1.2 单片机结构
1.2.1 单片机的基本结构
单片机的基本结构如图1.1所示。
图1.1 单片机的基本结构框图
下面介绍各组成部分的功能。
1.中央处理器
CPU又称微处理器，是单片机的核心部件，由运算器和控制器组成，它决定了单片机的主要功能特性，在单片机中承担运算和控制作用。
2.存储器
存储器用来存放程序和中断结果，单片机的存储器在物理上分片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器4个空间；在逻辑结构上分成片内外统一编址的程序存储器、片内数据存储器及片外数据存储器，如图1.2所示。
图1.2 单片机存储器结构
（1）程序存储器
程序存储器用来存放操作程序，共64KB空间，片内和片外统一编址。当EA=1时，先访问片内程序存储器，再访问片外存储器；当EA=0时，只访问片外程序存储器。系统复位时PC=0000H。值得注意的是，程序存储器从0003H～0030H共40个单元专供中断服务使用。
（2）数据存储器
数据存储器用来存放中间运算结果。数据存储器由片内和片外两个独立的存储空间组成，如图1.3所示。片内又分成高、低两个128字节，其中高128字节离散分布了具有特别功能的寄存器。
图1.3 单片机数据存储器
（3）特殊功能寄存器
① 累加器Acc：Acc是一个具有特殊用途的8位寄存器，它既可作为通用的寄存器使用，也可作为累加器使用。作为累加器使用时用A表示，作为寄存器使用时用Acc表示。
② 程序状态字（PSW）：PSW是一个可位寻址的8位寄存器，如图1.4所示，用来存放当前指令执行后的状态。单片机有许多指令的执行会影响PSW的位状态。
③ 寄存器B：寄存器B是一个8位的通用寄存器，主要用于乘/除法。乘法运算时，B是乘数，乘法操作后，积的高8位存于B中；除法运算时，B是除数，除法操作后，余数存于B中。
图1.4 状态寄存器
④ 数据指针DPTR：数据指针是一个16位地址寄存器，由高位字节DPH和低位字节DPL组成，这两个字节也可单独使用。使用DPTR可以访问64KB外部数据存储器的任一单元。
⑤ 定时器控制寄存器TCON：定时器控制寄存器TCON用来启动定时/计数和设置外部中断触发方式，如图1.5所示。定时控制寄存器可位寻址。
图1.5 定时器控制寄存器
TR0，TR1：启停定时/计数器。当TRx=1时，启动定时/计数；当TRx=0时，停止定时/计数。
TF0，TF1：定时/计数器中断标志。当TFx=1时，表示定时/计数溢出，可用查询或中断来处理。
IE0，IE1：外中断标志。当IEx=1时，表示外部有中断发生（与ITx配合使用）；当IEx=0时，表示外部无中断请求。
⑥ 方式控制寄存器TMOD：方式控制寄存器TMOD是专门用来设置定时/计数器的工作方式的SFR寄存器，如图1.6所示，CPU只能通过字节传送类指令来设置TMOD中各位的状态。
当GATE=0时，定时/计数器由定时控制寄存器中的TR0（或TR1）启动。当GATE=1时，定时/计数器由外部中断请求信号
（或
）与TRx共同启动。
当C/
=0时，定时/计数器工作在定时工作方式；当C/
=1时，定时/计数器工作在计数方式。
M1M0=00时，定时/计数器工作在方式0；M1M0=01时，定时/计数器工作在方式1；
图1.6 方式控制寄存器
M1M0=10时，定时/计数器工作在方式2；M1M0=11时，定时/计数器工作在方式3。
⑦ 堆栈指针（SP）：堆栈指针是专门用来指示堆栈的起始位置的8位寄存器，系统复位时堆栈指针初始化地址为07H，用户开辟堆栈时必须指明SP的初始值（栈底）。堆栈的存储区域一般设置在RAM的30H～7FH之间。进栈用PUSHdirect指令，出栈用POPdirect指令。
⑧ 中断控制寄存器IE：中断允许寄存器是一个SFR，地址为A8H，可以位寻址。通过向IE写入中断控制字，实现CPU对中断的开放和屏蔽，如图1.7所示。
图1.7 中断控制寄存器
⑨ 中断优先级控制寄存器IP：中断优先级控制寄存器用来设置中断的级别，单片机中断系统有高级和低级两种，当IP的对应中断位为1时为高级中断，当IP的对应中断位为0时为低级中断。
PX0：外部中断0中断优先级控制位。
PT0：定时/计数器T0中断优先级控制位。
PX1：外部中断1中断优先级控制位。
PT1：定时/计数器T1中断优先级控制位。
PS：串行口中断优先级控制位。
⑩ 串行控制寄存器SCON：SCON是一个可位寻址的专用寄存器，地址为98H，用于串行数据通信的控制，位功能如下：
SM0，SM1：串行口工作方式选择位，工作方式的选择如表1.5所示。
表1.5 串行口工作方式
SM2：多机通信控制位。在方式2或方式3下，如果SM2=1，当RB8=1时（RB8为收到的第9位数据），接收数据送SBUF，并产生中断请求（RI=1），否则丢失8位数据。在方式2或方式3下，如果SM2=0，无论RB8=0或1，接收数据装入SBUF，并产生中断（RI=1）。在方式1下，如果SM2=1，则只有接收到有效的停止位时，才激活RI；如果SM2=0，接收一帧数据，停止位进入RB8，数据进入SBUF，才激活RI。在方式0下，SM2只能为0。
REN：允许接收位，由软件置位或清0。REN=1，允许接收；REN=0，禁止接收。
TB8：发送数据位。在方式2或方式3下，将要发送的第9位数据放在TB8中。可根据需要由软件置位或复位。在多机通信中，TB8=0表示主机发送的是数据，TB8=1表示主机发送的是地址。
RB8：接收数据位。方式0不使用这位。在方式1下，如果SM2=0，RB8的内容是接收到的停止位。在方式2或方式3下，存放接收到的第9位数据。
TI：发送中断标志位。在方式0下，发送完第8位数据时，TI=1；在其他方式下，开始发送停止位时，TI=1。在任何工作方式下，TI必须由软件清0。
RI：接收中断标志位。在方式0下，接收完第8位数据时，RI=1；在其他方式下，接收到停止位时，RI=1。在任何工作方式下，RI也必须由软件清0。
3.I/O端口
单片机的I/O端口是连接单片机内外的纽带和桥梁，51系列的单片机有P0，P1，P2，P3共4个端口，每个端口有8位，其结构如图1.8所示。
图1.8 单片机I/O端口基本结构
①P0端口
P0端口是一个8位漏极开路的双向I/O端口，当控制信号为低电平时，作为通用的I/O端口使用，当控制信号为高电平时，作为数据/地址总线。值得注意的是，由于P0口作为通用I/O口使用时，漏极处于开路状态，所以需接5～10kΩ的上拉电阻。
②P1端口
P1端口只能作为通用的I/O端口使用。
③P2端口
P2端口既可作为通用的I/O端口使用，也可作地址总线使用。P2端口作地址总线使用时，与P0口一起构成16位地址信号。值得注意的是，当P2口作地址总线使用时，就不能作通用的I/O端口使用。
④P3端口
P3端口除了作通用的I/O端口使用外，还具有第二功能，如表1.6所示。P3端口的第二功能是通过设置相应的寄存器实现的。
表1.6 P3端口的第二功能表
⑤ 端口负载能力
P0端口可带动8个LSTTL负载，P1～P3端口输出可带动4个LSTTL。P0～P3均为双向I/O端口，作输入时，先置“1”。单片机的端口负载能力是动态的，如AT89C2051单片机，共有15个输入/输出端口，端口的负载能力为80mA。从使用经验来看，单个端口输入/输出控制在5mA以下是比较安全的，并且尽量采用灌电流、端口输入以低电平有效的电路结构。通用I/O端口读/写控制：
⑥ 总线端口读/写控制
具有总线结构的单片机应用系统如图1.9所示。
读外部单元：MOVX A，@DPTR
写外部单元：MOVX @DPTR，A
图1.9 总线结构的单片机应用系统框架
1.2.2 单片机的功能单元
1.单片机定时/计数器
（1）定时/计数器结构
定时/计数器是单片机的重要功能部件，51单片机内带有两个16位定时/计数器（T0和T1），它们既可作定时器用，也可作计数器用。在检测、控制及智能仪器等应用中，常用定时器作实时时钟来实现定时检测和定时控制，计数器用于外部脉冲计数。图1.10是定时/计数器内部结构。
图1.10 定时/计数器T0、T1的结构
TMOD：方式控制寄存器，用于设置定时/计数器的工作方式。
TCON：定时器控制寄存器，用于启动定时/计数器。
（2）定时/计数器工作原理
单片机内部定时/计数器的工作原理可用图1.11来说明。当C/
=0时，为定时器功能，此时，C与A相连（计数脉冲为机器周期）；当C/
=1时，为计数功能，此时，C与B相连（计数脉冲从P3.4或P3.5口输入）。Tx、GATE、TRx、
共同决定计数器的开关，单片机的计数器是一个16位的加计数器，每来一个脉冲，计数器的值加1，当加到FFFFH时，TFx置1，如果开放中断，则向CPU申请中断。
图1.11 定时/计数器内部结构
（3）定时/计数器工作方式
定时/计数器有4种工作方式，由特殊功能寄存器TMOD中的M1、M0位决定，如表1.7所示。
表1.7 定时/计数器工作方式
（4）定时/计数器初始化
定时/计数器设置由工作方式控制寄存器（TMOD）、定时控制寄存器（TCON）及中断允许寄存器（IE）共同完成。定时/计数器初始化应完成的过程是：
① 依据题目要求确定TMOD的值；
② 给TH1、TL1或TH0、TL0赋初值；
③ 根据题目要求确定是否开放中断；
④ 启动定时/计数器。
2.单片机中断系统
（1）单片机中断
程序在运行过程中，由于某种原因，CPU暂停当前的处理转去执行紧急事件，待紧急事件执行完毕后再转回执行原程序，这就是单片机中断。引起中断的原因叫中断源，中断之后执行的处理称为中断服务，对应的处理程序称为中断服务程序，原程序称为主程序。单片机中断功能的实现是通过设置IE、TCON、SCON、IP等特殊寄存器完成的。
（2）单片机中断系统结构
单片机具有6源5向量，中断系统结构如图1.12所示。
图1.12 单片机中断系统结构
、
、T0、T1、TI、RI为中断源，TCON、IE、IP是与中断相关的特殊功能寄存器。
（3）单片机中断控制
中断设置：单片机的中断设置由TCON、SCON、IE、IP4个特殊功能寄存器确定。若开启外部中断0，采用脉冲触发方式的中断设置为：
SETB IT0
MOV IE,#81H
中断处理过程：单片机在每一指令的S5P2期间，CPU采样各中断源，并设置相应的中断标志位。CPU在下一个周期的S6状态期间按优先级顺序查询各中断标志，若查询到某个中断标志为1，将在下一个机器周期的S1状态期间按优先级响应中断。中断处理过程分成3个阶段，即中断响应、中断处理和中断返回。
中断入口地址：单片机响应中断后，将按表1.8规定的地址转入相应的中断入口，因此在系统初始化时要明确相应入口应完成的工作。
表1.8 AT89C51单片机中断入口地址
（4）中断系统扩展
利用定时器扩展外部中断：定时/计数器作计数器用，工作在方式2，计数器初值为#0FFH。这样，当外部来一个脉冲时，计数器产生溢出，用计数器的溢出信号作为中断请求标志。例如，将定时器T1作为外部中断源的程序如下：
MOV TMOD,#60H
MOV TL1,#0FFH
MOV TH1,#0FFH
SETB TR1
SETB EA
SETB ET1
……
利用中断和查询相结合扩展外部中断：如图1.13所示，外部有多个中断信号，只用一个外部中断源，采用中断和查询相结合的方法解决外部多中断请求的问题。
图1.13 单片机中断系统结构
3.单片机串行接口
（1）串行口结构
51单片机内部有一个功能很强大的全双工串行口，可同时接收和发送数据。串行口由发送/接收缓冲器、发送控制器、接收控制器、输出控制门、输入移位寄存器等组成。串行口的结构与工作方式有关，图1.14为方式0的串行口结构，图1.15为方式1、2、3的串行口结构。
单片机发送数据时，由累加器A将数据送入发送缓冲寄存器SBUF，每发送完一帧数据，TI置1。单片机接收数据时，每接收完一帧数据，RI置1。值得注意的是，TI和RI只能用软件复位。接收、发送数据均可工作在查询方式或中断方式。
（2）串行口工作方式
串行口有4种工作方式，如表1.5所示。方式0以固定的波特率通过外接移位寄存器（如74HC164、74HC165等）实现I/O口的扩展。方式1、方式2、方式3均为异步通信，方式1用于双机通信，方式2、方式3主要用于多机通信，也可用于双机通信。
图1.14 串行口方式0结构示意图
图1.15 串行口方式1、2、3结构示意图
（3）串行口波特率设置
波特率反映串行口通信速度的快慢，单片机工作在不同的工作方式，其波特率的设置如下。
① 工作在方式0的波特率：是固定的，为fosc/12。
② 工作在方式2的波特率：波特率=（2SMOD*fosc）/64（其中SMOD为PCON.7）。
③ 工作在方式1和方式3的波特率：设置定时器T1工作在方式2，定时器T1的初值决定串行口的波特率，即
例如，单片机工作在串行方式1，串口波特率为2400bps的设置：
MOV SCOM,#40H ；设置串行口工作在方式 1
MOV TMOD,#20H ；设置T1作定时器工作在方式 2
MOV TH1,#0F4H ；波特率为 2400bps的定时器初值
MOV TL1,#0F4H
SETB TR1 ；启动定时器
（4）双机通信
在硬件上，只要将两块单片机的串行口交叉相连，地线连在一起，即可实现双机通信。在程序设计上，单片机工作在方式1（或方式2、3），设置相同波特率，并处于允许接收状态。例如，工作在方式1，以1200bps实现双机通信的初始化程序：
MOV SCON,#30H ；串行口工作在方式 1，允许接收
MOV TMOD,#20 ；设置T1定时工作在方式 2
MOV TH1,#0E8H ；波特率为 1200bps的定时器初值
MOV TL1,#0E8H
SETB TR1 ；启动定时器
（5）多机通信
单片机在方式2或方式3下可实现多机通信。图1.16所示是广泛应用的主从式多机通信结构图。主机可以跟任一台从机通信，从机只能同主机通信。
图1.16 主从式多机通信结构
在主从式多机系统中，①先对串行口进行如下设置：主、从机的SM2=1，串行口工作在方式2（或方式3），主、从机的波特率相同，主机的TB8=1，所有从机的REN=1。②主机发出一帧（其中包括8位需要与之通信的从机地址，第9位为1（TB8=1））地址信息。③所有从机接收到信息后，与本机地址相比较，相同地址的从机，使SM2=0，以便接收主机发来的数据；对地址不相符合的从机，仍保持SM2=1的状态。④主机向从机发送数据时，TB8=0，此时只有SM2=0的从机才能接收。