1、何謂單片機一臺能夠工作的計算機要有這樣幾個部份構成：CPU（進行運算、控制）、RAM（數據存儲）、ROM（程序存儲）、輸入/輸出設備（例如：串行口、並行輸出口等）。在個人計算機上這些部份被分成若干塊晶片，安裝一個稱之為主板的印刷線路板上。而在單片機中，這些部份，全部被做到一塊集成電路晶片中了，所以就稱為單片（單晶片）機，而且有一些單片機中除了上述部份外，還集成了其它部份如A/D，D/A等。
天！PC中的CPU一塊就要賣幾千塊錢，這麼多東西做在一起，還不得買個天價！再說這塊晶片也得非常大了。
不，價格並不高，從幾元人民幣到幾十元人民幣，體積也不大，一般用40腳封裝，當然功能多一些單片機也有引腳比較多的，如68引腳，功能少的只有10多個或20多個引腳，有的甚至只8隻引腳。
為什麼會這樣呢？
功能有強弱，打個比方，市場上面有的組合音響一套才賣幾百塊錢，可是有的一臺功放機就要賣好幾千。另外這種晶片的生產量很大，技術也很成熟，51系列的單片機已經做了十幾年，所以價格就低了。
既然如此，單片機的功能肯定不強，幹嗎要學它呢？
話不能這樣說，實際工作中並不是任何需要計算機的場合都要求計算機有很高的性能，一個控制電冰箱溫度的計算機難道要用PIII？應用的關鍵是看是否夠用，是否有很好的性能價格比。所以8051出來十多年，依然沒有被淘汰，還在不斷的發展中。
2、MCS51單片機和8051、8031、89C51等的關係
我們平常老是講8051，又有什麼8031，現在又有89C51，它們之間究竟是什麼關係?
MCS51是指由美國INTEL公司（對了，就是大名鼎鼎的INTEL）生產的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括了好些品種，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的產品，該系列其它單片機都是在8051的基礎上進行功能的增、減、改變而來的，所以人們習慣於用8051來稱呼MCS51系列單片機，而8031是前些年在我國最流行的單片機，所以很多場合會看到8031的名稱。INTEL公司將MCS51的核心技術授權給了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051為核心的單片機，當然，功能或多或少有些改變，以滿足不同的需求，其中89C51就是這幾年在我國非常流行的單片機，它是由美國ATMEL公司開發生產的。以後我們將用89C51來完成一系列的實驗。
單片機教學（2）
單片機的內部、外部結構(一)
一、單片機的外部結構拿到一塊晶片，想要使用它，首先必須要知道怎樣連線，我們用的一塊稱之為89C51的晶片，下面我們就看一下如何給它連線。 1、電源：這當然是必不可少的了。單片機使用的是5V電源，其中正極接40引腳，負極（地）接20引腳。 2、振蒎電路：單片機是一種時序電路，必須提供脈衝信號才能正常工作，在單片機內部已集成了振蕩器，使用晶體振蕩器，接18、19腳。只要買來晶振，電容，連上就可以了，按圖1接上即可。 3、復位引腳：按圖1中畫法連好，至於復位是何含義及為何需要復要復位，在單片機功能中介紹。 4、 EA引腳：EA引腳接到正電源端。至此，一個單片機就接好，通上電，單片機就開始工作了。
圖1
二、 任務分析我們的第一個任務是要用單片機點亮一隻發光二極體LED，顯然，這個LED必須要和單片機的某個引腳相連，否則單片機就沒法控制它了，那麼和哪個引腳相連呢？單片機上除了剛才用掉的5個引腳，還有35個，我們將這個LED和1腳相連。（見圖1，其中R1是限流電阻）
按照這個圖的接法，當1腳是高電平時，LED不亮，只有1腳是低電平時，LED才發亮。因此要1腳我們要能夠控制，也就是說，我們要能夠讓1引腳按要求變為高或低電平。即然我們要控制1腳，就得給它起個名字，總不能就叫它一腳吧？叫它什麼名字呢？設計51晶片的INTEL公司已經起好了，就叫它P1.0，這是規定，不可以由我們來更改。
名字有了，我們又怎樣讓它變'高'或變'低'呢？叫人做事，說一聲就可以，這叫發布命令，要計算機做事，也得要向計算機發命令，計算機能聽得懂的命令稱之為計算機的指令。讓一個引腳輸出高電平的指令是SETB，讓一個引腳輸出低電平的指令是CLR。因此，我們要P1.0輸出高電平，只要寫SETB P1.0，要P1.0輸出低電平，只要寫 CLR P1.0就可以了。
現在我們已經有辦法讓計算機去將P10輸出高或低電平了，但是我們怎樣才能計算機執行這條指令呢？總不能也對計算機也說一聲了事吧。要解決這個問題，還得有幾步要走。第一，計算機看不懂SETB CLR之類的指令，我們得把指令翻譯成計算機能懂的方式，再讓計算機去讀。計算機能懂什麼呢？它只懂一樣東西——數字。因此我們得把SETB P1.0變為（D2H,90H ），把CLR P1.0變為 （C2H,90H ），至於為什麼是這兩個數字，這也是由51晶片的設計者--INTEL規定的，我們不去研究。第二步，在得到這兩個數字後，怎樣讓這兩個數字進入單片機的內部呢？這要藉助於一個硬體工具"編程器"。
我們將編程器與電腦連好，運行編程器的軟體，然後在編緝區內寫入（D2H,90H）見圖2，寫入……好，拿下片子，把片子插入做好的電路板，接通電源……什麼?燈不亮？這就對了，因為我們寫進去的指令就是讓
圖2
P10輸出高電平，燈當然不亮，要是亮就錯了。現在我們再撥下這塊晶片，重新放回到編程器上，將編緝區的內容改為（C2H,90H），也就是CLR P1.0，寫片，拿下片子，把片子插進電路板，接電，好，燈亮了。因為我們寫入的（）就是讓P10輸出低電平的指令。這樣我們看到，硬體電路的連線沒有做任何改變，只要改變寫入單片機中的內容，就可以改變電路的輸出效果。
三、單片機內部結構分析我們來思考一個問題，當我們在編程器中把一條指令寫進單片要內部，然後取下單片機，單片機就可以執行這條指令，那麼這條指令一定保存在單片機的某個地方，並且這個地方在單片機掉電後依然可以保持這條指令不會丟失，這是個什麼地方呢？這個地方就是單片機內部的只讀存儲器即ROM（READ ONLY MEMORY）。為什麼稱它為只讀存儲器呢？剛才我們不是明明把兩個數字寫進去了嗎？原來在89C51中的ROM是一種電可擦除的ROM，稱為FLASH ROM，剛才我們是用的編程器，在特殊的條件下由外部設備對ROM進行寫的操作，在單片機正常工作條件下，只能從那面讀，不能把數據寫進去，所以我們還是把它稱為ROM。
單片機教學（3）
單片機的內外部結構分析（二）一、 程序的完善上一次我們的程序實在是沒什麼用，要燈亮還要重寫一下片子，下面我們要讓燈不斷地閃爍，這就有一定的實用價值了，比如可以把它當成汽車上的一個信號燈用了。怎樣才能讓燈不斷地閃爍呢？實際上就是要燈亮一段時間，再滅一段時間，也就是說要P10不斷地輸出高和低電平。怎樣實現這個要求呢？請考慮用下面的指令是否可行：
SETB P10
CLR P10
……
這是不行的，有兩個問題，第一，計算機執行指令的時間很快，執行完SETB P10後，燈是滅了，但在極短時間（微秒級）後，計算機又執行了CLR P10指令，燈又亮了，所以根本分辨不出燈曾滅過。第二，在執行完CLR P10後，不會再去執行SETB P10指令，所以以後再也沒有機會讓滅了。
為了解決這兩個問題，我們可以做如下設想，第一，在執行完SETB P10後，延時一段時間（幾秒或零點幾秒）再執行第二條指令，就可以分辨出燈曾滅過了。第二在執行完第二條指令後，讓計算機再去執行第一條指令，不斷地在原地兜圈，我們稱之為"循環"，這樣就可以完成任務了。
以下先給出程序（後面括號中的數字是為了便於講解而寫的，實際不用輸入）：
；主程序：
LOOP： SETB P10 ；（１）
LCALL DELAY ；（２）
CLR P10 ；（３）
LCALL DELAY ；（４）
AJMP LOOP ；（５）
；以下子程序
DELAY： MOV R7，#250 ；（６）
D1： MOV R6，#250 ；（７）
D2： DJNZ R6，D2 ；（８）
DJNZ R7，D1 ；（９）
RET ；（１０）
END ；（１１）
按上面的設想分析一下前面的五條指令。
第一條是讓燈滅，第二條應當是延時，第三條是讓燈亮，第四條和第二條一模一樣，也是延時，第五條應當是轉去執行第一條指令。第二和第四條實現的原理稍後談，先看第五條，LJMP是一條指令，意思是轉移，往什麼地方轉移呢？後面跟的是LOOP，看一下，什麼地方還有LOOP，對了，在第一條指令的前面有一個LOOP，所以很直觀地，我們可以認識到，它要轉到第一條指令處。這個第一條指令前面的LOOP被稱之為標號，它的用途就是給這一行起一個名字，便於使用。是否一定要給它起名叫LOOP呢？當然不是，起什麼名字，完全由編程序的人決定，可以稱它為A，X等等，當然，這時，第五條指令LJMP後面的名字也得跟著改了。
第二條和第四條指令的用途是延時，它是怎樣實現的呢？指令的形式是LCALL，這條指令稱為調用子程序指令，看一下指令後面跟的是什麼，DELAY，找一下DELAY，在第六條指令的前面，顯然，這也是一個標號。這條指令的作用是這樣的：當執行LCALL指令時，程序就轉到LCALL後面的標號所標定的程序處執行，如果在執行指令的過程中遇到RET指令，則程序就返回到LCALL指令的下面的一條指令繼續執行，從第六行開始的指令中，可以看到確實有RET指令。在執行第二條指令後，將轉去執行第６條指令，而在執行完６，７，８，９條指令後將遇到第１０條令：RET，執行該條指令後，程序將回來執行第三條指令，即將P10清零，使燈亮，然後又是第四條指令，執行第四條指令就是轉去執行第6，7，8，9，10條指令，然後回來執行第5條指令，第5條指令就是讓程序回到第1條開始執行，如此周而復始，燈就在不斷地亮、滅了。
在標號DELAY標誌的這一行到RET這一行中的所有程序，這是一段延時程序，大概延時零點幾秒，至於具體的時間，以後我們再學習如何計算。程序的最後一行是END，這不是一條指令，它只是告訴我們程序到此結束，它被稱為"偽指令"。
二、單片機內部結構分析：
為了知道延時程序是如何工作的，我們必需首先了解延時程序中出現的一些符號，就從R1開始，R1被稱之為工作寄存器。什麼是工作寄存器呢？讓我們從現實生活中來找找答案。如果出一道數學題：123+567，讓你回答結果是多少，你會馬上答出是690，再看下面一道題：123+567+562，要讓你要上回答，就不這麼容易了吧？我們會怎樣做呢？如果有張紙，就容易了，我們先算出123+567=690，把690寫在紙上，然後再算690+562得到結果是1552。這其中1552是我們想要的結果，而690並非我們所要的結果，但是為了得到最終結果，我們又不得不先算出690，並記下來，這其實是一個中間結果，計算機中做運算和這個類似，為了要得到最終結果，往往要做很多步的中間結果，這些中間結果要有個地方放才行，把它們放哪呢？放在前面提到過的ROM中可以嗎？顯然不行，因為計算機要將結果寫進去，而ROM是不可以寫的，所以在單片機中另有一個區域稱為RAM區（RAM是隨機存取存儲器的英文縮寫），它可以將數據寫進去。
特別地，在MCS-51單片機中，將RAM中分出一塊區域，稱為工作寄存器區。
單片機的內外部結構分析（三）
一、延時程序分析
上一次課中，我們已經知道，程序中的符號R7、R6是代表了一個個的RAM單元，是用來放一些數據的，下面我們再來看一下其它符號的含義。
DELAY： MOV R7，#250 ；（６）1.
MOV：這是一條指令，意思是傳遞數據。說到傳遞，我們都很清楚，傳東西要從一個人的手上傳到另一個人的手上，也就是說要有一個接受者，一個傳遞者和一樣東西。從指令MOV R7，#250中來分析，R7是一個接受者，250是被傳遞的數，傳遞者在這條指令中被省略了（注意：並不是每一條傳遞指令都會省的，事實上大部份數據傳遞指令都會有傳遞者）。它的意義也很明顯：將數據250送到R7中去，因此執行完這條指令後，R7單元中的值就應當是250。在250前面有個#號，這又是什麼意思呢？這個#就是用來說明250就是一個被傳遞的東西本身，而不是傳遞者。那麼MOV R6，#250是什麼意思，應當不用分析了吧。[page]
DJNZ：這是另一條指令，我們來看一下這條指令後面跟著的兩個東西，一個是R6，一個是D2，R6我們當然已知是什麼了，查一下D2是什麼。D2在本行的前面，我們已學過，這稱之為標號。標號的用途是什麼呢？就是給本行起一個名字。DJNZ指令的執行過程是這樣的，它將其後面的第一個參數中的值減1，然後看一下，這個值是否等於0，如果等於0，就往下執行，如果不等於0，就轉移，轉到什麼地方去呢？可能大家已猜到了，轉到第二個參數所指定的地方去（請大家用自已的話講一下這條語句是怎樣執行的）。本條指令的最終執行結果就是，在原地轉圈250次。 執行完了DJNZ R6，D2之後（也就是R6的值等於0之後），就會去執行下面一行，也就是DJNZ R7，D1，請大家自行分析一下這句話執行的結果。（轉去執行MOV R6，#250，同時R7中的值減1），最終DJNZ R6，D2這句話將被執行250*250=62500次，執行這麼多次同一條指令幹嗎？就是為了延時。 一個問題：如果在R6中放入0，會有什麼樣的結果。二、時序分析：
前面我們介紹了延時程序，但這還不完善，因為，我們只知道DJNZ R6，D2這句話會被執行62500次，但是執行這麼多次需要多長時間呢？是否滿足我們的要求呢？我們還不知道，所以下面要來解決這個問題。
先提一個問題：我們學校裡什麼是最重要的。（鈴聲）校長可以出差，老師可以休息，但學校一日無鈴聲必定大亂。整個學校就是在鈴聲的統一指揮下，步調一致，統一協調地工作著。這個鈴是按一定的時間安排來響的，我們可以稱之為「時序時間的順序」。一個由人組成的單位尚且要有一定的時序，計算機當然更要有嚴格的時序。事實上，計算機更象一個大鐘，什麼時候分針動，什麼時候秒針動，什麼時候時針動，都有嚴格的規定，一點也不能亂。計算機要完成的事更複雜，所以它的時序也更複雜。
我們已知，計算機工作時，是一條一條地從ROM中取指令，然後一步一步地執行，我們規定：計算機訪問一次存儲器的時間，稱之為一個機器周期。這是一個時間基準，好象我們人用「秒」作為我們的時間基準一樣，為什麼不乾脆用「秒」，多好，很習慣，學下去我們就會知道用「秒」反而不習慣。
一個機器周期包括12個時鐘周期。下面讓我們算一下一個機器周期是多長時間吧。設一個單片機工作於12M晶振，它的時鐘周期是1/12（微秒）。它的一個機器周期是12*（1/12）也就是1微秒。（請計算一個工作於6M晶振的單片機，它的機器周期是多少）。
MCS-51單片機的所有指令中，有一些完成得比較快，只要一個機器周期就行了，有一些完成得比較慢，得要2個機器周期，還有兩條指令要4個機器周期才行。這也不難再解，不是嗎？我讓你掃地的執行要完成總得比要你完成擦黑板的指令時間要長。為了恆量指令執行時間的長短，又引入一個新的概念：指令周期。所謂指令周期就是指執行一條指令的時間。INTEL對每一條指令都給出了它的指令周期數，這些數據，大部份不需要我們去記憶，但是有一些指令是需要記住的，如DJNZ指令是雙周期指令。
下面讓我們來計算剛才的延時。首先必須要知道晶振的頻率，我們設所用晶振為12M，則一個機器周期就是1微秒。而DJNZ指令是雙周期指令，所以執行一次要2個微秒。一共執行62500次，正好125000微秒，也就是125毫秒。
練習：設計一個延時100毫秒的延時程序。
要點分析：1、一個單元中的數是否可以超過255。2、如何分配兩個數。
三、復位電路
任何單片機在工作之前都要有個復位的過程，復位是什麼意思呢？它就象是我們上課之前打的預備鈴。預備鈴一響，大家就自動地從操場、其它地方進入教室了，在這一段時間裡，是沒有老師幹預的，對單片機來說，是程序還沒有開始執行，是在做準備工作。顯然，準備工作不需要太長的時間，復位只需要5ms的時間就可以了。如何進行復位呢？只要在單片機的RST引腳上加上高電平，就可以了，按上面所說，時間不少於5ms。為了達到這個要求，可以用很多種方法，這裡提供一種供參考，見圖1。實際上，我們在上一次實驗的圖中已見到過了。
這種復位電路的工作原理是：通電時，電容兩端相當於是短路，於是RST引腳上為高電平，然後電源通過電阻對電容充電，RST端電壓慢慢下降，降到一定程序，即為低電平，單片機開始正常工作。
單片機的內外部結構分析（四）
第三個實驗上兩次我們做過兩個實驗，都是讓P1.0這個引腳使燈亮，我們可以設想：既然P1.0可以讓燈亮，那麼其它的引腳可不可以呢？看一下圖1，它是8031單片機引腳的說明，在P1.0旁邊有P1.1，P1.2….P1.7，它們是否都可以讓燈亮呢？除了以P1開頭的外，還有以P0，P2，P3開頭的，數一下，一共是32個引腳，前面我們以學過7個引腳，加上這32個這39個了。它們都以P字開頭，只是後面的數字不一樣，它們是否有什麼聯繫呢？它們能不能都讓燈亮呢？在我們的實驗板上，除了P10之外，還有P11 P17都與LED相連，下面讓我們來做一個實驗，程序如下：
MAIN： MOV P1，#0FFH
LCALL DELAY
MOV P1，#00H
LCALL DELAY
LJMP MAIN
DELAY：MOV R7，#250
D1： MOV R6，#250
D2： DJNZ R6，D2
DJNZ R7，D1
RET
END
將這段程序轉為機器碼，用編程器寫入晶片中，結果如何？通電以後我們可以看到8隻LED全部在閃動。因此，P10 P17是全部可以點亮燈的。事實上，凡以P開頭的這32個引腳都是可以點亮燈的，也就是說：這32個引腳都可以作為輸出使用，如果不用來點亮LED，可以用來控制繼電器，可以用來控制其它的執行機構。
程序分析：這段程序和前面做過的程序比較，只有兩處不一樣：第一句：原來是SETB P1.0，現在改為MOV P1，#0FFH，第三句：原來是CLR P1.0，現在改為MOV P1.0，#00H。從中可以看出，P1是P1.0 P1.7的全體的代表，一個P1就表示了所有的這八個管腳了。當然用的指令也不一樣了，是用MOV指令。為什麼用這條指令？看圖2，我們把P1作為一個整體，就把它當作是一個存儲器的單元，對一個單元送進一個數可以用MOV指令。
二、第四個實驗
除了可以作為輸出外，這32個引腳還可以做什麼呢？下面再來做一個實驗，程序如下：
MAIN： MOV P3，#0FFH
LOOP： MOV A，P3
MOV P1，A
LJMP LOOP
先看一下實驗的結果：所有燈全部不亮，然後我按下一個按鈕，第（）個燈亮了，再按下另一個按鈕，第（）個燈亮了，鬆開按鈕燈就滅了。從這個實驗現象結合電路來分析一下程序。
從硬體電路的連線可以看出，有四個按鈕被接入到P3口的P32，P33，P34，P35。第一條指令的用途我們可以猜到：使P3口全部為高電平。第二條指令是MOV A，P3，其中 MOV已經見，是送數的意思，這條指令的意思就是將P3口的數送到A中去，我們可以把A當成是一個中間單元（看圖3），第三句話是將A中的數又送到P1口去，第四句話是循環，就是不斷地重複這個過程，這我們已見過。當我們按下第一個按鈕時，第（3）只燈亮了，所以P12口應當輸出是低電平，為什麼P12口會輸出低電平呢？我們看一下有什麼被送到了P1口，只有從P3口進來的數送到A，又被送到了P1口，所以，肯定是P3口進來的數使得P12位輸出電平的。P3口的P32位的按鈕被按下，使得P32位的電平為低，通過程序，又使P12口輸出低電平，所以P3口起來了一個輸入的作用。驗證：按第二、三、四個按鈕，同時按下2個、3個、4個按鈕都可以得到同樣的結論，所以P3口確實起到了輸入作用，這樣，我們可以看到，以P字開頭的管腳，不僅可以用作輸出，還可以用作輸入，其它的管腳是否可以呢？是的，都可以。這32個引腳就稱之為並行口，下面我們就對並行口的結構作一個分析，看一下它是怎樣實現輸入和輸出的。
並行口結構分析：1、輸出結構
先看P1口的一位的結構示意圖（只畫出了輸出部份）：從圖中可以看出，開關的打開和合上代表了引腳輸出的高和低，如果開關合上了，則引腳輸出就是低，如果開關打開了，則輸出高電平，這個開關是由一根線來控制的，這根數據總線是出自於CPU，讓我們回想一下，數據總線是一根大家公用的線，很多的器件和它連在一起，在不同的時候，不同的器件當然需要不同的信號，如某一時刻我們讓這個引腳輸出高電平，並要求保持若干時間，在這段時間裡，計算機當然在忙個不停，在與其它器件進行聯絡，這根控制線上的電平未必能保持原來的值不變，輸出就會發生變化了。怎麼解決這個問題呢？我們在存儲器一節中學過，存儲器中是可以存放電荷的，我們不妨也加一個小的存儲器的單元，並在它的前面加一個開關，要讓這一位輸出時，就把開關打開，信號就進入存儲器的單元，然後馬上關閉開關，這樣這一位的狀態就被保存下來，直到下一次命令讓它把開關再打開為止。這樣就能使這一位的狀態與別的器件無關了，這麼一個小單元，我們給它一個很形象的名字，稱之為「鎖存器」。
2、輸入結構
這是並行口的一位的輸出結構示意圖，再看，除了輸出之外，還有兩根線，一根從外部引腳接入，另一根從鎖存器的輸出接出，分別標明讀引腳和讀鎖存器。這兩根線是用於從外部接收信號的，為什麼要兩根呢？原來，在51單片機中輸入有兩種方式，分別稱為『讀引腳』和『讀鎖存器』，第一種方式是將引腳作為輸入，那是真正地從外部引腳讀進輸入的值，第二種方式是該引腳處於輸出狀態時，有時需要改變這一位的狀態，則並不需要真正地讀引腳狀態，而只是讀入鎖存器的狀態，然後作某種變換後再輸出。
請注意輸入結構圖，如果將這一根引線作為輸入口使用，我們並不能保證在任何時刻都能得到正確的結果（為什麼？）參考圖2輸入示意圖。接在外部的開關如果打開，則應當是輸入1，而如果閉合開關，則輸入0，但是，如果單片機內部的開關是閉合的，那麼不管外部的開關是開還是閉，單片機接受到的數據都是0。可見，要讓這一埠作為輸入使用，要先做一個『準備工作』，就是先讓內部的開關斷開，也就是讓埠輸出『1』才行。正因為要先做這麼一個準備工作，所以我們稱之為「準雙向I/O口」。
以上是P1口的一位的結構，P1口其它各位的結構與之相同，而其它三個口：P0、P2、P3則除入作為輸入輸出口之外還有其它用途，所以結構要稍複雜一些，但其用於輸入、輸出的結構是相同的。看圖（）。對我們來說，這些附加的功能不必由我們來控制，所以我們就不去關心它了。
關鍵字：單片機 計算機 印刷線路板 編輯：什麼魚 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/mcu/article_23874.html推薦閱讀
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