單片機的組成

????單片機要自動完成計算，它應(yīng)該具有哪些最重要的部分呢？

　　我們以打算盤為例計算一道算術(shù)題。例：36＋163×156－166÷34。現(xiàn)在要進行運算，首先需要一把算盤，其次是紙和筆。我們把要計算的問題記錄下來，然后第一步先算163×156，把它與36相加的結(jié)果記在紙上，然后計算166÷34，再把它從上一次結(jié)果中減去，就得到最后的結(jié)果。

　　現(xiàn)在，我們用單片機來完成上述過程，顯然，它首先要有代替算盤進行運算的部件，這就是“運算器”；其次，要有能起到紙和筆作用的器件，即能記憶原始題目、原始數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，還要記住使單片機能自動進行運算而編制的各種命令。這類器件就稱為“存貯器”。此外，還需要有能代替人作用的控制器，它能根據(jù)事先給定的命令發(fā)出各種控制信號，使整個計算過程能一步步地進行。但是光有這三部分還不夠，原始的數(shù)據(jù)與命令要輸入，計算的結(jié)果要輸出，都需要按先后順序進行，有時還需等待。

　　如上例中，當在計算163×156時，數(shù)字36就不能同時進入運算器。因此就需要在單片機上設(shè)置按控制器的命令進行動作的“門”，當運算器需要時，就讓新數(shù)據(jù)進入。或者，當運算器得到最后結(jié)果時，再將此結(jié)果輸出，而中間結(jié)果不能隨便“溜出”單片機。這種對輸入、輸出數(shù)據(jù)進行一定管理的“門”電路在單片機中稱為“口”（Port）。在單片機中，基本上有三類信息在流動，一類是數(shù)據(jù)，即各種原始數(shù)據(jù)（如上例中的36、163等）、中間結(jié)果（如166÷34所得的商4、余數(shù)30等）、程序（命令的集合）等。這樣要由外部設(shè)備通過“口”進入單片機，再存放在存貯器中，在運算處理過程中，數(shù)據(jù)從存貯器讀入運算器進行運算，運算的中間結(jié)果要存入存貯器中，或最后由運算器經(jīng)“出入口”輸出。

　　用戶要單片機執(zhí)行的各種命令（程序）也以數(shù)據(jù)的形式由存貯器送入控制器，由控制器解讀（譯碼）后變?yōu)楦鞣N控制信號，以便執(zhí)行如加、減、乘、除等功能的各種命令。所以，這一類信息就稱為控制命令，即由控制器去控制運算器一步步地進行運算和處理，又控制存貯器的讀（取出數(shù)據(jù)）和寫（存入數(shù)據(jù)）等。第三類信息是地址信息，其作用是告訴運算器和控制器在何處去取命令取數(shù)據(jù)，將結(jié)果存放到什么地方，通過哪個口輸入和輸出信息等。

　　存貯器又分為只讀存貯器和讀寫存貯器兩種，前者存放調(diào)試好的固定程序和常數(shù)，后者存放一些隨時有可能變動的數(shù)據(jù)。顧名思義，只讀存貯器一旦將數(shù)據(jù)存入，就只能讀出，不能更改（EPROM、E2PROM等類型的ROM可通過一定的方法來更改、寫入數(shù)據(jù)——編者注）。而讀寫存貯器可隨時存入或讀出數(shù)據(jù)。

　　實際上，人們往往把運算器和控制器合并稱為中央處理單元——CPU。單片機除了進行運算外，還要完成控制功能。所以離不開計數(shù)和定時。因此，在單片機中就設(shè)置有定時器兼計數(shù)器，其基本結(jié)構(gòu)與本連載之（二）中的舉例類似。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機的基本組成，即單片機是由中央處理器（即CPU中的運算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為ROM）、讀寫存貯器（又稱隨機存貯器通常表示為RAM）、輸入/輸出口（又分為并行口和串行口，表示為I/O口）等等組成。實際上單片機里面還有一個時鐘電路，使單片機在進行運算和控制時，都能有節(jié)奏地進行。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個系統(tǒng)有“傳達室”的作用，當單片機控制對象的參數(shù)到達某個需要加以干預(yù)的狀態(tài)時，就可經(jīng)此“傳達室”通報給CPU，使CPU根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來采取適當?shù)膽?yīng)付措施。

　　現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了單片機的組成，余下的問題是如何將它們的各部分連接成相互關(guān)聯(lián)的整體呢？實際上，單片機內(nèi)部有一條將它們連接起來的“紐帶”，即所謂的“內(nèi)部總線”。此總線有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁，并和它連通。從而，一切指令、數(shù)據(jù)都可經(jīng)內(nèi)部總線傳送，有如大城市內(nèi)各種物品的傳送都經(jīng)過干道進行。　

單片機指令系統(tǒng)與匯編語言程序

　　前面已經(jīng)講述了單片機的幾個主要組成部分，這些部分構(gòu)成了單片機的硬件。所謂硬件（Hardware），就是看得到，摸得到的實體。但是，光有這樣的硬件，還只是有了實現(xiàn)計算和控制功能的可能性。單片機要真正地能進行計算和控制，還必須有軟件（Software）的配合。軟件主要指的是各種程序。只有將各種正確的程序“灌入”（存入）單片機，它才能有效地工作。單片機所以能自動地進行運算和控制，正是由于人把實現(xiàn)計算和控制的步驟一步步地用命令的形式，即一條條指令（Instruction）預(yù)先存入到存貯器中，單片機在CPU的控制下，將指令一條條地取出來，并加以翻譯和執(zhí)行。就以兩個數(shù)相加這一簡單的運算來說，當需要運算的數(shù)已存入存貯器后，還需要進行以下幾步：

　　第一步：把第一個數(shù)從它的存貯單元（Location）中取出來，送至運算器。　　 第二步：把第二個數(shù)從它所在的存貯單元中取出來，送至運算器； 第三步：相加； 第四步：把相加完的結(jié)果，送至存貯器中指定的單元。

　　所有這些取數(shù)、送數(shù)、相加、存數(shù)等等都是一種操作（Operation），我們把要求計算機執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫下來，這就是指令。但是怎樣才能辨別和執(zhí)行這些操作呢？這是在設(shè)計單片機時由設(shè)計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的。一條指令，對應(yīng)著一種基本操作；單片機所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機的指令系統(tǒng)（Iustruction Set），不同種類的單片機，其指令系統(tǒng)亦不同。

　　使用單片機時，事先應(yīng)當把要解決的問題編成一系列指令。這些指令必須是選定的單片機能識別和執(zhí)行的指令。單片機用戶為解決自己的問題所編的指令程序，稱為源程序（Source Program）。指令通常分為操作碼（Opcode）和操作數(shù)（Operand）兩大部分。操作碼表示計算機執(zhí)行什么操作，即指令的功能；操作數(shù)表示參加操作的數(shù)或操作數(shù)所在的地址（即操作數(shù)所存放的地方編號）。因為單片機是一種可編程器件，只“認得”二進碼（0、1）。要單片機運作，單片機系統(tǒng)中的所有指令，都必須以二進制編碼的形式來表示。例如，在Intel公司的MCS－51系列單片機中，從存貯器中取出一數(shù)到CPU中的累加器（在運算器中，參與運算、存放運算結(jié)果的專用寄存器）的指令代碼為74H，累加器內(nèi)容加立即數(shù)的代碼為24H，再加上立即數(shù)代碼，累加器送數(shù)到內(nèi)部RAM存貯器的代碼為F6H～F7H等。這些指令是用十六進制表示二進制的機器碼。

　　MCS－51單片機的字長為8位，有時，要完成某些操作用一個字節(jié)尚不能充分表達。所以，在指令系統(tǒng)中有單字節(jié)指令，也有多字節(jié)指令。機器碼是由一連串的0和1組成，沒有明顯的特征，不好記憶，不易理解，易出錯。所以，直接用它來編寫程序十分困難。因而，人們就用一些助記符（Mue monic）——通常是指令功能的英文縮寫來代替操作碼，如MCS－51中數(shù)的傳送常用MOV（Move的縮寫）、加法用Add(Addition的縮寫）來作為助記符。這樣，每條指令有明顯的動作特征，易于記憶和理解，也不容易出錯。用助記符來編寫的程序稱為匯編語言程序。但是，助記符編寫的程序便于人理解，可單片機卻只認識二進制機器代碼，因此，為了讓單片機能“讀懂”匯編語言程序必須再轉(zhuǎn)換成由二進制機器碼構(gòu)成的程序，這種轉(zhuǎn)換過程，就稱為“匯編”。匯編可借助于人工查表法來實現(xiàn)，也可借助PC機通過所謂“交叉匯編程序”來完成。由機器碼構(gòu)成的用戶程序一旦“進入”了單片機，再“啟動”單片機，就可讓它執(zhí)行輸入程序所規(guī)定的任務(wù)。

MCU--51 CPU和存儲器

單片機8051的CPU由運算器和控制器組成。

　　一、運算器　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　

????運算器以完成二進制的算術(shù)/邏輯運算部件ALU為核心，再加上暫存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)標志寄存器PSW及布爾處理器。累加器ACC是一個八位寄存器，它是CPU中工作最頻繁的寄存器。在進行算術(shù)、邏輯運算時，累加器ACC往往在運算前暫存一個操作數(shù)（如被加數(shù)），而運算后又保存其結(jié)果（如代數(shù)和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。標志寄存器PSW也是一個八位寄存器，用來存放運算結(jié)果的一些特征，如有無進位、借位等。其每位的具體含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV － P對用戶來講，最關(guān)心的是以下四位。

　 1?進位標志CY（PSW?7）。它表示了運算是否有進位（或借位）。如果操作結(jié)果在最高位有進位（加法）或者借位（減法），則該位為1，否則為0。

　 2?輔助進位標志AC。又稱半進位標志，它反映了兩個八位數(shù)運算低四位是否有半進位，即低四位相加（或減）有否進位（或借位），如有則AC為1狀態(tài)，否則為0。

　 3?溢出標志位OV。MCS－51反映帶符號數(shù)的運算結(jié)果是否有溢出，有溢出時，此位為1，否則為0。

　 4?奇偶標志P。反映累加器ACC內(nèi)容的奇偶性，如果ACC中的運算結(jié)果有偶數(shù)個1（如11001100B，其中有4個1），則P為0，否則，P=1。
PSW的其它位，將在以后再介紹。由于PSW存放程序執(zhí)行中的狀態(tài)，故又叫程序狀態(tài)字?運算器中還有一個按位（bit）進行邏輯運算的邏輯處理機（又稱布爾處理機）。其功能在介紹位指令時再說明。

二、控制器

　　控制器是CPU的神經(jīng)中樞，它包括定時控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、地址指針DPTR及程序計數(shù)器PC、堆棧指針SP等。這里程序計數(shù)器PC是由16位寄存器構(gòu)成的計數(shù)器。要單片機執(zhí)行一個程序，就必須把該程序按順序預(yù)先裝入存儲器ROM的某個區(qū)域。單片機動作時應(yīng)按順序一條條取出指令來加以執(zhí)行。因此，必須有一個電路能找出指令所在的單元地址，該電路就是程序計數(shù)器PC。當單片機開始執(zhí)行程序時，給PC裝入第一條指令所在地址，它每取出一條指令（如為多字節(jié)指令，則每取出一個指令字節(jié)），PC的內(nèi)容就自動加1，以指向下一條指令的地址，使指令能順序執(zhí)行。只有當程序遇到轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用指令，或遇到中斷時（后面將介紹），PC才轉(zhuǎn)到所需要的地方去。8051 CPU碢C指定的地址，從ROM相應(yīng)單元中取出指令字節(jié)放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號，這些信號與單片機時鐘振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖在定時與控制電路中相結(jié)合，形成按一定時間節(jié)拍變化的電平和時鐘，即所謂控制信息，在CPU內(nèi)部協(xié)調(diào)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸、運算等操作。

三、存儲器

　　存儲器是單片機的又一個重要組成部分，圖6給出了一種存儲容量為256個單元的存儲器結(jié)構(gòu)示意圖。其中每個存儲單元對應(yīng)一個地址，256個單元共有256個地址，用兩位16進制數(shù)表示，即存儲器的地址（00H～FFH）。存儲器中每個存儲單元可存放一個八位二進制信息，通常用兩位16進制數(shù)來表示，這就是存儲器的內(nèi)容。存儲器的存儲單元地址和存儲單元的內(nèi)容是不同的兩個概念，不能混淆。

一、程序存儲器
　　程序是控制計算機動作的一系列命令，單片機只認識由“0”和“1”代碼構(gòu)成的機器指令。如前述用助記符編寫的命令MOV A，＃20H，換成機器認識的代碼74H、20H：（寫成二進制就是01110100B和00100000B）。在單片機處理問題之前必須事先將編好的程序、表格、常數(shù)匯編成機器代碼后存入單片機的存儲器中，該存儲器稱為程序存儲器。程序存儲器可以放在片內(nèi)或片外，亦可片內(nèi)片外同時設(shè)置。由于PC程序計數(shù)器為16位，使得程序存儲器可用16位二進制地址，因此，內(nèi)外存儲器的地址最大可從0000H到FFFFH。8051內(nèi)部有4k字節(jié)的ROM，就占用了由0000H～0FFFH的最低4k個字節(jié)，這時片外擴充的程序存儲器地址編號應(yīng)由1000H開始，如果將8051當做8031使用，不想利用片內(nèi)4kROM，全用片外存儲器，則地址編號仍可由0000H開始。不過，這時應(yīng)使8051的第{31}腳（即EA腳）保持低電平。當EA為高電平時，用戶在0000H至0FFFH范圍內(nèi)使用內(nèi)部ROM，大于0FFFH后，單片機CPU自動訪問外部程序存儲器。

二、數(shù)據(jù)存儲器

　　單片機的數(shù)據(jù)存儲器由讀寫存儲器RAM組成。其最大容量可擴展到64k，用于存儲實時輸入的數(shù)據(jù)。8051內(nèi)部有256個單元的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，其中00H～7FH為內(nèi)部隨機存儲器RAM，80H～FFH為專用寄存器區(qū)。實際使用時應(yīng)首先充分利用內(nèi)部存儲器，從使用角度講，搞清內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)和地址分配是十分重要的。因為將來在學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)和程序設(shè)計時會經(jīng)常用到它們。8051內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器地址由00H至FFH共有256個字節(jié)的地址空間，該空間被分為兩部分，其中內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM的地址為00H～7FH（即0～127）。而用做特殊功能寄存器的地址為80H～FFH。在此256個字節(jié)中，還開辟有一個所謂“位地址”區(qū)，該區(qū)域內(nèi)不但可按字節(jié)尋址，還可按“位（bit）”尋址。對于那些需要進行位操作的數(shù)據(jù)，可以存放到這個區(qū)域。從00H到1FH安排了四組工作寄存器，每組占用8個RAM字節(jié)，記為R0～R7。究竟選用那一組寄存器，由前述標志寄存器中的RS1和RS0來選用。在這兩位上放入不同的二進制數(shù)，即可選用不同的寄存器組，如附表1所示。

三、特殊功能寄存器

　　特殊功能寄存器（SFR）的地址范圍為80H～FFH。在MCS－51中，除程序計數(shù)器PC和四個工作寄存器區(qū)外，其余21個特殊功能寄存器都在這SFR塊中。其中5個是雙字節(jié)寄存器，它們共占用了26個字節(jié)。各特殊功能寄存器的符號和地址見附表2。其中帶＊號的可位尋址。特殊功能寄存器反映了8051的狀態(tài)，實際上是8051的狀態(tài)字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。這些特殊功能寄存器大體上分為兩類，一類與芯片的引腳有關(guān)，另一類作片內(nèi)功能的控制用。與芯片引腳有關(guān)的特殊功能寄存器是P0～P3，它們實際上是4個八位鎖存器（每個I/O口一個），每個鎖存器附加有相應(yīng)的輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器就構(gòu)成了一個并行口。MCS－51共有P0～P3四個這樣的并行口，可提供32根I/O線，每根線都是雙向的，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、標志寄存器PSW、數(shù)據(jù)指針DPTR等的功能前已提及，而另一些寄存器的功能在后面有關(guān)部分再作進一步介紹

單片機的指令系統(tǒng)和尋址方式

　　單片機要正常運作，事先需編制程序，再把程序放入存貯器中，然后由CPU執(zhí)行該程序。程序是由指令組成的，指令的基本組成是操作碼和操作數(shù)。單片機的品種很多，設(shè)計時怎樣表示操作碼和操作數(shù)，都有各自的規(guī)定，再有指令代碼也各不相同，因此，必須對所選單片機的全部指令，也就是所謂“指令系統(tǒng)”，有足夠的了解。各個系列的單片機雖然有不同的指令系統(tǒng)，但也有其共同性。掌握一種單片機的指令系統(tǒng)，對其它系列單片機可以起到觸類旁通的作用。MCS－51單片機應(yīng)用廣泛，派生品種多，具有代表性，所以，這里以MCS－51系列的指令系統(tǒng)為例說明“指令”的組成和應(yīng)用。

1、MOV A，＃20H
　　這條指令表示把20H這個數(shù)送入累加器A中（一個特殊功能寄存器）。

2、ADD A，70H
　　這條指令表示把累加器A中的內(nèi)容（在上例中送入的＃20H）和存貯器中地址為70H單元中的內(nèi)容（也是一個數(shù)字），通過算術(shù)邏輯單元（英文縮寫為ALU）相加，并將結(jié)果保留在A中。這里MOV、ADD等稱為操作碼，而A、＃20H、70H等均稱為操作數(shù)。在匯編語言程序中，操作碼通常由英文單詞縮寫而成，這樣有助于記憶，所以又稱助記符。如MOV就是英文單詞MOVE的縮寫，含有搬移的意思；而ADD即為英文單詞，其意為相加。因此，對于略懂英語的用戶，掌握單片機指令的含意是較為方便的。操作數(shù)有多種表示法，如以上的＃20H稱為立即數(shù)，即20H就是真正的操作數(shù)。而70H是存貯器中某個單元的地址，在該單元中，放著操作數(shù)（比如說是3AH），ADD A，70H不是將70H和A中的內(nèi)容相加，而是從存貯器70H單元中將3AH取出和A中的內(nèi)容相加。由上可知，要找到實際操作數(shù)，有時就要轉(zhuǎn)個彎，甚至轉(zhuǎn)幾個彎，這個過程稱為尋址，MCS－51共有7種尋址方式，現(xiàn)介紹如下：

一、立即尋址：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

????操作數(shù)就寫在指令中，和操作碼一起放在程序存貯器中。把“＃”號放在立即數(shù)前面，以表示該尋址方式為立即尋址，如＃20H。

二、寄存器尋址：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

????操作數(shù)放在寄存器中，在指令中直接以寄存器的名字來表示操作數(shù)的地址。例如MOV A，R0就屬于寄存器尋址，即將R0寄存器的內(nèi)容送到累加器A中。

三、直接尋址：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

????操作數(shù)放在單片機的內(nèi)部RAM某單元中，在指令中直接寫出該單元的地址。如前例的ADD A，70H中的70H。

四、寄存器間接尋址：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

????操作數(shù)放在RAM某個單元中，該單元的地址又放在寄存器R0或R1中。 如果RAM的地址大于256，則該地址存放在16位寄存器DPTR（數(shù)據(jù)指針）中，此時在寄存器名前加@符號來表示這種間接尋址。如MOV A，@ R0。其它還有變址尋址、相對尋址、位尋址等，待以后再詳細介紹。可能有人會問，在指令中直接給出實際操作數(shù)，不是簡單、明了嗎？為什么還要用其它幾種尋址方式呢？這是因為在編制程序時很難一下子就給出操作數(shù)。如用單片機控制溫度時，時時需要將給定的控制溫度（如20℃）減去環(huán)境溫度，而環(huán)境溫度時時有變化，顯然無法在程序指令中給出，只有通過一定方式，將其送入某個輸入/輸出口，再存放在某個寄存器中，這就必須用到寄存器尋址。又如要進行算術(shù)運算，要計算每班學(xué)員各科成績的平均值，如果把每個學(xué)員的各科都編一個程序，在程序中直接給出該學(xué)員各科成績，再求平均值，顯然太麻煩。這里可以編一個求平均成績的通用程序，把每位學(xué)員的成績送入存貯器的各個單元中，這時可采取直接尋址，一個程序可供每個學(xué)員用，不是更方便嗎？所以，尋址方式越多，編制程序就越方便、靈活，適用范圍就越廣。

　　尋址有如找人，如被找的人有手機、BP機、座機電話等多種聯(lián)系方式則就容易找到他，單片機也是如此，尋址方式越多，找操作數(shù)越方便，單片機的功能就越強。前面介紹51系列單片機的尋址方式時，常遇到單片機內(nèi)部的一些寄存器、累加器A、通用寄存器R0～R7、數(shù)據(jù)指針DPTR和存貯器等。在以后介紹指令時，數(shù)據(jù)就要在這些寄存器、存貯器之間傳送，或者進行運算。因此，編制程序就需熟悉單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

8051單片機的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)其基本特性如下：

8位CPU、片內(nèi)振蕩器
4k字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM
21個特殊功能寄存器
32根I/O線
可尋址的64k字節(jié)外部數(shù)據(jù)、程序存貯空間
2個16位定時器、計數(shù)器
中斷結(jié)構(gòu)：具有二個優(yōu)先級、五個中斷源
一個全雙口串行口
位尋址（即可尋找某位的內(nèi)容）功能，適于按位進行邏輯運算的位處理器。除128字節(jié)RAM、4k字節(jié)ROM和中斷、串行口及定時器模塊外，還有4組I/O口P0～P3，余下的就是CPU的全部組成。把4kROM換為EPROM就是8751的結(jié)構(gòu)，如去掉ROM/EPROM部分即為8031的框圖，如果將ROM置換為Flash存貯器或EEPROM，或再省去某些I/O，即可得到51系列的派生品種，如89C51、AT89C2051等單片機的框圖。

　　單片機各部分是通過內(nèi)部的總線有機地連接起來的