單片機(jī)是一種控制芯片，一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，而加上晶振，存儲(chǔ)器，地址鎖存器，邏輯門(mén)，七段譯碼器（顯示器），按鈕（類(lèi)似鍵盤(pán)），擴(kuò)展芯片，接口等那是單片機(jī)系統(tǒng)，以下是8051系列單片機(jī)原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)介紹

外部引腳功能

存儲(chǔ)空間配置和功能 

 片內(nèi)RAM結(jié)構(gòu)和功能

 特殊功能寄存器的用途和功能

 程序計(jì)數(shù)器PC的作用和基本工作方式

 I/O端口結(jié)構(gòu)、工作原理及功能

 時(shí)鐘和時(shí)序

 復(fù)位電路、復(fù)位條件和復(fù)位后狀態(tài)

 低功耗工作方式的作用和進(jìn)入退出的方法

§2-1  單片機(jī)原理簡(jiǎn)介和引腳功能

一、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

二、引腳功能

    40個(gè)引腳大致可分為4類(lèi)：電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳。

⒈ 電源:  ⑴ VCC - 芯片電源，接+5V；

          ⑵ VSS - 接地端；

⒉ 時(shí)鐘:XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。

⒊ 控制線:控制線共有4根，

 ⑴ ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖
    ① ALE功能：用來(lái)鎖存P0口送出的低8位地址
    ② PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。

  ⑵ PSEN:外ROM讀選通信號(hào)。

  ⑶ RST/VPD:復(fù)位/備用電源。

    ① RST（Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端。

    ② VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。

  ⑷ EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。

    ① EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。

    ② Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。

⒋ I/O線

 80C51共有4個(gè)8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)（屬控制總線）。

§2-1  存儲(chǔ)空間配置和功能

80C51的存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)不同的存儲(chǔ)空間，分別是：

⑴ 64KB程序存儲(chǔ)器(ROM),包括片內(nèi)ROM和片外ROM；

⑵ 64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（外RAM）；

⑶ 256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(內(nèi)RAM)

       (包括特殊功能寄存器） 。

8051單片機(jī)存儲(chǔ)空間配置原理

一、程序存儲(chǔ)器（ROM）

地址范圍：0000H～FFFFH，共64KB。其中:

  低段4KB：0000H～0FFFH

           80C51和87C51在片內(nèi)，80C31在片外。 

  高段60KB：1000H～FFFFH。在片外。

  讀寫(xiě)ROM用MOVC指令，控制信號(hào)是PSEN和EA。

    讀ROM是以程序計(jì)數(shù)器PC作為16位地址指針，依次讀相應(yīng)地址ROM中的指令和數(shù)據(jù)，每讀一個(gè)字節(jié)，PC+1→PC，這是CPU自動(dòng)形成的。

  但是有些指令有修改PC的功能，例如轉(zhuǎn)移類(lèi)指令和MOVC指令，CPU將按修改后PC的16位地址讀ROM。

讀外ROM的過(guò)程：

   CPU從PC中取出當(dāng)前ROM的16位地址，分別由P0口（低8位）和P2口（高8位）同時(shí)輸出，ALE信號(hào)有效時(shí)由地址鎖存器鎖存低8位地址信號(hào)，地址鎖存器輸出的低8位地址信號(hào)和P2口輸出的高8位地址信號(hào)同時(shí)加到外ROM 16位地址輸入端，當(dāng)PSEN信號(hào)有效時(shí)，外ROM將相應(yīng)地址存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線（P0口），CPU讀入后存入指定單元。      

二、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（外RAM）

      地址范圍：0000H～FFFFH                        共64KB。

    讀外RAM的過(guò)程：

外RAM 16位地址分別由P0口（低8位）和P2口（高8位）同時(shí)輸出，ALE信號(hào)有效時(shí)由地址鎖存器鎖存低8位地址信號(hào)，地址鎖存器輸出的低8位地址信號(hào)和P2口輸出的高8位地址信號(hào)同時(shí)加到外RAM 16位地址輸入端，當(dāng)RD信號(hào)有效時(shí)，外RAM將相應(yīng)地址存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線（P0口），CPU讀入后存入指定單元。

三、單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器原理（內(nèi)RAM）

   從廣義上講，8051內(nèi)RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均屬于片內(nèi)RAM空間，讀寫(xiě)指令均用MOV指令。但為加以區(qū)別，內(nèi)RAM通常指00H～7FH的低128B空間。

   8051內(nèi)RAM又可分成三個(gè)物理空間：工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

作用：

有專(zhuān)用于工作寄存器操作的指令，讀寫(xiě)速度比一般內(nèi)RAM要快，指令字節(jié)比一般直接尋址指令要短，還具有間址功能，能給編程和應(yīng)用帶來(lái)方便。

工作寄存器區(qū)分為4個(gè)區(qū)：0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)。每區(qū)有8個(gè)寄存器：R0～R7，寄存器名稱(chēng)相同。但是，當(dāng)前工作的寄存器區(qū)只能有一個(gè)，由PSW中的D4、D3位決定。

⒉ 位尋址區(qū)

  ⑴地址:

    從20H～2FH共16字節(jié)（Byte，縮寫(xiě)為英文大寫(xiě)字母B）。每B有8位（bit，縮寫(xiě)為小寫(xiě)b），共128位，每一位均有一個(gè)位地址，可位尋址、位操作。即按位地址對(duì)該位進(jìn)行置1、清0、求反或判轉(zhuǎn)。

  ⑵用途：

    存放各種標(biāo)志位信息和位數(shù)據(jù)。

  ⑶注意事項(xiàng):

    位地址與字節(jié)地址編址相同，容易混淆。

    區(qū)分方法:位操作指令中的地址是位地址;

             字節(jié)操作指令中的地址是字節(jié)地址。

位尋址區(qū)的位地址映象表

⒊ 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

            內(nèi)RAM中30H～7FH為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于存放各種數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，起到數(shù)據(jù)緩沖的作用。

四、特殊功能寄存器（SFR） 

特殊功能寄存器地址映象表（一）

特殊功能寄存器地址映象表（二）

特殊功能寄存器地址映象表（三）

⑶ 程序狀態(tài)字寄存器PSW

          PSW也稱(chēng)為標(biāo)志寄存器，了解這個(gè)對(duì)于了解單片機(jī)原理非常的重要，存放各有關(guān)標(biāo)志。其結(jié)構(gòu)和定義如下：

① Cy — 進(jìn)位標(biāo)志。

               用于表示Acc.7有否向更高位進(jìn)位。

② AC — 輔助進(jìn)位標(biāo)志。

               用于表示Acc.3有否向Acc.4進(jìn)位。

③  RS1、RS0 — 工作寄存器區(qū)選擇控制位。

              RS1、RS0 = 00 —— 0區(qū)（00H～07H）

              RS1、RS0 = 01 —— 1區(qū)（08H～0FH）

              RS1、RS0 = 10 —— 2區(qū)（10H～17H）

              RS1、RS0 = 11 —— 3區(qū)（18H～1FH）

④  OV — 溢出標(biāo)志。

        表示Acc在有符號(hào)數(shù)算術(shù)運(yùn)算中的溢出。

⑤   P — 奇偶標(biāo)志。                                                               表示Acc中“1”的個(gè)數(shù)的奇偶性。

⑥  F0 、F1 — 用戶(hù)標(biāo)志。

⑷ 數(shù)據(jù)指針DPTR

16位，由兩個(gè)8位寄存器DPH、DPL組成。主要用于存放一個(gè)16位地址，作為訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器（外RAM和ROM）的地址指針。

⑸ 堆棧指針SP

專(zhuān)用于指出堆棧頂部數(shù)據(jù)的地址。

§2-3  I/O端口結(jié)構(gòu)及工作原理

※ 有4個(gè)8位并行I/O口,共32條端線：

   P0、P1、P2和P3口。

   每一個(gè)I/O口都能用作輸入或輸出。

※ 用作輸入時(shí)，均須先寫(xiě)入“1”；

   用作輸出時(shí)，P0口應(yīng)外接上拉電阻。

※ P0口的負(fù)載能力為8個(gè)LSTTL門(mén)電路；

   P1～P3口的負(fù)載能力為4個(gè)LSTTL門(mén)電路。

※ 在并行擴(kuò)展外存儲(chǔ)器或I/O口情況下，

    P0口用于低8位地址總線和數(shù)據(jù)總線(分時(shí)傳送)

    P2口用于高8位地址總線，

    P3口常用于第二功能，

    用戶(hù)能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能

的部分P3口端線。

§2-4  時(shí)鐘和時(shí)序原理

一、時(shí)鐘電路

二、時(shí)鐘周期和機(jī)器周期

  ⑴ 時(shí)鐘周期。

80C51振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖頻率的倒數(shù)，是最基本最小的定時(shí)信號(hào)。

⑵ 機(jī)器周期。

80C51單片機(jī)工作的基本定時(shí)單位，簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)周。

§2-5  復(fù)位和低功耗工作方式

   80C51單片機(jī)的工作方式共有四種：

              ⑴ 復(fù)位方式；

              ⑵ 程序執(zhí)行方式；

              ⑶ 低功耗方式；

              ⑷ 片內(nèi)ROM編程（包括校驗(yàn)）方式。

一、復(fù)位方式

⒈ 復(fù)位條件
        RST引腳保持2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平。

⒉ 復(fù)位電路

⒊ 復(fù)位后CPU狀態(tài)

       PC：  0000H        TMOD： 00H

       Acc： 00H             TCON： 00H

       B：     00H          TH0：  00H

       PSW： 00H            TL0：  00H

       SP：  07H             TH1：  00H

       DPTR：0000H           TL1：  00H

       P0～P3：FFH          SCON： 00H

       IP：×××00000B         SBUF： 不定

       IE：0××00000B       PCON： 0×××0000B

二、低功耗工作方式

          ⑴ 待機(jī)(休閑)方式（Idle）

     ⑵ 掉電保護(hù)方式（Power Down）。

兩種低功耗工作方式由電源控制寄存器PCON確定。

        其中：

  SMOD：波特率倍增位（在串行通信中使用）

  GF1、GF0：通用標(biāo)志位

  PD：掉電方式控制位，

      PD=1，進(jìn)入掉電工作方式；

  IDL：待機(jī)(休閑)方式控制位,

       IDL=1,進(jìn)入待機(jī)工作方式。

(1)    待機(jī)（休閑）方式

(2)    待機(jī)（休閑）狀態(tài)進(jìn)入

   只要使PCON中IDL位置1。

⑶ 待機(jī)（休閑）狀態(tài)退出

      ①產(chǎn)生中斷；

      ②復(fù)位。

⒉ 掉電保護(hù)方式

⑴ 掉電保護(hù)方式狀態(tài)

●片內(nèi)振蕩器停振，所有功能部件停止工作；

●片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)信息保存不變；

● ALE、PSEN為低電平；

● Vcc可降至2V，但不能真正掉電。

⑵ 掉電保護(hù)狀態(tài)進(jìn)入

只要使PCON中PD位置1。

⑶ 掉電保護(hù)狀態(tài)退出

唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)不變，特殊功能寄存器內(nèi)容按復(fù)位狀態(tài)初始化。