单片机基本组成原理与应用

单片机是微型计算机的一个分支，由硬件系统和软件系统构成。单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一台功能独特、完整的单片微型计算机。单片机是将CPU、存储器（RAM和ROM）、定时/计数器以及I/O接口等主要部件集成在一块芯片上的微型计算机。它具有功能强、体积小、抗干扰能力强、性价比高等特点，可作为常规器件应用于各种智能化系统中。单片机的典型结构如图1-13所示，主要由下面几部分组成。

图1-13　单片机的典型结构框图

1.中央处理器CPU

单片机中的中央处理器CPU与通用微处理器MPU基本相同，它由运算器和控制器组成。但它一般都增设“面向控制”的处理功能，如位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测以及中断处理等，从而增强了实时处理能力。

2.存储器M

单片机的存储空间有普林斯顿（Princeton）和哈佛（Harvard）两种基本结构。在普林斯顿结构中，程序和数据合用一个存储器空间，即ROM和RAM的地址同在一个空间里分配不同的地址。CPU访问存储器时，一个地址对应唯一的一个存储单元，可以是ROM，也可以是RAM，用同类的访问指令；在哈佛结构中，程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址，CPU用不同的指令访问不同的存储器空间。由于单片机实际应用中具有“面向控制”的特点，一般需要较大的程序存储器。目前MCS-51和80C51等系列的单片机均采用哈佛结构。

（1）数据存储器RAM。单片机中随机存取存储器（RAM）用来存储数据（运行期间的数据、中间结果、缓冲和标志位等），所以称之为数据存储器。一般在单片机内部设置一定容量（64～256B）的RAM，并以高速RAM的形式集成在单片机内，以加快单片机的运行速度。单片机内还把专用、通用寄存器在同一片RAM内统一编址，以利于运行速度的提高。另外，根据实际应用需要，还可以外部扩展数据存储器。

（2）程序存储器ROM。单片机中通常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中。由于编程完成后一般程序不会改变，因此程序存储器通常采用只读存储器ROM的形式，这也能提高软件抗干扰性。

单片机内部的程序存储器主要形式有：

1）无ROM。这种单片机内部无程序存储器，使用时必须在外部扩展程序存储器如MCS-51系列的8031、8032就是采用无ROM类型的单片机。

2）掩膜ROM。它是由半导体厂家在芯片生产封装时，将用户的应用程序通过掩膜工艺制作到单片机的ROM区中，一旦写入后用户不能修改。它适合于程序已定型，需要大批量使用的场合。如MCS-51系列的8051、8052就是采用掩膜ROM类型的单片机。(www.xing528.com)

3）PROM。这是用户一次性编程写入的程序存储器。用户可通过专用的写入器将应用程序写入PROM中，但只允许写入一次。

4）EPROM。此种芯片带有透明窗口，可通过紫外线擦除程序擦除存储器中的内容。应用程序可通过专门的写入器脱机写入到单片机中，需要更改时可通过紫外线擦除后重新写入。如MCS-51系列的8751、8752就是采用EPROM类型的单片机。

5）闪速（Flash）ROM。这是一种可由用户多次编程写入的程序存储器。它不需紫外线擦除，编程与擦除完全通过电来实现，数据不易挥发。编程/擦除速度比EPROM快得多，编程与擦除只需s级与ms级的时间。如AT89系列单片机的89C51、89C252带有Flash ROM，它可实现在线编程，或下载。这种型号产品有取代EPROM型产品的趋势。

3.并行I/O接口

单片机为了突出控制的功能，提供了大量功能强、使用灵活的并行I/O接口。这些并行的I/O接口不仅可灵活地选作输入口或输出口，又可作为系统总线或是控制信号线，从而为扩展外部存储器和I/O接口提供了方便。

4.串行I/O接口

高速的8位单片机都可提供全双工串行I/O接口，因而能和某些终端设备进行串行通信，或者和一些特殊功能的器件相连接。

5.定时/计数器

单片机在实际的应用中，往往需要精确地定时，或者需对外部事件进行计数，因而在单片机内部设置了定时/计数器电路。

除上面硬件模块外，单片机中还应集成中断处理系统等模块。