代码收藏家 单片机硬件系统
一、单片机内部系统结构
1.中央处理单元（CPU）
这是单片机的核心部件，就像大脑一样，负责指令的执行和运算。它处理来自存储器和输入/输出设备的数据，并执行各种计算任务。CPU由运算器和控制器组成，运算器进行算术逻辑运算，控制器则负责控制单片机各部分协调工作。
2.存储器
单片机通常包括程序存储器（如Flash EEPROM）和数据存储器（如SRAM）。程序存储器用于存储用户程序和固件，数据存储器用于存储运行时数据和变量。EEPROM则用于存储需要长久保存的数据，如配置参数。
3.输入/输出口（I/O口）
单片机配有多组I/O口，可以连接外部设备，如开关、LED、传感器、显示器等，实现数据的输入与输出。
4.定时/计数器
单片机内置定时器和计数器，用于实现时间管理、事件计数、脉冲宽度调制（PWM）等功能，支持多任务操作和精确控制。
5.中断系统
中断系统用于处理外部事件，使单片机能够在执行主程序的同时，快速响应外部信号（如按钮按下、定时器溢出等），提高系统的实时性。
6.通信模块
许多单片机集成了多种通信协议，如串口（UART）、SPI、I2C等，便于与其他设备或微控制器通信，增强系统的扩展能力。
另外，有些单片机还集成了模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），可以处理模拟信号；还有的单片机内部包含时钟电路，为单片机提供时序，使其能够有序工作。
综上所述，单片机内部系统结构复杂而精密，各部分协同工作，使其在现代电子产品与系统中发挥着不可或缺的作用。
二、8051单片机引脚功能
8051单片机引脚功能丰富多样，这些引脚大致可分为电源、时钟、控制和I/O四类。
• 电源引脚：包括VCC和VSS。VCC是单片机的电源正端，通常接+5V电源；VSS是电源负端，即接地端。
• 时钟引脚：包括XTAL1和XTAL2。这两个引脚与外部的晶体振荡器和微调电容一起，构成单片机的时钟电路，为单片机提供工作所需的时钟信号。
• 控制引脚：
• RST/VPD：复位引脚，用于将单片机初始化到初始状态。当RST引脚输入高电平，且持续时间超过24个时钟周期时，单片机即可完成内部电路的复位。此外，RST还具有掉电保持功能，当主电源VCC发生故障降低到低电平规定值时，可通过备用电源为该引脚提供4.5~5.5V电压，以保持RAM中的数据不丢失。
• ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲输入。在访问外部存储器时，ALE用于锁存地址的低8位；在编程模式下，则用于输入编程脉冲。
• PSEN：程序存储器使能引脚，用于从外部程序存储器读取指令。
• EA/VPP：外部访问允许/编程电源。当EA为高电平时，CPU从内部程序存储器读取指令；当为低电平时，则从外部程序存储器读取指令。在编程期间，VPP则作为编程电源输入端。
• I/O引脚：8051单片机共有4个8位并行I/O端口，即P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。这些引脚既可以作为通用I/O口进行数据的输入输出，也可以作为特殊功能引脚实现特定的控制功能。例如，P0口通常作为数据总线使用，在访问外部存储器时输出低8位地址；P1口则常作为通用I/O口使用，具有内部上拉电阻；P2口除了作为通用I/O口外，还可用作高8位地址总线；而P3口则具有多个复用功能，如串口通信、外部中断输入等。
三、单片机存储器结构
首先，单片机的存储器按其工作方式可分为ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）两种。
• ROM是Read Only Memory的简称，即只读存储器。存于其中的信息在掉电后也不会丢失，常用于存放程序和固定数据，因此ROM常被称做程序存储器。
• RAM是Random Access Memory的简称，是随时可读可写的存储器，简称随机存储器。掉电后数据立即丢失，常用于存储随机变化的数据，因此RAM常被称做数据存储器。
其次，存储器中最小的存储单元称做位（bit），可存储1位二进制信息。由于目前常用的8位单片机能够同时处理8位数据，所以在存取数据时，一般是以8位为单位进行的，我们将8位二进制位组合而成的存储单元称做字节（Byte）。
在数据存取时，每个存储单元都有一个编号，称做地址（Address）。同样，存储单元的地址也是以二进制来表示的，单片机包含的存储单元越多，需要地址码的位数也就越多。例如，如果某单片机的地址采用16位二进制数表示，则其最大范围为0000H~FFFFH，最多可有65536个地址单元。
此外，对于像8051这样的具体单片机型号，其内部数据存储器结构也有其特点。8051内部有256个单元的内部数据存储器，其中00H~7FH为内部随机存储器RAM，80H~FFH为专用寄存器区。在实际使用中，应首先充分利用内部存储器，并搞清内部数据存储器的结构和地址分配，这在指令系统和程序设计中会经常用到。
四、时钟电路和复位电路
1.单片机时钟电路
时钟电路，简单来说，就是产生像时钟一样准确运动的振荡电路啦。它对于单片机的正常运行至关重要，因为它提供了基准时序，用于同步单片机内部各个模块的操作。
单片机时钟电路一般由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容等组成。时钟电路应用十分广泛，比如电脑的时钟电路、电子表的时钟电路等。
单片机运行需要时钟支持，就像计算机的CPU一样。如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，那单片机就不能执行程序哦。单片机内部都是由许多诸如触发器等构成的时序电路组成的，只有通过时钟才能使单片机一步步地工作。
具体工作时，单片机外部接上振荡器（也可以是内部振荡器）提供高频脉冲经过分频处理后，成为单片机内部时钟信号，作为片内各部件协调工作的控制信号。
根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式可分为内部时钟方式和外部时钟方式。
• 在内部方式时钟电路中，需要在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路。
• 对于外接时钟电路，则要求XTAL1接地，XTAL2脚接外部时钟。
时钟电路就像是单片机的心脏一样，为单片机的工作提供了稳定的节奏。
2.单片机复位电路
单片机复位电路的主要功能是在系统上电时提供一个复位信号，使单片机从初始状态开始工作。复位电路一般是由电阻和电容串联构成的，利用“电容电压不能突变”的性质，在单片机上电时，通过电容的充放电过程，在复位引脚RST上产生一个短暂的高电平信号。
这个高电平信号的持续时间是由电阻和电容的值（即RC值）来决定的，要保证它足够长，以使单片机能够可靠地完成复位操作。当RST引脚上的高电平信号结束后，单片机便开始从0000H地址开始执行程序啦。
复位电路可以分为上电复位和手动复位等方式哦。上电复位就是系统上电时自动产生的复位信号，而手动复位则是通过按下复位按钮等方式来实现的。
复位电路的设计要考虑复位脉宽的选择、复位电平的稳定性以及复位电路的抗干扰能力等因素，以确保单片机能够稳定可靠地工作。
五、单片机并行I/O口
并行I/O口，就是可以同时进行多位数据的输入和输出的接口啦。以MCS-51单片机为例，它就有4个8位的并行I/O端口，分别是P0、P1、P2、P3哦。
每个并行I/O口都由特殊功能寄存器、输出驱动器和输入缓冲器等部分组成。它们都具有字节寻址和位寻址的功能，CPU可以通过对同名特殊功能寄存器的控制来实现对并行I/O口的控制呢。
这些并行I/O口的功能可丰富了！比如P0口，它既可以作为通用的I/O口使用，也可以作为系统扩展的地址/数据总线口。当P0口作为总线口时，分时用作输出外部存储器的低8位地址和传送数据哦。
P1、P2、P3口呢，它们主要是作为通用的I/O口使用啦。不过呢，P2口还有一个特殊的功能哦，那就是在系统扩展时，可以作为高8位地址总线使用呢。而P3口呢，它的部分引脚还具有第二功能哦，可以实现一些特定的功能呢。
这些并行I/O口的使用方式也很灵活哦！比如可以作为输入口，接收外界的信号；也可以作为输出口，向外界输出信号。
作者：詹春梅
