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1. 最小系统的组成及工作原理
1.1 设计要求
单片机最小系统，又称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，是单片机系统研究与开发的基础。单片机最小工控系统是指工业控制应用领域的单片机最小系统。最小系统的组成必须包含电源电路、复位电路、晶振电路、通信接口、人机交互电路等以保证单片机系统的正常工作。
1.2 系统原理方框图
图1 单片机最小系统框图
1.3 单片机工作原理
图2 AT89S51内部结构方框图
CPU是单片机的核心，它主要由运算器（ALU）、时序控制逻辑电路（控制器）以及各种寄存器等部件组成[1]。
（1）运算器的功能是进行算术和逻辑运算。它主要由算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）和寄存器组成，实现“加、减、乘、除、比较”等算术运算和“与、或、异或、求补、循环”等逻辑操作。运算器中还包含 一个布尔处理器，可以执行置位、清零、求补、取反、测试、逻辑与、逻辑或等操作。
（2）控制器的主要功能是产生各种控制信号和时序。在CPU内部协调各寄存器之间的数据传送，完成ALU的各种算术或逻辑运算操作；在CPU访问外部存储器或端口时，提供地址锁存信号ALE、外部程序存贮器选通信号PSEN以及读（/RD）、写（/WR）等控制信号。
（3）寄存器 CPU中还有一些寄存器，如累加器（ACC）、程序状态字（PSW）、B寄存器、程序计数器PC 、堆栈指针（SP）、指令寄存器（IR）等，这些寄存器有的在片内特殊功能寄存器空间有地址映像，它们既可看作CPU的寄存器，也可看作具有确定单元的存储单元。
累加器ACC（Accumulator） ACC是一个8位的寄存器，也是CPU中最重要、最繁忙的寄存器，许多运算中的数据和结果都要经过累加器。
程序状态字PSW（Program Status Word）是一个8位的寄存器，用于存放程序运行结果的一些特征。
B寄存器主要是和ACC配合完成乖法和除法运算，存放运算结果，不进行乖、除运算时，B寄存器可作为RAM使用。
程序计数器PC用来存放即将执行的指令地址。它是一个独立的16位寄存器，没有内存映射单元，总是指向将要执行的指令的地址，并具有内容自动加l的功能。
堆栈指针SP（Stack Pointer）为一个指向堆栈顶部的指针，当执行子程序调用或中断服务程序时，需要将下一条要执行的指令地址即PC值压入堆栈保存起来，当子程序或中断返回时，再将SP指向单元的内容回送到程序计数器PC中。
指令寄存器IR（Instruction Register）是存放指令代码，CPU执行指令时，由程序存储器中读取指令代码送入指令寄存器，经译码器译码后，由定时与控制部分发出相应的控制信号，以完成指令功能。
（4）布尔（位）处理器 除对字节（Byte）进行操作外，AT89S51单片机借用PSW中的C可以直接对位（Bit）进行操作，在进行位操作时，C就类似进行字节操作的ACC用作数据源或存放结果。通过位操作指令可以实现置位、清零、取反以及位逻辑运算等操作。
1.4 单片机的选择
AT89S51 8位单片机是MCS-51系列产品的升级版，有世界著名半导体公司ATMEL在购买MCS-51设计结构后，利用自身优势技术——（掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品[2]。AT89S52片内集成128字节程序运行空间、4K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片内资源丰富，有4组I/O控制端口、2个定时器、6个中断源、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。
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