单片机原理(1)：基本结构
单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，是把组成微型计算机的主要功能部件（CPU、RAM、ROM、I/O口、定时/计数器、串行口等）集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。
单片机主要面对测控对象，突出的是控制功能，所以它的芯片内集成了很多面向测控对象的接口电路，如ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）、DAC（Digital to Analog Converter，数模转换器）、高速I/O口、PWM（Pulse Width Modulator，脉冲宽度调制器）、WDT（Watch Dog Timer，监视定时器，俗称“看门狗”）等。这些接口电路已经突破了传统的微型计算机体系结构，所以单片机也称MCU（Micro-Controller Unit，微控制器）。
单片机的种类十分广泛，现在市场上主流的有PIC系列、STM32系列、AVR等等。51系列单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，它们都是Intel公司1981年制造8位MCU Intel 8051衍生兼容品，其指令集称为MCS-51。这里以此为例介绍单片机工作原理。
引脚及功能
51单片机的通常采用的是40引脚的双列直插式封装（Dual In-line Package，DIP），引脚功能的定义如上图所示。
除去基本的电源引脚，其中：
* VSS：电源引脚，需要接地（GND）。
* XTAL1、XTAL2(External Crystal)：时间引脚，在片内XTAL1是振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端，XTAL2是振荡器反相放大器的输出。分别外接由两个电容与晶振的并联谐振时钟电路时，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端；使用外部时钟时，XTAL1接地或悬空，XTAL2引脚接外部时钟的输入。
* RST(Reset)：复位引脚，出现持续两个机器周期的高电平将导致单片机复位。
* ALE/PROG(Address Latch Enable/)：作ALE，为地址锁存允许控制，用于在访问外部存储器时锁存P0口输出的低8位地址，脉冲的频率大约为振荡器频率的1/6。作PROG，当内部程序存储器（EPROM）编程时，由此输入编程脉冲信号。
* PSEN(Programme Store Enable)：外部程序存储器选通信号。
* EA/Vpp(External Enable)：作EA功能，为外部程序存储器使能信号，低电平时，只能访问外部程序存储器。作Vpp，对EPROM编程时，用以施加编程电压。
* P0、P1、P2、P3：四个并行I/O口，每并行口8个引脚。
I/O口结构及功能
51单片机的32个I/O引脚，组成P0~P3四个8位的并行双向I/O口，内部的**特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR）**P0~P3分别是它们的端口锁存器，此外每个口还分别包含一个输出驱动器和输入缓冲器。四个并行口可以按字节操作，也可以按位操作。
P0
可作一般I/O口使用，应用系统采用外部总线结构时，也可以分时复用作为双向数据总线（Data Bus）和低8位地址总线（Address Bus）。
上图为P0口某一位的结构原理图。
当P0作I/O口时，CPU发出控制信号C=0，*与门，使场效应管V2截至，同时将下面的数据选择器（Multiplexer，MUX）拨到下方，将锁存器的
输出数据时，内部总线数据经锁存器、MUX、V1输出到引脚；输入数据后，上下两个三态输入缓冲器用以内部的读操作，分别实现读引脚和读锁存器。
要注意的是，P0口作为I/O口输出时，由于输出级为漏极开路电路，需要外接上拉电阻，才能输出高电平；输入后读取数据时，V1导通将输入的高电平拉为低电平造成误读，所以在进行输入操作前，要先向端口输出锁存器写“1”。
当P0口作地址/数据总线时，CPU发出控制信号C=1。由P0输出地址/数据信息时，与门打开，MUX将CPU内部地址/数据总线反向后与V1的栅极接通，V1和V2两个FET管构成推拉式输出电路，负载能力大大加强；输入数据时，是由下面的三态输入缓冲器进入内部数据的。
P1
四个I/O口中功能最简单，可做一般I/O口使用。其某一位的结构原理图如下。
其内部已有上拉电阻，可直接输出高电平，驱动拉电流负载。和P0一样，端口输入后读取数据时，要先向端口输出锁存器写“1”。
P2
可作一般I/O口使用，在应用系统采用外部总线结构时，仅用作高8位地址总线。其某一位的结构原理如下图：
MUX打向左边时，作一般I/O口使用，此时于前面介绍的I/O口工作原理基本一致。Q输出为0时V1导通，外部引脚输出低电平；输出1时V1截止，由于存在内部上拉电阻，外部引脚输出高电平。输入后也可分为读引脚状态和读锁存器状态。而且端口输入后读取数据时，要先向端口输出锁存器写“1”。
P3
可作一般I/O口使用外，每个引脚都具有第二功能。其某一位的结构原理如下图：
作一般I/O口用，原理同P2。使用引脚的第二功能时，对应的锁存器里必须为“1”，否则图中的与非门输出始终为1，V1导通，引脚始终在低电平，不能正常工作。
每个引脚的第二功能如下表：
| 引脚 | 第二功能 | 说明 |
|---|---|---|
| P3.0 | RXD(Receive External Data) | 串行输入端 |
| P3.1 | TXD(Transmit External Data) | 串行输出端 |
| P3.2 | INT0(Interrupt) | 外部中断0 |
| P3.3 | INT1 | 外部中断1 |
| P3.4 | T0(Timer) | 计数器0外部输入 |
| P3.5 | T1 | 计数器1外部输入 |
| P3.6 | WR(Write Enable) | 外部数据存储器写选通 |
| P3.7 | RD(Read Enable) | 外部数据存储器读选通 |
四个I/O口中，P1、P2、P3口可驱动4个LS TTL（Low-power Schottky TTL，低功耗肖特基TTL）负载，即输出电流不小于400uA； P0口的输出缓冲器可驱动8个LS TTL负载，作一般I/O使用时为开漏输出，需要外加上拉电阻，做数据/地址总线使用时不需要外加上拉电阻。
内部微体系结构
51系列单片机内部包含：
- 运算器（包括逻辑运算器ALU（Arithmetic and Logic Unit）、累加器ACC（Accumulator）、寄存器B、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word））、程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instruction Register)、指令译码器ID（Instruction Decoder）、数据指针DPTR（Data Pointer）等组成的8位CPU。
- 4KB ROM 程序存储器、128B RAM 数据存储器
- 可寻址64KB外部数据存储、控制电路
- 21个特殊功能寄存器SFR
- 32条可编程I/O端口线
- 2个16位定时/计数器
- 1个可编程全双工串行口
- 5个中断源、两个优先级嵌套中断结构
- 1个片内振荡器及时钟电路
CPU
CPU用以产生各种控制信号，是单片机的核心。
ALU完成数据的算数运算、逻辑运算，并将运算结果的状态送往PSW。
PC是一个16位具有自动加一功能的寄存器，用来存放即将取出的指令地址，可对64KB程序存储器直接寻址。
IR是用来暂存待执行指令的8位寄存器。ID对其中的指令进行译码，将指令转变为执行此指令所需要的电信号。
DPTR是一个16位专用地址指针寄存器，用来存放16位地址，作间址寄存器使用。
存储器
51单片机的存储器按功能可分为数据存储器（RAM）和程序存储器（ROM），按位置分又可以分为片外存储器和片内存储器 。
ROM
51单片机通常包含只4KB的程序存储器，而以PC作为地址指针，通过16位地址总线，最大可寻址
引脚EA}决定了程序存储器的0000~0FFFH 4KB地址范围在单片机内部还是外部。当EA=1时，程序存储器的地址分为片内的0000~0FFFH 4KB地址范围和片外程序存储器的1000~FFFFH 60KB地址范围；否则，当EA=0时，只能寻址外部程序存储器，0000~FFFFH全部64KB地址空间都在片外。
系统复位后PC的内容为0000H，也就是说单片机上电后都是从程序存储器的0000H单元开始取指令执行程序，一般在此地址单元设置转移指令，使之转向用户主程序处。此外，0003~0023H单元被保留用作5个中断服务程序的入口地址：
| 入口地址 | 所属中断 |
|---|---|
| 0003H | 外部中断0入口地址 |
| 000BH | 定时器0中断入口地址 |
| 0013H | 外部中断1入口地址 |
| 001BH | 定时器1中断入口地址 |
| 0023H | 串口中断入口地址 |
故中断服务程序个主程序一般都被放置在0030H单元以后。
RAM
128B的内部数据存储器是用得最多的地址空间，所有的操作指令的操作数据只能在此地址空间或SFR中。
RAM区结构如上图。其中，00H~1FH共32个单元为工作寄存器区，分为4组，每组8个单元组成通用寄存器，都用R0~R7表示。可以通过改变PSW的RS1和RS0、RS1两位的状态来选择CPU当前使用的工作寄存器组，如下表所示。这样可以提高CPU的操作效率和响应中断的速度，利于现场的保护及恢复。
20H~2FH共16个字节128位组成位寻址区，可用位寻址方式访问，位地址为00H~7FH。位寻址区的位地址如下表：
最顶层的30H~7FH共80个单元为用户RAM区，作为堆栈或者数据缓存器。
普通51子系列单片机中，地址为00H~7FH的低128B区域为RAM区，而地址为80H~FFH的高128B区域即为SFR。增强型52子系列中，有地址为00H~FFH的256B的RAM，而SFR的地址和RAM的高128字节地址80H~FFH是重合的，需要通过不同的寻址方式来区分它们。
SFR
SFR是专门用于控制、选择、管理、存放单片机内部各部分的工作方式、条件、状态、结果的寄存器，不同的SFR用于管理不同的硬件模块。
51单片机内的21个SFR中，有5个是16位寄存器 ，11个可以进行位寻址。它们的地址分布及功能如下表：
其中PSW用于存放程序运行是的各种状态信息，其各位定义如下：
| 位地址 | D7H | D6H | D5H | D4H | D3H | D2H | D1H | D0H |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 定义 | CY | AC | F0 | RS1 | RS0 | OV | F1 | P |
- CY(Carry)：进位标志位，运算过程最高为产生进位或借位，则CY=1。
- AC(Assistant Carry)：辅助进位标志位，运算过程中低四位向高位有进位或借位，则AC=1。
- F0/F1：软件标志位，可作为用户自定义的标志位，由用户置位或复位。
- RS0和RS1(Register Select)：RAM中的4组工作寄存器选择位。
- OV(Overflow)：溢出标志位，运算过程中产生溢出，OV=1。
- P(Parity)：奇偶标志位，执行指令是会根据ACC中1的个数的奇偶自动令P置位或清零，奇为1，偶为0；串行通信时，可以由此位验证传输的可靠性。
时钟和复位
单片机内部的时钟信号用来提供单片机内部各种操作的时间基准，复位操作使单片机内的电路初始化。
时钟电路、单位
51单片机的时钟信号通常由内部振荡或外部振荡方式来获得。接法如图所示：
在XTAL1和XTAL2引脚外接晶体振荡器或者陶瓷谐振器，即构成内部振荡方式。晶振通常选用6、12或24MHz，单片机内部有一个高增益反向放大器，外接晶振将构成自激振荡，产生振荡时钟脉冲，电容C1、C2可以稳定振荡频率，电容值一般为5~30pF。
外部振荡就是把已有的时钟信号引入单片机内。
单片机以晶振的振荡周期（或外部输入的时钟周期）为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准；振荡频率经单片机内的二分频器分频后形成状态周期，所以，1个状态周期包含2个振荡周期；而6个状态周期组成1个机器周期，所以，1个机器周期包含12个振荡周期；执行一条指令需要1~4个机器周期，这个时间便称为指令周期。
例如，单片机外接12MHz的晶振时：
时序图
51单片机的指令执行及存储器读取时序图如下：
取指时序：
外部ROM读时序：
外部RAM读取时序：
复位电路
当51单片机的复位引脚RST出现两个机器周期以上高电平时，单片机即完成复位操作。复位操作通常有上电复位和开关复位两种形式，接法如图所示：
单片机复位后，PC=0000H，P0~P3=FFH，SP=07H，其他寄存器都回到初始的0状态。
更新历史：
* 2017.11.22 完成初稿
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