主要功能方框图

这个方框图必须要看懂，各部分解释如下：

1. 左边 CPU：中央处理单元（8位）
2. 左上 时钟：计算机的心脏，驱动着其他部分工作
3. 中上 ROM 和 RAM：ROM 的全称是 Read-Only Memory，用来存放程序，在单片机运行时不能改变，所以叫 Read-Only；RAM 的全称是 Random Access Memory，用于存放程序运行中产生的数据，可以随便读写，故叫 Random Access。
4. 右上 定时器 和 计数器：顾名思义，一个用来定时，时间到了后执行相应的程序；另一个则是计数，当计到某个数时执行相应的程序。
5. 左下 中断：顾名思义，中断当前执行的程序，转去执行中断子程序。中断分为内部中断（由内部软件引起）与外部中断（由I/O口引起）
6. 中下 I/O口：与外界交换数据的引脚。分为并行口 ¹ 和串行口 ¹
7. 中间 总线：传输数据、指令的线

下面这些数字都是要记住的：

• 8位CPU
• 128B 片内 RAM
• 4×8个并行 IO 口
• 2×16位定时/计数器
• 5个中断源（2 个外部，3 个内部）
• 22个特殊功能寄存器（SFR）
• 128 位的位寻址区

具体后面会详细解释。

CPU

  CPU 里面有负责运算的 ALU 单元。ALU 可以用来加减乘除、与或非异或、移位、位处理。这里特别值得注意的是“位处理” ，这是 51 特有的。

  负责暂存数据的 工作寄存器。我们需要先将数据从 ram 或 rom 中读到工作寄存器，才能用 ALU 进行运算。一共有 4 个工作寄存器区，每个区有 8×8位工作寄存器（R0~R7，Register）。分区有点类似于多线程，可以用于快速切换到不同的程序。

  还有其他特殊功能的寄存器。比如8位的 累加器Acc（Accumulate，有时简称寄存器A），用于存放计算结果。寄存器B 用于与累加器A 配合完成乘除法。

  程序状态字PSW 是用于存放运算状态的特殊寄存器。每个 bit 都有意义。

  然后还有三个指针，用于告诉程序、数据在哪。数据指针 DPTR（Data Pointer）用于存放片外存储器地址，是 16 位的，也可以分成两个 8 位寄存器使用。堆栈指针 SP 指向 RAM 内的栈顶。程序计数器 PC 也是 16 位的，用于指示指令位置，会自增，所以叫计数器。

rom、ram 与 外部存储

  51可以存东西的有三栋楼。楼里每个房间就是一个 字节，而每个房间都有一个房间号称为 地址，从地址找到数据的过程称为 寻址。下面我们来解释上面三栋楼。

rom

  第一栋楼是 程序存储器 ROM。这栋楼最多可以有 $2^{16}$ 个字节（64K），从 0000H 到 0FFFFH（F 前面加 0 用来区分十六进制与变量）。然而 51 自带的只有 4KB（0000H 到 0FFFH），想要用完所有空间，需要外部扩展。

注意

• 最多可以外部扩展 64KB，但内部 rom 和外部 rom 不能同时用；
• 复位后，程序从 0000H 开始执行；
• 中断后，程序从对应的 入口地址 开始执行。

ram

  中间那栋楼是最重要的 内部数据存储器 RAM。51 和 52 都有底下有 128 个字节，但上面 128 个字节是 52 独有的，51 只能通过外部扩展，两者加起来共 256B（00H~0FFH）。注意到上面两个都是 80H~0FFH，我们可以通过寻址方式来区分，也就是房间号虽然相同，但寻找的路径不同。

注意

• 从 00H~1FH 的 32B 是 4 个工作寄存器组，每组都有 8 个寄存器（R0~R7）
• 从 20H~2FH 的 16B 是可位寻址的RAM区，称为 位寻址区
• 剩下 80B 是只能按字节寻址的内部 RAM，为用户区，用于放堆栈

  注意到上面还有一个 SFR 特殊功能寄存器区，主要有下面这些：

PC、Acc、B、DPTR（DPTR=DPH+DPL）上面已经介绍过了。下面主要介绍 PSW。

PSW 是一个 8 位寄存器，每一位都有意义（可以暂时不理解用处，但要记住什么时候为1）：

1. P 奇偶标志位（Acc 中的数有奇数个 “1” 时为1）
2. / 无定义
3. OV 溢出标志（有溢出为1）
4. RS0 寄存器组选择位
5. RS1 寄存器组选择位（和3.一起用）
6. F0 用户标志位（用户自己用）
7. AC 辅助进位标志位（低四位向高四位进位或借位时为1）
8. CY 进位标志位（最高位进位或借位时为1）

  另外，虽然列出了地址，但我们只需要记名字即可。

注意

有些寄存器可以按位寻址，这些寄存器有一个特征：地址末尾以 0H 或 8H 结尾。

指令

这里介绍如何将 ROM 中的数据移到 RAM：

MOVC A, @A+DPTR ;将 [A+DPTR] 内的数据移到 A
MOVC A, @A+PC ;将 [A+PC] 内的数据移到 A

  在 51 中，寄存器前面加 @ 表示寄存器所指向的地址内的数据。而解释里面，我们用 [地址] 表示地址内的数据。

外部存储

  既然可以扩展 ROM，那么也可以扩展 RAM，也就是我们的第三栋楼。这个与rom类似，都是最大扩展 64KB。

指令

如何在内部 RAM 与 外部 RAM 之间交换数据

MOVX A, @Ri ;外部移到内部
MOVX A, @DPTR ;外部移到内部
MOVX @Ri, A ;内部移到外部
MOVX @DPTR, A ;内部移到外部

你可能会问为什么 @Ri，@DPTR 指的是外部而不是内部，这是因为 Ri=R1 或 R0，DPTR 都是 16位的，寻址范围是 64KB，只能指向外部ram地址（内部ram地址是8位的）

这里 X 表示 eXternal（外部的）。

IO端口（管脚）

  IO端口就是你买到单片机后，像毛毛虫的脚的那部分。每一个脚叫 管脚。最常用的是端口线，有如下特点：

• 51 有 4 个双向的 8位并行 IO 口：P0~P3（每个IO口对应8个管脚）
• 每一个口有一个 8 位的锁存器
• 复位后的初始状态为全“1”

  此外，还有电源线（VCC，VSS）、数据线（ALE/PROG，EA/VPP，PSEN，XTAL1/XTAL2），下面来介绍一下各个管脚的硬件特点。

P0

• 可用作并行 IO 口，也可作为数据总线低 8 位或程序总线高 8 位
• 可以有三种状态：0、1、高阻态
• 无上拉电阻

P1

• 供用户使用的 IO 口，是准双向口
• 有上拉电阻

P2

• 准双向口
• 可用作并行 IO 口，也可作为数据总线高8位

P3

• 准双向口
• 双功能口
  • P3.0 RXD 串行输入
  • P3.1 TXD 串行输出
  • P3.2 INT0 外部中断0
  • P3.3 INT1 外部中断1
  • P3.4 T0 定时器0
  • P3.5 T1 定时器1
  • P3.6 WR 外部数据写信号
  • P3.7 RD 外部数据读信号

复位电路（RST脚）

  复位电路的功能：在系统上电时提供复位信号，即在复位管脚 RST 加一段时间的高电平（24个时钟周期），直到系统电源稳定后，撤销复位信号。

具体细节可以参考：单片机复位电路原理介绍

复位后：

• PC 为 0000H，即程序入口地址是 0000H
• PSW=00H
• SP=07H，即栈底是07H
• P1、P2、P3 口为全 1 状态
• 内部 RAM 不受影响

CPU时序（XTAL1/XTAL2）

  这里我们并不介绍电路原理，但要介绍几个重要概念：

• 时钟周期（振荡周期）：外部的时钟周期
• 机器周期：机器执行一个指令的周期，一个机器周期对应12个时钟周期
• 状态周期：一个机器周期分为 6 个状态周期，表示指令过程中的各个状态。

  一般51上采用的是 11.0592MHz，请计算一下 1s 能执行多少个指令？

工作方式

  单片机只有可能处于这几种工作方式：

• 复位方式
• 程序执行方式
  • 单步执行
  • 连续执行
  • 中断调试
• 低功耗方式
  • 待机方式（退出：中断或复位）
  • 掉电保护方式（退出：复位）
• 编程、校验方式