2.1、單片機(jī)的結(jié)構(gòu)
單片機(jī)的種類很多，其中以Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用最為廣泛。由于各種單片機(jī)的工作原理基本相同，所以本書就以MCS-51系列單片機(jī)為例來介紹單片機(jī)技術(shù)。
MCS-51 系列單片機(jī)的具體型號很多，如 Intel 公司生產(chǎn)的 8031、8051、8751、8032、8052 和Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51、AT89S51等都屬于MCS-51系列單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部組成基本相同，具體如圖2-1所示。
圖2-1 MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部組成
從圖2-1可以看出，單片機(jī)內(nèi)部主要由CPU、時鐘振蕩器、中斷控制器、程序存儲器（ROM）、隨機(jī)存取存儲器（RAM）、兩個定時器/計數(shù)器、串行通信口、輸入/輸出（I/O）接口和總線控制器組成。
2.1.1、CPU
CPU（中央處理器）是單片機(jī)的核心部件，決定了單片機(jī)的主要功能和特性。工作時，CPU從ROM中調(diào)取程序并進(jìn)行運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號通過總線送到I/O接口，再由I/O接口將控制信號送到外圍的輸出電路。
2.1.2、時鐘振蕩器
時鐘振蕩器的功能是產(chǎn)生時鐘信號送給單片機(jī)內(nèi)部各電路，并且控制這些電路，使它們有節(jié)拍地工作。時鐘信號頻率越高，內(nèi)部電路工作速度越快。
2.1.3、中斷控制器
當(dāng)CPU執(zhí)行正常的程序時，如果在INT0或INT1端給中斷控制器送入一個中斷請求信號（一般為低電平信號），中斷控制器馬上讓CPU停止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行ROM中特定的某段程序，執(zhí)行完該段程序后再繼續(xù)執(zhí)行先前中斷的程序。
MCS-51系列單片機(jī)中斷控制器可以接受5個中斷請求：兩個外部中斷請求、兩個定時器/計數(shù)器中斷請求和串行通信口中斷請求。
2.1.4、ROM
ROM（只讀存儲器，又稱程序存儲器）是一種具有存儲功能的電路，斷電后其中的信息不會消失。ROM主要用來存儲程序代碼。欲使單片機(jī)完成不同的控制功能，可以將不同的程序?qū)懭氲絉OM中。
工作時，CPU會自動從ROM中讀取程序再進(jìn)行運(yùn)算，然后通過I/O接口向外部電路輸出相應(yīng)的控制信號。早期的ROM一般是單獨(dú)的芯片，沒有集成在單片機(jī)內(nèi)部（如8031單片機(jī)內(nèi)部就沒有ROM，需要外接），現(xiàn)在的單片機(jī)基本上都將ROM集成在內(nèi)部。
ROM主要有下面幾種。
（1）Mask ROM（掩膜ROM）
Mask ROM中的內(nèi)容由廠家生產(chǎn)時一次性寫入，以后不能改變。這種ROM成本低，適用于大批量生產(chǎn)。
（2）PROM（可編程ROM）
PROM中沒有內(nèi)容，編程者可將程序?qū)懭雰?nèi)部，但只能寫一次，以后不能更改。如果PROM在單片機(jī)內(nèi)部，PROM中的程序?qū)戝e了，整個單片機(jī)便不能使用。
（3）EPROM（紫外線可擦寫PROM）
EPROM是一種可擦寫的PROM，采用EPROM的單片機(jī)上面有一塊透明的石英窗口，平時該窗口被不透明的標(biāo)簽貼封，當(dāng)需要擦除EPROM內(nèi)部的信息時，可撕開標(biāo)簽，再用紫外線照射透明窗口15～30min，即可將內(nèi)部的信息全部擦除，然后重新寫入新的信息。
（4）EEPROM（電可擦寫PROM）
EEPROM也是一種可反復(fù)擦寫的存儲器，但它不像EPROM需要用紫外線來擦除信息，該ROM只要加適當(dāng)?shù)牟脸妷海涂梢暂p松快速地擦除其中的信息，然后重新寫入信息。EEPROM反復(fù)擦寫可達(dá)1000多次，目前主流單片機(jī)內(nèi)部就采用這種ROM。
2.1.5、RAM
RAM（隨機(jī)存取存儲器，又稱可讀寫存儲器、數(shù)據(jù)存儲器）也是一種存儲電路。RAM的特點(diǎn)是：可以存入信息（稱作寫），也可以將信息取出（稱作讀），斷電后存儲的信息會全部消失。單片機(jī)的RAM主要用來存儲一些臨時數(shù)據(jù)。
2.1.6、定時器、計數(shù)器
定時器/計數(shù)器就像單片機(jī)的內(nèi)部時鐘或計數(shù)器，可以根據(jù)需要將它設(shè)為定時器或計數(shù)器。如果要求CPU在一段時間（如5ms）后執(zhí)行某段程序，可讓定時器/計數(shù)器工作在定時狀態(tài)，定時器/計數(shù)器開始計時，當(dāng)計到5ms后馬上產(chǎn)生一個請求信號送到中斷控制器，中“斷控制器則輸出信號讓CPU停止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行ROM中特定的某段程序。
如果定時器/計數(shù)器工作在計數(shù)狀態(tài)，可以從T0或T1端輸入脈沖信號，定時器/計數(shù)器開始對輸入的脈沖進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)到某個數(shù)值時，馬上輸出一個信號送到中斷控制器，讓中斷控制器控制CPU去執(zhí)行ROM中特定的某段程序。
2.1.7、串行通信口
串行通信口是單片機(jī)和外部設(shè)備進(jìn)行串行通信的接口。當(dāng)單片機(jī)要將數(shù)據(jù)傳送給外部設(shè)備時，可以通過串行通信口將數(shù)據(jù)由TXD端輸出；外部設(shè)備送來的數(shù)據(jù)可以從RXD端輸入，通過串行通信口將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。
串行是指數(shù)據(jù)傳遞的一種方式，串行傳遞數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)是一位一位進(jìn)行傳遞的。
2.1.8、I/O接口
MCS-51系列單片機(jī)有4組I/O接口，它們分別是P0、P1、P2和P3端口。單片機(jī)通過這些端口與外部設(shè)備連接。這4組端口都是復(fù)用端口，既可作為輸出端口，也可以作為輸入端口，具體作為哪種端口由單片機(jī)內(nèi)部的程序來決定。
當(dāng)這些端口用作輸入端口時，可以外接鍵盤、各種傳感器和檢測開關(guān)等輸入部件；如果用作輸出端口，可以接發(fā)光二極管、繼電器等輸出部件。
單片機(jī)在工作時，輸入部件通過輸入端口將輸入信號送入內(nèi)部，CPU根據(jù)輸入信號來執(zhí)行ROM中的相關(guān)程序，然后從輸出端口輸出控制信號，控制輸出部件工作。
2.1.9、總線控制器
單片機(jī)內(nèi)部用ROM來存儲寫入的程序，但內(nèi)部的ROM容量通常較小，只能存儲一些不復(fù)雜的程序，如果遇到一些大型復(fù)雜的程序，所占容量大，單片機(jī)內(nèi)部的 ROM 將無法完全裝下，解決這個問題的方法就是使用外接存儲器?？偩€控制器主要用于控制外接存儲器，使它能像單片機(jī)內(nèi)部的存儲器一樣使用。
2.2、MCS-51系列單片機(jī)的引腳功能
習(xí)單片機(jī)技術(shù)，一定要了解單片機(jī)中各引腳的功能。MCS-51系列單片機(jī)共有40個引腳，各引腳的排列如圖2-2所示。
MCS-51系列單片機(jī)的40個引腳根據(jù)功能可以分作3類：基本工作條件引腳、輸入/輸出（I/O）引腳和控制引腳。
2.2.1、基本工作條件引腳
單片機(jī)基本工作條件引腳有電源引腳、復(fù)位引腳和時鐘引腳，只有具備了基本工作條件，單片機(jī)才能開始工作。
圖2-2 MCS-51系列單片機(jī)各引腳排列圖
（1）電源引腳
0腳為電源正極引腳（VCC），20腳為電源負(fù)極引腳（VSS）。
電源正極引腳一般接5V電源，電源負(fù)極引腳接地。
（2）復(fù)位引腳
9腳為復(fù)位引腳（RST/VPD）。
在單片機(jī)接通電源后，為了使內(nèi)部電路正常工作，需要復(fù)位電路為它提供復(fù)位信號，使內(nèi)部電路進(jìn)入初始狀態(tài)，然后才開始工作。MCS-51 系列單片機(jī)采用高電平復(fù)位，即外接復(fù)位電路給復(fù)位引腳送入高電平信號后，就可以對單片機(jī)內(nèi)部電路進(jìn)行復(fù)位。
9腳還具有掉電保持功能，為了防止掉電使單片機(jī)內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)丟失，可在該腳再接一個備用電源，掉電時，由備用電源為該“腳提供4.5～5.5V的電壓，可保持RAM中的數(shù)據(jù)不會丟失。
（3）時鐘引腳
18、19腳為時鐘引腳（XTAL2、XTAL1）。
單片機(jī)內(nèi)部有大量的數(shù)字電路，這些數(shù)字電路工作時需要時鐘信號進(jìn)行控制，才能有次序、有節(jié)拍地工作。單片機(jī)內(nèi)部的時鐘振蕩器與時鐘引腳外接的定時電路構(gòu)成時鐘振蕩電路，產(chǎn)生時鐘信號供給內(nèi)部電路使用；另外，也可以由外部的振蕩器產(chǎn)生時鐘信號，通過時鐘引腳送入單片機(jī)，供給內(nèi)部電路。
2.2.2、輸入、輸出引腳
MCS-51系列單片機(jī)有P0、P1、P2和P3共4組I/O接口，每組接口又有8個引腳：P0端口引腳P0.0～P0.7，P1端口引腳P1.0～P1.7，P2端口引腳P2.0～P2.7，P3端口引腳P3.0～P3.7。這4組接口既可用作輸入端口將外部信號輸入單片機(jī)，也可以用作輸出端口將信號從單片機(jī)內(nèi)輸出。另外，這些接口還具有一些其他功能，具體說明如下。
P0端口（32～39腳）的功能有：輸入8路信號，輸出8路信號，用作8位數(shù)據(jù)總線，或用作16位地址總線中的低8位地址總線。
P1端口（1～8腳）的功能有：輸入8路信號，輸出8路信號。
P2端口（21～28腳）的功能有：輸入8路信號，輸出8路信號，用作16位地址總線中的高8位地址總線。
P3端口（10～17腳）的功能有：輸入8路信號，輸出8路信號。P3端口的8個引腳還具有其他功能，具體說明如下。
P3.0：用作串行數(shù)據(jù)輸入端（RXD）。
P3.1：用作串行數(shù)據(jù)輸出端（TXD）。
P3.2：用作外部中斷0請求信號輸入端如下：
P3.3：用作外部中斷1請求信號輸入端如下：
P3.4：用作定時器/計數(shù)器T0的外部脈沖信號輸入端（T0）。
P3.5：用作定時器/計數(shù)器T1的外部脈沖信號輸入端（T1）。
P3.6：該端在寫片外RAM時，輸出寫控制信號如下：
P3.7：該端在讀片外RAM時，輸出讀控制信號如下：
P0、P1、P2、P3端口具有多種功能，具體應(yīng)用哪一種功能，由單片機(jī)內(nèi)部的程序來決定。需要注意的是，在某一時刻，端口的某一引腳只能用作一種功能。
2.2.3、控制引腳
控制引腳的功能主要有：當(dāng)單片機(jī)外接存儲器（RAM或ROM）時，通過控制引腳控制外接存儲器，使單片機(jī)能像使用內(nèi)部存儲器一樣使用外接存儲器；在向單片機(jī)編程（即向單片機(jī)內(nèi)部寫入編好的程序）時，編程器通過控制引腳使單片機(jī)進(jìn)入編程狀態(tài)，然后才能將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。
控制引腳的功能說明如下。
EA/VPP （31腳）：存儲器使用控制輸入端/編程電壓輸入端。
當(dāng)EA=1（高電平）時，單片機(jī)使用內(nèi)部存儲器；當(dāng)EA=0（低電平）時，單片機(jī)使用外接存儲器。在用編程器往單片機(jī)寫入程序時，要在該腳加12～25V的編程電壓。
PSEN （29腳）：程序存儲允許輸出端。它是外部ROM讀選通控制端，當(dāng)單片機(jī)要從外接ROM 中讀取信息時，該端要輸出一個低電平給外接ROM。
ALE/（30腳）：低8 位地址鎖存允許信號輸出端/編程脈沖輸入端。
在外接存儲器時，如圖2-3所示，該腳輸出控制信號到單片機(jī)的外接鎖存器，讓鎖存器將P0 端口送來的 8 位地址信號鎖存起來，當(dāng)作低 8 位地址信號A0～A7（高8位地址A8～A15由P2端口送出），這樣P0端口不用再輸出8位地址信號，就可以空閑下來，用來傳送8位數(shù)據(jù)信號。在單片機(jī)編程時，編程器由該腳將編程脈沖輸入單片機(jī)。
圖2-3 單片機(jī)外接存儲器
