单片机的组成以及分类和指标

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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。

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多种单片机结构和原理讲解！

89C51单片机结构框图

1、一个8位的微处理器CPU。

2、片内数据存储器(RAM128B/256B）:用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。

3、片内4kB程序存储器Flash ROM（4KB）:用以存放程序、一些原始数据和表格。

4、四个8位并行I/O（输入/输出）接口 P0~P3:每个口可以用作输入，也可以用作输出。

5、两个或三个定时/计数器: 每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制

6、一个全双工UART的串行I/O口:可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。

7、片内振荡器和时钟产生电路:但需外接晶振和电容。

8、五个中断源的中断控制系统。

9、具有节电工作方式：休闲方式及掉电方式。

在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。此时的电流可降到大约为正常工作方式的15%。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。这种方式下的电流可降到15 μA以下，最小可降到06 μA。

结构：

由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM及RAM）和I/O接口组成。89C51单片机内部结构如图所示：

下面介绍的是mcs-51

MCS-51单片机存储器的配置特点

① 内部集成了4K的程序存储器ROM；

② 内部具有256B的数据存储器RAM；

③ 可以外接64K的程序存储器ROM和数据存储器RAM。

从物理结构的角度讲，51单片机的存储系统可以分为四个存储空间：既片内ROM，RAM和片外ROM、RAM。

从逻辑上讲（既编程的角度），51单片机的存储系统实际上分为三个存储空间。

1. 片内数据存储器RAM；

2. 片外数据存储器RAM；

3. 片内或外的程序存储器ROM（由EA电平决定）。

1.程序存储器ROM用于存放程序、常数或表格。

2.在51单片机中，由引脚 /EA 上的电平选择内、外ROM： EA=1时,CPU执行片内的4KROM中的程序; EA=0时，CPU选择片外ROM中的程序。

3.无论是使用片内还是使用片外ROM，程序的起始地址都是从ROM的0000H单元开始。

4.尽管系统可以同时具备片内ROM和外部ROM，但是在一般正常使用情况下，通过/EA的设定来选择其一（或者使用内部ROM，或者使用外部ROM）。

5.如果EA=1（执行片内程序存储器中程序时):如果程序计数器的指针PC值超过0FFFH（4K）时，单片机就要自动的转向片外的ROM存储器且从1000H单元开始执行程序（无法使用片外ROM的低4K空间）。

6.当程序超过4K时，有两种使用程序存储器ROM的方法：

①设置EA=0，使用外部ROM。从地址=0000H开始；

②设置EA=1，使用内部的4KROM和外部ROM（地址从1000H开始的单元）。

程序存储器六个特殊的单元：

在ROM中有六个单元具有特定功能。

0000H单元：复位时程序计数器PC所指向的单元，因此用来存放程序中的第一条指令；

0003H单元：外部中断/INT0的矢量入口地址；

000BH单元：定时器T0溢出中断的矢量入口地址；

0013H单元：外部中断/INT1的矢量入口地址；

001BH单元：定时器T1的溢出中断矢量入口地址；

0023H单元：串行口接收、传送的中断矢量入口地址。

矢量入口单元：在编写中断程序时，写入对应的“跳板指令”

单片机第一条指令的两个特征：

①存放在ROM的0000H单元；

②必须是“跳转指令”以跳过下面的5个中断矢量，转到后面的真正的主程序入口0100H单元。

ORG 0000H LJMP 0100H

ORG 0100H

START: MOV A,#00H

∶ ∶

END

外部程序存储器：

当单片机使用外ROM存储器时（扩展系统），必须设定/EA=0，此时单片机的端口功能就要发生相应的改变：

① P0、P2作为外部ROM的地址和数据总线；

② 使用引脚/psen信号来选通外部ROM的数据三态输出。

内部数据存储器RAM：

无论在物理上还是逻辑上，系统中RAM 都可分为两个独立空间：内部和外部RAM。由不同的指令来访问。

1.访问内部数据存储单元时，使用 MOV 指令；

2.访问外部数据存储器时，使用 MOVX 指令。内部RAM从功能上将256B空间分为二个不同的块：

1.低128B的RAM块；

2.高128B的SFR（Special Function Register ）块。

在低128B的RAM存储单元中又可划分为：

1.工作寄存器区；

2.位寻址区；

3.通用存储数据的“便签区”。

高128B的专用寄存器区SFR中仅仅使用了21寄存器（51系列），其它107个单元不能使用。

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