一、MCS-51单片机**： MCS-51单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。下面对MCS-51单片机做进步说明。 1.51子系列和52子系列： MCS-51单片机又分为51和52两个子系列,并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中51子系列是基本型,而52子系列则属于增强型。52子系列功能增强的具体方面如下。 ①片内ROM从4kB增加到8kB。 ②片内RAM从128B增加到256B。 ③定时器/计数器从2个增加到3个。 ④中断源从5个增加到6个。 2.单片机芯片半导体工艺： MCS51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺,即高速度、高密度、短沟道MOS工艺。另外一种是 CHMOS工艺,即互补金属氧化物的HMOS工艺。 CHMOS是CMOS和HMOS的结合,除保持了HMOS高速度和高密度的特点之外,还具有CMOS低功耗的特点。例如8051的功耗为630mW,而80C51的功耗只有120mW。 在便携式、手提式或野外作业仪器设备上低功耗是非常有意义的。因此,在这些产品中必须使用 CHMOS的单片机芯片。 3.80C51系列单片机： 80C51是MCS-51系列单片机的典型品种,所有生产厂商以80C51为核心开发出的
CHMOS工艺单片机产品称为80C51系列单片机。80C51系列单片机基本组成虽然相同,但不同型号的产品在某些方面仍会有一些差异。80C51系列单片机产品资源配置如表1-1所示。
表1-1中列出了80C51系列单片机的芯片型号,以及它们的技术性能指标,使我们对它们的基本情况有一个概括的了解。
二、MCS-51单片机基本结构及功能：
MCS-51单片机由8位CPU、程序存储器( EPROM/ROM)、数据存储器(RAM)、并行输入/输出(I/O)口、串行输入/输出(1/O)口、定时器/计数器、中断系统、振荡器和时钟电路等部分组成,各部分通过内部总线(地址总线、数据总线和控制总线)相连。
MCS-51单片机系统结构框图如图1-3所示。
1.中央处理器(CPU)：
中央处理器是MCS-51单片机的核心,完成运算和控制操作。CPU由运算器和控制器两大部分组成。
(1)运算器：用来完成算术运算、逻辑运算和位操作。它由算术/逻辑单元(ALU)、
累加器A、寄存器B、暂存寄存器、程序状态字寄存器(PSW)等组成。
①算术/逻辑单元(ALU)由加法器和相应的控制器逻辑电路组成,可实现8位数据的加减乘除算术运算和与、或、非、异或等逻辑运算,又具有位处理功能。
②累加器A是一个常用的寄存器。运算时将一个操作数经暂存寄存器送至ALU,与另个来自暂存寄存器的操作数在ALU中运算,结果又送入累加器A中,它是编程时使用频率最高的存储单元。
③寄存器B在乘、除运算时用来存放一个操作数,也用来存放结果的一部分。
④暂存寄存器用来暂时存放数据总线和其他寄存器送来的操作数。
⑤程序状态字寄存器(PSW)是状态标志寄存器,用来保存ALU运算结果的特征和处理状态。
(2)控制器用来统一控制和协调单片机进行工作的部件。由程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)和定时及控制逻辑电路等部分组成。
①程序计数器(PC)是16位计数器,总是存放下一条要读取指令所在存储单元的16位地址。每取完一个字节后PC自动加1,为下一条字节的读取做好准备。单片机复位时PC自动清0,即装入地址0000H。在执行转移指令、子程序调用和中断响应时,PC的值由指令或中断响应过程自动装入。
②指令寄存器(IR)用来保存当前正在执行的一条指令。
③指令译码器(I)用来翻译操作码,确定所要执行的操作。我们一般编写的是高级语言或汇编语言,但单片机不认识这些语言,它只能按照机器语言去执行,因此在单片机内部的指令译码器会把我们编写的高级语言或汇编语言翻译成机器语言,再让单片机执行。
定时与控制逻辑是CPU的核心部件,它控制读指令、执行指令、存取操作数或运算结果等操作,向其他部件发出各种操作控制信号,协调各部件工作。
2.存储器：
存储器是计算机的记忆部件,用于存放程序和数据。MCS-51单片机的存储器物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立空
间。
MCS-51单片机片内数据存储器共有256B RAM单元,其中后128B单元被特殊功能寄存器占用(80H~FFH),供用户使用的是前128B单元(00H~7FH),用于存放运算结果、暂存数据和数据缓存。因此前128B单元简称内部RAM。
单片机片内程序存储器为4kB掩膜ROM,用于存储程序和原始表格常数,简称片内ROM,地址范围为0000H~ 0FFFH。片内ROM用来存储固定数据,即存放各种永久性的程序和永久性、半永久性的数据。如电子控制燃油喷射发动机系统中的一系列控制程序软件、喷油脉谱图、点火脉谱图以及其他特性数据等。这些信息资料一般都是制造厂家一次性存入运用且无法改变其中的内容,即计算机工作时,新的数据不能存入,只有需要时才读出存入的原始数据资料。当电源切断时,存于ROM中的信息不会丢失,通电后又可以立即使用。
3.定时器计数器：
MCS-51单片机共有2个16位的定时器/计数器,以实现定时和计数功能。当定时/计数器产生溢出时,可用中断方式控制程序转向。
4.并行输入输出(I/O)口：
MCS-51单片机有4个8位I/O口,即P0、P1、P2和P3,实现数据并行输入/输出。
5.串行输入输出(I/O)口：
MCS-51单片机有一个全双工串行口(UART),利用P3.0(RXD)和P3.1(TXD)实现单片机与外设的数据传送。该串行口功能较强,既可作为全双工异步通信收发器使用,也可作为同步移位器使用。
6.中断控制系统：
MCS-51单片机有5个中断源,包括2个外部中断、2个定时/计数中断、1个串行中断。有高级和低级两个优先级,可通过编程控制每个中断源的启动和优先级高低的设定。
7.时钟电路：
主要为单片机产生时钟脉冲序列。石英晶体和微调电容需要外接,典型晶振频率为11.0592MHz、12MHz和24MHz,微调电容容量为20~30pF。
8.总线：
为了减少单片机的连线和引脚,提高集成度和可靠性,系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的。总线是连接系统中各扩展部件的一组公共信号线。因此有三种总线,即地址总线、数据总线和控制总线。地址总线是单向的,数据总线是双向的。
从上述内容可以看出,MCS51虽然是一个单片机芯片,但作为计算机应该具有的基本部件它都包括。因此,实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。
三、MCS-51单片机引脚分布及功能：
如图1-4所示是89C51的引脚结构,有双列直插封装(DIP)方式和方形封装方式。在40条引脚中,有2条专用于主电源的引脚,2条外接晶振引脚,4条控制引脚和3条I/O引脚。下面以DIP为例分别叙述这些引脚的功能。
1.电源引脚∪cc和Uss：
Ucc(40引脚):电源端,接+5V。
Uss(20引脚):接地端,有时标为GND。
2.时钟信号引脚XTAL1和XTAL2:
ⅩTAL1(19引脚):接外部晶振和微调电容的一端,也是外部时钟源的输入端。
ⅩTAL2(18引脚):接外部晶振和微调电容的另一端,采用外部时钟源时该引脚悬空。
判断单片机的振荡电路是否正常工作,可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。
3.控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA：
RST(9引脚):复位信号输入端,当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平即为有效,用以完成单片机的复位初始化操作。
ALE(30引脚):地址锁存允许信号端。CPU访问片外存储器时该引脚输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。单片机正常工作时该引脚不断向外输出正脉冲信号,频率为振荡频率的1/6,因此可以用此来判断单片机是否可以正常工作。
PSEN(29引脚):外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时PSEN有效(低电平),以实现外部ROM单元的读操作。单片模式时该引脚不接。
EA(31引脚):外部程序存储器地址允许输入端。当EA引脚接高电平时,CPU从片内ROM访间并执行内部程序存储器中的指令;当EA引脚接低电平时,CPU只访间片外ROM并执行片外程序存储器中的指令。对于初学者来讲,单片机的片内存储器已经足够使用了,不需要扩展外部存储器,因此可以直接将该引脚接至Ucc。
4.输入腧输出端口P0、P1、P2和P3:
P0口(32~39引脚):8位漏极开路型双向并行I/O口。
P1口(1~8引脚):8位具有内部上拉电阻的准双向I/O口。
P2口(21-28引脚):8位具有内部上拉电阻的准双向IO口。
P3口(10~17引脚):8位具有内部上拉电阻的准双向1/O口,每一位又具有特殊功能(第二功能),如表1-2所示。
