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51单片机是什么 51单片机的结构组成及特点

小编-林清悦 IC先生 8269 2023-03-22 16:26:21

51单片机是一种基于MCS-51指令集架构的8位单片机,也被称为8051单片机。它是目前应用最广泛的单片机之一,广泛应用于各种领域,如消费电子、工业控制、汽车电子、医疗器械等等。下面,我将从架构、特点、应用等方面详细介绍51单片机。

MCS-51指令集架构是Intel公司于1980年推出的一种8位微控制器架构,51单片机就是基于该架构设计的。该架构由CPU、总线系统、存储器、外部扩展接口等组成。CPU部分包括ALU、寄存器组、指针、程序计数器等。总线系统由数据总线、地址总线、控制线组成。存储器包括RAM、ROM、外部存储器等。外部扩展接口包括IO口、定时器、串口、中断控制器等。

51单片机,也称为STC单片机,是指一种由中国STC公司推出的单片机芯片。与其他单片机相比,51单片机的最大特点就是具有强大而又简单易学的汇编语言。

51单片机组成结构

一、51单片机的组成

1. CPU:中央处理器

51单片机的处理器核心采用 8051 内核架构,运行时钟频率通常为 4MHz 或更高。该处理器核心具有通用寄存器、累加器、标志位等,并内置了硬件中断、定时器/计数器、串口、ADC 等多种外设控制器。通过编写汇编或 C 语言代码,用户可以利用处理器核心完成各种算法、判断和控制任务中央处理器(CPU)中央处理器是51单片机的核心部件,它是负责执行各种指令的控制中心。在51单片机中,CPU由A片和B片两个部分组成,A片是51单片机的主处理器,B片则是帮助A片完成一些显示和定时等功能。51单片机支持工作频率最高为12MHz的晶振,并可通过时钟分频器实现低功耗,高精度的计数器。

2. 内存:RAM和ROM 、SFR

51单片机的存储系统包括程序存储器 ROM、数据存储器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR 三个部分。其中,ROM 用于存储程序代码,RAM 用于存储数据,而 SFR 则包含了各种与外设交互的寄存器和控制寄存器。

ROM 存储器通常采用 NOR 快闪或 EEPROM 技术,具有高速度、可靠性和非易失性等特点。51单片机的 ROM 存储器容量通常为 4KB 或 8KB,能够存储数十条程序指令。ROM 和 RAM 存储器的地址空间相互独立,但数据总线是共享的。

RAM 存储器通常采用 SRAM 技术,具有高速读写和低功耗等特点。51单片机的 RAM 存储器容量通常为 128B、256B 或 512B,可用于存储变量、寄存器和堆栈等数据。

SFR 寄存器包含了通用定时器计数器、串口通信控制器、ADC 控制器、IO 口控制寄存器等,用于与外设交互和控制。通过对 SFR 寄存器的读写操作,可以实现对外设的控制和数据传输。RAM(随机访问存储器)是用于存储临时数据的一种内存,可读可写,因此称为“随机访问存储器”。与RAM不同,ROM(只读存储器)是一种只能读取不能写入的内存。51单片机中的RAM和ROM分别用来存储程序和数据。此外,51单片机还支持外部扩展ROM和RAM的接口。

3. I/O端口:输入输出端口

输入/输出端口(I/O)是用来连接外部设备的接口。51单片机中,I/O端口可分为四类,分别是:P0口、P1口、P2口和P3口。每个端口都由8个单独的I/O控制口组成,可以通过程序配置实现输入输出功能。51单片机的 IO 口包括了 32 个可编程 IO 口和 5 个双功能 IO 口。其中,每个可编程 IO 口都可以配置为输入或输出,并具有上拉电阻和中断功能等。双功能 IO 口还可以用于外部中断和定时器/计数器等控制器。


4. 定时器/计数器

51单片机中配有两个定时器/计数器T0和T1。T0和T1均可用于计时和计数操作,支持多种工作模式。其中,T0的最大计数值为2^16(65535), T1的最大计数值为2^16(65535)。此外,51单片机还支持一个PWM输出模式的定时器。定时器/计数器的工作方式可以通过对 SFR 寄存器的设置进行配置,从而实现各种定时和控制任务。

5. 中断控制器

中断控制器是负责处理中断请求的部件,可保证程序运行的及时性。51单片机中,中断控制器包含5个中断源,分别是:外部中断0、外部中断1、定时器0中断、定时器1中断和串口中断。

6. 串口/通信接口

51单片机配备了一个具有固定波特率的串行通信接口UART。UART通信可以通过异步方式工作,以简化所有串行通信任务。51单片机还支持SPI总线和I2C总线等多种通信方式。51单片机内置了一个可编程的串口通信控制器,支持多种波特率、数据位、停止位和校验方式。通过对 SFR 寄存器的设置和串口数据缓存区的读写操作,可以实现与其他设备的数据通信和控制。

7.ADC 控制器

51单片机内置了一个 8 位的模数转换器 (ADC) 控制器,用于实现模拟量到数字量的转换。通过对 SFR 寄存器的设置和 ADC 输入引脚的配置,可以实现模拟信号的采样和变换。

8. 外设接口

51单片机还支持多种外设接口,例如A/D转换器、LCD显示屏、键盘等。这些外设接口可以通过51单片机的定时器/计数器和中断控制器等资源进行控制和管理,以实现更多的实际应用。


二、特点

1. 体积小,功耗低,可靠性高;

2. 51单片机有较强的弱电特性,能够适应各种环境;

3. 支持编程烧录,方便维护;

4. 可编程性强,拓展性好,具有通用性;

5. 其指令系统简洁,易于编程。

三、应用

1. 家电控制:电风扇、电冰箱、空调等;

2. 工业控制:PLC、传感器与执行机构的控制、工业计时器等;

3. 汽车电子:汽车点火系统、电动汽车控制等;

4. 医疗器械:心电图仪、血压计、数字血糖仪等;

5. 安全系统:无线门禁系统、智能锁、闸机等。

四、总结

51单片机具有广泛的应用场景,因此学习掌握其编程方法和应用技巧非常有必要,特别是面向物联网、机器人等领域的工程师们。总体来说,51单片机的架构设计简单、功能完善、扩展性好、易于集成和应用。它已成为嵌入式系统设计中的一种重要芯片,并被广泛应用于工业控制、汽车电子、家电控制、智能家居、医疗器械、物联网等领域中。

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