1、硬件结构
1 内部结构
AT89C51单片机的内部结构与MCS-51系列中MCS-8051的内部结构基本相同。 从图1可以看出，AT89C51单片机主要由CPU、片内RAM、片内ROM和4个标准输入输出I/O口组成。 片内4KB ROM为程序存储器，主要存储命令CPU进行操作的指令代码。 4KB ROM共有4096个存储单元，每个单元可以存储一个字节的8位二进制数。 程序存储器中的每个单元都有一定的地址，4K空间地址范围为0000H到0FFFH。 128B RAM是128字节可读写的数据存储器，主要存储需要经常处理的数据。 其地址空间为00H至7FH，其中00H至07H 8个单元为一组工作寄存器。 由于其运算有专门的指令，因此将这些单元记为R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7。 4个标准输入输出I/O口P0、P1、P2、P3以及CPU内部的一些特殊功能寄存器，如定时器控制寄存器（TCON）、串口控制寄存器（SCON）等进行统一寻址。 这些存储器离散地分布在80H到FFH的地址空间中。 P0、P1、P2、P3 的地址分别为 80H、90H、A0H、B0H。 有了一定的地址，就可以准确地操作它们。 例如，我们要向P0口发送一个号码，只需要使用一条发送号码指令，将号码“写入”存储单元80H即可。 也就是说，将要发送的数据存储在P0端口锁存器中，然后通过驱动器，可以将每个数据位代表的高低电位输出到P0.0到P0的8个端口线引脚上。 7. 。
2针功能
单片机拥有CPU、程序存储器、数据存储器、输入输出端口等硬件资源后，还需要电源、时钟触发、复位等控制的支持才能正常工作。 这些输入通过引脚连接到微控制器。 图2是单片机AT89C51的引脚图。 从图2可以看出，AT89C51是一款标准的40线双列直插式封装（也有其他封装形式）集成电路，其引脚与MCS-51系列单片机完全兼容。 这40个引脚大致可分为电源（Vcc、Vss、VPP、VPD）、时钟（XTAL1、XTAL2）、专用控制线（ALE、RST、PROG、PSEN、EA）、通用多功能输入输出标准I/O口(P0～P3)等4大部分。 微控制器有6个引脚必须连接以确保基本操作：40引脚Vcc和20引脚Vss为整个芯片提供电源； 18脚和19脚是时钟振荡引脚，内部连接一个高增益放大器，外部连接一个晶振来选择频率以产生振荡脉冲，并连接一些电容和电感，使振荡更加准确。 这个振荡脉冲为整个CPU及其计时和其他高效操作系统提供时钟。 另外两个引脚是 EA 和 RST。 引脚31 EA是程序存储器的片内和片外选择引脚。 如果EA接低电位，CPU将不会从片内ROM取指令； 如果EA接高电位，则CPU首先从片内程序存储器中取指令。 引脚9 RST的主要功能是复位微控制器。 当单片机连接以上5个引脚时，只要在第9引脚上加上一个宽度不小于24个振荡周期，即2个机器周期的正脉冲，就可以使系统复位。 系统复位意味着CPU中的各种寄存器和其他功能部分具有标准的固定状态，这有利于系统设计。 例如，系统复位后，可以将P0端口到P3端口的数据设置为FFH，即各端口线为高电位。 否则，每次供电时系统都会出现不同的状态，这对于负载电路的设计来说是一个问题。 带来困难。 系统复位后，程序地址寄存器PC的值也可以设置为0000H，这样保证系统从程序存储空间的0000H单元取指令，给程序一个启动，保证系统能够运行有序进行。 因此，程序存储器中一般从第一个单元开始放置一条无条件跳转指令，指出主程序的入口，引导系统进入主程序运行。
3 I/O端口介绍
图2中还有P0~P3引脚。 这些引脚可以将单片机输出的高低电位信号传输给外部负载，也可以将片外其他器件输出的高低电位信号输入到单片机中。 因此，在微控制器中，这些引脚被称为输入输出端口，或者简称为输入输出端口。 输入/输出端口。 一个标准I/O端口一般由8条I/O端口线组成。 标准I/O端口的主要功能相当于一个8位锁存器，可以存储一个字节的二进制数据，以维持与之相连的8条端口线各自电位的高低状态。 图2中，对应AT89051引脚1～8的8根端口线P1.0～P1.7组成的标准端口标记为P1端口，对应引脚10～17的端口线P3组成的P3端口。 0到P3.7，第21到28引脚对应的8个端口线P2.0到P2.7形成P2端口，第32到39引脚对应的8个端口线P0.0到P0.7形成P2端口。 P0口。 有了这些标准的输入输出端口，使用起来非常方便。 这样，我们就可以编写一个程序，将某些数据（这些数据也可以称为控制字）存储到这些标准端口中，并且每个端口线的引脚会呈现不同的高低电位。 例如，如果我们向P0、P1、P2、P3端口发送数据#00H，则每个端口的每个端口线的电位状态将为“0000 0000”，即每个端口线都为低电位。 然后我们将数据#03H发送到P0端口。 P0.0至P0.7各端口线的电位为“0000 0011”，即只有P0.0和P0.1两根端口线对应的引脚为高电位。 另外，还应该知道P0口的P0.0～P0.7的位地址为80H～87H，P1口的P1.0～P1.7的位地址为90H～97H，P1口的P1.0～P1.7的位地址为90H～97H。 P2.0 至 P2.7 和 P3.0 至 P3.7 的位地址分别为 A0H 至 A7H 和 B0H 至 B7H。
4 I/O口结构
AT89C51单片机或其他兼容单片机，作为初学者，还必须掌握其I/O口结构和电流负载能力。 例如AT89C2051端口线负载能力可以达到25mA，AT89C51可以达到15mA等。我们以P1.0端口线为例，讲一下I/O端口结构。 图3是内部驱动器P1.0口线电气原理图。 从图中可以看出，驱动器的输入端连接到锁存器的Q。 驱动器的输出部分由4个场效应管组成。 N型管VT4为下拉管，P型管VT1、VT2、VT3为上拉管。 管子。 顺序是强上拉、弱上拉、中上拉。 当我们向P1.0位写入“1”时，Q为低电平，因此VT4截止，VT1、VT2、VT3导通。 VT1的导通过程稍微复杂一些。 图3中，VT1的栅极和Q之间连接有一个延时器件F1。该延时器件的导通状态维持时间为2个振荡周期。 也就是说，当Q为低电平时，延迟器F1导通，VT1也快速导通。 经过两个振荡周期后，延时电路处于开路状态，VT1截止。 因此，VT1仅在CPU向P1.0写入“1”后的短时间内导通，并利用强大的电流拉动能力来拉高P1.0引脚的电位。 经过2个振荡周期后，VT1截止，只有VT2和VT3导通。 如果此时P1.0引脚上的负载没有严重过载，则P1.0引脚的电位将高于2.1V。 该电势高于非门F3的阈值电压。 F3的输出端为低电位，与之相连。 VT3的栅极也处于低电位，VT3导通，提供适度的上拉电流，使P1.0输出的电流达到额定值； 如果P1.0引脚严重过载，比如被SB1短路到地，P1.0引脚的输出电位会很低，几乎为零。 该电势低于非门F3的阈值电压。 F3输出端为高电位，VT3截止，只有VT2提供微安级的弱上拉电流。 当SB1释放时，VT3再次导通，P1.0引脚电位和上拉负载能力恢复。 单片机标准端口的这种结构既安全又可靠。 由上不难得出结论，这些端口线无论处于什么状态都不怕对地短路，但一定不能直接与Vcc相连。 因为当端口线为低电位时，VT4导通。 如果此时将端口线直接连接到Vcc，则VT4可能被烧坏。 很多开发者都用这种方法烧掉某些端口线来实现加密。 当然，这是以牺牲单片机的端口资源为代价的。
2、CPU的工作过程
虽然CPU的结构复杂，并且依靠程序的支持来实现其强大的功能，但运行程序中执行每条指令的过程却非常简单，就是不断地从程序存储器中取出程序代码并遵循含义由代码表示。 来完成单个操作。 上述程序存储器的4096个存储单元就像4096个小抽屉，程序代码就像放在小抽屉里的工作指令。 CPU就像一个弱智者，只能按照抽屉里的指令操作，一次只能读取一条指令来完成简单的操作。 这个人一开始肯定会打开第一个抽屉。 如果第一个抽屉的纸条上写着“请到第二个和第三个抽屉的纸条上标记的抽屉中查找指定物品”。 “工作完成了”，他打开第二个、第三个抽屉，取出纸条，准确读取并确认第三个抽屉的号码。 如果两张纸条分别写着“10”和“08”，他就会打开第1008个抽屉，取出纸条完成操作。 这个过程相当于CPU执行一条无条件转移指令，从程序开头跳转到第1008个单元运行主程序。 如果抽屉1008中的注释说：“将#18黑板上的会议通知中的时间从下午2点更改为下午3点”，则该人将更改#18黑板上的会议通知中的时间。 擦掉2，改成3。这块18#黑板就像是RAM的第18单元。 这个操作相当于CPU执行一条数据发送指令。 前面提到的向各个I/O端口发送数据的过程也是如此。
单片机只是一个高级电路，它能理解人们给它的命令，并根据命令完成某些操作。 由它组成的各种智能系统的智能在程序，完成运算的能力在执行装置。 而且程序必须由人来编写。 因此，我们学习单片机时，必须在了解其结构和功能的基础上学习编程，能够为各种系统设计硬件和软件。 结合机器代码学习程序，有利于深入理解。 特别适合喜欢电路制作、能学到真技能的电子爱好者。 然而，机器码并不容易记住，在编译长程序时会遇到很多不便。 因此，当你能够熟练使用一些先进的开发设备时，你还必须掌握汇编语言。 ▲
