Benjamin Chen.
Benjamin Chen.

【学习笔记】单片机结构与原理（MCS-51为例）

单片机结构与原理(MCS-51为例）

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基础知识

概述

  1. 什么是单片机
    • 单片机（Single-Chip-Microcomputer）又称为单片微计算机
    • 结构特点：将微型计算机的基本功能部件全部集成在一个半导体芯片上
  2. 单片机的特点
    • 集成度高，体积小，抗干扰能力强，可靠性高
    • 开发性能好，开发周期短，控制功能强
    • 低功耗，低电压，具有掉电保护功能
    • 通用性和灵活性好
    • 具有良好的性能价格比
  3. 单片机的应用领域
    • 工业自动化控制
    • 智能仪器仪表
    • 通信设备
    • 汽车电子与航空航天电子系统
    • 家用电器
  4. 单片机发展趋势
    • 高集成度
    • 高性能
    • 低功耗
    • 高性价比

预备知识

  1. 数制及其变换

    • 数制：十进制D、二进制B、十六进制H
    • 进制转换：BH转D（加权展开）、B转H（4位对应）、D转BH（除基取余）

  2. 有符号数表示方法

    • 原码：0正1负，其余数值
    • 反码：正数（与原码相同）、负数（符号位不变，数值位取反）
    • 补码：正数（与原码相同）、负数（符号位不变，数值位取反，末位加1）
    • 负数补码 = 模 - 绝对值差值
    • 补码的补码为原码

  3. 位、字节、字

    • 位（bit）：0和1
    • 字节（Byte）：1Byte = 8bit
    • 字（Word）：计算机一次存取、加工和传送的数据长度

  4. BCD码

    • 以二进制数表示十进制数

    • 8421BCD码
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    • 压缩BCD码：1字节表示2个十进制数

    • 非压缩BCD码：1字节只表示1个十进制数

  5. ASCII码

    • 采用7位二进制编码表示128个字符

  6. 基本逻辑门电路

    • 与门、或门、非门、异或门、与非门、或非门
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结构与原理

结构

  1. 内部结构

    • MCS-51单片机内部基本结构
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    • 80C51单片机的内部资源

      • 1个8位中央处理器（CPU）
      • 1个片内振荡器和时钟电路
      • 4KB片内程序存储器（ROM）
      • 256字节的片内RAM
      • 2个16位定时/计数器
      • 可寻址64KB外部程序存储器和64KB数据存储空间控制电路
      • 4个8位双向I/O口
      • 1个全双工串行口
      • 5个中断源

    • CPU（单片机的大脑和心脏）：运算器和控制器

    • 控制器：对取自程序存储器中的指令进行译码，在规定时间发出各种操作所需的控制信号，完成指令所规定的功能。

      • 程序计数器PC：存放下一条要执行指令的首地址（决定程序的运动轨迹）
      • 指令寄存器IR：暂存待执行的指令，等待译码
      • 指令译码器ID：对指令进行译码，转变为执行指令所需电信号
      • 数据指针DPTR：DPH（高8位）和DPL（低8位）
      • 定时控制与条件转移逻辑电路

    • 运算器

      • 累加器ACC（CPU工作中使用最频繁的寄存器）：存放一个操作数或中间结果

      • 算术逻辑部件ALU：对数据进行四则运算和逻辑运算

      • 程序状态字寄存器PSW：存放程序运行过程中的各种状态信息
        [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1umCF0Rb-1651216399449)(/Users/jermy/Library/Application Support/typora-user-images/截屏2022-04-28 14.30.14.png)]

        • 进位标志CY（PSW7）：位累加器
        • 辅助进位标志AC（PSW6）
        • 用户标志位F0（PSW5）
        • 工作寄存器组指针RS1、RS0（PSW4、PSW3）：选择CPU当前工作的寄存器组
        • 溢出标志OV（PSW2）：指示是否发生益处，由硬件自动形成
        • 用户标志位F1（PSW1）
        • 奇偶标志位P（PSW0）：跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性

      • 运算调整电路

  2. 外部引脚

    • 封装方式
      • HMOS制造工艺：40只引脚的双列直插封装（DIP）
      • CHMOS制造工艺：44只引脚方形封装方式（其中4只是无用的）
    • 80C51单片机40只引脚功能划分
      • 电源及晶振引脚（4只）
      • 控制引脚（4只）
      • 并行I/O口引脚（32只）
    • 电源及晶振引脚
      • 电源引脚：VCC（+5V电源引脚）、VSS（接地引脚）
      • 外接晶振引脚：XTAL1、XTAL2
    • 控制引脚
      • RST/VPD（复用/备用电源引脚）
      • ALE/PROG（地址锁存使能输出/编程脉冲输入）
      • PSEN（输出访问片外程序存储器读选通信号）
      • EA/VPP（外部ROM允许访问/编程电源输入）
    • 并行I/O口引脚
      • P0口（P0.0~P0.7）
      • P1口（P1.0~P1.7）
      • P2口（P2.0~P2.7）
      • P3口（P3.0~P3.7）

存储器

  1. 划分方法

    • 计算器存储器地址空间结构形式：普林斯顿结构（冯·诺伊曼结构）、哈佛结构
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    • 普林斯顿结构（冯·诺伊曼结构）

      • 将程序指令存储器和数据存储器合并在一起（ROM和RAM位于统一存储空间的不同物理位置处）
      • CPU可以使用相同指令访问ROM和RAM

    • 哈佛结构

      • 将程序指令存储器和数据存储器分开设置（ROM和RAM位于不同存储空间）
      • ROM和RAM中的存储单元可以有相同的地址
      • CPU需要采用不同的访问指令加以区别

    • MCS-51单片机存储空间结构
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      • 物理地址（4个）：片内程序存储器（片内ROM）、片外程序存储器（片外ROM）、片内数据存储器（片内RAM）、片外数据存储器（片外RAM）
      • 逻辑地址（3个）：程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器

    • MCS-51单片机存储器地址空间

      • 片内ROM地址空间：0000H~0FFFH（4KB）
      • 片外ROM地址空间：0000H~FFFFH（64KB）
      • 片内RAM地址空间：00H~FFH（256B）
      • 片外RAM地址空间：0000H~FFFFH（64KB）
  2. 程序存储器（存放程序代码及程序中用到的常数）
    • 保存在ROM里的程序不会因为单片机掉电而丢失
    • 外部ROM允许访问引脚EA
      • EA引脚接高电平：片内ROM（小于等于4KB地址）和片外ROM（大于4KB地址）共同构成64KB空间
      • EA引脚接低电平：片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中
    • 特殊地址单元（6个）：专门为复位和中断功能设计
      • 0000H（程序首地址）：单片机复位后程序从首地址开始运行
      • 0003H（外部中断0入口地址）
      • 000BH（定时器0益处中断入口地址）
      • 0013H（外部中断1入口地址）
      • 001BH（定时器1溢出中断入口地址）
      • 0023H（串行口中断入口地址）
  3. 数据存储器（存放运算中间结果、标志位、待调试程序）

    • 数据存储器由RAM构成，一旦掉电，其数据将丢失

    • 数据存储器在物理上和逻辑上都占有两个地址空间：片内256B的RAM、片外64KB的RAM

    • 片内RAM配置：低128B RAM区、高128B RAM区
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      • 低128B RAM区
        • 00H~1FH：作为工作寄存器使用（通用寄存器R0-R7）
        • 20H~2FH：位寻址区
        • 30H~7FH：用户可以设置堆栈区和存储中间数据
      • 高128B RAM区：21个特殊功能寄存器

复位、时钟、时序

  1. 复位

    • 复位片内寄存器初始值
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    • 复位条件

      • 在RST引脚端出现满足复位要求的高电平状态
      • 该时间等于系统时钟振荡周期建立时间再加2个机器周期时间（一般不小于10ms）

    • 复位方式

      • 上电复位：利用阻容充电电路实现
      • 按键复位：利用电阻分压电路实现
      • 复合复位
  2. 时钟
    • 单片机执行指令过程：取指令、分析指令、执行指令
    • 单片机时钟信号产生方法
      • 内部时钟方法：利用单片机芯片内部的振荡电路实现
        • 定时元件一般用晶体振荡器和电容组成并联谐振电路
        • 晶体振荡频率越高，则系统的时钟频率也越高，单片机运行速度也就越快
        • MCS-51时钟振荡频率为6~12MHz
      • 外部时钟方法：采用公用外部脉冲信号作为各单片机振荡脉冲
  3. 时序

    • 时序：按照时间顺序显示的对象序列关系

    • 时序表示方式：状态方程、状态图、状态表、时序表

    • 时序表（波形图、序列图）
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      • 从上到下查看对象间的交互关系
      • 时间轴从左往右的方向为时间正向轴（时间在增长）
      • 最左边是引脚的标识
      • 交叉线部分标识电平的变化
      • 封闭菱形部分标识数据有效范围
      • 水平方向的尺寸线标识持续时间长度

    • 时序单位
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      • 时钟周期（节拍P）：晶振或外加振荡源的振荡周期（最小时序单位）
      • 状态周期（S）：1个状态周期等于2个时钟周期
      • 机器周期：1个机器周期等于6个状态周期（12个节拍）
      • 指令周期：执行一条指令所需要的时间（1个指令周期由1~4个机器周期组成）

    • 单片机时序：CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序

    • CPU发出的时序信号：用于片内个功能部件的控制、用于片外存储器或I/O端口的控制

    • D触发器（边沿D触发器）
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      • 正边沿D触发器：只在CLK上升沿时刻采样D输入信号，改变Q输出状态
      • 负边沿D触发器：只在CLK下降沿时刻采样D输入信号，改变Q输出状态

并行I/O口

  1. P1口（作为通用I/O口使用）：字节地址90H
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    • 输出方式
    • 读引脚方式（准双向口）：必须先用输出指令置Q=1，使V截止
    • 读锁存器方式：P1口已有内部上拉电阻，无需外接上拉电阻

  2. P3口：字节地址B0H
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    • 通用I/O功能（与P1口完全相同）：当“第二输出功能”段保持“1”状态
    • 第二功能口状态：当锁存器Q端保持“1”状态
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  3. P0口字节地址80H
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    • 通用I/O口：要使“1”信号正常输出，必须外界一个上拉电阻（上拉电阻一般为100Ω~10kΩ）
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    • 单片机系统的地址/数据线（连接外部存储器）：双向口

      • 当需要输入外部数据时，CPU自动向P0.n的锁存器写“1”（保证引脚电平不会被误读）
      • P0口在“地址/数据”方式下没有漏极开路问题（不必外接上拉电阻）

  4. P2口：字节地址A0H
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    • 通用I/O口（准双向口）：输出、读引脚、读锁存器
    • 地址线接口

  5. 并行I/O口

    • P0~P3口都可作为准双向通用I/O口提供给用户
      • P1~P3口无需外接上拉电阻
      • P0口需要外接上拉电阻
    • 拓展片外存储器
      • P2口作为地址线接口
      • P0口作文地址线/数据线复用接口（双向口）

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    第一章习题1.1单项选择题（1）单片机又称为单片微计算机，最初的英文缩写是____。答案(D)A.MCPB.CPUC.DPJD.SCM（2）Intel公司的MCS-51系列单片机是______的单片机。答案(C)A.1位B.4位C.8位D.16位（3）单片机的特点里没有包括在内的是______。答案(C)A.集成度高B.功耗低C.密封性强D.性价比高（4）单片机的发展趋势中没有包括的是______
  • 技术类岗位面试中经典问题总结分享
    1.谈淡你的最成功/失败的经历,你现在回去(时光倒流）怎么做2.你做过的一个项目/事例，说说过程（观是否谈结果)过程中，怎么进行信息检索的3.请你对我进行一个评价（观察是否谈到缺点)4.请用一句话介绍自己（总结十逻辑思维)5.你所学的课程中最喜欢/了解哪一个，请淡谈课程内容6.请描述一下用单片机点亮一个流水灯的全过程/请描述AD绘制PCB板的全过程/请详细描述用C语编辑环境输出一个Hellow,w
  • 5V-8.4V电动咖啡豆研磨机单片机IC方案咖啡豆研磨机方案FH8B26S16 深圳市泛海微电子有限公司 泛海微方案单片机嵌入式硬件
    随着精品咖啡文化的普及，家用电动咖啡研磨机正从基础功能向智能化、精准化方向升级。本文将深入解析基于FH8B26S16单片机的5V-8.4V电动咖啡研磨机IC解决方案，从芯片特性到系统设计，呈现一套完整的智能研磨控制方案。**一、核心芯片特性解析**FH8B26S16是aisinochip推出的高性能8位MCU，采用增强型8051内核，主频最高达16MHz。该芯片内置16KBFlash存储器和256
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      如何要想成为一名专业的程序员？仅仅会写代码是不够的。从团队合作去解决问题到版本控制，你还得具备其他关键技能的工具包。当我们询问相关的专业开发人员，那些必备的关键技能都是什么的时候，下面是我们了解到的情况。   关于如何学习代码，各种声音很多，然后很多人就被误导为成为专业开发人员懂得一门编程语言就够了？！呵呵，就像其他工作一样，光会一个技能那是远远不够的。如果你想要成为
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    java处理高并发高负载类网站中数据库的设计方法（java教程,java处理大量数据，java高负载数据） 一：高并发高负载类网站关注点之数据库 没错,首先是数据库,这是大多数应用所面临的首个SPOF。尤其是Web2.0的应用，数据库的响应是首先要解决的。 一般来说MySQL是最常用的，可能最初是一个mysql主机，当数据增加到100万以上，那么，MySQL的效能急剧下降。常用的优化措施是M-S（
  • mysql批量更新 ekian mysql
    mysql更新优化： 一版的更新的话都是采用update set的方式，但是如果需要批量更新的话，只能for循环的执行更新。或者采用executeBatch的方式，执行更新。无论哪种方式，性能都不见得多好。 三千多条的更新，需要3分多钟。 查询了批量更新的优化，有说replace into的方式，即： replace into tableName(id,status) values
  • 微软BI（3） 18289753290 微软BI SSIS
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  • 读书笔记 永夜-极光 读书笔记
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  • centos 安装 Codeblocks 随便小屋 codeblocks
    1.安装gcc,需要c和c++两部分,默认安装下,CentOS不安装编译器的,在终端输入以下命令即可yum install gccyum install gcc-c++   2.安装gtk2-devel,因为默认已经安装了正式产品需要的支持库,但是没有安装开发所需要的文档.yum install gtk2* 3. 安装wxGTK    yum search w
  • 23种设计模式的形象比喻 aijuans 设计模式
    1、ABSTRACT FACTORY—追MM少不了请吃饭了，麦当劳的鸡翅和肯德基的鸡翅都是MM爱吃的东西，虽然口味有所不同，但不管你带MM去麦当劳或肯德基，只管向服务员说“来四个鸡翅”就行了。麦当劳和肯德基就是生产鸡翅的Factory 　　工厂模式：客户类和工厂类分开。消费者任何时候需要某种产品，只需向工厂请求即可。消费者无须修改就可以接纳新产品。缺点是当产品修改时，工厂类也要做相应的修改。如：
  • 开发管理 CheckLists aoyouzi 开发管理 CheckLists
    开发管理 CheckLists(23) -使项目组度过完整的生命周期 开发管理 CheckLists(22) -组织项目资源 开发管理 CheckLists(21) -控制项目的范围开发管理 CheckLists(20) -项目利益相关者责任开发管理 CheckLists(19) -选择合适的团队成员开发管理 CheckLists(18) -敏捷开发 Scrum Master 工作开发管理 C
  • js实现切换 百合不是茶 JavaScript栏目切换
    js主要功能之一就是实现页面的特效,窗体的切换可以减少页面的大小,被门户网站大量应用思路: 1,先将要显示的设置为display:bisible 否则设为none 2,设置栏目的id ,js获取栏目的id,如果id为Null就设置为显示 3,判断js获取的id名字;再设置是否显示   代码实现:   html代码: <di
  • 周鸿祎在360新员工入职培训上的讲话 bijian1013 感悟项目管理人生职场
            这篇文章也是最近偶尔看到的，考虑到原博客发布者可能将其删除等原因，也更方便个人查找，特将原文拷贝再发布的。“学东西是为自己的，不要整天以混的姿态来跟公司博弈，就算是混，我觉得你要是能在混的时间里，收获一些别的有利于人生发展的东西，也是不错的，看你怎么把握了”，看了之后，对这句话记忆犹新。  &
  • 前端Web开发的页面效果 Bill_chen htmlWebMicrosoft
    1.IE6下png图片的透明显示： <img src="图片地址" border="0" style="Filter.Alpha(Opacity)=数值(100),style=数值(3)"/> 或在<head></head>间加一段JS代码让透明png图片正常显示。 2.<li>标
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      CMS概述 并发标记清理垃圾回收(Concurrent Mark and Sweep GC）算法的主要目标是在GC过程中，减少暂停用户线程的次数以及在不得不暂停用户线程的请夸功能，尽可能短的暂停用户线程的时间。这对于交互式应用，比如web应用来说，是非常重要的。   CMS垃圾回收针对新生代和老年代采用不同的策略。相比同吞吐量垃圾回收，它要复杂的多。吞吐量垃圾回收在执
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      必备jar文件 早在struts2.0.*的时候，struts2的必备jar包需要如下几个： commons-logging-*.jar   Apache旗下commons项目的log日志包 freemarker-*.jar          
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    在jquery easyui中提供了easyui-layout布局，他的布局比较局限，类似java中GUI的border布局。下面对其使用注意事项作简要介绍：      如果在现有的工程中前台界面均应用了jquery easyui，那么在布局的时候最好应用jquery eaysui的layout布局，否则在表单页面（编辑、查看、添加等等）在不同的浏览器会出
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    public class CopySpecialLinkedList { /** * 题目：有一个特殊的链表，其中每个节点不但有指向下一个节点的指针pNext，还有一个指向链表中任意节点的指针pRand，如何拷贝这个特殊链表？ 拷贝pNext指针非常容易，所以题目的难点是如何拷贝pRand指针。 假设原来链表为A1 -> A2 ->... -> An，新拷贝
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    <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN"  "http://www.w3.org/TR/html4/loose.dtd">    <HTML>    <HEAD>&nbs
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          两个坚持:手机的电池必须可以取下来                光纤不能够入户,只能够到楼宇       建议大家找这本书看看:<&
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    在Oracle 10g中，Flash back家族分为以下成员： Flashback Database Flashback Drop Flashback Table Flashback Query(分Flashback Query,Flashback Version Query，Flashback Transaction Query) 下面介绍一下Flashback Drop 和Flas
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    zeus代码测试正紧张进行中,但由于工作比较忙,但速度比较慢.现在已经完成读写分离单元测试了,现在把几种情况单元测试的例子发出来,希望有人能进出意见,让它走下去. 本文是zeus的dao单元测试: 1.单元测试直接上代码   package com.dengliang.zeus.webdemo.test; import org.junit.Test; import o
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  • iptables开放端口 Fanyucai linuxiptables端口
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  • 通过hashset找到数组中重复的元素 jackyrong hashset
      如何在hashset中快速找到重复的元素呢?方法很多，下面是其中一个办法： int[] array = {1,1,2,3,4,5,6,7,8,8}; Set<Integer> set = new HashSet<Integer>(); for(int i = 0
  • 使用ajax和window.history.pushState无刷新改变页面内容和地址栏URL lanrikey history
    后退时关闭当前页面 <script type="text/javascript"> jQuery(document).ready(function ($) {         if (window.history && window.history.pushState) {
  • 应用程序的通信成本 netkiller.github.com 虚拟机应用服务器陈景峰netkillerneo
    应用程序的通信成本 什么是通信 一个程序中两个以上功能相互传递信号或数据叫做通信。 什么是成本 这是是指时间成本与空间成本。 时间就是传递数据所花费的时间。空间是指传递过程耗费容量大小。 都有哪些通信方式 全局变量 线程间通信 共享内存 共享文件 管道 Socket 硬件（串口，USB） 等等 全局变量 全局变量是成本最低通信方法，通过设置
  • 一维数组与二维数组的声明与定义 恋洁e生 二维数组一维数组定义声明初始化
    /**  *  */ package test20111005; /**  * @author FlyingFire  * @date:2011-11-18 上午04:33:36  * @author ：代码整理  * @introduce :一维数组与二维数组的初始化  *summary：  */ public c
  • Spring Mybatis独立事务配置 toknowme mybatis
    在项目中有很多地方会使用到独立事务，下面以获取主键为例   （1）修改配置文件spring-mybatis.xml  <!-- 开启事务支持 -->  <tx:annotation-driven transaction-manager="transactionManager" />   &n
  • 更新Anadroid SDK Tooks之后，Eclipse提示No update were found xp9802 eclipse
    使用Android SDK Manager 更新了Anadroid SDK Tooks 之后， 打开eclipse提示 This Android SDK requires Android Developer Toolkit version 23.0.0 or above, 点击Check for Updates  检测一会后提示 No update were found 
按字母分类： ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ其他