第一章-单片机硬件基础.doc

第一章 单片机系统硬件基础单片机硬件基础是学习单片机系统设计和软件开发的基础知识。本章内容包括单片机基本概念、单片机内部各个部件作用、单片机最小系统的组成、以及单片机的工作模式。1.1单片机基本原理本小节以理论叙述为主，通过叙述、举例介绍单片机的基本概念、单片机系统基本原理以及常用单片机的内部资源。学习任务：1了解单片机的基本感念和应用；2掌握单片机DIP40封装引脚和应用。1.1.1 单片机基本概念 一、单片机的定义日常生活中使用PC机是一种微型的计算机系统，内部结构主要由CPU、内存、内部功能单元和I/O接口电路等部分组成，每一部分至少需要一片集成电路，各个部件通过主板连接才能组成计算机的主机，如图1-1-1所示。图1-1-1 微型计算机系统组成示意图单片机是单片微型计算机（Monolithic Microcomputer或Single Chip Microcomputer）的简称，是一种集成在一个芯片上的微型计算机系统。它是微型计算机的一个分支，它与计算机系统的主要区别在于其结构、组成以及应用领域不同。首先它把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、基本输入/输出（Input/Output）接口电路、定时/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等部件都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机硬件。单片机内部结构示意图如图1-1-2所示。单片机在早期的自动化生产控制领域中应用得十分广泛，因此单片机也称为微控制器（Microcontroller Unit），简称MCU。图1-1-2 单片机内部结构示意图二、 单片机系列出现较早也是最成熟的单片机为Intel公司的MCS-51系列，如Intel8031、Intel8051、Intel 8751等型号，该单片机的字长为8位，具有完善的结构和优越的性能，以及较高的性价比和要求较低的开发环境，因此，后来很多厂商或公司沿用或参考了Intel公司的MCS-51内核，相继开发出了自己的单片机产品，如PHILIPS、Dallas、ATMEL等公司，并增加和扩展了单片机的很多功能。单片机型号很多，但采用MCS-51内核的单片机常简称为51单片机。目前市场流行的8位单片机多为ATMEL公司的AT89系列、国内品牌STC系列等。STC单片机为增强51系列，支持串口在线下载（ISP）、内部看门狗和内部E2PROM在应用编程(IAP)，个别型号内部设计有A/D转换器，由于STC单片机功能强且价格低，市场容易购置，实验和研发成本较低，因此本书案例多以STC单片机介绍。三、单片机应用单片机的运行与计算机一样，也需要必要的硬件和软件。程序是单片机系统的软件，通过程序下载到单片机内部ROM中，既可以让单片机运行，从而实现微型计算机的基本功能。虽然单片机不能加载复杂的操作系统，但单片机是一种程序简单芯片化的计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达到最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。在实际应用中，通常很难将单片机直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件以及软件，才能构成一个单片机应用系统。图1-1-3是一个由单片机设计的校园自动打铃定时器系统原理。图1-1-3 校园自动打铃定时器单片机是一种芯片级计算机系统，具有数据运算和处理的能力，它可以嵌入到很多电子设备的电路系统中，实现智能化检测和控制。单片机应用领域非常广泛，主要集中在以下几个方面：（1）自动控制工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。单片机结合不同类型的传感器，可实现电信号、湿度、温度、流量、压力、速度和位移等物理量的测量。在测控系统、工业生产机器人的过程控制、医疗、机电一体化设备和仪器仪表中有着广泛的应用。（2）家用电器单片机系统具有体积小、功耗低、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，在家用电器方面也有着广泛应用。单片机系统能够完成电子系统的输入和自动操作，非常适合于对家用电器的智能控制。嵌入单片机的家用电器实现了智能化，是传统型家用电器的更新换代，现已广泛应用于全自动洗衣机、空调、电视机、微波炉、电冰箱以及各种视听设备中。（3）其它领域智能化的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视各种仪表等装置中都离不开单片机。单片机在机器人、汽车、航空航天、军事等领域也有广泛的应用。1.1.2 单片机的外部引脚 一、 单片机外部引脚和逻辑符号 常用的AT89C51/52、STC89C51单片机都采用DIPO40封装。图1-3-1（a）为DIP40单片机封装外形引脚的分布，图1-4-1（b）脚单片机的电路符号。40个引脚按功能分为4个部分，即电源引脚（Vcc和Vss）、时钟引脚（XTAL1和XTAL2）、控制信号引脚（RST、和ALE）以及I/O口引脚（P0P3）。 （a）单片机40引脚分布 （b）40引脚单片机电路符号（c）实物外形图1-1-4 51系列单片机的引脚分布图二、电源引脚40脚Vcc为单片机电源正极引脚，20脚Vss为单片机的接地引脚。在正常工作情况下，Vcc接5V电源，为了保证单片机运行的可靠性和稳定性，电源电压误差不超过0.5V。在移动的单片机系统中，可以用4节镍镉电池或镍氢电池直接供电，实验情况下也可以用三节普通电池或计算机的USB总线接口电源供电，在嵌入式的单片机系统中，采用集成稳压器7805提供电源。图1-4-2为简单的的单片机集成稳压电源，为了提高电路的抗干扰能力，电源正极与地之间接有0.1F独立电容。图1-1-5单片机集成稳压电源三、控制信号引脚9脚RST/VPD为复位/备用电源引脚。此引脚上外加两个机器周期的高电平就使单片机复位（Reset）。单片机正常工作时，此引脚应为低电平。在单片机掉电期间，此引脚可接备用电源（5V）。在系统工作的过程中，如果Vcc低于规定的电压值，VPD就向片内RAM提供电源，以保持RAM内的信息不丢失。30脚为锁存信号输出/编程引脚，在扩展了外部存储器的单片机系统中，单片机访问外部存储器时，ALE用于锁存低8位的地址信号。如果系统没有扩展外部存储器，ALE端输出周期性的脉冲信号，频率为时钟振荡频率的1/6，可用于对外输出的时钟。对于EPROM型单片机，此引脚用于输入编程脉冲。29脚脚为输出访问片外程序存储器的读选通信号引脚。在CPU从外部程序存储器取指令期间，该信号每个机器周期两次有效。在访问片外数据存储器期间，这两次信号将不出现。31脚用于区分片内外低4KB范围存储器空间。该引脚接高电平时，CPU访问片内程序存储器4KB的地址范围。若PC值超过4KB的地址范围，CPU将自动转向访问片外程序存储器；当此引脚接低电平时，则只访问片外程序存储器，忽略片内程序存储器。8031单片机没有片内程序存储器，此引脚必须接地。对于EPROM型单片机，在编程期间，此引脚用于加较高的编程电压Vpp，一般为12V。1.3.4 单片机的I/O端口引脚单片机的I/O口是用来输入和控制输出的端口，DIP40封装的51单片机共有P0、P1、P2、P3四组端口，分别与单片机内部P0、P1、P2、P3四个寄存器对应，每组端口有8位，因此DIP40封装的51单片机共有32个I/O端口。P0口分别占用3239脚，依次命名为P0.0P0.7。P0口是漏极开路型双向I/O口。在访问片外存储器时，P0口分时作为低8位地址线和8位双向数据总线用，此时不需外接上拉电阻。如果将P0口作为通用的I/O口使用，则要求外接上拉电阻或排阻，每位以吸收电流的方式驱动8个LSTTL门电路或其他负载。P0口中任意一位电路原理如图1-4-3所示。图1-1-6 P0口中一位的结构P1口占用18脚，分别是P1.0P1.7，P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，每位能驱动4个LSTTL门负载。这种接口没有高阻状态，输入不能锁存，因而不是真正的双向I/O口。P2口的8个引脚占用2128脚，分别是P2.0P2.7。P2口也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，P2口输出高8位地址，每位也可以驱动4个LSTTL负载。P3口的8个引脚占用1017脚，分别是P3.0P3.7。P3是双功能端口，作为普通I/O口使用时，同P1、P2口一样，作为第二功能使用时，引脚定义见表1-4-1。P3口引脚具有的第二功能，能使硬件资源得到充分利用。表1-1-1 P3口的第二功能表I/O口线第二功能定义功能说明P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2外部中断0输入端P3.3INT1外部中断1输入端P3.4T0T0外部计数脉冲输入端P3.5T1T1外部计数脉冲输入端P3.6WR外部RAM写选通脉冲输出端P3.7RD外部RAM读选通脉冲输出端四、时钟引脚单片机有两个时钟引脚，分别是19脚XTAL1和18脚XTAL2，用于提供单片机的工作时钟信号。单片机是一个复杂的数字系统，内部CPU以及时序逻辑电路都需要时钟脉冲，所以单片机需要有精确的时钟信号。单片机内部含有振荡电路，19脚和18脚用来外接石英晶体和微调电容。在使用外部时钟时，XTAL2则用来输入时钟脉冲。见图1-4-4所示，其中图1-4-4（a）为晶体振荡电路， （b）为外部时钟输入电路。利用外部时钟输入时，要根据单片机型号XTAL1接地或悬空，并考虑时钟电平的兼容性。（a）晶体振荡电路 （b）外部时钟输入电路图1-1-7 单片机时钟电路掌握单片机系统的结构组成是设计单片机应用系统的基础，只有对单片机的硬件组成有一个全面的了解，才能更好地去应用单片机系统所提供的硬件资源，设计出性价比较高的实际应用系统。1.2 单片机内部主要部件单片机内部电路比较复杂，MCS-51系列的8051型号单片机的内部电路根据功能可以分为CPU、RAM、ROM/EPROM、并行口、串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）等8个主要部件，如图1-2-1所示。这些部件通过片内的单一总线相连，采用CPU加外围芯片的结构模式，各个功能单元都采用特殊功能寄存器集中控制的方式。其他公司的51系列单片机与8051结构类似，只是根据用户需要增加了特殊的部件，如A/D转换器等。在设计程序过程中，寄存器的使用非常频繁。本节内容在了解单片机内部的组成机构基础上，重点介绍单片机内部常用的寄存器的作用。图1-2-1 MCS-51架构 1.2.1中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，主要功能是产生各种控制信号，根据程序中每一条指令的具体功能，控制寄存器和输入/输出端口的数据传送，进行数据的算术运算、逻辑运算以及位操作等处理。MCS-51系列单片机的CPU字长是8位，能处理8位二进制数或代码，也可处理一位二进制数据。单片机的CPU从功能上一般可以分为运算器和控制器两部分。一、控制器控制器由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。其功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过定时电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的功能。各部分功能部件简述如下。（1）程序计数器PC（Program Counter）程序计数器是一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址，具有自动加1的功能。当CPU要取指令时，PC的内容送地址总线上，从存储器中去取出一个指令码后，PC内容自动加1，指向下一个指令码，以保证程序按顺序执行。PC是用来指示程序的执行位置，在顺序执行程序时，单片机每执行一条指令，PC就自动加1，以指示出下一条要取的指令的存储单元的16位地址。也就是说，CPU总是把PC的内容作为地址，根据该地址从存储器中取出指令码或包含在指令中的操作数。因此，每当取完一个字节后，PC的内容自动加1，为取下一个字节做好准备。由于51系列单片机的寻址范围为64K，所以，PC中数据的编码范围为0000HFFFFH，共64K。单片机上电或复位时，PC自动清0，即装入地址0000H，这就保证了单片机上电或复位后，程序从0000H地址开始执行。（2）指令寄存器IR（Instruction Register）指令寄存器是一个8位寄存器用于暂存待执行的指令，等待译码。（3）暂存器TMP用于暂存进入运算器之前的数据。（4）指令译码器ID（Instruction Decoder）指令译码器是对指令寄存器中的指令进行译码，将指令变为执行此指令所需要的电信号。根据译码器的输出信号，再经定时电路定时产生执行该指令所需要的各种控制信号。（5）数据指针DPTR（Data Pointer）数据指针是一个16位的专用地址指针寄存器，主要用来存放16位地址，作间址寄存器，访问片外64K字节的数据存储器和I/O端口及程序存储器。由两个独立的特殊功能寄存器组成，分别为DPH（高8位）和DPL（低8位），占据83H和82H两个地址。DPTR与PC不同，DPTR有自己的地址，可以进行读写操作，而PC没有地址，不能对它进行读写操作，但可以通过转移、调用、返回编程操作改变其内容，从而实现程序的转移。二、运算器运算器主要进行算术和逻辑运算。运算器由算术逻辑单元ALU、累加器ACC、程序状态字PSW、BCD码运算电路、通用寄存器B和一些专用寄存器及位处理逻辑电路等组成。（1）算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）ALU由加法器和其他逻辑电路等组成，完成数据的算术逻辑运算、循环移位、位操作等，参加运算的两个操作数，一个由A通过暂存器2提供，另外一个由暂存器1提供，运算结果送回A，状态送PSW。（2）累加器ACC（Accumulator）累加器是一个8位特殊功能寄存器，简称A，通过暂存器与ALU传送信息，用来存放一个操作数或中间结果。（3）程序状态字PSW（Program Status Word）PSW也是一个8位的特殊功能寄存器，用于存储程序运行过程中的各种状态信息。（4）其他部件暂存器用来存放中间结果，B寄存器用于乘法和除法时，提供一个操作数，对于其他指令，只用作暂存器。（5）位处理器单片机能处理布尔操作数，能对位地址空间中的位直接寻址，进行清零、取反等操作，这种功能提供了把逻辑式（随机组合逻辑）直接变为软件的简单明了的方法，不需要过多的数据传送、字节屏蔽和测试分支，就能实现复杂的组合逻辑功能。位处理器是单片机的一个特殊组成部分，具有相应的指令系统，可提供17条位操作指令。硬件上有自己的“累加器”和自己的位寻址RAM、I/O口空间，是一个独立的位处理器，位处理器和8位处理器形成完美的组合。1.2.2存储器单片机内部包含随机存取存储器RAM和程序存储器ROM，RAM用于保存单片机运行的中间数据； 单片机的ROM不只是用来装载程序，增强51系列也可以在单片机运行过程中利用程序把数据存贮在ROM的部分空间内。51系列单片机在系统结构上采用哈佛结构（Harvard architecture），即程序存储器和数据存储器的寻址空间是分开管理的。它共有4个物理上独立的存储器空间，即内部和外部程序存储器及内部和外部数据存储器。从用户的角度看，单片机的存储器逻辑上分为三个存储空间，见图1-2-2所示，即统一编址的64KB的程序存储器地址空间（包括片内ROM和外部扩展ROM），地址从0000HFFFFH；256B的片内数据存储地址空间（包括128B的片内RAM和特殊功能寄存器的地址空间）；64KB的外部扩展的数据存储器地址空间。图中是单片机的程序扩展控制引脚。一、单片机的RAM51单片机芯片中共有256个字节的RAM单元，但其中128个字节被专用寄存器占用，能作为存储单元供用户使用的只是前128B，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128B，简称片内RAM。在程序比较复杂，且运算变量较多而导致51内部RAM不够用时，可根据实际需要在片外扩展，最多可扩展64KB，但在实际应用中如需要大容量RAM时，往往会利用增强型的51单片机而不再扩展片外RAM。增强型的51系列单片机如52和58子系列分别有256 B和512B的RAM。图1-2-2 51单片机的存储器空间分布51单片机片内128B RAM根据功能又划分为工作寄存器区（地址00H1FH），位寻址区（地址20H2FH），一般RAM区（地址30H7FH）和堆栈区（地址2FH以后），其中位寻址区共16字节128个单元。51单片机共有21个特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR），它是片内RAM的一部分。特殊功能寄存器用于对片内各功能模块进行监控和管理，是一些控制寄存器和状态寄存器，与片内RAM单元统一编址。二、内部程序存储器（内部ROM）51单片机共有4 KB的ROM，单片机的生产商不同，内部程序存储器可以是EEPROM或Flash ROM。可根据实际需要在片外扩展，最多可扩展64KB。增强型的51单片机内部ROM空间可以达到64KB，在使用时不须再扩展片外ROM。数据存储器、程序存储器以及位地址空间的地址有一部分是重叠的，但在具体寻址时，可由不同的指令格式和相应的控制信号来区分不同的地址空间，因此不会造成冲突。1.2.3 单片机的其它部件51单片机还有定时器/计数器，并行I/O口，串行口，中断系统，时钟电路等部件。51单片机有两个16位的定时/计数器，具有4种工作方式，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对系统进行控制；51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3口），表现在单片机外部共有32条引脚，内部与寄存器连接，以实现数据的并行输入/输出。51单片机有一个全双工的串行口，具有4种工作方式，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。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。为满足控制应用的需要，51单片机的中断功能较强。51单片机共有5个中断源，即外部中断两个，定时/计数中断两个，串行口中断一个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。51单片机芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接，系统常用的晶振频率一般为6 MHz或12 MHz。从上面的介绍可以看出，51系列单片机虽然只是一个芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包含，实际上单片机就是一个基本的微型计算机系统。增强型51系列与51系列单片机完全兼容，但内部资源在51基础上有所增加，如52子系列片内ROM从4 KB增加到8 KB，片内RAM从128 B增加到256 B，定时/计数器从2个增加到3个，中断源从5个增加到6个，功能的增强大大拓展了8位单片机的应用空间。 STC8951RC系列为增强51系列单片机，表1-2-1给出了STC89系列常用的几种单片机内部资源，由于此类型单片机支持串口在线下载，并且有低功耗、速度快、稳定可靠性、价格低等优点，因此本书实例将重点以STC8951为例说明。表1-2-1 STC89系列单片机内部资源STC89系列型号FlashSRAME2PROM定时器替换型号STC89C51RC4K5122K3STC10F04XESTC89C52RC8K5122K3STC10F08XESTC89C58RD32K128016K3STC11F32XE1.2特殊功能寄存器特殊功能寄存器（Special Function Register）是通过专门规定而且具有特定用途的RAM部分，它是单片机内部很重要的部件。51系列单片机内部堆栈指针SP、累加器A、程序状态字PSW以及I/O锁存器、定时器、计数器以及控制寄存器和状态寄存器等都是特殊功能寄存器，和片内RAM统一编址，分散占用80FFH单元，共有21个，增强型的52系列单片机则有26个。特殊功能寄存器是单片机程序设计的硬件基础。表1-2-1列出了单片机的特殊功能寄存器名称、标识符和对应的字节地址，其中含有52系列的寄存器T2，T2CON等。在单片机C语言编程应用中，单片机的特殊功能寄存器标识符经常用到。控制寄存器会在单片机内部资源编程应用中详细介绍。表12-1 特殊功能寄存器特殊功能寄存器标识符字节地址并口0堆栈指针数据指针（低8位）数据指针（高8位）电源控制寄存器定时/计数器控制定时/计数器方式控制定时/计数器0（低8位）定时/计数器1（高8位）定时/计数器0（低8位）定时/计数器1（高8位）并口1串行口控制寄存器串行数据缓冲器并口2中断允许控制寄存器并口3中断优先控制寄存器定时/计数器2控制定时/计数器2自动重装载（低8位）定时/计数器2自动重装载（高8位）定时/计数器2（低8位）定时/计数器2（高8位）程序状态字累加器寄存器BP0SPDPLDPHPCONTCONTMODTL0TL1TH0TH1P1SCONSBUFP2IEP3IPT2CON（52）RCAP2L（52）RCAP2H（52）TL2（52）TH2（52）PSWACCB80H81H82H83H87H88H89H8AH8BH8CH8DH90H98H99HA0HA8HB0HB8HC8HCAHCBHCCHCDHD0HE0HF0H1.2.1 单片机内部参与运算的特殊功能寄存器一、累加器ACC/A（Accumulator）累加器A为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，功能较多，使用最为频繁。它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。51系列单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。累加器有自己的地址，因而可以进行地址操作。在C语言编程中，如果想让累加器中的内容为十进制56，简单的语句为A = 56；在汇编语言中则要用的数据传输指令，命令格式为MOV A，#56；二、B寄存器B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。乘法运算时，B提供乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中。除法运算时，B提供除数。除法操作后，余数存于B中。此外，B寄存器也可作为一般数据寄存器使用。如：在C语言中 B = 56；或 abc = B；abc为用户自定义变量。三、程序状态字PSW（Program Status Word）程序状态字是一个8位寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。其中有些位的状态是由程序执行结果决定，硬件自动设置的，而有些位的状态则使用软件方法设定。PSW的位状态可以用专门指令进行测试，也可以用程序读出。一些条件转移程序可以根据PSW特定位的状态，进行程序转移。PSW各位标示符定义格式为PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0CYACF0RS1RS0OVF1PPSW.7为进/借位标志（Carry，CY）：表示运算是否有进位或借位。其功能有二：一是存放算术运算的进/借位标志，在进行加或减运算时，如果操作结果的最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”；二是在位操作指令中，作位累加器使用。PSW.6为辅助进/借位标志位（Auxiliary Carry，AC），也半/借进位标志位。在进行加减运算中，当低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置“1”，否则AC位被清“0”。在BCD码的加法调整中也要用到AC位。PSW.5为用户标志位F0（Flag 0），是一个供用户定义的标志位，需要利用软件方法置位或复位，用以控制程序的转向。PSW.4/PSW.3为寄存器组选择位RS1/RS0（Register Selection），用于选择CPU当前使用的工作寄存器组，其对应关系如表1-3-2所示。这两个选择位的状态是由程序设置的，被选中的寄存器组即为当前寄存器组。单片机上电或复位后，RS1/RS0=00，即默认的工作寄存器组是第0组。PSW.2为溢出标志位OV（Overflow）。在带符号数的加减运算中，OV=1表示加减运算超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（128127），即产生了溢出，表示A中的数据只是运算结果的一部分；OV=0表示运算正确，即无溢出产生，表示A中的数据就是全部运算结果。在乘法运算中，OV=1表示乘积超过255，即乘积分别在B与A中；否则，OV=0，表示乘积只在A中。在除法运算中，OV=1表示除数为0，除法不能进行；否则，OV=0，除数不为0，除法可正常进行。PSW.1为用户标志位F1（Flag 1），也是一个供用户定义的标志位，与F0类似。PSW.0为奇偶标志位P（Parity），表示累加器A中“1”的个数奇偶性。如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0” ，即完全由累加器的运算结果中“1”的个数为奇数还是偶数决定。注意标志位P并非用于表示累加器A中数的奇偶性。凡是改变累加器A中内容的指令均会影响P标志位。P标志对串行通信中的数据传输有重要的意义。在串行通信中常采用奇偶校验的办法来校验数据传输的可靠性。表1-3-2 寄存器组的映射表RS1RS0寄存器组片内单元00第0组00H07H01第1组08H0FH10第2组10H17H11第3组18H1FH四、数据指针DPTR（Data Pointer）数据指针DPTR为16位寄存器。编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用，即DPTR的高位字节DPH和DPTR的低位字节DPL。在系统扩展中，DPTR作为程序存储器和片外数据存储器的地址指针，用来指示要访问的ROM和片外RAM的单元地址。由于DPTR是16位寄存器，因此，通过DPTR可寻址64KB的地址空间。五、堆栈指针SP（Stack Pointer）堆栈是一个特殊的存储区，用来暂存系统的数据或地址，它是按“先进后出”或“后进先出”的原则来存取数据的，而系统对堆栈的管理是通过8位的堆栈指针寄存器SP来是实现的，SP总是指向最新的栈顶位置。堆栈的操作分为进栈和出栈两种。由于MCS-51系列单片机的堆栈设在片内RAM中，SP是一个8位寄存器。系统复位后，SP的初值为07H，但堆栈实际上是从08H单元开始的。由于08H1FH单元分别属于工作寄存器13区，20H2FH是位寻址区，如果程序要用到这些单元，最好把SP值改为2FH或更大的值。一般在片内RAM的30H7FH单元中设置堆栈。SP的内容一经确定，堆栈的位置也就跟着确定下来。由于SP可初始化为不同值，因此堆栈的具体位置是浮动的。前面在1.2节提到的程序计数器PC是一个16位的加1计数器，其作用是控制程序的执行顺序，而其内容为将要执行指令的ROM地址，寻址范围是64KB。它并不在片内RAM的高128B内。1.2.2具有控制功能的特殊功能寄存器特殊功能寄存器能综合反映单片机系统内部的工作状态和工作方式，其中一部分作内部控制用，如定时器/计数器和串行口的控制，如果改变控制寄存器的状态就可以改变其功能，使得单片机内部硬件的控制以可编程的形式体现。不是所有的特殊功能寄存器都可以进行位的编程操作，对于没有定义位标识符或位标示符重复的寄存器，用户无法对位直接访问，如TMOD，由于其高4位和低4位标识符同名，只能采用字节操作。每一个特殊功能的寄存器都有针对性的应用，为了提高学习效率，殊功能的寄存器的作用会在以后章节的相关案例中一一说明。表1-3-3 特殊功能寄存器位标识符和位地址表特殊功能寄存器MSB位地址LSBD7D6D5D4D3D2D1D0PSWD7HD6HD5HD4HD3HD3HD2HD1HCYACF0RS1RS0OVF1PTCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TMODGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0PCONSMODGF1GF0PDIDLSCON9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRIIP/BDHBCHBBHBAHB9HB8HPT2PSPT1PX1PT0PX0IEAFHAEHADHACHABHAAHA9HA8HEA/ET2ESET1EX1ET0EX0P3B7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0HP3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0P2A7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0HP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P197H96H95H94H93H92H91H90HP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P087H86H85H84H83H82H81H80HP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0T2CONCFHCEHCDHCCHCBHCAHC9HC8HTF2EXF2RCLKTCLKEXEN2TR2C/T2CP/RL2在表2-1-2中，P0P3是和输出/输入有关的4个特殊寄存器，实际上是4个锁存器。每个锁存器加上相应的驱动器和输入缓冲器就构成一个并行口，并且为单片机外部提供32根I/O引脚，命名为P0P3口。在C语言程序设计过程中，执行指令P0 = 0xff后，单片机的P0口的8个I/O引脚上都输出高电平。在程序设计过程中，单片机的功能发挥很多情况下是设置和检测单片机内部的特殊功能寄存器来实现的，如果采用汇编设计程序，必须牢记单片机内部通用寄存器和特殊功能寄存器的地址和作用，所以要求设计者必须有更多的硬件基础。如果采用C语言设计单片机的程序，因为程序中的数据处理和分配是由编译软件自动完成的，通用寄存器的应用可以忽略，并且也不需要记住特殊功能寄存器的地址，只需要记住特殊功能的寄存器和每个特殊功能寄存器的位的标示符合作用就可以了。在单片机C语言程序设计中，对特殊功能寄存器的操作很简单，只需对某个寄存器或位标示符赋值即可。比如，PSW = PSW&0x7f 与 CY = 0结果一样，前一语句是字节操作，后一个语句是位操作。单片机C语言程序设计中常用于控制的特殊功能寄存器见表1-3-3所示，其中T2CON为增强51系列。思考题1 常用的特殊功能寄存器名有哪些？哪些可以进行位的操作？2 P0寄存器和P0端口有什么联系？3 列出单片机内部所有特殊功能寄存器的名称和标示符。1.3单片最小系统最小的单片机系统由单片机芯片外加一些分立器件组成，单片机的最小系统是单片机可以运行程序的基本电路。单片机的最小系统也是一个微型的计算机系统，复杂的单片机系统电路都是以单片机最小系统为基本电路进行扩展设计。本小节学习任务为：1.掌握单片机最小系统电路；2.了解单片机启动原理和工作原理。图1-3-1 单片机最小系统1.3.1 单片机最小系统组成单片机的组成的最小系统见图1-1-8所示，图中单片机型号采用STC8951RC，电路包括电源、振荡电路、复位电路，单片机内部有512B的RAM和4KB ROM以及输入输出接口等。一、晶体振荡电路单片机内部的高增益的反相放大器与单片机的XTAL1、XTAL2引脚外接的晶体构成一个振荡电路作为CPU的时钟脉冲。见图1-5-2所示。XTAL1为振荡电路入端，XTAL2为振荡电路输出端，同时XTAL2也作为内部时钟发生器的输入端。片内时钟发生器对振荡频率进行二分频，为控制器提供一个两相的时钟信号，产生CPU的操作时序。51单片机时钟电路的晶体常用的有6MHz，12MHz，11.0592MHz等。电容Cl和C2对频率有微调作用，电容容量的选择范围为5PF30PF。在设计印刷电路时，晶振和电容的布局紧靠单片机芯片，图1-1-9 51系列单片机的时钟电路以减少寄生电容以及干扰。 二、复位电路单片机复位能使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。复位后PC=0000H，单片机从第一个单元取指令。在实际应用中，无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以必须弄清楚51系列单片机复位的条件、复位电路和复位后状态。在单片机的RST引脚上有持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平即可让单片机进行复位操作，完成对CPU的初始化处理。如果单片机的时钟频率为12 MHz，每机器周期为1s，则只需让RST引脚保持2s以上高电平的就能复位。复位操作是单片机系统正常运行前必须进行的一个环节。但如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，无法执行用户的控制程序。（a）上电自动复位电路图 （b）手动复位电路图 1-5-3 单片机复位电路在实际应用中，复位操作通常有上电自动复位、手动复位和看门狗复位三种方式。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电自动复位电路如图1-5-3（a）图中所示。图中电容和电阻电路对5V电源构成微分电路，单片机系统上电后，单片机的REST端会得到一个时间很短暂的高电平。在实际的单片机应用系统中，也可以采用1-5-3（b）电路进行按键手动复位，图1-5-3（b）中，电容器采用电解电容，一般取4.710F；电阻取110K。单片机系统开始运行时必须先进行复位操作，如果单片机运行期间出现故障，也需要对单片机复位，使单片机状态被初始化。看门狗复位是一种程序检测自动复位方式，在增强型51单片机中，如果单片机内部设计有看门狗部件，则可采用编程方法产生复位操作。单片机复位以后，除不影响片内RAM状态外，P0P3口输出高电平，SP赋初值07H，程序计数器PC被清0。单片机内部多功能寄存器的状态都会被初始化。单片机的多功能寄存器复位状态见表1-5-1所示。表1-1-1内部寄存器复位状态表特殊寄存器复位状态特殊寄存器复位状态ACC00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSCON00HIP00HSBUF不定IE00HPCON0XXXXXXXB1.3.2节拍、机器周期和指令周51系列单片机的工作时序共有4个，从小到大依次是节拍、状态、机器周期和指令周期。一、节拍与状态晶体振荡信号的一个周期称为节拍，用P表示，振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟周期，其定义为状态，用S表示。 这样，一个状态就包含两个节拍，前半周期对应的节拍叫节拍1，记作P1，后半周期对应的节拍叫节拍2，记作P2，见图1-5-4所示。CPU以时钟P1、P2为基本节拍，指挥单片机的各个部分协调工作。图1-5-4 51系列单片机的指令时序图二、机器周期51系列单片机采用定时控制方式，具有固定的机器周期。一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2、S6P2。实际上一个机器周期有12个振荡脉冲周期， 因此机器周期就是振荡脉冲信号的十二分频。当外接的晶体振荡脉冲频率为12 MHz时，一个机器周期为1s；当振荡脉冲频率为6 MHz时，一个机器周期为2s。三、指令周期单片机执行一条指令所需要的时间称为指令周期。指令周期是单片机最大的工作时序单位，不同的指令所需要的机器周期数也不相同。如果单片机执行一条指令占用一个机器周期，则这条指令为单周期指令，如简单的数据传输指令；如果执行一条指令需要两个机器周期，称为双周期指令，如乘法运算指令。单片机的运算速度与程序执行所需的指令周期有关，占用机器周期数越少的指令则单片机运行速度越快。在51系列单片机的111条汇编指令中，共有单周期指令、双周期指令和四周期指令三种。四周期指令只有乘法和除法指令两条，其余均为单周期和双周期指令。单片机执行单周期的时序见图1-5-4（a）和（b）所示，其中（a）为单字节单周期指令，（b）为双字节单周期指令。单字节和双字节指令都在S1P1期间由CPU读取指令，将指令码读入指令寄存器，同时程序计数器PC加一。在S4P2期间，单字节指令读取的下一条指令会丢弃不用，但程序计数