一、單片機的內部結構

AT89S51單片機兼容標準8051的指令系統(tǒng)及引腳。下面以AT89S51單片機為例，簡要介紹51系列單片機的內部結構。

通常，單片機片內含CPU、ROM、RAM、并行I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷控制系統(tǒng)、時鐘電路、系統(tǒng)總線等。

1.中央處理器(CPU)

中央處理器是AT89S51單片機的核心，完成運算和控制功能。其CPU能處理8位二進制數(shù)或代碼。

2.程序存儲器

程序存儲器用于存放用戶編寫的程序、原始數(shù)據或表格，分為片內程序存儲器和片外程序存儲器。

AT89S51采用片內、片外統(tǒng)一編址的64kB(0000H~FFFFH)程序存儲器地址空間。片內有4kB Flash Memery.地址范圍為0000H~OFFFH.

既可在線編程(ISP)，也可以用傳統(tǒng)方法進行編程。

采用匯編語言或C語言編寫的源程序，必須通過編譯軟件(如Keil C51)把編譯生成二進制代碼，即機器碼。用戶編寫的程序、原始數(shù)據、表格等，都是以二進制的形式存放在程序存儲器中的。計算機的工作，就是按照事先編好的程序從0000H地址單元一條條地循序執(zhí)行的。

當AT89S51(31) 腳EA接高電平時，從片內ROM 中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序。當AT89S51(31)腳EA接低電平時，片內ROM不起作用，CPU只能從片外ROM 中取指令。

內部ROM 0000H~002AH共43個單元。被分為六段，作為程序運行的入口地址使用。其中：

0000H~0002H 為復位后或初始化引導程序地址區(qū);0003H~000AH 外部中斷0中斷入口地址區(qū);000BH~001 2H 定時器/計數(shù)器0中斷入口地址區(qū);001 3H~001 AH 外部中斷1中斷入口地址區(qū);001 BH~0022H 定時器/計數(shù)器1中斷入口地址區(qū);0023H ~ 002AH 串行中斷入口地址區(qū)。

通常， 我們編寫程序時不得占用上述中斷程序入口地址單元， 即0003H~002AH單元。也就是說， 主程序一般不放在該地址空間。編程時， 可以采用起始偽指令ORG,跳過0003H~002AH單元。

偽指令，是告訴匯編程序如何進行匯編的一類指令，不會被匯編成機器代碼，只能為匯編軟件(如Keil C51)所識別。

單片機復位后，是從0000H單元開始取指令執(zhí)行程序的。因此，應在O000H~O002H三個單元存放一條無條件轉移指令，轉到主程序，程序結構如下：

ORG O00H:用偽指令ORG指示隨后的指令代碼從0000H地址單元開始存放。

LJMP START;在O000H~0002H存放一條長跳轉指令，執(zhí)行該指令，程序轉到以START為語句標號的地址執(zhí)行。

ORG 0030H;偽指令ORG指示隨后的指令代碼從0030H地址單元開始存放。

START: ;START是主程序入口地址標號，主程序開始。

……

END ;結束偽指令，標志程序代碼到此結束。

通過該程序，保留了各中斷入口地址。對各個中斷入口地址的使用，我們在學習中斷系統(tǒng)時再進行介紹。

3.數(shù)據存儲器(RAM )

單片機的數(shù)據存儲器有片內和片外之分，AT89S51片內有256字節(jié)RAM,其中高128單元被專用寄存器占用，低128字節(jié)供用戶使用，用于存放可讀寫的數(shù)據。片外數(shù)據存儲器可擴展6kB存儲空間，地址范圍為0000H~FFFFH.片內和片外RAM 的地址空間各自獨立， 指令MOV用于片內數(shù)據存儲器之間的傳送，指令MOVX用于片外數(shù)據存儲器和累加器A之間的數(shù)據傳送。

AT89S51內部RAM共有256字節(jié)，通常分為低128字節(jié)(地址00H~7FH)和高128字節(jié)(地址80H~FFH)兩部分。低128字節(jié)，按其用途分為三個區(qū)域，如表1所示。

表1

(1)工作寄存器區(qū)

工作寄存器區(qū)有四組工作寄存器，每組8個寄存器，用于存放操作數(shù)及中間結果等。其地址為內部RAM 的00H~1FH單元地址。在任一時刻，CPU只能使用其中一組寄存器，并把正在使用的那組寄存器稱為當前寄存器組，用R0~R7表示。當前使用的到底是哪一組工作寄存器，則由程序狀態(tài)字寄存器PSW 得RS1、RS0位的狀態(tài)組合決定，表2為工作寄存器選擇。

表2 工作寄存器選擇

RS1和RS0的狀態(tài)可以通過指令修改，如指令：

SETB RS1 :置RS1為1

CLR RS0 ;置RS0為0

置當前工作寄存器為第2組，R0~R7的物理地址為10H~17H.

(2)位尋址區(qū)。

內部RAM的20H~2FH單元，既可作為一般RAM單元使用，進行字節(jié)操作，也可以對各RAM單元的每一位進行位操作，因此，把該區(qū)又稱為位尋址區(qū)。位尋址區(qū)有16字節(jié)RAM單元，共128位，位地址為00H~7FH.可以用位操作類指令對其進行位操作。如指令：

CLR 00H ;00H為位地址，而不是字節(jié)地址，將位地址00H清零

SETB 07H ;07H為位地址，不是字節(jié)地址，將位地址07H置1

當位地址為80H~FFH時，所代表的是特殊功能寄存器的位地址。

如指令：CLR P1.0

CLR 9OH

(3)用戶RAM 區(qū)及堆棧。

用戶RAM區(qū)，包括堆棧區(qū)和用戶標志區(qū)等用戶自己設定的數(shù)據區(qū)。其地址在內部RAM低128單元中。如果用戶的程序要使用四組工作寄存器，其單元地址為30H ~7FH,共8O個單元，如果用戶程序不需要四組工作寄存器，則其中一部分工作寄存器區(qū)也可作用戶RAM使用。用戶RAM區(qū)中的堆棧，用來暫存數(shù)據和地址，它是按"先進后出"的原則存取數(shù)據的。

堆棧有進棧和出棧兩種操作，由棧指針SP管理。分別采用壓棧和出棧指令PUSH和POP進行數(shù)據的存和取。

系統(tǒng)復位后，SP的值為07H,此時堆棧是從08H單元開始的。由于08H~1FH單元屬于工作寄存器1~3區(qū)，如果程序中要用到這些區(qū)，最好把SP值改為2FH或更大。堆棧最好在內部RAM的30H~7FH單元中開辟。SP值一經確定，堆棧的位置也就確定下來了。由于SP可通過指令初始化為不同值。因此堆棧的位置是浮動的。如：

說明：( )：表示某寄存器、存儲單元或表達式的內容。(())：表示某寄存器、存儲單元或表達式的內容為地址單元的內容。

4.特殊功能寄存器(SFR)

內部RAM的高128單元是特殊功能寄存器區(qū)其單元地址為80H~FFH.本文只講解累加器ACC.

累加器A是最常用的特殊功能寄存器。它既可存放操作數(shù)，也可存放運算的中間結果。51系列單片機(AT89S51)中大部分單操作數(shù)指令的操作數(shù)取自累加器，許多雙操作數(shù)指令中的一個操作數(shù)也取自累加器。

如：指令MOV A,Rn;把當前工作寄存器的內容送累加器A.指令MOV A,#data;把立即數(shù)data送累加器A.

5. 定時器/計數(shù)器

51系列單片機(AT89S51)共有2個16位定時器/計數(shù)器，用以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。并以其定時或計數(shù)結果對計算機進行控制。

6. 并行I/O口

AT89S51共有四個8位I/O I:1 P0、P1、P2、P3,以實現(xiàn)數(shù)據的并行輸入輸出。在下面的實例中。

我們便是用P1 1:3連接8只發(fā)光二極管，并通過程序對其進行控制。

7. 串行口

AT89S51有一個全雙工的串行口，以實現(xiàn)單片機和其他設備之間的串行數(shù)據傳送。該串行口既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。

8. 中斷控制系統(tǒng)

AT89S51共有5個中斷源，即外中斷2個、定時/計數(shù)中斷2個、串行中斷1個。

綜上所述，51系列單片機(AT89S51)雖然只是一個芯片，但具有計算機應該具有的基本部件。

是一個簡單的微型計算機系統(tǒng)。

二、8路LED花樣顯示電路設計

為了實現(xiàn)8路LED間隔顯示所設計的八路LED花樣顯示電路如圖1所示。其中，發(fā)光二極管可選用3mm 的，晶振為12MHz的，電路可用15~17cm的萬能板搭焊，單片機最好加一個40DIP的緊鎖lC插座，電源可用裝在4.5V電池盒的三節(jié)5號電池提供。

圖1 8路LED花樣顯示電路圖

三、制作

到電子市場上購買以上材料后(正常價格約20元)，便可進行電路的焊接了。焊接步驟如下：

(1)在萬能板上依據8路LED花樣顯示電路設計好PCB電路圖，然后以緊鎖座為中心焊接其他元件。

(2)電路焊接順序為：電源電路一外圍電路一振蕩電路一復位電路一程序存儲器選擇電路。

焊接前，應先對元器件引腳或電路板的焊接部位進行處理，~ 般有"刮/擦"、"鍍"、"測"三個步驟：

刮/擦，就是做好焊接部位的清潔工作。一般是用小刀、細砂紙或橡皮擦，對緊鎖座的引腳、萬能電路板進行清理，去除其上的污垢。

鍍，就是在刮凈的元器件的待焊接部位上鍍錫。

具體做法是：先蘸松香酒精溶液涂在刮凈的元器件焊接部位，再將帶錫的熱烙鐵頭壓在其上，并轉動元器件，使之均勻地鍍上一層很薄的錫層。

測，就是用萬用表檢測所有元器件的質量是否可靠，若質量不可靠或已損壞，則用同規(guī)格元器件替換焊接對象不同，電烙鐵的工作溫度也不相同。用電烙鐵碰觸松香， 若有"吱吱" 聲，說明溫度合適;若沒有聲音，僅能使松香勉強熔化，說明溫度太低;若烙鐵頭一碰上松香就大量冒煙，則說明溫度太高。

焊接過程一般以2~3s為宜。正常情況下，本電路焊接可以在3小時內完成。

四、程序設計

ORG O000H;隨后的指令代碼從O000H單元開始存放LJMP START;轉標號START處ORG 0030H;隨后的指令代碼從0030H單元開始存放。

START:MOV P1,#10101010B;使得(P1)= 1o101010B,8路LED間隔發(fā)光END;結束偽指令，說明程序到此結束。

使用Keil C51 uVision2 編輯源程序、編譯源代碼并生成目標程序代碼，再把目標程序代碼通過編程器寫到單片機中。把單片機芯片插到八路LED花樣顯示電路的緊鎖插座上，并通電觀察結果。

該程序實現(xiàn)了用單片機控制八只LED發(fā)光的功能。執(zhí)行該程序，LEDI、LED3、LED5、LED7點亮，LED2、LED4、LED6、LED8熄滅，如圖2所示：

圖2

請讀者思考， 如果把指令"START:MOVP1,#1O101010B" 換成"START:MOV P1,#01010101 B".LED1~LED8的發(fā)光狀態(tài)將如何?

如果想要前面四只LED亮，后面4只LED滅，該如何修改程序?