单片机的组成以及分类和指标

（此处已添加圈子卡片，请到今日头条客户端查看）

单片机的组成

单片机又称单片微控制器，它把一个计算机系统集成到一块芯片上，主要包括微处理器（CPU）、存储器（随机访问存储器RAM、只读存储器ROM）和各种输入/输出接口（包括定时器/计数器、并行I/O接口、串行口、A/D转换器以及脉冲宽度调制（PWM）等，如图1-1所示。

▲图1-1 单片机组成框图

程序存储器（ROM）

ROM用来存放用户程序，分为EPROM、Mask ROM、OTP ROM和Flash ROM等。

EPROM型存储器编程（把程序代码通过一种算法写入程序存储器的操作）后，其内容可用紫外线擦除，用户可反复使用，故特别适用于开发阶段，但EPROM型单片机价格很高。

Mask ROM型单片机价格最低，适用于批量生产。由于Mask ROM型单片机的代码只能由生产厂商在制造芯片时写入，故用户更改程序代码十分不便，在产品未成熟时选用此型单片机风险较高。

OTP ROM型（一次可编程）单片机价格介于EPROM和MaskROM型单片机之间，它允许用户对其编程，但只能写入一次。

Flash ROM型单片机可采用电擦除的方法修改其内容，允许用户使用编程工具或在系统中快速修改程序代码，且可反复使用，故一推出就受到广大用户的欢迎。Flash ROM型单片机既可用于开发阶段，也可用于批量生产，随着制造工艺的改进，价格不断下降，使用越来越普遍，已成为现代单片机的发展趋势。

中央处理器（CPU）

CPU是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件（ALU）和控制部件构成。CPU就像人的大脑一样，决定了单片机的运算能力和处理速度。

随机存储器（RAM）

RAM用来存放程序运行时的工作变量和数据，由于RAM的制作工艺复杂，价格比ROM高得多，所以单片机的内部RAM非常宝贵，通常仅有几十到几百字节。RAM的内容具有易失性（也称为易挥发性），掉电后数据会丢失。最近出现了EEPROM 或Flash ROM 型的数据存储器，方便用户存放不经常改变的数据及其他重要信息。单片机通常还有特殊寄存器和通用寄存器，也属于RAM空间，但它们存取数据速度很快，特殊寄存器还用于充分发挥单片机各种资源的功效，但这部分存储器占用存储空间更小。

并行输入/输出（I/O）接口

通常为独立的双向I/O接口，既可以用作输入方式，又可以用作输出方式，通过软件编程设定。现代单片机的I/O接口也有不同的功能，有的内部具有上拉或下拉电阻，有的是漏极开路输出，有的能提供足够的电流可以直接驱动外部设备。I/O接口是单片机的重要资源，也是衡量单片机功能的重要指标之一。

串口输入/输出口

用于单片机和串行设备或其他单片机的通信。串行通信有同步和异步之分，这可以用硬件或通用串行收发器件实现。不同的单片机可能提供不同标准的串行通信接口，如 UART、SPI、I2C、MicroWire等。

定时器/针数器（T/C）

用于单片机内部精确定时或对外部事件（输入信号如脉冲等）进行计数，通常单片机内部有2个或2个以上的定时/计数器。

系统时钟

通常需要外接石英晶体或其他振荡源提供时钟信号输入，有的也使用内部RC振荡器。系统时钟相当于PC微机中的主频。

以上只是单片机的基本构成，现代的单片机又加入了许多新的功能部件，如模拟/数字转换器（A/D）、数字/模拟转换器（D/A）、温度传感器、液晶（LCD）驱动电路、电压监控、看门狗（WDT）电路、低压检测（LVD）电路等。此时的单片机才是真正单片化。内部的RAM和ROM的容量也越来越大，ROM 寻址空间甚至可达 64KB，可以说，单片机发展到了一个全新的阶段，应用领域也更为广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。

单片机的分类和指标

单片机从用途上可分成专用型单片机和通用型单片机两大类。专用型单片机是为某种专门用途而设计的，如DVD控制器和数码摄像机控制器芯片等。在用量不大的情况下，设计和制造这样的专用芯片成本很高，而且设计和制造的周期也很长。我们常用的都是通用型单片机，通用型单片机把所有资源（如 ROM、I/O 等）全部提供给用户使用。当今通用型单片机的生产厂家已不下几十家，种类有几百种之多。

下面对单片机的几个重要指标进行介绍。

（1）位数：是单片机能够一次处理的数据的宽度，有 1 位机（如 PD7502）、4 位机（如MSM64155A）、8位机（如MCS-51）、16位机（如MCS-96）、32位机（如IMST414）等。

（2）存储器：包括程序存储器和数据存储器，程序存储器空间较大，字节数一般从几KB到几十KB，另外还有不同的类型，如ROM、EPROM、E2PROM、Flash ROM和OTP ROM型。数据存储器的字节数则通常为几十字节到几百字节之间。程序存储器的编程方式也是用户考虑的一个重要因素，有的是串行编程，有的是并行编程，新一代的单片机有的还具有在系统编程（ISP， In-System-Programmable）或在应用再编程（IAP，In-Application re-Programmable）功能；有的还有专用的ISP编程接口JTAG口。

（3）I/O接口：即输入/输出接口，一般有几个到几十个，用户可以根据需要进行选择。

（4）速度：指的是 CPU 的处理速度，以每秒执行多少条指令来衡量，常用单位是 MIPS（百万条指令每秒），目前最快的单片机可达到100MIPS。单片机的速度通常是和系统时钟（相当于PC的主频）相联系的，但并不是频率高的处理速度就一定快，但对于同一种型号的单片机来说，采用频率高的时钟一般比频率低的速度要快。

（5）工作电压：通常工作电压是5V，范围是±5%或±10%；也有3V/3.3V电压的产品；更低的可在1.25V工作。现代单片机又出现了宽电压范围型，在2.5V～6.5V内都可正常工作。

（6）功耗：低功耗是现代单片机所追求的一个目标，目前低功耗单片机的静态电流可以低至μA或nA级。有的单片机还具有等待、关断、睡眠等多种工作模式，以此来降低功耗。

（7）温度：单片机根据工作温度可分为民用级（商业级）、工业级和军用级3种。民用级的温度范围是 0℃～70℃，工业级是-40℃～85℃，军用级是-55℃～125℃（不同厂家的划分标准可能不同）。

（8）附加功能：有的单片机有更多的功能，用户可根据需要选择适合自己的产品。比如有的单片机内部有A/D、D/A、串口、LCD驱动等，使用这种单片机可减少外部器件，提高系统的可靠性。

（此处已添加圈子卡片，请到今日头条客户端查看）

详解51单片机基本硬件结构

硬件结构

单片机的内部结构是由CPU、ROM、RAM等组成，现在介绍外部引脚。如图1-3所示为单片机的引脚图，这就是实验中要用的89C51单片机的外部引脚图。如表1-3所示为89C51单片机引脚分配表。

图1-3　89C51单片机的引脚图

表1-3　89C51单片机引脚分配表

端口结构分析

从1.3.1节的硬件结构中可以看出，89C51单片机总共有4组端口，P0、P1、P2和P3，了解这4组端口的结构原理对于日后的编程会有很大的帮助，由于这4组端口结构不尽相同，下面分别介绍单片机总的4组端口。由于每组端口都是由8位组成，故在下面的讲解中，只以每组端口的其中一位来解释。

1. P0口的结构及工作原理

P0口字节地址为80H，位地址80H～87H。P0端口8位中的一位结构图如图1-4所示。

图1-4　P0端口位结构图

由图1-4可见，P0端口由锁存器、输入缓冲器、多路开关、一个非门、一个与门及场效应管驱动电路构成。图1-4中标号为P0.X引脚的图标，表示引脚可以是P0.0～P0.7的任何一位，即在P0口有8个与图1-4所示相同的电路组成。下面先介绍组成P0口的每个单元部分。

(1)输入缓冲器

在P0口中，有两个三态的缓冲器，学过数字电路的读者都知道三态门有3个状态，即在其输出端可以是高电平、低电平，同时还有一种高阻状态(或称为禁止状态)，图1-4中，上面一个是读锁存器的缓冲器，也就是说，要读取D锁存器输出端Q的数据，需要使读锁存器中这个缓冲器的三态控制端(图1-4中标号为“读锁存器”端)有效，下面一个是读引脚的缓冲器，要读取P0.X引脚上的数据，也要使标号为“读引脚”的三态缓冲器的控制端有效，引脚上的数据才会传输到单片机的内部数据总线上。

(2)D锁存器

构成一个锁存器，通常要用一个时序电路(时序的单元电路内容请参考数字电路相关知识)，一个触发器可以保存一位二进制数(即具有保持功能)，在51单片机的32根I/O口线中，都是用一个D触发器来构成锁存器的。图1-4中的D锁存器，D端是数据输入端，CP是控制端(即时序控制信号输入端)，Q是输出端，

是反向输出端。

对于D锁存器来讲，当D输入端有一个输入信号，如果这时控制端CP没有信号(即时序脉冲没有到来)，这时输入端D的数据是无法传输到输出端Q及反向输出端

的。如果时序控制端CP的时序脉冲到达，这时D端输入的数据就会传输到Q及

端。数据传送过来后，当CP时序控制端的时序信号消失时，输出端还会保持着上次输入端D的数据(即把上次的数据锁存起来)。如果下一个时序控制脉冲信号到来，这时D端的数据才再次传送到Q端，从而改变Q端的状态。

(3)多路开关

在51单片机中，当内部的存储器够用时(即不需要外扩展存储器时，这里讲的存储器包括数据存储器及程序存储器)，P0口可以作为通用的输入/输出端口(即I/O)使用，对于8031(内部没有ROM)的单片机，或者编写的程序超过了单片机内部的存储器容量需要外扩存储器时，P0口就作为地址/数据总线使用。那么这个多路选择开关就是用于选择是作为普通I/O口使用还是作为地址/数据总线使用的选择开关了。从图1-4可知，当多路开关与下端接通时，P0口作为普通的I/O口使用;当多路开关是与上端接通时，P0口作为地址/数据总线使用。

(4)输出驱动

从图1-4中可看出，P0口的输出是由两个MOS管组成的推拉式结构，也就是说，这两个MOS管一次只能导通一个，当Vl导通时，V2截止，当V2导通时，Vl截止。

上面已对P0口的各单元部件进行了详细的讲解，下面研究一下P0口作为I/O口及地址/数据总线使用时的具体工作过程。

(1)作为I/O端口使用时的工作原理

P0口作为I/O端口使用时，多路开关的控制信号为0(低电平)，如图1-4所示，多路开关的控制信号同时和与门的一个输入端相接，与门的逻辑特点是“全l出1，有0出0”，那么控制信号如果是0，这时与门输出的也是一个0(低电平)，此时Vl管就截止，在多路控制开关的控制信号是0(低电平)时，多路开关是与锁存器的端相接的(即P0口作为I/O口线使用)。

P0口用作I/O口线，其由数据总线向引脚输出(即输出状态Output)的工作过程：写锁存器信号CP有效，数据总线的信号的输出流程为锁存器的输入端D→锁存器的反向输出

端→多路开关→V2管的栅极→V2管的漏极→输出端P0.X。前面已经介绍过，当多路开关的控制信号为低电平0时，与门输出为低电平，Vl管是截止的，所以作为输出口时，P0是漏极开路输出状态，类似于OC门，当驱动上接电流负载时，需要外接上拉电阻。如图1-5所示就是由内部数据总线向P0口输出数据的流程图。

图1-5　P0口内部数据总线向引脚输出时的流程图

P0口用作I/O口线，其由一引脚向内部数据总线输入(即输入状态Input)的工作过程，数据输入时(读P0口)有以下两种情况：

第一种情况是读引脚，即读芯片引脚上的数据。读引脚数时，读引脚缓冲器打开(即三态缓冲器的控制端要有效)，通过内部数据总线输入。如图1-6所示为P0口读引脚时的流程图。

图1-6　P0口读引脚时的流程图

第二种情况是读锁存器，通过打开读锁存器三态缓冲器读取锁存器输出端Q的状态。如图1-7所示为P0口读锁存器时的流程图。

图1-7　P0口读锁存器时的流程图

在输入状态下，从锁存器和从引脚上读取的信号一般是一致的，但也有例外。例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器Q=0，

=l，场效应管V2开通，端口线呈低电平状态，此时无论端口线上外接的信号是低电平还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的信号。又如，当从内部总线输出高电平后，锁存器Q=1，

=0，场效应管V2截止，如果外接引脚信号为低电平，从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。为此，8031单片机在对端口P0～P3的输入操作有如下约定：凡属于读—改—写方式的指令，从锁存器读入信号，其他指令则从端口引脚线上读入信号。读—改—写指令的特点是，从端口输入(读)信号，在单片机内加以运算(修改)后，再输出(写)到该端口上。下面是几条读—改—写指令的示例。

ORL　P0, A P0→AP0

INC　P1 P1+1→P1

DEC　P3 P3-1→P3

CPL　P2 P2→P2

这样安排的原因在于读—改—写指令需要得到端口原输出的状态，修改后再输出，读锁存器而不是读引脚，可以避免因外部电路的原因使原端口的状态被读错。

注意： P0端口是8031单片机的总线口，分时出现数据D7～D0、低8位地址A7～A0以及三态，用来连接存储器、外部电路与外部设备。P0端口是使用最广泛的I/O端口。

(2)作为地址/数据复用口使用时的工作原理

在访问外部存储器时，P0口作为地址/数据复用口使用，这时多路开关控制信号为l，与门解锁，与门输出信号电平由地址/数据线信号决定;多路开关与反相器的输出端相连，地址信号经地址/数据线→反相器→V2场效应管栅极→V2漏极输出。例如，控制信号为l，地址信号为0时，与门输出低电平，Vl管截止;反相器输出高电平，V2管导通，输出引脚的地址信号为低电平。如图1-8所示为P0口作为地址线，控制信号为1，地址信号为0时的工作流程图。

图1-8　P0口作为地址线，控制信号为1，地址信号为0时的工作流程图

反之，控制信号为l、地址信号为l，与门输出为高电平，Vl管导通;反相器输出低电平，V2管截止，输出引脚的地址信号为高电平。如图1-9所示为P0口作为地址线，控制信号为1，地址信号为1时的工作流程图。

图1-9　P0口作为地址线，控制信号为1，地址信号为1时的工作流程图

可见，在输出地址/数据信息时，Vl、V2管是交替导通的，负载能力很强，可以直接与外设存储器相连，无须增加总线驱动器。P0口又作为数据总线使用，在访问外部程序存储器时，P0口输出低8位地址信息后，将变为数据总线，以便读指令码(输入)。在存取指令期间，控制信号为0，Vl管截止，多路开关也跟着转向锁存器反相输出端

;CPU自动将0FFH(11111111，即向D锁存器写入一个高电平1)写入P0口锁存器，使V2管截止，在读引脚信号控制下，通过读引脚三态门电路将指令码读到内部总线。如图1-10所示为P0口作为数据总线，取指期间工作流程图。

图1-10　P0口作为数据总线时取指期间工作流程图

如果该指令是输出数据，如“MOVX@DPTR,A”，该指令将累加器的内容通过P0口数据总线传送到外部RAM中，则多路开关控制信号为1，与门解锁，与输出地址信号的工作流程类似，数据由地址/数据线→反相器→V2场效应管栅极→V2漏极输出。

如果该指令是输入数据(读外部数据存储器或程序存储器)，如“MOVX A,@DPTR”，该指令将外部RAM某一存储单元内容通过P0口数据总线输入到累加器A中，则输入的数据仍通过读引脚三态缓冲器到内部总线，其过程类似于读取指令码流程图。

通过以上分析可以看出，当P0作为地址/数据总线使用时，在读指令码或输入数据前，CPU自动向P0口锁存器写入0FFH，破坏了P0口原来的状态。因此，不能再作为通用的I/O端口。

注意：系统设计中务必注意，程序中不能再含有以P0口作为操作数(包含源操作数和目的操作数)的指令。

当由P0口输入数据时，由于外部输入信号既加在缓冲输入端上，又加在驱动电路的漏极上。如果这时T2是导通的，则引脚上的电位始终被钳位在0电平上，输入数据不可能被正确地读入。因此，在输入数据时，应先把P0口置1，使两个输出FET均关断，使引脚“浮置”，成为高阻状态，这样才能正确地插入数据，这就是准双向口。

I/O口作为输入口时有两种工作方式，即读端口与读引脚，读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器，只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线，图1-10中的两个三角形表示的就是输入缓冲器，CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作，这是由硬件自动完成的。读引脚时，就是把端口作为外部输入线时，首先要通过外部指令把端口锁存器置1，然后再进行读引脚操作，否则就可能读入出错，为什么?看图1-10中，如果不对端口置1，端口锁存器原来的状态有可能为0，Q端为0，

端为1，加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通，对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号为1，也会因端口的低阻抗而使信号变低，使得外加的1信号读入后不一定是1，若先执行置1操作，则可以使场效应管截止，引脚信号直接加到三态缓冲器中，实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O口被称为准双向口，89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。接下来再看另一个问题，从图1-10中可以看出，这4个端口还有一个差别，除了P1口外，P0、P2、P3口都还有其他功能，这些功能又作什么用的呢?下面就来详细讲解这个问题。

每个I/O端口都有一个8位数据锁存器和两个8位数据缓冲器。P0～P3(8位锁存器)是SFR，有各自的端口地址，可直接用指令寻址，用于存放需要输出的数据。数据输入时只有缓冲没有锁存，各引脚上输入的数据必须一直保持到CPU将其读走为止，如图1-11所示为P0位结构图。

图1-11　P0位结构图

从图1-11中可以看出，P0口的内部有一个二选一的选择器，受内部信号的控制，如果在图1-11中的位置，则处在I/O口工作方式，此时相当于一个准双向口输入，须先将P0口置1，每根口线可以独立定义为输入或输出，但是必须在口线上加上拉电阻，如果将开关拨向另一个方向，则作为地址/数据复用总线用，此时不能逐位定义为输入/输出，有两种用法，当作数据总线用时输入8位数据，当作地址总线用时则输出低8位地址，注意，当P0口作为地址/数据复用总线用之后就不能再作I/O口使用了。那么什么叫做地址/数据复用?这其实是当单片机的并行口不够用时需要扩展输入/输出口时的一种用法，具体使用方法会在后续的章节中逐步讲解。

利用P0口进行扩展外部存储器和I/O时，P0口将作为地址和数据分时复用，CPU发控制信号，打开与门，使MUX打向上边，形成推拉式结构，数据信号可直接读入或输出到内部总线。利用P0作为通用I/O时，此时P0口是一个准双向口，CPU发控制信号，封锁与门，使上拉管截止，MUX打向下边，与D触发器Q连接。

输入程序举例：

MOV　P0, #FFH

输出程序举例：

MOV　A, P0

2. P1口的结构及工作原理

P1口字节地址为90H，位地址为90H～97H，如图1-12所示为P1位结构图。

图1-12　P1位结构图

与P0不同，P1口只能作为I/O口使用，无MUX，但其内部有一个上拉电阻，所以连接外围负载时不需要外接上拉电阻，这一点P1、P2、P3都一样。

输入程序举例：

MOV　P1, #FFH

MOV　A, P1

输出程序举例：

MOV　A, P1

3. P2口的结构及工作原理

P2口字节地址为A0H，位地址为A0H～A7H，如图1-13所示为P2位结构图。

图1-13　P2位结构图

P2口作为I/O口线时用法与P0口一样，当内部开关拨向另一个方向，即作地址输出时，可以输出程序存储器或外部数据存储器的高8位地址，并与P0口输出的低地址一起构成16位的地址线。

注意：和数据总线的区别，数据总线是8位的，很多书上都会提到51单片机是8位数据总线，16位地址总线，但都不会解释有什么不同，看到这里读者应该明白二者的区别。

16位的地址总线可以寻址64KB的程序存储器或外部数据存储器，后续章节会讲解，此处要注意的是当P2口作为地址总线时，高8位地址线是8位一起输出的，不能像I/O口线那样逐位定义，这与P0口是一样的。

当P2口用来扩展外存储器和I/O时，作为高8位地址输出，当进行外部存储器或I/O设备读写操作时，CPU自动发出控制信号，打开与门，使MUX拨向上边。当P2口当作通用I/O时，CPU自动发出控制信号，MUX拨向下边，与D触发器Q连接。

输入程序举例：

MOV　P2, #FFH

MOV　A, P2

输出程序举例：

MOV　A, P2

4. P3口的结构及工作原理

P3口字节地址为B0H，位地址为B0H～B7H。如图1-14所示为P3位结构图。

图1-14　P3位结构图

P3口作为I/O口线用时同其他的端口相同，也是准双向口，不同的是，P3口的每一位都有另一种功能，也叫第二功能，具体作用在用到时将详细解释。当P3口作为通用I/O口时，准双向口第二功能端保持高电平。

输入程序举例：

MOV　P3, #FFH

MOV　A, P3

输出程序举例：

MOV　A, P3

当P3口作为第二功能时，锁存器输出Q=1，如表1-4所示为P3口第二功能列表。

表1-4　P3口第二功能列表

既然单片机的引脚有第二功能，那么CPU是如何识别的呢?这是一个令许多初学者困惑的问题，其实单片机的第二功能是不需要人工干预的，也就是说只要CPU执行到相应的指令，就自动转成了第二功能。

思考：输入和输出口简称I/O口，是单片机与外部电路接口的唯一途径，4个并行口的结构是有一定区别的，如何根据系统的设计要求和产品用途来正确灵活地使用是初学者必须掌握的基本功，还需要清楚其功能和用途。

5. 应用注意事项

(1)在无片外扩展存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为准双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口作为双向总线，分时作为低8位地址和数据的输入/输出线。

(2)P0口作为通用双向I/O口使用时，必须外接上拉电阻。

(3)P3口除了作通用I/O口使用外，各位还具有第二功能。当P3口某一位用于第二功能作输出时，则不能再作通用I/O口使用。

(4)当P0～P4端口用作输入时，为了避免误读，都必须先向对应的输出锁存器写入1，使FET截止，然后再读端口引脚，例如以下程序：

MOV　P1, #0FFH

MOV　A, P1

上海羊羽卓进出口贸易有限公司

技术文档

单片机系统框图单片机的组成以及分类和指标