash存貯器或EEPROM，或再省去某些I/O，即可得到51系列的派生品種，如89C51、AT89C2051等單片機的框圖。

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