单片机原理(1)：基本结构

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，是把组成微型计算机的主要功能部件（CPU、RAM、ROM、I/O口、定时/计数器、串行口等）集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。

单片机主要面对测控对象，突出的是控制功能，所以它的芯片内集成了很多面向测控对象的接口电路，如ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）、DAC（Digital to Analog Converter，数模转换器）、高速I/O口、PWM（Pulse Width Modulator，脉冲宽度调制器）、WDT（Watch Dog Timer，监视定时器，俗称“看门狗”）等。这些接口电路已经突破了传统的微型计算机体系结构，所以单片机也称MCU（Micro-Controller Unit，微控制器）。

单片机的种类十分广泛，现在市场上主流的有PIC系列、STM32系列、AVR等等。51系列单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，它们都是Intel公司1981年制造8位MCU Intel 8051衍生兼容品，其指令集称为MCS-51。这里以此为例介绍单片机工作原理。

引脚及功能

51单片机的通常采用的是40引脚的双列直插式封装（Dual In-line Package，DIP），引脚功能的定义如上图所示。
除去基本的电源引脚，其中：
* VSS：电源引脚，需要接地（GND）。
* XTAL1、XTAL2(External Crystal)：时间引脚，在片内XTAL1是振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端，XTAL2是振荡器反相放大器的输出。分别外接由两个电容与晶振的并联谐振时钟电路时，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端；使用外部时钟时，XTAL1接地或悬空，XTAL2引脚接外部时钟的输入。
* RST(Reset)：复位引脚，出现持续两个机器周期的高电平将导致单片机复位。
* ALE/PROG(Address Latch Enable/)：作ALE，为地址锁存允许控制，用于在访问外部存储器时锁存P0口输出的低8位地址，脉冲的频率大约为振荡器频率的1/6。作PROG，当内部程序存储器（EPROM）编程时，由此输入编程脉冲信号。
* PSEN(Programme Store Enable)：外部程序存储器选通信号。
* EA/Vpp(External Enable)：作EA功能，为外部程序存储器使能信号，低电平时，只能访问外部程序存储器。作Vpp，对EPROM编程时，用以施加编程电压。
* P0、P1、P2、P3：四个并行I/O口，每并行口8个引脚。

I/O口结构及功能

51单片机的32个I/O引脚，组成P0~P3四个8位的并行双向I/O口，内部的**特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR）**P0~P3分别是它们的端口锁存器，此外每个口还分别包含一个输出驱动器和输入缓冲器。四个并行口可以按字节操作，也可以按位操作。

P0

可作一般I/O口使用，应用系统采用外部总线结构时，也可以分时复用作为双向数据总线（Data Bus）和低8位地址总线（Address Bus）。

上图为P0口某一位的结构原理图。

当P0作I/O口时，CPU发出控制信号C=0，封锁与门，使场效应管V2截至，同时将下面的数据选择器（Multiplexer，MUX）拨到下方，将锁存器的Q¯¯¯端与场效应管（Field Effect Transistor）V1的栅极接通。

输出数据时，内部总线数据经锁存器、MUX、V1输出到引脚；输入数据后，上下两个三态输入缓冲器用以内部的读操作，分别实现读引脚和读锁存器。

要注意的是，P0口作为I/O口输出时，由于输出级为漏极开路电路，需要外接上拉电阻，才能输出高电平；输入后读取数据时，V1导通将输入的高电平拉为低电平造成误读，所以在进行输入操作前，要先向端口输出锁存器写“1”。

当P0口作地址/数据总线时，CPU发出控制信号C=1。由P0输出地址/数据信息时，与门打开，MUX将CPU内部地址/数据总线反向后与V1的栅极接通，V1和V2两个FET管构成推拉式输出电路，负载能力大大加强；输入数据时，是由下面的三态输入缓冲器进入内部数据的。

P1

四个I/O口中功能最简单，可做一般I/O口使用。其某一位的结构原理图如下。

其内部已有上拉电阻，可直接输出高电平，驱动拉电流负载。和P0一样，端口输入后读取数据时，要先向端口输出锁存器写“1”。

P2

可作一般I/O口使用，在应用系统采用外部总线结构时，仅用作高8位地址总线。其某一位的结构原理如下图：