單片機(jī)是一種控制芯片，一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，而加上晶振，存儲(chǔ)器，地址鎖存器，邏輯門，七段譯碼器（顯示器），按鈕（類似鍵盤），擴(kuò)展芯片，接口等那是單片機(jī)系統(tǒng)，以下是8051系列單片機(jī)原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)介紹

?外部引腳功能

?存儲(chǔ)空間配置和功能

? 片內(nèi)RAM結(jié)構(gòu)和功能

? 特殊功能寄存器的用途和功能

? 程序計(jì)數(shù)器PC的作用和基本工作方式

? I/O端口結(jié)構(gòu)、工作原理及功能

? 時(shí)鐘和時(shí)序

? 復(fù)位電路、復(fù)位條件和復(fù)位后狀態(tài)

? 低功耗工作方式的作用和進(jìn)入退出的方法

§2-1 單片機(jī)原理簡(jiǎn)介和引腳功能

一、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

二、引腳功能

40個(gè)引腳大致可分為4類：電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳。

⒈ 電源： ⑴ VCC - 芯片電源，接+5V；

⑵ VSS - 接地端；

⒉ 時(shí)鐘：XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。

⒊ 控制線：控制線共有4根，

⑴ ALE/PROG：地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖

① ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址

② PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。

⑵ PSEN：外ROM讀選通信號(hào)。

⑶ RST/VPD：復(fù)位/備用電源。

① RST（Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端。

② VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。

⑷ EA/Vpp：內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。

① EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。

② Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。

⒋ I/O線

80C51共有4個(gè)8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)（屬控制總線）。

§2-1 存儲(chǔ)空間配置和功能

80C51的存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)不同的存儲(chǔ)空間，分別是：

⑴ 64KB程序存儲(chǔ)器（ROM），包括片內(nèi)ROM和片外ROM；

⑵ 64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（外RAM）；

⑶ 256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（內(nèi)RAM）

（包括特殊功能寄存器） 。

8051單片機(jī)存儲(chǔ)空間配置原理

一、程序存儲(chǔ)器（ROM）

地址范圍：0000H～FFFFH，共64KB。其中：

低段4KB：0000H～0FFFH

80C51和87C51在片內(nèi)，80C31在片外。

高段60KB：1000H～FFFFH。在片外。

讀寫ROM用MOVC指令，控制信號(hào)是PSEN和EA。

讀ROM是以程序計(jì)數(shù)器PC作為16位地址指針，依次讀相應(yīng)地址ROM中的指令和數(shù)據(jù)，每讀一個(gè)字節(jié)，PC+1→PC，這是CPU自動(dòng)形成的。

但是有些指令有修改PC的功能，例如轉(zhuǎn)移類指令和MOVC指令，CPU將按修改后PC的16位地址讀ROM。

讀外ROM的過程：

CPU從PC中取出當(dāng)前ROM的16位地址，分別由P0口（低8位）和P2口（高8位）同時(shí)輸出，ALE信號(hào)有效時(shí)由地址鎖存器鎖存低8位地址信號(hào)，地址鎖存器輸出的低8位地址信號(hào)和P2口輸出的高8位地址信號(hào)同時(shí)加到外ROM 16位地址輸入端，當(dāng)PSEN信號(hào)有效時(shí)，外ROM將相應(yīng)地址存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線（P0口），CPU讀入后存入指定單元。

二、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（外RAM）

? 地址范圍：0000H～FFFFH 共64KB。

? 讀外RAM的過程：

外RAM 16位地址分別由P0口（低8位）和P2口（高8位）同時(shí)輸出，ALE信號(hào)有效時(shí)由地址鎖存器鎖存低8位地址信號(hào)，地址鎖存器輸出的低8位地址信號(hào)和P2口輸出的高8位地址信號(hào)同時(shí)加到外RAM 16位地址輸入端，當(dāng)RD信號(hào)有效時(shí)，外RAM將相應(yīng)地址存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線（P0口），CPU讀入后存入指定單元。

三、單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器原理（內(nèi)RAM）

從廣義上講，8051內(nèi)RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均屬于片內(nèi)RAM空間，讀寫指令均用MOV指令。但為加以區(qū)別，內(nèi)RAM通常指00H～7FH的低128B空間。

8051內(nèi)RAM又可分成三個(gè)物理空間：工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

作用：

有專用于工作寄存器操作的指令，讀寫速度比一般內(nèi)RAM要快，指令字節(jié)比一般直接尋址指令要短，還具有間址功能，能給編程和應(yīng)用帶來方便。

工作寄存器區(qū)分為4個(gè)區(qū)：0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)。每區(qū)有8個(gè)寄存器：R0～R7，寄存器名稱相同。但是，當(dāng)前工作的寄存器區(qū)只能有一個(gè)，由PSW中的D4、D3位決定。

⒉ 位尋址區(qū)

⑴地址：

從20H～2FH共16字節(jié)（Byte，縮寫為英文大寫字母B）。每B有8位（bit，縮寫為小寫b），共128位，每一位均有一個(gè)位地址，可位尋址、位操作。即按位地址對(duì)該位進(jìn)行置1、清0、求反或判轉(zhuǎn)。

⑵用途：

存放各種標(biāo)志位信息和位數(shù)據(jù)。

⑶注意事項(xiàng)：

位地址與字節(jié)地址編址相同，容易混淆。

區(qū)分方法：位操作指令中的地址是位地址;

字節(jié)操作指令中的地址是字節(jié)地址。

位尋址區(qū)的位地址映象表

⒊ 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

內(nèi)RAM中30H～7FH為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于存放各種數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，起到數(shù)據(jù)緩沖的作用。

四、特殊功能寄存器（SFR）

特殊功能寄存器地址映象表（一）

特殊功能寄存器地址映象表（二）

特殊功能寄存器地址映象表（三）

⑶ 程序狀態(tài)字寄存器PSW

PSW也稱為標(biāo)志寄存器，了解這個(gè)對(duì)于了解單片機(jī)原理非常的重要，存放各有關(guān)標(biāo)志。其結(jié)構(gòu)和定義如下：

① Cy — 進(jìn)位標(biāo)志。

用于表示Acc.7有否向更高位進(jìn)位。

② AC — 輔助進(jìn)位標(biāo)志。

用于表示Acc.3有否向Acc.4進(jìn)位。

③ RS1、RS0 — 工作寄存器區(qū)選擇控制位。

RS1、RS0 = 00 —— 0區(qū)（00H～07H）

RS1、RS0 = 01 —— 1區(qū)（08H～0FH）

RS1、RS0 = 10 —— 2區(qū)（10H～17H）

RS1、RS0 = 11 —— 3區(qū)（18H～1FH）

④ OV — 溢出標(biāo)志。

表示Acc在有符號(hào)數(shù)算術(shù)運(yùn)算中的溢出。

⑤ P — 奇偶標(biāo)志。 表示Acc中“1”的個(gè)數(shù)的奇偶性。

⑥ F0 、F1 — 用戶標(biāo)志。

⑷ 數(shù)據(jù)指針DPTR

16位，由兩個(gè)8位寄存器DPH、DPL組成。主要用于存放一個(gè)16位地址，作為訪問外部存儲(chǔ)器（外RAM和ROM）的地址指針。

⑸ 堆棧指針SP

專用于指出堆棧頂部數(shù)據(jù)的地址。

§2-3 I/O端口結(jié)構(gòu)及工作原理

※ 有4個(gè)8位并行I/O口，共32條端線：

P0、P1、P2和P3口。

每一個(gè)I/O口都能用作輸入或輸出。

※ 用作輸入時(shí)，均須先寫入“1”；

用作輸出時(shí)，P0口應(yīng)外接上拉電阻。

※ P0口的負(fù)載能力為8個(gè)LSTTL門電路；

P1～P3口的負(fù)載能力為4個(gè)LSTTL門電路。

※ 在并行擴(kuò)展外存儲(chǔ)器或I/O口情況下，

P0口用于低8位地址總線和數(shù)據(jù)總線（分時(shí)傳送）

P2口用于高8位地址總線，

P3口常用于第二功能，

用戶能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能

的部分P3口端線。

§2-4 時(shí)鐘和時(shí)序原理

一、時(shí)鐘電路

二、時(shí)鐘周期和機(jī)器周期

⑴ 時(shí)鐘周期。

80C51振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖頻率的倒數(shù)，是最基本最小的定時(shí)信號(hào)。

⑵ 機(jī)器周期。

80C51單片機(jī)工作的基本定時(shí)單位，簡(jiǎn)稱機(jī)周。

§2-5 復(fù)位和低功耗工作方式

80C51單片機(jī)的工作方式共有四種：

⑴ 復(fù)位方式；

⑵ 程序執(zhí)行方式；

⑶ 低功耗方式；

⑷ 片內(nèi)ROM編程（包括校驗(yàn)）方式。

一、復(fù)位方式

⒈ 復(fù)位條件

RST引腳保持2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平。

⒉ 復(fù)位電路

⒊ 復(fù)位后CPU狀態(tài)

PC： 0000H TMOD： 00H

Acc： 00H TCON： 00H

B： 00H TH0： 00H

PSW： 00H TL0： 00H

SP： 07H TH1： 00H

DPTR：0000H TL1： 00H

P0～P3：FFH SCON： 00H

IP：×××00000B SBUF： 不定

IE：0××00000B PCON： 0×××0000B

二、低功耗工作方式

⑴ 待機(jī)（休閑）方式（Idle）

⑵ 掉電保護(hù)方式（Power Down）。

兩種低功耗工作方式由電源控制寄存器PCON確定。

其中：

SMOD：波特率倍增位（在串行通信中使用）

GF1、GF0：通用標(biāo)志位

PD：掉電方式控制位，

PD=1，進(jìn)入掉電工作方式；

IDL：待機(jī)（休閑）方式控制位，

IDL=1，進(jìn)入待機(jī)工作方式。

（1） 待機(jī)（休閑）方式

（2） 待機(jī)（休閑）狀態(tài)進(jìn)入

只要使PCON中IDL位置1。

⑶ 待機(jī)（休閑）狀態(tài)退出

①產(chǎn)生中斷；

②復(fù)位。

⒉ 掉電保護(hù)方式

⑴ 掉電保護(hù)方式狀態(tài)

●片內(nèi)振蕩器停振，所有功能部件停止工作；

●片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)信息保存不變；

● ALE、PSEN為低電平；

● Vcc可降至2V，但不能真正掉電。

⑵ 掉電保護(hù)狀態(tài)進(jìn)入

只要使PCON中PD位置1。

⑶ 掉電保護(hù)狀態(tài)退出

唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)不變，特殊功能寄存器內(nèi)容按復(fù)位狀態(tài)初始化。

工業(yè)種常用的PLC實(shí)際就是單片機(jī)系統(tǒng)，一般在家用電器（比如微波爐洗衣機(jī)彩電等），手機(jī)等 ，都是單片機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)然有8，16，和32位之分了。單片機(jī)叫“中介機(jī)”嗎？這種說法準(zhǔn)確嗎？單片因?yàn)橘Y源有限，自身沒有開發(fā)能力，必須借助開發(fā)工具來開發(fā)應(yīng)用它，以上是單片機(jī)原理的基礎(chǔ)介紹，這個(gè)東西還是需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)才能真正的理解，學(xué)好