无线货架自动控制系统 第9页

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第四章  硬件设计
4.1 单片机概论
单片机（Microcontroller，有称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。
本系统中单片机完成条码器输出的码制和数据判别，内置CRC纠检错协议，UART异步串口通信，通信协议封装，液晶显示完成等功能。低功耗及休眠管理。
1. 8051系列单片机的特点
8051单片机的基本结构见图4.1所示。
图 4.1　 8051单片机的基本结构
8051是MCS51系列单片机的一个产品。MCS51系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机，其结构特点如下：
（1）8位CPU；
（2）片内震荡及时钟电路；
（3）32根I/O线；
（4）外部存储器寻址范围ROM、RAM各64K；
（5）2个16位的定时器/计数器；
（6）5个中断源，2个中断优先级；
（7）全双工串行接口。
8051单片机系列指的是MCS51系列和其他公司的8051衍生产品。这些衍生品是在基本型基础上增强了各种功能的产品，如高级语言型、flash 型、EEPROM型、A/D型、DMA型、多并行口型等，这些产品给8位单片机注入了新的活力，给它的开发应用开拓了更广泛的前景。
2.  8051系列单片机的内部结构
8051系列的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断逻辑几部分。
 （1）中央处理器
8051的中央处理器由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）。
算术逻辑单元ALU能对数据进行加、减、乘、除等算术运算；“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以及位操作运算。
ALU只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中，运算结果可以送回ACC或通用寄存器或存储单元中，累加器ACC也可以写为A。B寄存器在乘法指令中用来存放一个乘数，在除法指令中用来存放除数，运算后B中为部分运算结果。
程序状态字PSW是个8位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其中七位。PSW的格式如下所示，其各位的含义是：
CY：进位标志。有进位/错位时CY=1，否则CY=0。
AC：半进位标志。当D3位向D4位产生进位/错位时，AC=1，否则AC=0，常用于十进制调整运算中。
F0：用户可设定的标志位，可置位/复位，也可供测试。
RS1、RS0：四个通用寄存器组选择位，该两位的四种组合状态用来选择0~3寄存器组。见表2-1。
OV：溢出标志。当带符号数运算结果超出-128~+127范围时OV=1，否则OV=0。当无符号数乘法结果超过255时，或当无符号数除法的除数为0时OV=1，否则OV=0。
P：奇偶校验标志。每条指令执行完，若A中1的个数为奇数时P=1，否则P=0，即偶校验方式。
控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器 、译码器以及地址指针DPTR和程序寄存器PC等。
表 4.1  RS1、RS0与工作寄存器组的关系
RS1 RS0 工作寄存器组
0 0 0组（00-07H）
0 1 1组（08-0FH）
1 0 2组（10-17H）
1 1 3组（18-1FH）

单片机时程序控制式计算机，即它的运行过程是在程序控制下逐条执行程序指令的过程：从程序存储器中取出指令送指令存储器IR，然后指令译码器ID进行译码，译码产生一系列符合定时要求的微操作信号，用以控制单片机的各部分动作。8051的控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机发出若干控制信息。这些控制信息的使用专门的控制线，诸如PSEN、ALE、EA以及RST，也有一些是和P3口的某些端子合用，如WR和RD就是P3.6和P3.7，他们的具体功能在介绍8051引脚是一起叙述。
（2）存储器组织
8051单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构称为哈佛结构单片机。这种结构与通用微机的存储器结构不同，一般微机只有一个存储器逻辑空间，可随意安排ROM或RAM，访存时用同一种指令，这种结构称为普林斯顿型。
8051单片机在物理上有四个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。
8051片内有256K数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且各有64KB的寻址范围。也就是最多可以在外部扩展2*64KB存储器。
8051的存储器组织结构如图4.2所示。
图 4.2   8051存储器组织结构
64K字节的程序存储器（ROM）空间中，有4K字节地址区对于片内ROM和片外ROM是公用的，这4K字节地址是0000H~FFFH。而1000H~FFFFH地址区为外部ROM专用。CPU的控制器专门提供一个控制信号EA用来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区：当EA接高电平时，单片机从片内ROM的4K字节存储器区取指令，而当指令地址超过0FFFH后，就自动的转向片外ROM取指令。当EA接低电平时，CPU只从片外ROM取指令。
表4.2  8051特殊功能寄存器一烙彭
符号 地址 注解
*ACC E0H 累加器
*B F0H 乘法寄存器
*PSW D0H 程序状态字
SP 81H 堆栈指针
DPL 82H 数据存储器指针（低8位）
DPH 83H 数据存储器指针（高8位）
*IE A8H 中断允许控制器
*IP D8H 中断优先控制器
*P0 80H 通道0
*P1 90H 通道1
*P2 A0H 通道2
*P3 B0H 通道3
PCON 87H 电源控制及波特率选择
*SCON 98H 串行口控制器
SBUF 99H 串行数据缓冲器
*TCON 88H 定时器控制
TMOD 89H 定时器方式选择
TL0 8AH 定时器0低8位
TL1 8BH 定时器1低8位
TH0 8CH 定时器0高8位
TH1 8DH 定时器1高8位
程序存储器的某些单元是保留给系统使用的：0000H~0002H单元是所有执行程序的入口地址，复位以后，CPU总是从0000H单元开始执行程序。0003H~002AH单元均匀地分为五段，用做五个中断服务程序的入口。用户程序不应进入上述区域。
数据存储器RAM也有64KB寻址区，在地址上是和ROM重叠的。8051通过不同的信号来选通ROM或RAM：当从外部ROM取指令时用选通信号PSEN，而从外部RAM读写数据时采用读写信号RD或WR来选通。因此不会因地址重叠而出现混乱。
8051的RAM虽然字节数不很多，但却起着十分重要的作用。256个字节被分为两个区域：00H~7FH时真正的RAM区，可以读写各种数据。而80H~FFH是专门用于特殊功能寄存器（SFR）的区域。对于8051安排了21个特殊功能寄存器，每个寄存器为8位，所以实际上128个字节并没有全部利用。
内部RAM的各个单元，都可以通过直接地址来寻找，对于工作寄存器，则一般都直接用R0~R7，对特殊功能寄存器，也是直接使用其名字较为方便。8051内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的，并可用“寄存器名.位”来表示，如ACC.0，B.7等。
这些寄存器分别用于以下各个功能单元：
CPU：ACC，B，PSW，SP，DPTR（由两个8位寄存器DPL和DPH组成）；
并行口：P0，P1，P2，P3；

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