Microcontroller 8051 是一款專為嵌入式系統技術設計的基礎微控制器。Intel 在 1980 年代開發了這款控制器，採用哈佛架構。開發時使用了 NMOS 技術，但這種技術的功耗較高。因此，後來以 CMOS 技術重新設計。在後續版本中加入了字母 C。例如，8051 是一款 8 位元控制器。
這款微控制器的更新版本比舊版本的功耗更低。此控制器擁有兩個 64Kx8 大小的記憶體空間，以及兩條用於資料單元和程式的匯流排。此外，它還配備了 8 位元累加器單元和 8 位元處理單元。請繼續閱讀以了解此控制器的完整架構。
第 1 部分：什麼是 8051 微控制器方塊圖
8051 微控制器方塊圖展示了邏輯運算和記憶體分段的內部運作方式。
這張圖表幫助工程師、學生和愛好者了解微控制器的運作原理，以及各個組件之間如何互動。
8051 微控制器方塊圖的關鍵組件
所有組件都整合在單一晶片中。以下是 8051 控制器的組件清單。讓我們一起來看看。
1. 中央處理器（CPU）
此組件控制控制器的每一項操作，因此通常被稱為控制器的大腦。中央處理器的內建元件如下：
- ALU：這是算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit）的簡稱。此元件執行所有數學運算，如除法、乘法、減法和加法。此外，它還可以執行邏輯運算，包括 NAND、NOT、AND、XOR 和 OR。
- 程式計數器：程式計數器儲存 16 位元資料位址，同時追蹤程式序列。
- 堆疊指標：這是一個變數元件，用於儲存另一個變數的位址。它可以儲存最多 8 位元的位址，記錄資料最後一次儲存的位置。
- 累加器：這是一個 8 位元暫存器，會自動儲存控制器內所有數學運算的結果。
- 暫存器：這些通常被稱為儲存單元。8051 微控制器主要使用的暫存器為通用暫存器。此控制器總共包含 34 個通用暫存器。其中兩個暫存器 - A 和 B - 處理控制器的數學核心，而其他 32 個暫存器則是內部 RAM 的一部分。
- 時序與控制：它負責執行內部操作，控制資料流和 8051 微控制器的時脈信號頻率。
2. 振盪器電路
8051 微控制器的此組件產生時脈脈衝以執行控制器的操作。因此，它也被稱為時脈產生器。振盪器電路配備頻率諧振器和各種電子組件。頻率諧振器決定時脈脈衝的頻率和運作速度。
3. ROM 與 RAM
與所有微控制器一樣，8051 擁有特定記憶體來儲存程式碼和資料。這種記憶體通常稱為記憶體晶片。一般來說，記憶體分為兩種類型：RAM 和 ROM，如下所述。
- RAM：這是隨機存取記憶體（Random Access Memory）的簡稱。它負責儲存資料，因此被稱為晶片資料記憶體。
- ROM：「ROM」代表唯讀記憶體（Read Only Memory）。它的主要責任是儲存程式指令。當控制器運作或執行功能時，ROM 可以讀取程式。
4. 計時器與計數器
8051 微控制器配備了兩個 16 位元（或 2 位元組）計時器和計數器。計數器進一步分為 8 位元暫存器。它們用於計算事件數量，如脈衝計數、頻率測量、脈衝寬度測量等。此外，計時器和計數器也用於確定時間週期。
5. 中斷邏輯電路
此邏輯電路偵測 8051 微控制器中的中斷。它包含中斷優先級暫存器、中斷啟用暫存器以及其他多個元件。
6. 串列與並列 I/O 埠
8051 控制器有 4 個 I/O 埠用於連接外部裝置。由於控制器用於控制不同的機器操作，因此需要 I/O 埠來傳輸資料。
第 2 部分：什麼是腳位圖
8051 微控制器總共有 40 個腳位。我們可以使用腳位圖（積體電路或微控制器上腳位的視覺化表示）來查看它們的連接和功能。
其中一些腳位執行各自獨立的功能，而另一些則組合使用以在控制器內執行特定任務。讓我們進一步了解細節。
| 腳位 | 功能 |
|---|---|
| 1 至 8 | 這些腳位組合形成 Port 1。這是一個雙向 I/O 埠。 |
| 9 | 此腳位將控制器設定為初始值，因此被稱為重置腳位。 |
| 10 至 17 | Port 3 由這八個腳位組成。此埠用於各種功能，如中斷、計時器輸入，以及用於資料傳輸和接收的串列通訊指示器。Port 3 也稱為內部上拉埠。 |
| 18 和 19 | 這兩個腳位用於將給定系統時脈與外部晶體振盪器連接。 |
| 20 | 表示為 Vss。此腳位代表 8051 控制器的 0V 或接地電壓。 |
| 21 至 28 | Port 2 由這八個腳位組成。此埠用作 I/O 埠，它多工處理高位元位址匯流排。 |
| 29 | 這是 PSEN 或程式儲存啟用（Program Store Enable）。您可以使用控制器的此腳位從外部程式記憶體解讀信號。 |
| 30 | 這屬於 EA 或外部存取（External Access）。它用於禁止或允許外部記憶體的連接。此腳位連接到電源供應以將其設定為高電位。 |
| 31 | 這屬於 ALE 或位址鎖存啟用（Address Latch Enable）。它用於解多工 Port 0 位址資料指示，以便與外部記憶體連接。 |
| 32 至 39 | 這八個腳位組合形成控制器的 Port 0。這是一個雙向 I/O 埠，多工處理資料匯流排信號和低位元位址。要使用此埠，您需要外部連接的上拉電阻。 |
| 40 | 透過此腳位，您可以為電路提供電源供應。 |
第 3 部分：8051 微控制器的主要特性
使此控制器在市場上脫穎而出的潛在特性如下：
- 資料記憶體為 128 位元組晶片內建 RAM。
- 程式記憶體為 4096 位元組晶片內建 ROM。
- 此控制器有 32 位元輸入/輸出線，排列為四個 8 位元單元。
- 它有 16 位元計時器和計數器。
- 8051 微控制器的指令週期僅為一微秒，這是因為使用了 12MHz 晶體。
- 它具有 12 個使用者定義旗標。
- 控制器內有四個暫存器組，每組 8 位元。它具有直接位元和位元組定址功能。
- 它具有兩級優先中斷結構。
- 此控制器包含同位元運算功能、高速可程式化串列埠和多種模式。
- 它有三個內部中斷和兩個外部中斷。
- 一條 16 位元單向位址匯流排。
- 一條 8 位元雙向資料匯流排。
第 4 部分：如何製作 8051 微控制器方塊圖
8051 微控制器方塊圖用於了解微控制器的基本概念和運作方式。如果您使用正確的工具，製作這樣的方塊圖並不困難。
在這裡，我們將使用EdrawMax，一款專業的方塊圖工具。它也是一款多合一的圖表繪製工具，提供了許多功能：
- 範本庫：EdrawMax 提供大量設計範本庫。您可以在庫中找到多種圖表類型。
- 易於使用：EdrawMax 擁有使用者友善的介面和豐富的快速鍵。此外，還有快速指南幫助您快速製作圖表。
- 拖放功能：EdrawMax 具有拖放功能，讓工作變得更加輕鬆。您可以隨時新增圖片和設計。
現在，讓我們看看如何為 8501 微控制器建立方塊圖。
步驟 1：開啟新建並尋找方塊圖
開啟 EdrawMax，點擊「新建」並從選項中尋找「方塊圖」。
步驟 2：拖曳所需元素
拖曳完成方塊圖所需的所有元素。
步驟 3：排列元素並開始標記
排列元素並為每個元素標記，以使圖表更加清晰。
步驟 4：繪製元素之間的關係
新增所有元素之間的關係，並更改圖表的顏色，讓您的設計看起來更美觀。
步驟 5：匯出您的檔案
以您需要的格式匯出檔案，別忘了儲存原始檔案以供日後編輯。
第 5 部分：8051 微控制器應用
此控制器在不同領域提供廣泛的應用。8051 微控制器最常使用的三個領域如下：
1. 測量應用
此領域包括將 8051 微控制器用於電流錶物件、電壓錶應用、手持式計量系統，以及測量和旋轉物件。
2. 日常生活應用
涵蓋控制器在汽車應用、溫度感測和控制裝置、國防應用、火災偵測和安全裝置以及光感測工具中的使用。
3. 工業應用
此控制器在工業級別的製程控制裝置和儀器裝置中使用。
此控制器的其他應用包括能源管理、觸控螢幕、醫療裝置、機器人技術、遠端感測、家用電器、消費性應用等，應用範圍非常廣泛。
結語
8051 微控制器 - 一款單晶片電腦系統 - 使用單一積體電路結合記憶體、微處理器和各種周邊裝置的功能。透過這種整合，控制器為管理和控制各種電子系統提供了有效的解決方案。您可以透過其方塊圖了解 8051 微控制器的完整架構。
方塊圖顯示了所有組件，包括但不限於 CPU、記憶體、匯流排控制、中斷控制、計時器和計數器。在上面的討論中，介紹了 8051 微控制器的方塊圖，並簡要說明了所有組件和元素，以便更好地理解架構。
此外，上面的討論也包含了此控制器的腳位圖。它顯示了不同腳位如何分為不同類別。有些單獨使用，而有些則組合形成單一埠。上面也介紹了控制器的實際應用和特性。
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