单片机的基本组成原理与应用

前面已经说到，单片机本质上是计算机，它将CPU、存储器、各种I/O接口集成在一块芯片上，通过引脚与外界联系，组成单片机应用系统。那么，单片机芯片内部到底包括了哪些部件呢？图1-6所示为官方数据手册给出的STC15F2K60S2单片机组成框图。

图1-6 STC15F2K60S2单片机组成框图

请认真阅读图1-6，结合数据手册，列出STC15F2K60S2单片机的组成部件。

想一想

1.读者是否注意到偌大的“8051”字样？8051称之为“内核”，也可理解成架构。

2.STC15F2K60S2单片机的片内资源很丰富，比传统的8051单片机，多集成了许STC单片机本质上也是8051，但属于增强型的8051。它在8051的基础上增加了许多功能强大的部件。请读者查阅资料并回答，经典的8051单片机包括哪些组成部分？多实用的部件。正如厂家所说：提升的是性能，降低的是成本。请对照图1-6，说说STC15F2K60S2单片机相对于传统的8051多了哪些资源？

3.查阅数据手册，再次解释型号STC15F2K60S2各个部分代表什么意思。

温馨提示

当你遇到一个陌生的芯片，重视并学会通过“百度”等搜索工具查找芯片的相关信息是一项基本技能。

单片机本质上是计算机，下面简要介绍其基本组成部件的相关知识。需要特别强调的一点是，这里只要求读者大致了解这些基本知识即可。相信随着后续的学习与实践，读者可以逐步领悟。

1.2.2.1 CPU（中央处理器）

CPU是计算机的核心部件。可以认为CPU有两个主要技术指标：频率与字长。

频率越高，则计算机的计算速度越快。像现在的台式计算机、手机等的CPU都是1GHz以上，而8051作为计算机中的“小麻雀”，它的运行频率一般都在几十MHz左右，运行速度远不如现在多核的CPU。

字长，简单说就是计算机一次能处理的二进制位数。字长越长则处理的能力越强，且运算精度也越高。常见的计算机字长主要有：4位、8位、16位、32位、64位。据此，计算机也分为4位机、8位机、16位机、32位机、64位机等。8051是典型的8位机，因此其处理数据的能力肯定无法与32位、64位的CPU相提并论。

虽然8位单片机在运算速度和运算能力等方面，不如高端的计算机，但其“短小精悍”，在一些简单应用中仍具有巨大的市场与空间。一般又称单片机为微型控制器，即MCU（Micro Controller Unit）。

想一想

1.请读者观察身边的电气设备，特别是家电产品。哪些电器或设备使用了单片机作为控制核心？

2.不同单位频率之间的关系

1GHz=1000MHz=10³MHz

1MHz=1000kHz=10³kHz

1kHz=1000Hz=10³Hz

1Hz意味着1s变换1次，1000Hz意味着1s变换1000次，因此频率越高，则变换处理的速度越高。你知道STC15F2K60S2单片机的频率范围是什么？

1.2.2.2 存储器(www.xing528.com)

存储器是用来存放信息的，人们熟知的U盘、计算机硬盘、内存都属于存储器。单片机存储器分为程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。STC15系列单片机的程序存储器和数据存储器是独立编址的。好比1班和2班的学号是独立的，两个班级可以都有1号而互不冲突。当今的单片机，一般都在片内集成了足够的程序存储器和数据存储器，用户根据项目需要选型后，一般不需要进行外部扩充存储容量。

程序存储器用于存放用户程序、固定的数据或表格等信息。这些信息一旦存储，断电后信息不会丢失，用户一般只能读取，而不能随意修改。当今单片机使用的程序存储器一般是Flash（闪存）型的，用户可以通过串口实现用户程序的下载与调试工作，使用起来十分方便。当然，在批量十分巨大的场合，也有可能使用ROM型的程序存储器；该类型存储器一旦烧录，就无法变更，总体成本比Flash型存储器低很多。

数据存储器，也称为随机存储器，可随机读写，但断电后信息立即丢失，一般用于存取工作过程中的一些中间变量、运算结果等。STC15系列单片机芯片内的数据存储器可分为内部RAM和外部RAM两种。内部RAM数量不大，但个个速度较快，外部RAM数量较大，但速度较慢。

STC15系列单片机具体的存储器结构，本书不作详细的介绍。读者只需要明白程序存储器和数据存储器各自的作用就可以了。到此，读者是否对型号STC15F2K60S2中的“2K”和“60”有了一个感性的认识？“2K”是指单片机内部集成了容量为2KB的RAM，“60”是指单片机内部最多集成了60KB的ROM。

温馨提示

存储器的基本存储单元是“字节”——Byte，而最小的存储单元是“位”——bit。一个字节（Byte）等于8个位（bit）。以常见的U盘为例，其存储容量都是多少个GB，其中的“B”就是字节的意思，1GB有多少个字节呢？

1KB=1024B=2¹⁰B

1MB=1024KB=2²⁰B

1GB=1024MB=2³⁰B

读者是否觉得单片机内部的RAM或ROM的容量都太小了？事实上，单片机作为微型控制器（MCU），在一般应用上，STC15F2K60S2的存储器结构算是“豪华配置”了。这点在后续的学习中读者会有深刻的认识。

1.2.2.3 EEPROM Data Flash——断电保存数据Flash

EEPROM主要用于断电保存一些关键数据之用，这在现实生活中是很有益处的，比如mp3播放器，在播放中你因故需要关机，当下一次开机时，播放器会从上一次播放的点开始，这就需要在停机时保存这个“点”。要实现断电保存，为什么需要EEPROM呢？这是因为用来存放中间运算结果和变量的数据存储器RAM断电后数据将丢失，而有些数据或变量值一旦丢失，将会导致严重后果，怎么办呢？使用EEPROM就可以实现对这些关键数据的保存了。

STC15系列单片机的EEPROM本质上属于程序存储器，用户可以通过一些特殊功能寄存器的设置、操作，实现对EEPROM的读、写，继而实现对一些关键数据的断电保存。有关EEPROM的详细功能介绍与使用配置，数据手册中单列一章进行了详细介绍。

1.2.2.4 看门狗（WTD）

看门狗本质上是一个定时器，用户必须在某一个设定的时间内进行“喂狗”操作，否则这只看门狗就会“狂吠”，引起单片机复位。使用看门狗的好处是显而易见的，单片机是通过一个叫作“程序计数器（PC）”来实现程序的运行的，PC永远指向下一条将要被执行的指令的地址。试想一下，若是PC走神了或迷路了，指向非预定的指令，它将无法按预定的计划进行“喂狗”操作。一旦在规定时间内都没有进行“喂狗”操作，那么就可以认定：程序跑偏了，或陷入某个死循环，这时候只好复位单片机，“重新开始”。有关看门狗的详细功能介绍与使用配置，数据手册中单列一章进行了详细介绍。

1.2.2.5 时钟的有关概念

人们的生活需要时钟指示时间，在某个时间段做某些事。单片机也一样，需要有一个时间基准，包括CPU在内的各个功能部件，在这个时间基准下协调、有序地开展工作。这个时间基准的快慢即为“频率”，它由“时钟电路”产生。有关时钟电路在下文中有详细介绍，这里只以外部通过XTAL1和XTAL2接时钟晶体振荡器为例，介绍时钟的有关概念。

温馨提示

读者若急于认识单片机时钟电路有关内容，结合阅读下文“最小应用系统”中的时钟部分。

外部输入的时钟对应的周期称为时钟周期或振荡周期，这是单片机中最小的时间单位，好比“一分”是人民币的最小币值一样。如同现实生活中，一分钱难以买到什么物品一样，单片机中一个时钟周期也一般完成不了什么操作。单片机完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期，它一般是时钟周期的12倍，这就是所谓的“12T”时钟模式。传统8051单片机均采用“12T”模式。举个例子，假设使用12MHz的时钟，则时钟周期为1/12μs，机器周期则是12μs×1/12=1μs。

动一动

假设时钟为6MHz，请问时钟周期和机器周期各是多少？并请查阅资料，回答什么是指令周期？

本书所介绍的STC15F2K60S2单片机为“1T”单片机，简单说就是机器周期等于时钟周期，因此单片机的速度明显提升了。如上例，假设使用12MHz的时钟，则时钟周期是1/12μs，机器周期=时钟周期=1/12μs。