8051单片机原理学习

51单片机的结构框图如下所示

51单片机主要组成部件有：

• 8bit微处理器(CPU): 主要进行算术运行和逻辑控制
• 片内4KB程序存储器(4KB ROM): 用以可执行程序，只读数据和表格
• 片内256B数据存储器(256B RAM): 用于存放可读写数据，如算术运行的中间值和最终值等
• 4个8位并行I/O口(输入/输出口) P0 ~ P3: 每个并口可以用作输入，也可以用作输出
• 2个定时/计数器：每个定时/计数器可以设置为计数方式，也可以设置为定时方式，计数方式用于对外部事件进行技术。定时方式根据计数或者定时的结果进行相应的周期性处理。
• 1个全双工串口通信I/O口：用于实现单片机与其他外围设备进行串口通信
• 片内振荡器和时钟产生电路：需外借晶振和电容给单片机提供原始时钟
• 5个中断源的中断控制系统：
  

单片机内部的详细组件图如下所示

看上图似乎非常的复杂，不过主要分为四大部分，如下图不同颜色框出来的所示

• 运算单元（红色框图）：主要进行算术运算（加减乘除）和逻辑运行（与，或，非）
• 控制单元（蓝色框图）：控制单片机的各种操作
• 存储单元（粉色框图）：主要有ROM和RAM，其中ROM用于存储程序，RAM用于存储定义的变量等。
  注: 可以通过code这个指令来将定义的变量放在ROM，而不是RAM中，节省RAM资源
• 外部接口（绿色框图）：主要是对外部设备的I/O控制接口
  

单片机中执行的程序先保存在存储单元中，然后才能被执行，因此先对单片机中的存储单元结构进行介绍。
51单片机的存储单元结构如下：

• 内置4KB大小的ROM
• 内置256B大小的RAM
• 可以外接64K的ROM和64K的RAM
  因此，从物理结构角度看，51单片机的存储系统分为4个存储空间：
• 片内ROM
• 片内RAM
• 片外ROM
• 片外RAM
  

从单片机执行程序角度看，51单片机的存储系统实际上分为3个存储空间

• 片内RAM
• 片外RAM
• 片内ROM或者片外ROM（由引脚EA电平来确定，EA = 1选择片内ROM， EA = 0选择片外ROM）
  

ROM中存储的是程序，常量或者表格等，当执行程序时，由EA引脚的电平来决定是从片内ROM中取指令执行还是从片外ROM中取指令执行。
EA = 1时，CPU执行片内ROM中的程序
EA = 0时，CPU执行片外ROM中的程序

无论从片内ROM还是片外ROM中的程序，都是从ROM的地址0000H处开始执行。

注

虽然系统可能同时具备片内ROM和外部ROM，但是在一般正常使用时，通过/EA引脚的电平来选择其一（或者使用内部ROM，或者使用外部ROM）。

由于片内ROM的大小是4KB，那么当程序大小超过4KB时，有如下两种使用ROM的方式

• 方式1：设置EA = 0，直接使用片外ROM，从地址0000H开始
• 方式2：设置EA = 1，使用片内4KB ROM（从0000H地址开始）和片外64KB ROM（片外ROM从1000H地址开始
  

如下图所示

需要特别注意的地方时, ROM中有6个地址空间位置具有特定的功能

• 0000H地址：上电或者复位时，程序计数器PC所指向的单元，用来存放程序的第一条指令
• 0003H地址：外部中断/INT0的向量入口地址
• 000BH地址：定时器T0溢出中断的向量入口地址
• 0013H地址：外部中断/INT1的向量入口地址
• 001BH地址：定时器T1的溢出中断向量入口地址
• 0023H地址：串行口接收、发送的中断向量入口地址
  

向量入口地址，指的是当中断产生时，调用的入口函数所在的存储位置。

因此，程序在ROM中布局结构如下图
从上图可知，单片机在上电开机或者复位后的第一条指令存储在0000H地址处，该地址处的指令是一条跳转指令，直接跳转到0100H地址处， 而0100H地址处才是真正的主程序入口地址。

51单片机有一个全双工的串行口，简称串口，串口内部结构如下图所示

串行口对外有两个引脚：

• 串行口P3.1(TxD): 串行数据发送引脚
• 串行口P3.0(RxD): 串行数据接收引脚
  

结构图中模块介绍：

波特率发生器：
串口数据的发送和接收都是在时钟控制下进行的，每秒发送的比特数称为波特率（baud rate），单位为bps。常见的波特率有2400bps, 4800bps, 9600bps,115200bps。波特率越高，数据传输速率越快。
注意： 串口是异步通信，收发双方独自使用自己的时钟，因此要求双方波特率必须设置一致，一般情况下，波特率相差不能超过2%，否则无法正确发送/收到数据，导致出现乱码。

串行口控制寄存器(SCON)：

用于控制串行口的工作方式等。

发送缓存SBUF：

用于缓存待发送的字节

接收缓存SBUF：

用于缓存已接收到的字节

移位控制器：

在波特率的时钟控制下，把RxD引脚上的电平信号（0/1）通过移位寄存器保存到SBUF中

TI标志位：
用于指示一帧数据是否发送完成，1表示发送完成。

RI标志位：
用于指示是否接收到数据，1表示接收到一帧数据，当接收到数据后，必须由软件及时清零RI，否则无法接收下一帧数据，会导致数据丢弃的情况。

注意： TI和RI均需要软件进行清零。

串口发送流程如下：

• 待发送的数据按字节通过内部总线先写到发送SBUF中
• 根据波特率发生器来控制发送控制器的发送速率
• 通过控制发送控制门，把待发送的字节从发送SBUF逐比特发送到P3.1(TxD)输出管脚。
• SBUF中的数据发送完成后，置发送完成中断标志位TI为1。
• 若串口中断允许，则触发串口中断处理函数。
  

串口接收流程如下：

• 当串口接收到一帧数据后，将8bit的数据在接收控制器的控制下，通过移位寄存器逐比特接收存储到接收SBUF中。
• 当8bit数据接收完成后，置接收完成中断标志位RI为1。
• 若串口中断允许，则触发串口中断处理函数。