单片机的组成

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单片机要自动完成计算，它应该具有哪些最重要的部分呢？
      我们以打算盘为例计算一道算术题。例：36＋163×156－166÷34。现在要进行运算，首先需要一把算盘，其次是纸和笔。我们把要计算的问题记录下来，然后第一步先算163×156，把它与36相加的结果记在纸上，然后计算166÷34，再把它从上一次结果中减去，就得到最后的结果。 　　现在，我们用单片机来完成上述过程，显然，它首先要有代替算盘进行运算的部件，这就是“运算器”；其次，要有能起到纸和笔作用的器件，即能记忆原始题目、原始数据和中间结果，还要记住使单片机能自动进行运算而编制的各种命令。这类器件就称为“存贮器”。此外，还需要有能代替人作用的控制器，它能根据事先给定的命令发出各种控制信号，使整个计算过程能一步步地进行。但是光有这三部分还不够，原始的数据与命令要输入，计算的结果要输出，都需要按先后顺序进行，有时还需等待。如上例中，当在计算163×156时，数字36就不能同时进入运算器。因此就需要在单片机上设置按控制器的命令进行动作的“门”，当运算器需要时，就让新数据进入。或者，当运算器得到最后结果时，再将此结果输出，而中间结果不能随便“溜出”单片机。这种对输入、输出数据进行一定管理的“门”电路在单片机中称为“口”（port）。在单片机中，基本上有三类信息在流动，一类是数据，即各种原始数据（如上例中的36、163等）、中间结果（如166÷34所得的商4、余数30等）、程序（命令的集合）等。这样要由外部设备通过“口”进入单片机，再存放在存贮器中，在运算处理过程中，数据从存贮器读入运算器进行运算，运算的中间结果要存入存贮器中，或最后由运算器经“出入口”输出。用户要单片机执行的各种命令（程序）也以数据的形式由存贮器送入控制器，由控制器解读（译码）后变为各种控制信号，以便执行如加、减、乘、除等功能的各种命令。所以，这一类信息就称为控制命令，即由控制器去控制运算器一步步地进行运算和处理，又控制存贮器的读（取出数据）和写（存入数据）等。第三类信息是地址信息，其作用是告诉运算器和控制器在何处去取命令取数据，将结果存放到什么地方，通过哪个口输入和输出信息等。
　　存贮器又分为只读存贮器和读写存贮器两种，前者存放调试好的固定程序和常数，后者存放一些随时有可能变动的数据。顾名思义，只读存贮器一旦将数据存入，就只能读出，不能更改（eprom、e2prom等类型的rom可通过一定的方法来更改、写入数据——编者注）。而读写存贮器可随时存入或读出数据。
　　实际上，人们往往把运算器和控制器合并称为中央处理单元——cpu。单片机除了进行运算外，还要完成控制功能。所以离不开计数和定时。因此，在单片机中就设置有定时器兼计数器，其基本结构与本连载之（二）中的举例类似。到这里为止，我们已经知道了单片机的基本组成，即单片机是由中央处理器（即cpu中的运算器和控制器）、只读存贮器（通常表示为rom）、读写存贮器（又称随机存贮器通常表示为ram）、输入/输出口（又分为并行口和串行口，表示为i/o口）等等组成。实际上单片机里面还有一个时钟电路，使单片机在进行运算和控制时，都能有节奏地进行。另外，还有所谓的“中断系统”，这个系统有“传达室”的作用，当单片机控制对象的参数到达某个需要加以干预的状态时，就可经此“传达室”通报给cpu，使cpu根据外部事态的轻重缓急来采取适当的应付措施。
　　现在，我们已经知道了单片机的组成，余下的问题是如何将它们的各部分连接成相互关联的整体呢？实际上，单片机内部有一条将它们连接起来的“纽带”，即所谓的“内部总线”。此总线有如大城市的“干道”，而cpu、rom、ram、i/o口、中断系统等就分布在此“总线”的两旁，并和它连通。从而，一切指令、数据都可经内部总线传送，有如大城市内各种物品的传送都经过干道进行。　

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前面已经讲述了单片机的几个主要组成部分，这些部分构成了单片机的硬件。所谓硬件（hardware），就是看得到，摸得到的实体。但是，光有这样的硬件，还只是有了实现计算和控制功能的可能性。单片机要真正地能进行计算和控制，还必须有软件（software）的配合。软件主要指的是各种程序。只有将各种正确的程序“灌入”（存入）单片机，它才能有效地工作。单片机所以能自动地进行运算和控制，正是由于人把实现计算和控制的步骤一步步地用命令的形式，即一条条指令（instruction）预先存入到存贮器中，单片机在cpu的控制下，将指令一条条地取出来，并加以翻译和执行。就以两个数相加这一简单的运算来说，当需要运算的数已存入存贮器后，还需要进行以下几步：
    第一步：把第一个数从它的存贮单元（location）中取出来，送至运算器。
    第二步：把第二个数从它所在的存贮单元中取出来，送至运算器；
    第三步：相加；
    第四步：把相加完的结果，送至存贮器中指定的单元。
    所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作（operation），我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来，这就是指令。但是怎样才能辨别和执行这些操作呢？这是在设计单片机时由设计人员赋予它的指令系统所决定的。一条指令，对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统（iustruction set），不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
    使用单片机时，事先应当把要解决的问题编成一系列指令。这些指令必须是选定的单片机能识别和执行的指令。单片机用户为解决自己的问题所编的指令程序，称为源程序（source program）。指令通常分为操作码（opcode）和操作数（operand）两大部分。操作码表示计算机执行什么操作，即指令的功能；操作数表示参加操作的数或操作数所在的地址（即操作数所存放的地方编号）。因为单片机是一种可编程器件，只“认得”二进码（0、1）。要单片机运作，单片机系统中的所有指令，都必须以二进制编码的形式来表示。例如，在intel公司的mcs－51系列单片机中，从存贮器中取出一数到cpu中的累加器（在运算器中，参与运算、存放运算结果的专用寄存器）的指令代码为74h，累加器内容加立即数的代码为24h，再加上立即数代码，累加器送数到内部ram存贮器的代码为f6h～f7h等。这些指令是用十六进制表示二进制的机器码。mcs－51单片机的字长为8位，有时，要完成某些操作用一个字节尚不能充分表达。所以，在指令系统中有单字节指令，也有多字节指令。机器码是由一连串的0和1组成，没有明显的特征，不好记忆，不易理解，易出错。所以，直接用它来编写程序十分困难。因而，人们就用一些助记符（mue monic）——通常是指令功能的英文缩写来代替操作码，如mcs－51中数的传送常用mov（move的缩写）、加法用add(addition的缩写）来作为助记符。这样，每条指令有明显的动作特征，易于记忆和理解，也不容易出错。用助记符来编写的程序称为汇编语言程序。但是，助记符编写的程序便于人理解，可单片机却只认识二进制机器代码，因此，为了让单片机能“读懂”汇编语言程序必须再转换成由二进制机器码构成的程序，这种转换过程，就称为“汇编”。汇编可借助于人工查表法来实现，也可借助pc机通过所谓“交叉汇编程序”来完成。由机器码构成的用户程序一旦“进入”了单片机，再“启动”单片机，就可让它执行输入程序所规定的任务。

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mcu--51 cpu和存储器   单片机8051的cpu由运算器和控制器组成。
　　一、运算器
运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件alu为核心，再加上暂存器tmp、累加器acc、寄存器b、程序状态标志寄存器psw及布尔处理器。累加器acc是一个八位寄存器，它是cpu中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，累加器acc往往在运算前暂存一个操作数（如被加数），而运算后又保存其结果（如代数和）。寄存器b主要用于乘法和除法操作。标志寄存器psw也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、借位等。其每位的具体含意如下所示。psw cy ac fo rs1 rs0 ov － p对用户来讲，最关心的是以下四位。
    1?进位标志cy（psw?7）。它表示了运算是否有进位（或借位）。如果操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为1，否则为0。
    2?辅助进位标志ac。又称半进位标志，它反映了两个八位数运算低四位是否有半进位，即低四位相加（或减）有否进位（或借位），如有则ac为1状态，否则为0。
    3?溢出标志位ov。mcs－51反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时，此位为1，否则为0。
    4?奇偶标志p。反映累加器acc内容的奇偶性，如果acc中的运算结果有偶数个1（如11001100b，其中有4个1），则p为0，否则，p=1。
    psw的其它位，将在以后再介绍。由于psw存放程序执行中的状态，故又叫程序状态字?运算器中还有一个按位（bit）进行逻辑运算的逻辑处理机（又称布尔处理机）。其功能在介绍位指令时再说明。
　　二、控制器
　　控制器是cpu的神经中枢，它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针dptr及程序计数器pc、堆栈指针sp等。这里程序计数器pc是由16位寄存器构成的计数器。要单片机执行一个程序，就必须把该程序按顺序预先装入存储器rom的某个区域。单片机动作时应按顺序一条条取出指令来加以执行。因此，必须有一个电路能找出指令所在的单元地址，该电路就是程序计数器pc。当单片机开始执行程序时，给pc装入第一条指令所在地址，它每取出一条指令（如为多字节指令，则每取出一个指令字节），pc的内容就自动加1，以指向下一条指令的地址，使指令能顺序执行。只有当程序遇到转移指令、子程序调用指令，或遇到中断时（后面将介绍），pc才转到所需要的地方去。8051 cpu碢c指定的地址，从rom相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号，这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合，形成按一定时间节拍变化的电平和时钟，即所谓控制信息，在cpu内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。
    三、存储器
    存储器是单片机的又一个重要组成部分，图6给出了一种存储容量为256个单元的存储器结构示意图。其中每个存储单元对应一个地址，256个单元共有256个地址，用两位16进制数表示，即存储器的地址（00h～ffh）。存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息，通常用两位16进制数来表示，这就是存储器的内容。存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念，不能混淆。
    一、程序存储器
    程序是控制计算机动作的一系列命令，单片机只认识由“0”和“1”代码构成的机器指令。如前述用助记符编写的命令mov a，＃20h，换成机器认识的代码74h、20h：（写成二进制就是01110100b和00100000b）。在单片机处理问题之前必须事先将编好的程序、表格、常数汇编成机器代码后存入单片机的存储器中，该存储器称为程序存储器。程序存储器可以放在片内或片外，亦可片内片外同时设置。由于pc程序计数器为16位，使得程序存储器可用16位二进制地址，因此，内外存储器的地址最大可从0000h到ffffh。8051内部有4k字节的rom，就占用了由0000h～0fffh的最低4k个字节，这时片外扩充的程序存储器地址编号应由1000h开始，如果将8051当做8031使用，不想利用片内4krom，全用片外存储器，则地址编号仍可由0000h开始。不过，这时应使8051的第{31}脚（即ea脚）保持低电平。当ea为高电平时，用户在0000h至0fffh范围内使用内部rom，大于0fffh后，单片机cpu自动访问外部程序存储器。
　　二、数据存储器
　　单片机的数据存储器由读写存储器ram组成。其最大容量可扩展到64k，用于存储实时输入的数据。8051内部有256个单元的内部数据存储器，其中00h～7fh为内部随机存储器ram，80h～ffh为专用寄存器区。实际使用时应首先充分利用内部存储器，从使用角度讲，搞清内部数据存储器的结构和地址分配是十分重要的。因为将来在学习指令系统和程序设计时会经常用到它们。8051内部数据存储器地址由00h至ffh共有256个字节的地址空间，该空间被分为两部分，其中内部数据ram的地址为00h～7fh（即0～127）。而用做特殊功能寄存器的地址为80h～ffh。在此256个字节中，还开辟有一个所谓“位地址”区，该区域内不但可按字节寻址，还可按“位（bit）”寻址。对于那些需要进行位操作的数据，可以存放到这个区域。从00h到1fh安排了四组工作寄存器，每组占用8个ram字节，记为r0～r7。究竟选用那一组寄存器，由前述标志寄存器中的rs1和rs0来选用。在这两位上放入不同的二进制数，即可选用不同的寄存器组，如附表1所示。
　　三、特殊功能寄存器
　　特殊功能寄存器（sfr）的地址范围为80h～ffh。在mcs－51中，除程序计数器pc和四个工作寄存器区外，其余21个特殊功能寄存器都在这sfr块中。其中5个是双字节寄存器，它们共占用了26个字节。各特殊功能寄存器的符号和地址见附表2。其中带＊号的可位寻址。特殊功能寄存器反映了8051的状态，实际上是8051的状态字及控制字寄存器。用于cpu psw便是典型一例。这些特殊功能寄存器大体上分为两类，一类与芯片的引脚有关，另一类作片内功能的控制用。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是p0～p3，它们实际上是4个八位锁存器（每个i/o口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。mcs－51共有p0～p3四个这样的并行口，可提供32根i/o线，每根线都是双向的，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、标志寄存器psw、数据指针dptr等的功能前已提及，而另一些寄存器的功能在后面有关部分再作进一步介绍

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单片机的指令系统和寻址方式
  单片机要正常运作，事先需编制程序，再把程序放入存贮器中，然后由cpu执行该程序。程序是由指令组成的，指令的基本组成是操作码和操作数。单片机的品种很多，设计时怎样表示操作码和操作数，都有各自的规定，再有指令代码也各不相同，因此，必须对所选单片机的全部指令，也就是所谓“指令系统”，有足够的了解。各个系列的单片机虽然有不同的指令系统，但也有其共同性。掌握一种单片机的指令系统，对其它系列单片机可以起到触类旁通的作用。mcs－51单片机应用广泛，派生品种多，具有代表性，所以，这里以mcs－51系列的指令系统为例说明“指令”的组成和应用。
　 1、mov a，＃20h
       这条指令表示把20h这个数送入累加器a中（一个特殊功能寄存器）。
    2、add a，70h
       这条指令表示把累加器a中的内容（在上例中送入的＃20h）和存贮器中地址为70h单元中的内容（也是一个数字），通过算术逻辑单元（英文缩写为alu）相加，并将结果保留在a中。这里mov、add等称为操作码，而a、＃20h、70h等均称为操作数。在汇编语言程序中，操作码通常由英文单词缩写而成，这样有助于记忆，所以又称助记符。如mov就是英文单词move的缩写，含有搬移的意思；而add即为英文单词，其意为相加。因此，对于略懂英语的用户，掌握单片机指令的含意是较为方便的。操作数有多种表示法，如以上的＃20h称为立即数，即20h就是真正的操作数。而70h是存贮器中某个单元的地址，在该单元中，放着操作数（比如说是3ah），add a，70h不是将70h和a中的内容相加，而是从存贮器70h单元中将3ah取出和a中的内容相加。由上可知，要找到实际操作数，有时就要转个弯，甚至转几个弯，这个过程称为寻址，mcs－51共有7种寻址方式，现介绍如下：
    一、立即寻址：操作数就写在指令中，和操作码一起放在程序存贮器中。把“＃”号放在立即数前面，以表示该寻址方式为立即寻址，如＃20h。
    二、寄存器寻址：操作数放在寄存器中，在指令中直接以寄存器的名字来表示操作数的地址。例如mov a，r0就属于寄存器寻址，即将r0寄存器的内容送到累加器a中。
    三、直接寻址：操作数放在单片机的内部ram某单元中，在指令中直接写出该单元的地址。如前例的add a，70h中的70h。
    四、寄存器间接寻址：操作数放在ram某个单元中，该单元的地址又放在寄存器r0或r1中。
    如果ram的地址大于256，则该地址存放在16位寄存器dptr（数据指针）中，此时在寄存器名前加@符号来表示这种间接寻址。如mov a，@ r0。其它还有变址寻址、相对寻址、位寻址等，待以后再详细介绍。可能有人会问，在指令中直接给出实际操作数，不是简单、明了吗？为什么还要用其它几种寻址方式呢？这是因为在编制程序时很难一下子就给出操作数。如用单片机控制温度时，时时需要将给定的控制温度（如20℃）减去环境温度，而环境温度时时有变化，显然无法在程序指令中给出，只有通过一定方式，将其送入某个输入/输出口，再存放在某个寄存器中，这就必须用到寄存器寻址。又如要进行算术运算，要计算每班学员各科成绩的平均值，如果把每个学员的各科都编一个程序，在程序中直接给出该学员各科成绩，再求平均值，显然太麻烦。这里可以编一个求平均成绩的通用程序，把每位学员的成绩送入存贮器的各个单元中，这时可采取直接寻址，一个程序可供每个学员用，不是更方便吗？所以，寻址方式越多，编制程序就越方便、灵活，适用范围就越广。寻址有如找人，如被找的人有手机、bp机、座机电话等多种联系方式则就容易找到他，单片机也是如此，寻址方式越多，找操作数越方便，单片机的功能就越强。前面介绍51系列单片机的寻址方式时，常遇到单片机内部的一些寄存器、累加器a、通用寄存器r0～r7、数据指针dptr和存贮器等。在以后介绍指令时，数据就要在这些寄存器、存贮器之间传送，或者进行运算。因此，编制程序就需熟悉单片机的内部结构。
    8051单片机的内部总体结构其基本特性如下：
    8位cpu、片内振荡器
    4k字节rom、128字节ram
    21个特殊功能寄存器
    32根i/o线
    可寻址的64k字节外部数据、程序存贮空间
    2个16位定时器、计数器
    中断结构：具有二个优先级、五个中断源
    一个全双口串行口
    位寻址（即可寻找某位的内容）功能，适于按位进行逻辑运算的位处理器。除128字节ram、4k字节rom和中断、串行口及定时器模块外，还有4组i/o口p0～p3，余下的就是cpu的全部组成。把4krom换为eprom就是8751的结构，如去掉rom/eprom部分即为8031的框图，如果将rom置换为flash存贮器或eeprom，或再省去某些i/o，即可得到51系列的派生品种，如89c51、at89c2051等单片机的框图。
　　单片机各部分是通过内部的总线有机地连接起来的