单片机(第一讲)

第一讲单片机概述 本章内容 什么是单片机 单片机特点及应用 单片机工作过程 单片机硬件结构 1 了解该课程在本专业中的地位 课程研究内容 学习方法 2 认识单片机 了解单片机与嵌入式系统3 了解单片机的应用 4 了解目前常用的单片机类型 5 掌握单片机的数制与编码 在工业 农业 军事 保安 金融 仪器仪表 航空航天 医疗 通讯 办公设备 娱乐休闲 健身 体育竞赛 服务领域 大量单片机 嵌入式技术已经无处不在 正迅速改变着人们传统的生产和生活方式 一 什么是单片机 1 微型计算机硬件结构 常见的微机外形 微型计算机硬件结构 微机硬件组成 显示器 主机 键盘 鼠标 微型计算机硬件结构 内部结构 硬件系统 构成微机的实体和装置 软件系统 微机系统所使用的各种程序的总称 软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统 两者是相辅相成 缺一不可的 微型计算机系统 单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机 简称单片机 单片机实质上就是一个芯片 2 单片微型计算机 单片机的概念 单片机是微型计算机的一个分支 特别适用于控制领域 通俗的来讲 就是把中央处理器CPU CentralProcessingUnit 存储器 memory 定时器 I O Input Output 接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机 单片机又称为 微控制器MCU 中文 单片机 的称呼是由英文名称 SingleChipMicrocomputer 直接翻译而来的 3 单片微型计算机 单片机与嵌入式系统 单片机将CPU 中央处理器 存储器和输入输出接口集成在一个芯片中的微型计算机嵌入式系统针对自动控制应用而设计的 按照嵌入式应用要求设计全新的体系结构 微处理器 指令系统 总线方式 管理模式 将计算机做在一个芯片上 把这种以应用为中心 以计算技术为基础 软硬件可裁剪 针对具体应用系统 对功能 可靠性 成本 体积 功耗严格要求的专用计算机系统称为嵌入式系统 二 单片机的特点及应用 1 单片机的特点 体积小 重量轻 电源单一 功耗低 功能强 价格低 运行速度快 抗干扰能力强 可靠性高 可以嵌入到电子产品中 嵌入式应用系统 单片机的主要分类 1 按应用领域可分为 家电类 工控类 通信类 个人信息终端类等等 2 按通用性可分为 通用型和专用型 3 按总线结构可分为总线型和非总线型 4 按控制单元设计方式与采用技术的不同 可分为复杂指令集和精简指令集 2 单片机种类 2 单片机种类 目前8位单片机仍是单片机的主流机型 生产厂商 单片机的发展经历了由4位机到8位机 再到16位机的发展过程 美国微芯片公司 PIC16C 系列 PIC17C 系列 PIC1400系列 美国英特尔公司的MCS 48和MCS 51系列 美国摩托罗拉公司的MC68HC05系列和MC68HC11系列 美国齐洛格公司的Z8系列 日本电气公司的 PD78 系列 美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的F8 3870 系列等 1 8051系列单片机产品MCS 51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称 这一系列单片机包括如8031 8051 8751 8032 8052 8752等 其中8051是最早最典型的产品 该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增 减 改变而来的 所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机 而8031是前些年在我国最流行的单片机 INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司 所以有很多公司在做以8051为核心的单片机 当然 功能或多或少有些改变 以满足不同的需求 其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机 它是由美国ATMEL公司开发生产的 2 单片机种类 MCS 51系列单片机虽已有10多种产品 但可分为两大系列 MCS 51子系列与MCS 52子系列 MCS 51子系列中主要有8031 8051 8751三种类型 MCS 52子系列也有3种类型8032 8052 8752 MCS 51系列单片机各型号配置 2 其它单片机 1 Motorola的单片机Motorola是世界上最早开发单片机的著名厂商 是目前全球最大的8位单片机生产商 Motorola单片机的功能一般都很强 进入我国的时间也很早 在单片机应用领域有很高的威望 但由于其开发工具价格较高 影响了普及率 2 Microchip公司的PIC单片机Microchip公司是当今世界上第二大8位单片机生产商 Microchip单片机在我国也有比较多的用户 近几年随着Microchip不断推出颇具特色的各型单片机 Microchip已越来越受到业界的广泛关注 PIC单片机的主要特点是 精简了指令集 使得指令少 执行速度快 同时 功耗低 驱动能力强 3 单片机应用 工业方面 民用方面 仪表方面 电讯方面 数据处理方面 汽车方面 单片机的应用 1 在智能仪表中的应用 如智能仪器 医疗器械 数字示波器等 2 在工业方面的应用 单片机可以构成各种工业控制系统 数据采集系统等 如数控机床 自动生产线控制 电机控制 温度控制等 3 在电信业的应用 4 计算机外部设备与智能接口 如图形终端机 传真机 复印机 打印机 绘图仪 磁盘 磁带机 智能终端机等 5 在日常生活中的应用 如微波炉 电视机 空调 洗衣机 录像机 音响设备等 6 商用产品 如自动售货机 电子收款机 电子秤等 单片机内部结构示意图 单片机应用系统 单片机应用系统由硬件和软件组成 硬件是应用系统的基础 软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用 从而完成应用系统所要求的任务 二者相互依赖 缺一不可 注 本课程的重点 1 掌握单片机应用系统硬件原理的分析方法 2 掌握软件设计与调试的基本技能 动作选择按钮 红外线传感器 89C2051单片机 复位按钮 电源指示灯 从一个简单的测控应用实例说起 三 单片机的硬件结构 从一个简单的测控应用实例说起 任务一 控制一盏灯点亮 任务二 红灯周期性地点亮 熄灭 柔性开关 集群灯控 顺序控制 多任务定时切换 自动生产流水线 任务三 用开关控制彩灯不同的流动效果 实时控制 简单测控实例原理图 三 单片机硬件结构 结构框图 中央处理器CPU 8位 运算和控制功能 内部RAM 共256个RAM单元 用户使用前128个单元 用于存放可读写数据 后128个单元被专用寄存器占用 内部ROM 4KB掩膜ROM 用于存放程序 原始数据和表格 定时 计数器 两个16位的定时 计数器 实现定时或计数功能 并行I O口 4个8位的I O口P0 P1 P2 P3 串行口 一个全双工串行口 中断控制系统 5个中断源 外中断2个 定时 计数中断2个 串行中断1个 时钟电路 可产生时钟脉冲序列 允许晶振频率6MHZ和12MHZ 1 8051单片机的基本组成 中央处理器CPU 8位 运算和控制功能内部RAM 共256个RAM单元 用户使用前128个单元 用于存放可读写数据 后128个单元被专用寄存器占用 内部ROM 4KB掩膜ROM 用于存放程序 原始数据和表格 定时 计数器 两个16位的定时 计数器 实现定时或计数功能 并行I O口 4个8位的I O口P0 P1 P2 P3 串行口 一个全双工串行口 中断控制系统 5个中断源 外中断2个 定时 计数中断2个 串行中断1个 时钟电路 可产生时钟脉冲序列 允许晶振频率6MHZ和12MHZ 2 控制器组成 程序计数器PC ProgramCounter 指令寄存器IR InstructionRegister 指令译码器ID InstructionDecoder 堆栈指针SP 数据指针DPTR 定时控制逻辑和振荡器OSC等电路 功能 CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出 存放在IR中 ID对IR中的指令码进行译码 定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时 以产生执行本条指令所需的全部信号 1 运算器组成 8位算术逻辑运算单元ALU ArithmeticLogicUnit 8位累加器A Accumulator 8位寄存器B 程序状态字寄存器PSW ProgramStatusWord 8位暂存寄存器TMP1和TMP2等 功能 完成算术运算和逻辑运算 2 存储器 MCS 51单片机按程序存储器可分为内部无ROM型 如8031 和内部有ROM型 如8051 两种 程序存储器结构如右图所示 MCS 51的存储器可分为程序存储器和数据存储器 又有片内和片外之分 1 程序存储器一般将只读存储器 ROM 用做程序存储器 可寻址空间为64KB 用于存放用户程序 数据和表格等信息 片外RAM 最大范围 0000H FFFFH 64KB 用指令MOVX访问 片内RAM 最大范围 00H FFH 256B 用指令MOV访问 又分为两部分 低128B 00 7FH 为真正的RAM区 高128B 80 FFH 为特殊功能寄存器 SFR 区 如右图所示 一般将随机存储器 RAM 用做数据存储器 可寻址空间为64KB MCS 51数据存储器可分为片内和片外两部分 2 数据存储器 内部RAM的20H 2FH单元为位寻址区 既可作为一般单元用字节寻址 也可对它们的位进行寻址 位地址为00H 7FH CPU能直接寻址这些位 称MCS 51具有布尔处理功能 位地址分配如右表所示 3 特殊功能寄存器 SFR MCS 51有21个特殊功能寄存器 也称为专用寄存器 包括算术运算寄存器 指针寄存器 I O口锁存器 定时器 计数器 串行口 中断 状态 控制寄存器等 它们被离散地分布在内部RAM的80H FFH地址单元中 不包括PC 共占据了128个存储单元 构成了SFR存储块 其字节地址可被8整除的SFR可位寻址 SFR反映了MCS 51单片机的运行状态 特殊功能寄存器分布如右表所示 1 程序计数器PC ProgramCounter 程序计数器PC在物理上是独立的 它不属于SFR存储器块 PC是一个16位的计数器 专门用于存放CPU将要执行的指令地址 即下一条指令的地址 寻址范围为64KB PC有自动加1功能 不可寻址 用户无法对它进行读写 但是可以通过转移 调用 返回等指令改变其内容 以控制程序执行的顺序 2 累加器A Accumulator 累加器A是8位寄存器 又记做ACC 是一个最常用的专用寄存器 在算术 逻辑运算中用于存放操作数或结果 3 寄存器B寄存器B是8位寄存器 是专门为乘除法指令设计的 也作通用寄存器用 4 工作寄存器内部RAM的工作寄存器区00H 1FH共32个字节被均匀地分成四个组 区 每个组 区 有8个寄存器 分别用R0 R7表示 称为工作寄存器或通用寄存器 其中 R0 R1还经常用于间接寻址的地址指针 在程序中通过程序状态字寄存器 PSW 第3 4位设置工作寄存器区 5 程序状态字PSW ProgramStatusWord 程序状态字PSW是8位寄存器 用于存放程序运行的状态信息 PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的 但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变 其定义格式如下页表所示 其中 Cy 进借位标志 AC 辅助进借位标志 F0 用户标志 RS1 RS0 工作寄存器组 区 选择 如下表所示 OV 溢出标志位 有溢出时置1 P 奇偶标志位 A中有奇数个1时置1 6 数据指针DPTR DataPointer 数据指针DPTR是16位的专用寄存器 即可作为16位寄存器使用 也可作为两个独立的8位寄存器DPH 高8位 DPL 低8位 使用 DPTR主要用作16位间址寄存器 访问程序存储器和片外数据寄存器 7 堆栈指针SP StackPointer 堆栈是一种数据结构 是内部RAM的一段区域 堆栈存取数据的原则是 后进先出 堆栈指针SP是一个8位寄存器 用于指示堆栈的栈顶 它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置 MCS 51单片机的堆栈地址向大的方向变化 与微机堆栈地址向小的方向变化相反 系统复位后 SP初值为07H 实际应用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针SP进行初始化 一般设置SP为60H 设立堆栈的目的是用于数据的暂存 中断 子程序调用时断点和现场的保护与恢复 8 I O口专用寄存器 P0 P1 P2 P3 8051片内有4个8位并行I O接口P0 P1 P2和P3 在SFR中相应有4个I O口寄存器P0 P1 P2和P3 9 定时器 计数器 TL0 TH0 TL1和TH1 MCS 51单片机中有两个16位的定时器 计数器T0和T1 它们由4个8位寄存器 TL0 TH0 TL1和TH1 组成 2个16位定时器 计数器是完全独立的 可以单独对这4个寄存器进行寻址 但不能把T0和T1当做16位寄存器来使用 10 串行数据缓冲器 SBUF 串行数据缓冲器SBUF用于存放需要发送和接收的数据 它由两个独立的寄存器组成 发送缓冲器和接收缓冲器 要发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器SBUF进行的 11 其他控制寄存器除上述外 还有IP IE TCON SCON和PCON等几个寄存器 主要用于中断 定时和串行口的控制 4 I O接口 I O接口是MCS 51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路 用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力 8051内部有4个8位并行接口P0 P1 P2 P3 有1个全双工的可编程串行I O接口 5 定时器 计数器 8051内部有两个16位可编程序的定时器 计数器 均为二进制加1计数器 分别命名为T0和T1 T0和T1均有定时器和计数器两种工作模式 在定时器模式下 T0和T1的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经12分频后提供 在计数器模式下 T0和T1的计数脉冲可以从P3 4和P3 5引脚上输入 对T0和T1的控制由定时器方式选择寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON完成 2 MCS 51单片机信号引脚简介 P3口线的第二功能 VCC VSS XTAL2XTAL1 RST P0 0P0 1P0 2P0 3P0 4P0 5P0 6P0 7 P1 0P1 1P1 2P1 3P1 4P1 5P1 6P1 7 P2 7P2 6P2 5P2 4P2 3P2 2P2 1P2 0 ALE P3 0P3 1P3 2P3 3P3 4P3 5P3 6P3 7 2 振荡电路 XTAL1 XTAL2 3 复位引脚 RST 4 并行口 P0 P1 P2 P3 7 ALE 地址锁存控制信号 1 电源线 VCC 5V VSS 地 电源 VCC 芯片电源 接 5V 3 3V 2 7V VSS 接地端 时钟 XTAL1 XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端 控制线 控制线共有4根 ALE PROG 地址锁存允许 片内EPROM编程脉冲 ALE功能 用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能 片内有EPROM的芯片 在EPROM编程期间 此引脚输入编程脉冲 PSEN 外ROM读选通信号 RST VPD 复位 备用电源 RST Reset 功能 复位信号输入端 VPD功能 在Vcc掉电情况下 接备用电源 EA Vpp 内外ROM选择 片内EPROM编程电源 EA功能 内外ROM选择端 80C51单片机ROM寻址范围为64KB 其中4KB在片内 60KB在片外 80C31芯片无内ROM 全部在片外 当EA保持高电平时 先访问内ROM 但当PC 程序计数器 值超过4KB 0FFFH 时 将自动转向执行外ROM中的程序 当EA保持低电平时 则只访问外ROM 不管芯片内有否内ROM 对80C31芯片 片内无ROM 因此EA必须接地 Vpp功能 片内有EPROM的芯片 在EPROM编程期间 施加编程电源Vpp 4 IO端口线P0 P3口 4 8 32条 1 P0口 P0 0 P0 7 8位双向三态I O口 可作为外部扩展时的数据总线 低8位地址总线的分时复用口 又可作为通用I O口 每个引脚可驱动8个TTL负载 对EPROM型芯片 如8751 进行编程和校验时 P0口用于输入 输出数据 2 P1口 P1 0 P1 7 8位准双向I O口 内部具有上拉电阻 可作为通用I O口 每个引脚可驱动4个TTL负载 3 P2口 P2 0 P2 7 8位准双向I O口 内部具有上拉电阻 可作为外部扩展时的高8位地址总线 又可作为通用I O口 每个引脚可驱动4个TTL负载 对EPROM型芯片 如8751 进行编程和校验时 用来接收高8位地址 4 P3口 P3 0 P3 7 8位准双向I O口 内部具有上拉电阻 它是双功能复用口 作为通用I O口时 功能与P1口相同 常用第二功能 每个引脚可驱动4个TTL负载 作为第二功能使用时 各位的作用如下 P3 0 RXD 串行口输入端 P3 1 TXD 串行口输出端 P3 2 INT0 外部中断0请求输入端 P3 3 INT1 外部中断1请求输入端 P3 4 T0 定时 计数器0外部信号输入端 P3 5 T1 定时 计数器1外部信号输入端 P3 6 WR 外RAM写选通信号输出端 P3 7 RD 外RAM读选通信号输出端 3 存储器 80318751805189C51 256B 字节 4K 64K 64K 1 程序存储器 程序存储器 内部 外部 PC 程序存储器资源分布 中断入口地址 内部 外部 2 数据存储器 数据存储器 RAM 专用寄存器 内部RAM存储器 工作寄存器区选择位RS0 RS1 注意 一个单元地址对应有8个位地址MSB MostSignificantBit 最高有效位 LSB LeastSignificantBit 最低有效位 RAM位寻址区位地址表 高128个单元 离散分布有21个特殊功能寄存器SFR 11个可以进行位寻址 特别提示 对SFR只能使用直接寻址方式 书写时可使用寄存器符号 也可用寄存器单元地址 4 并行输入 输出电路结构 P0 0P0 1P0 2P0 3P0 4P0 5P0 6P0 7 P1 0P1 1P1 2P1 3P1 4P1 5P1 6P1 7 P2 7P2 6P2 5P2 4P2 3P2 2P2 1P2 0 P3 0P3 1P3 2P3 3P3 4P3 5P3 6P3 7 4个8位并行I O口 P0 P1 P2 P3 均可作为双向I O端口使用 1 特点 P0 访问片外扩展存储器时 复用为低8位地址线和数据线 P2 高8位地址线 P1 双向I O端口 P3 第二功能 ALE 指令1 MOVP1 00H 指令2 MOVP1 0FFH 指令3 MOVP1 0AAH 2 输出举例 指令4 CLRP1 0 指令5 SETBP1 0 0 5V 3 输入举例 ALE 读端口 MOVP3 11111111B MOVA P3 89C51 寄存器A 注 当I O端口作为输入使用时 需先向端口写入 1 使内部的FET截止 再读入引脚的状态 你知道P3 4对应寄存器A哪一位吗 你知道这是为什么吗 0 1 单片机的工作方式 MCS 51系列单片机的工作方式可分为 复位方式 程序执行方式 单片执行方式 掉电保护方式 节电工作方式和EPROM编程 校验方式 1 复位方式系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现 这种工作方式为复位方式 单片机在开机时都需要复位 以便CPU及其他功能部件都处于一种确定的初始状态 并从这个状态开始工作 MCS 51单片机在RST引脚产生两个机器周期 即24个时钟周期 以上的高电平即可实现复位 5 时钟电路与复位电路 1 时钟振荡电路 2 复位电路 单片机复位条件 必须使RST引脚持续2微秒高电平 外部时钟12MHz 谁知道复位电路怎么起到复位的作用 复位后 8051的各特殊功能寄存器的初始状态如下表所示 四 单片机的工作过程 取指过程 例 MOVA 09H74H09H 把09H送到累加器A中 执行过程 PC 0000H 01110100 00001001 PC PC 0001H 0002H 0000H 外部控制总线CB 取指过程 PC 执行过程 你知道PC的作用吗 五 单片机时序 时序 CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序 时序是用定时单位来描述的 MCS 51的时序单位有四个 分别是时钟周期 节拍 状态 机器周期和指令周期 1 MCS 51的时序单位 1 时钟周期 又称为振荡周期 节拍 用P表示 定义为单片机提供时钟信号的振荡源 OSC 的周期 它是时序中的最小单位 2 状态 用S表示 单片机振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的状态 一个状态有两个节拍 前半周期对应的节拍定义为P1 后半周期对应的节拍定义为P2 3 机器周期 通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期 MCS 51中规定一个机器周期包含12个时钟周期 即有6个状态 分别表示为S1 S6 若晶振为6MHz 则机器周期为2 s 若晶振为12MHz 则机器周期为1 s 4 指令周期 执行一条指令所需要的时间称为指令周期 它是时序中的最大单位 一个指令周期通常含有1 4个机器周期 指令所包含的机器周期数决定了指令的运算速度 机器周期数越少的指令 其执行速度越快 以机器周期为单位 指令可分为单周期 双周期和四周期指令 2 MCS 51指令的取指 执行时序 指令的集合称为程序 执行程序的过程就是执行指令的过程 单片机执行任何一条指令时都可以分为取指阶段和执行阶段 在取指阶段 CPU从程序存储器中取出指令操作码 送指令寄存器 再经指令译码器译码 产生一系列控制信号 完成本指令规定的操作 单周期和双周期指令的取指时序图如下页图所示 ALE信号是用于锁存低8位地址的选通信号 每出现一次该信号 单片机即进行一次读指令操作 当指令为多字节或多周期指令时 只有第一个ALE信号进行读指令操作 其余的ALE信号为无效操作 或读操作数操作 六 80C51型单片机的最小系统 使单片机能运行的最少器件构成的系统 无ROM芯片 8031必须扩展ROM 复位 晶振电路有ROM芯片 89c51等 不必扩展ROM 只要有复位 晶振电路 1 CPU主要的组成部部分为 B 加法器 寄存器 C 运算器 寄存器 D 运算器 指令译码器 A 运算器 控制器 课堂练习 2 8031有四个工作寄存器区 由PSW状态字中的RS1 RS0两位的状态来决定 单片机复位后 若执行SETBRS1指令 此时只能使用 区的工作寄存器 A 0区 B 1区 C 2区 D 3区 课堂练习 3 09H位所在的单元地址是 A 02H C 08H B 21H D 20H 课堂练习 4 单片机在进行取指令操作时 指令的地址是由 的内容决定 A SP C DPTR D PSEN和ALE B PC 课堂练习 5 P0 P1口作输入用途之前必须 A 外接高电平 B 外接上拉电阻 C 相应端口先置0 D 相应端口先置1 课堂练习 6 程序计数器PC用来 A 存放指令 B 存放上一条的指令地址 D 存放正在执行的指令地址 C 存放下一条的指令地址 课堂练习 1 数123可能是 A 二进制数B 八进制数C 十六进制数D 四进制数E 十进制数2 8031单片机内部RAM包括 A 程序存储区B 堆栈区C 工作寄存器及特殊功能区D 位寻址区E 中断入口地址区3 8051单片机CPU的主要功能有 A 产生控制信号B 存储数据C 算术 逻辑运算及位操作D I O端口数据传送E 驱动LED 思考题 思考题 4 单片机能够直接运行的程序是 A 汇编源程序B C语言源程序C 高级语言程序D 机器语言源程序5 十进制数126其对应的十六进制可表示为 A 8FB 8EC FED 7E6 十进制数89 75其对应的二进制可表示为 A 10001001 01110101B 1001001 10C 1011001 11D 1001001 117 二进制数110010010对应的十六进制数可表示为 A 192HB C90HC 1A2HD CA0H8 二进制数110110110对应的十六进制数可表示为 A