《单片机原理及应用》全套教学课件（完整版）

1、2021-11-12学习目标：学习目标：1 1掌握数制及其转换方法。掌握数制及其转换方法。2 2了解数据表示方法及其编码。了解数据表示方法及其编码。3 3了解单片机基础知识。了解单片机基础知识。2021-11-13一、什么是单片机？一、什么是单片机？单片机就是单片微型计算机单片机就是单片微型计算机, 是将计算机的中央处理是将计算机的中央处理器器( (CPUCPU) )、存储器（存储器（ROM,RAMROM,RAM）、）、输入输入/ /输出（输出（I/I/O）接接口等集成在一小块硅片上的微型机口等集成在一小块硅片上的微型机。2021-11-14RAMI/O接口接口电路电路CPU时时 钟钟定时器定

2、时器/计数器计数器ROM2021-11-15史史，形成形成两大分支：两大分支：1 1、独立使用式微机、独立使用式微机（ PCPC机机）：PCPC机系统全力实现机系统全力实现海量高速数据处理，兼顾控制功能。海量高速数据处理，兼顾控制功能。2 2、嵌入式微机嵌入式微机单片机：单片机系统全力满足测控对单片机：单片机系统全力满足测控对象的测控功能，兼顾数据处理能力。象的测控功能，兼顾数据处理能力。 单片机作为工业控制和数据处理的计算机，单片机作为工业控制和数据处理的计算机，它的它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,也也被称为被称为“微控制器微控制器”、

3、“微处理器微处理器”（Micro-Micro-controller, Micro-processorcontroller, Micro-processor）。）。 主要有：主要有：4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位等位等2021-11-16 1976-19781976-1978 初级初级8 8位单片机位单片机 Intel MCS-48 Intel MCS-48 系列系列 1978-1978-19831983 高档高档8 8位单片机位单片机 Intel MCS-51Intel MCS-51系列系列：-51-51子系列：子系列：8031/8051/87518031/8051/8

4、751-52-52子系列：子系列：8032/8052/87528032/8052/8752 低 功 耗 型低 功 耗 型 8 08 0 C 3 1C 3 1 高 性 能 型高 性 能 型 8 08 0 C 2 5 2C 2 5 2 廉 价 型廉 价 型8989C2051/1051C2051/1051 1983- 1983- 9090年代初年代初 1616位单片机位单片机 Intel MCS-96 Intel MCS-96 系列系列8098/80968098/8096、8080C198/80C196C198/80C196 9090年代初年代初- -至今至今 1616位单片机高档位单片机高档323

5、2位单片机位单片机2021-11-17存储器结构存储器结构 计算机有两种存储结构：计算机有两种存储结构： 哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开。哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开。 普林斯顿结构：程序存储器和数据存储器合并普林斯顿结构：程序存储器和数据存储器合并。 单片机采用哈佛结构体系2021-11-181.采用哈佛体系结构采用哈佛体系结构2.采用面向控制的指令系统采用面向控制的指令系统3.引脚功能服用引脚功能服用4.片内片内RAM作寄存器作寄存器5.类型齐全类型齐全6.功能通用功能通用具有三高优势具有三高优势(集成度高、可靠性高、性价比高集成度高、可靠性高、性价比高)。2021-11-1

6、9 单片机单片机主要应用于工业检测与控制、计算主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。电器等。 特别适合于嵌入式微型机应用系特别适合于嵌入式微型机应用系统。统。 单片机开发系统有单片单板机和仿真器。单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。实现单片机应用系统的硬、软件开发。2021-11-1101946-1958 1946-1958 第一代电子管计算机第一代电子管计算机。磁鼓存储器，机器语。磁鼓存储器，机器语言、汇编语言编程。言、汇编语言编程。1958-1964 1958-1964 第二代晶体管计

7、算机第二代晶体管计算机。磁芯作主存储器磁芯作主存储器, , 磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。1964-1971 1964-1971 第三代集成电路计算机第三代集成电路计算机。使用。使用半导体存储半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。器，出现多终端计算机和计算机网络。1971- 1971- 第四代大规模集成电路计算机第四代大规模集成电路计算机。出现微型计出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。算机、单片微型计算机，外部设备多样化。1981- 1981- 第五代人工智能计算机第五代人工智能计算机。模拟人的智能和交流模拟人的智能和交流方式。方

8、式。一一、 发展概况发展概况2021-11-111 微型化微型化 便携式、低功耗便携式、低功耗 巨型化巨型化 尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度高速度 智能化智能化 模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力能力 系列化、标准化系列化、标准化 便于各种计算机硬、软件兼容和便于各种计算机硬、软件兼容和升级升级 网络化网络化 网络计算机和信息高速公路网络计算机和信息高速公路 多机系统多机系统 大型设备、生产流水线集中管理大型设备、生产流水线集中管理( (独立控独立控制、故障分散、资源共享制、故障分散、资源共享) )2

9、021-11-112微型计算机系统微型计算机系统硬件硬件微型计算机微型计算机（主机主机）微处理器微处理器 (CPU)软件软件外围设备外围设备运算器运算器控制器控制器存储器存储器 (内存内存)RAMROM外部设备外部设备辅助设备辅助设备 输入设备输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪键盘、扫描仪、语音识别仪) 输出设备输出设备(显示器、打印机、绘图仪、显示器、打印机、绘图仪、) 辅助存储器辅助存储器(磁带、磁盘、光盘磁带、磁盘、光盘)输入输入/ /输出接口输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC) (I/O接口接口) 总线总线 (AB、DB、CB)系统软件系统软件( (操作系统，编辑、编译程

10、序，故障诊断操作系统，编辑、编译程序，故障诊断, ,监控程序监控程序) )应用软件应用软件( (科学计算，工业控制，数据处理科学计算，工业控制，数据处理) )程序设计语言程序设计语言( (机器语言、汇编语言、高级语言机器语言、汇编语言、高级语言) )电源电路电源电路时钟电路时钟电路2021-11-113运算器：实现算术运算或逻辑运算运算器：实现算术运算或逻辑运算包括：算术逻辑单元包括：算术逻辑单元ALU、累加器、累加器A、暂存寄存器、暂存寄存器TR、标志寄存器标志寄存器F或或 PSW、通用寄存器、通用寄存器GR 中央处理器中央处理器 CPU 运算器和控制器集成在一个芯片上运算器和控制器集成在一

11、个芯片上控制器：中枢部件，控制计算机中的各个部件工作控制器：中枢部件，控制计算机中的各个部件工作包括：指令寄存器包括：指令寄存器 IR、指令译码器、指令译码器ID、程序计数、程序计数器器PC、定时与控制电路、定时与控制电路2021-11-114 存储器：存储器：记忆，由存储单元组成。记忆，由存储单元组成。 包括：包括：ROM、 RAM 总线总线BUS ：在微型计算机各个芯片之间或芯在微型计算机各个芯片之间或芯片内部之间传输信息的一组公共通信线。片内部之间传输信息的一组公共通信线。包括：数据总线包括：数据总线DB：双向，宽度决定了微机的位数。：双向，宽度决定了微机的位数。 地址总线地址总线AB：

12、单向，决定：单向，决定CPU的寻址范围。的寻址范围。 控制总线控制总线CB：单向：单向 I/O接口：接口：数据输入输出。数据输入输出。 包括：输入接口、包括：输入接口、 输出接口输出接口2021-11-115 字长：字长： CPUCPU能并行处理二进制的数据位数能并行处理二进制的数据位数 8 8位机、位机、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机。位机。 内存容量：内存容量：存储单元能容纳的二进制数的位数存储单元能容纳的二进制数的位数 容量单位：容量单位：1 1K=2K=21010=1024=1024，1M=21M=22020=1KK=1KK 8K8K、64K64K、1616M M

13、、64M64M。 运算速度：运算速度：CPUCPU处理速度处理速度时钟频率、主频、每秒运算次数时钟频率、主频、每秒运算次数 6 6MHzMHz、12MHz12MHz、2424MHzMHz、100MHz100MHz、300MHz300MHz。 内存存取时间：内存存取时间：内存读写速度内存读写速度 5050nS nS 、70nS 70nS 、200200nS nS 。2021-11-116 使用有限个基本数码来表示数据，按进位的方法进行计数称为进位计数制进位计数制。包含两大要素：基数和位权基数和位权基数：用来表示数据基本数码的个数基数：用来表示数据基本数码的个数J，此数后此数后必须进位。必须进位。

14、 位权：数码在表示数据时所处的数位所具有的固定位权：数码在表示数据时所处的数位所具有的固定值值J i。 简称简称“权权”。2021-11-1171、 十进制D 符号集：符号集：0 09 9 规则：逢十进一。规则：逢十进一。例例 1234.5=1 1234.5=110103 3 +2+210102 2 +3+310101 1 +4+410100 0 +5+51010-1-1 加权展开式以加权展开式以1010为为基数，各位系数为，各位系数为0 09 9。 10103 3 10102 2 10101 1 10100 0 1010-1 -1 位权一般表达式：一般表达式： N ND D= d= dn-1

15、n-11010n-1n-1+d+dn-2n-21010n-2 n-2 + +d+d0 010100 0 +d+d-1-11010-1-1+ +2、二进制B 符号集：符号集：0 0、1 1 规则：逢二进一规则：逢二进一。3、十六进制H 符号集：符号集：0 09 9、A AF F 规则：逢十六进一。规则：逢十六进一。2021-11-118 1、十进制用于计算机输入输出，人机交互。十进制用于计算机输入输出，人机交互。 二进制为机器中的数据形式。二进制为机器中的数据形式。 十六进制用于表示二进制数。十六进制用于表示二进制数。 2 2、不同进位制数以下标或后缀区别不同进位制数以下标或后缀区别, ,十进制

16、数可不十进制数可不带下标。带下标。 如如:101:101、101101D D、101101B B、101101H H、101H101H表1-2-1 不同进位记数制对照表十进制二进制 十六进制 十进制二进制 十六进制000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F2021-11-119整数转换法整数转换法“除基取余除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高

17、位。每除一次取一个余数，从低位排向高位。1. 39转换成二进制数转换成二进制数39 =100111B2 39 1 （ b0） 2 19 1 （ b1） 2 9 1 （ b2） 2 4 0 （ b3） 2 2 0 （ b4） 2 1 1 （ b5） 0 2. 208转换成十六进制转换成十六进制数数 208 = D0H16 208 余余 016 13 余余 13 =DH 02021-11-120小数转换法小数转换法 “乘基取整乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排或达到转换精度要求的位数

18、。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。到最低位。举例：2. 0.625转换成十六进制数转换成十六进制数 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH3. 208.625 转换成十六进制转换成十六进制数数208.625 = D0.AH1. 0.625转换成二进制数转换成二进制数0.625 2 1.250 1 (b-1) 2 0.5 0 0 (b-2) 2 1.0 1 (b-3) 0.625 = 0.101B2021-11-121 先展开，然后按照十进制运算法则求和。先展开，然后按照十进制运算法则求和。举例举例：1011.10101011.1010B=1B=12 23 3+1+12

19、 21 1+1+12 20 0+1+12 2-1-1 +1+12 2-3-3=11.625=11.625DFC.8DFC.8H H=13=1316162 2+15+1516161 1+12+1216160 0+8+81616-1-1 = 3580.5= 3580.52021-11-122 最高位为符号位，最高位为符号位，0 0表示表示 “+” “+”，1 1表示表示“”。数值位与真值数值位相同。数值位与真值数值位相同。原码表示简单直观原码表示简单直观, ,但但0 0的表示不唯一，加减运算复杂的表示不唯一，加减运算复杂。2、反码、反码 正数的反码与原码相同正数的反码与原码相同 负数的反码符号不变

20、，数值按位取反负数的反码符号不变，数值按位取反有符号数通常使用三种表示方法：1、原码、原码 机器中，数的符号用机器中，数的符号用“0”“0”、“1” “1” 表示。表示。 最高位作符号位最高位作符号位“0”“0”表示表示“+“+”，“1”“1”表示表示“-”“-”。2021-11-1233、补码、补码 正数的补码表示与原码相同。正数的补码表示与原码相同。 负数补码的符号位为负数补码的符号位为1 1，数值位等于反码加，数值位等于反码加1 1。 补码表示的优点：补码表示的优点：0 0的表示唯一，加减运算方便。的表示唯一，加减运算方便。 Y Y-X=Y+-X-X=Y+-X补补 计算机中的数均采用补码

21、表示！计算机中的数均采用补码表示！2021-11-124例：求十进制数例：求十进制数876876的的BCDBCD码码 876 876BCD BCD = 1000 0111 0110= 1000 0111 0110二进制代码表示的十进制数。二进制代码表示的十进制数。8421 8421 BCDBCD码码2021-11-125美国标准信息交换码美国标准信息交换码ASCIIASCII码，用于计算机码，用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息。与计算机、计算机与外设之间传递信息。行行列列0000010100111001011101110000NULDLESP0P、p0001SOHDC1!1AQaq0

22、010STXDC2”2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB 7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM )9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+ ；Kk1100FFFS ，Ll 1101CRGS=Mm1110SORSNn1111SIUS/ ？O_oDEL2021-11-126 位：位：Bit 数据最小单位数据最小单位 字节：字节：Byte 8位二进制数定义为一字节位二进制数定义为一字节 字长：组成计算机一个字的位数字长：组成计算机一

23、个字的位数 8位机其一个存储单元表示位机其一个存储单元表示0255范围的范围的数数 8 8位机、位机、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机。位机。2021-11-127第二章 单片机的硬件结构2021-11-128第二章 单片机的硬件结构2021-11-129 硬件配置硬件配置基本配置：基本配置：1. 81. 8位位CPUCPU2. 2. 片内片内ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM3. 3. 片内并行片内并行 I/OI/O接口接口4. 4. 片内片内1616位定时器位定时器/ /计数器计数器5. 5. 片内中断处理系统片内中断处理系统6. 6. 片内全双工串行片

24、内全双工串行I/OI/O口口不同型号不同型号MCS-51单片机单片机CPU处理能力和指令系统完处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同接口的配置有所不同。2021-11-1302021-11-131一、中央处理器一、中央处理器CPU 主要指运算器、控制器主要指运算器、控制器 决定单片机的主要性能指标：字长、运行速决定单片机的主要性能指标：字长、运行速度、数据处理能力，中断和实时控制能力。度、数据处理能力，中断和实时控制能力。2021-11-1321、运算器、运算器 进行算术和逻辑运算进行算术和逻辑运算 ，8位位 主要包括算术逻辑单元主要包括算术逻辑单

25、元ALU、累加器、累加器ACC、暂存器、程序状态字暂存器、程序状态字PSW、B寄存器寄存器 主要任务：主要任务：算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算位操作位操作数据处理数据处理利用程序状态寄存器利用程序状态寄存器PSW表述当前运行状表述当前运行状态态2021-11-1331）算术逻辑单元）算术逻辑单元ALU 即加法器，是核心部件，进行算术逻辑运算，其中乘（MUL）、除（DIV）运算是执行时间最长的指令。2）累加器）累加器ACC 累加器ACC是最常用的专用寄存器。进入ALU作算术操作和逻辑操作的操作数很多来自ACC，操作的结果也常送回ACC。 3）B寄存器寄存器 是ACC的辅助寄存器，在乘除时，AC

26、C不够用便使用B寄存器。2021-11-1342、控制器、控制器 控制器是控制器是CPU的大脑中枢，它以定时控制逻辑为中的大脑中枢，它以定时控制逻辑为中心，按照人们预先给定的计算步骤，即预先编写好心，按照人们预先给定的计算步骤，即预先编写好的已经输入到计算机存储器中的程序发出一系列控的已经输入到计算机存储器中的程序发出一系列控制信号，控制计算机各个部件的工作，如运算、存制信号，控制计算机各个部件的工作，如运算、存储等。储等。 包括指令寄存器包括指令寄存器IR、指令译码器、指令译码器ID、数据指针、数据指针DPTR、程序计数器（指针）、程序计数器（指针）PC、堆栈指针堆栈指针SP、以及控制电路（

27、时序电路、中断控制部件、微操作以及控制电路（时序电路、中断控制部件、微操作控制部件）。控制部件）。 2021-11-1351）程序计数器）程序计数器PC（程序指针）（程序指针） 16位的地址指针，专门用来控制指令执行顺序的寄存器，其中的内容总是下一条要执行的指令的地址。可以对64K字节的程序存储器直接寻址。 复位时，PC=0000H，使程序从0单元开始执行。通常单片机每取一个字节机器码，PC就自动加1，从而保证了指令的顺序执行。 转移指令可强行改变PC的内容。2021-11-1362）时序）时序 指按照指令功能发出一系列在时间上有一定次序的信号，控制和启动一部分逻辑电路完成某种操作。 CPU需

28、要一个时钟，在XTAL1和XTAL2上接石英晶体和微调电容构成振荡器。频率为412MHz2021-11-1373）指令寄存器）指令寄存器IR ID是8位寄存器，用于存放从ROM中取出的指令码。而且每条指令的第一个字节一定是操作码，其后的指令码可以是操作数或操作码。 指令译码器指令译码器ID ID可以对指令码进行译码，即判断出存放的是操作命令（操作码）还是操作数（操作数可以是操作地址或立即操作数），以进行下面的工作。这些工作是自动完成的。2021-11-1384）微操作控制部件）微操作控制部件 逻辑门电路，将ID信号和时序向片内各部件送高低电平。 中断控制部件中断控制部件 自动完成“中断申请”、

29、“中断相应”、“恢复断点”等工作。2021-11-139二、内部二、内部RAM 单片机内部数据单片机内部数据RAM共共256字节。分为低字节。分为低128B和高和高128B地址空间。地址空间。 低低128B地址空间的地址空间的RAM常称为片内常称为片内RAM； 高高128B地址空间的地址空间的RAM 称为特殊功能寄存器称为特殊功能寄存器SFR。 但但SFR18个寄存器只占用了个寄存器只占用了21B供用户使用。供用户使用。 其他的其他的107B系统保留。系统保留。2021-11-1402021-11-1411)片内片内RAM（007FH）工作寄存器区：（工作寄存器区：（32B）字节地址：字节地址

30、：00H1FH位寻址区：（位寻址区：（16B）字节地址：字节地址：20H2FH位地址为：位地址为：00H7FH数据缓冲区：（数据缓冲区：（80B）字节地址：字节地址：00H7FH一般使用一般使用30H7FH2021-11-142三、片内三、片内ROM ROM用于存放程序、原始数据及表格。用于存放程序、原始数据及表格。 8051：片内：片内4K掩膜掩膜ROM 8031：片内：片内ROM 8751：片内：片内4K EPROM2021-11-143四、定时器四、定时器/计数器计数器 MCS-51系列单片机典型产品系列单片机典型产品8051等单片机等单片机内部有内部有2个可编程的个可编程的16位定时器

31、位定时器/计数器计数器T0、T1 最大计数脉冲个数：最大计数脉冲个数：1655362021-11-144五、并行五、并行I/O口口 MCS51系列单片机有系列单片机有4个个8位并行位并行I/O口：口：P1、P2、P3共占了共占了32根根I/O引脚引脚单片机扩展时，这些单片机扩展时，这些I/O引脚又作为扩展总线用。引脚又作为扩展总线用。 P0口作为地址口作为地址/数据总线，分时输出低数据总线，分时输出低8位地位地址和传送址和传送8位数据；位数据； P2口作为高口作为高8位地址总线；位地址总线； P3口也具有第二功能。这是由接口的特殊结口也具有第二功能。这是由接口的特殊结构所决定的。构所决定的。2

32、021-11-145六、串行口六、串行口 完成单片机和其他计算机或通讯设备之完成单片机和其他计算机或通讯设备之间的串行数据通讯。间的串行数据通讯。 MCS51系列系列P3口的口的RXD(P3.0)和和TXD(P3.1)构成构成2021-11-146中断系统是计算机的重要指标之一。中断系统是计算机的重要指标之一。某人看书某人看书 执行主程序执行主程序 日常事务日常事务电话铃响电话铃响 中断信号如中断信号如INT=0INT=0 中断请求中断请求暂停看书暂停看书 暂停执行主程序暂停执行主程序 中断响应中断响应书中作记号书中作记号 当前当前PCPC入栈入栈 保护断点保护断点电话谈话电话谈话 执行中断程

33、序执行中断程序 中断服务中断服务继续看书继续看书 返回主程序返回主程序 中断返回中断返回日常事务程序日常事务程序中断服务程序中断服务程序七、中断系统日常生活中的中断与计算机中断的比较：日常生活中的中断与计算机中断的比较：2021-11-1472021-11-148八、布尔处理器八、布尔处理器 MCS51单片机内含有一个布尔处理器，是单单片机内含有一个布尔处理器，是单片机片机CPU中运算器的一个重要组成部分。中运算器的一个重要组成部分。 它实际上是一个完整的它实际上是一个完整的1位微处理器，这个位微处理器，这个1位位机有自己的机有自己的CPU、位寄存器、位寄存器、I/O口和指令集。可口和指令集。

34、可提供提供17条位操作指令，硬件有自己的条位操作指令，硬件有自己的“累加器累加器”（进位位（进位位C）和自己的位寻址和自己的位寻址RAM和和I/O空间，所空间，所以是一个独立的位处理机。以是一个独立的位处理机。 MCS51单片机把单片机把8位机和位机和1位机复合在一起，位机复合在一起，发挥各自的长处，这是它的一大优点。发挥各自的长处，这是它的一大优点。2021-11-149第二章 单片机的硬件结构2021-11-150 MCS51系列单片机系列单片机采用采用40个引脚的双列个引脚的双列直插式塑料封装的芯直插式塑料封装的芯片。片。共可分为四个部分：共可分为四个部分：1、电源、电源2个个2、外接晶

35、体振荡器、外接晶体振荡器2个个3、控制信号引脚、控制信号引脚4个个4、I/O引脚引脚32个个2021-11-151一、主电源引脚一、主电源引脚 VDD：接接5V电源电源 VSS：接地端接地端 一般一般VDD 和和VSS之之间应接高频和低频间应接高频和低频滤波电容。滤波电容。 2021-11-152二、外接晶体振荡器引脚二、外接晶体振荡器引脚 XTAL1：芯片内部振荡电芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输路（单级反相放大器）输入端入端 XTAL2：芯片内部振荡电芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输路（单级反相放大器）输出端出端 振荡频率为晶振频率振荡频率为晶振频率（1.212MHz），另外），另

36、外需两个需两个30pF左右的电容左右的电容以微调频率以微调频率2021-11-153 MCS51单片机的振荡器有内部和外部两种方式。2021-11-154 时序：时序：时间的先后顺序，控制器按照指令功能发出一系列在时间上有一定次序的信号，控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。 机器周期机器周期12个时钟周期（振荡周期）有6个状态（S1S6），一个状态为2个振荡周期，分为P1和P2节拍，一般算术和逻辑指令发生在P1期间，寄存器之间的传输发生在P2期间。设单片机工作在12M晶振，则时钟周期为1/12微秒，一个机器周期121/121微秒一些指令完成较快用一个机器周期；一些较慢，用2个机器周期；有两

37、个指令（MUL、DIV）用4个机器周期。指令周期：执行一条指令的时间。（单周期指令，双周期指令等）2021-11-155三、控制信号三、控制信号1、RST/VPD：复位复位/掉电时内部掉电时内部RAM的备用电源输入端的备用电源输入端 复位端复位端RST ：启动时，需要复位，使CPU各部件处于确定的初始状态。 正常工作状态（振荡器稳定），该引脚上出现持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上的高电平，单片机就可完成系统复位操作 。2021-11-156特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态ACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPL00H

38、TL100HDPH00HSCON00HP0P30FFHSBUP不定IPXXX00000BPCON0XXXXXXXBIE0XX00000BTMOD00HPC0000H2021-11-157 备用电源输入端备用电源输入端VPD： 当无当无VCC时使用，使内部时使用，使内部RAM供电以实现供电以实现掉电保护掉电保护。2021-11-1582、ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲输入。 ALE：地址锁存允许信号 片外存储器作数据存取时，ALE为低8位地址锁存允许输出信号，在其下降沿将从P0口输出的低8位地址锁存到地址锁存器。 以1/6振荡频率（即1/2机器周期）周期性输出PROG：在对8751片内

39、EPROM编程时，编程脉冲由此输入。2021-11-1593、EA/VDD：访外允许/编程电压输入、8031中EA必须接地。 8051/8751中 EA1，单片机使用片内ROM/EPROM（由PC值决定）； EA0，单片机片内程序存储器失效，而 使用片外程序存储器。、VDD 对8751片内EPROM编程时，此脚接编程电压。（+21V+25V）2021-11-1604、 PSEN：外部程序存储器读选通信号 它与ALE配合，使P0口完成地址线和数据线的功能。 当访问片内ROM、RAM时无效。2021-11-161 MCS-51单片机有4个8位并行I/O口，共占了32根I/O引脚，单片机扩展时，这些

40、I/O引脚又作为扩展总线用。其中P0口作为地址/数据总线，分时输出低8位地址和传送8位数据；P2口作为高8位地址总线；P3口也具有第二功能。这是由接口的特殊结构所决定的。每一个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和两个（P3口为3个）输入缓冲器。各口的结构也有些差异，下面分别介绍。2021-11-162一、并行I/O口的功能结构（一）P1口1、接口结构图2.15接口结构中锁存器起输出锁存作用，8位锁存器组成特殊功能寄存器P1。2021-11-163一、并行I/O口的功能结构（一）P1口2、接口功能 P1口只有一种功能通用输入输出接口。2021-11-164一、并行I/O口的功能结构（二）P2口

41、P2口一位结构如下图所示，与P1相比，多了一个多路开关MUX，因此P2具有双重功能：通用I/O口和高8位地址总线口。1、接口结构2021-11-165（二）P2口（1）地址总线单片机扩展时，“控制”信号使 MUX 打向右边，内部的地址线经反相器与输出驱动器相连，于是内部“地址”信号可以由P2口引脚输出，此地址信号为高8位地址。2、接口功能一、并行I/O口的功能结构2021-11-166（二）P2口（2）通用I/O接口 作为通用I/O口时，“控制”信号使 MUX 打向左边，这时P2口电路结构与P1口相同，其功能和用法亦与P1口相同，负载能力也相同。2、接口功能一、并行I/O口的功能结构2021-

42、11-167（三）P3口 P3口一位的结构如下图所示，与P1口相比多了一个与非门和一个输入缓冲器，所以它除了可作为一般I/O口外，还具有第二功能。1、接口结构一、并行I/O口的功能结构2021-11-168（三）P3口（1）通用I/O接口作为通用I/O接口时，“第二功能输出”线为“1”，接口的电路结构与P1口相同，所以功能和用法均与P1相同。2、接口功能一、并行I/O口的功能结构2021-11-169（三）P3口（2）第二功能当P3口作为第二功能使用时，各位定义如下2、接口功能P3.0 RXD（串行输入通道）P3.1 TXD（串行输出通道）P3.2 INT0（外中断0输入端）P3.3 INT1

43、（外中断1输入端）一、并行I/O口的功能结构2021-11-170（三）P3口2、接口功能P3.4 T0（定时器0外部输入）P3.5 T1（定时器1外部输入）P3.6 WR（外部数据存贮器写选通）P3.7 RD（外部数据存贮器读选通） 可见有些信号为输出，有些信号为输入，为使第二功能信号能顺畅的输入或输出，该口锁存器的状态必须为“1”。一、并行I/O口的功能结构2021-11-171（四）P0口1、接口结构 P0口的一位的结构如下图所示。其中输出驱动电路由一对FET（场效应管）组成，其工作状态由输出控制电路控制。P0口可作为通用I/O接口，也可作为地址/数据总线口。一、并行I/O口的功能结构2

44、021-11-172（四）P0口2、接口功能（1）地址/数据总线 这时“控制”信号为1，多路开关MUX向上，地址/数据信号反相后经多路开关送到下一个场效应管的栅极。 如果地址/数据信号为1，则下一个场效应管截止上一个场效应管导通，引脚为高电平；若地址/数据信号为0，则下一个场效应管导通上一个场效应管截止，引脚为低电平，即地址/数据信号可顺利的到达引脚。一、并行I/O口的功能结构2021-11-173（四）P0口2、接口功能（2）通用I/O接口 此时“控制”信号为“0”，多路开关MUX向下，输出驱动器处于开漏状态，故需外接上拉电阻，这种情况下，电路结构与P1相同，所以也是一个准双向口，当要作为输

45、入时，必须先向口锁存器写“1”。一、并行I/O口的功能结构2021-11-1742021-11-1752021-11-176第二章 单片机的硬件结构2021-11-177 根据作用分类： 程序存储器程序存储器ROM 数据存储器数据存储器RAM 根据位置分类： 片内存储器片内存储器 片外存储器片外存储器 2021-11-1781、片内程序存储器（片内、片内程序存储器（片内ROM）2、片内数据存储器（片内、片内数据存储器（片内RAM）3、片外、片外ROM扩展扩展4、片外、片外RAM扩展扩展 8051、8751有4KB的片内ROM（0000H0FFFH） 共有256B007FH：128B片内RAM8

46、0HFFH：18个特殊功能寄存器（占21B） 最多64K片外ROM，地址为0000HFFFFH或者1000HFFFFH 地址：0000HFFFFH 注：8051、8751芯片根据EA状态2021-11-1792021-11-180 MCS-51（8051）存储结构如图所示2021-11-181 片内外统一编址的片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间的程序存储器地址空间 片内片外的程序存贮器在同一逻辑空间中，地址从0000HFFFFH，共有64K字节范围 片内片内256B数据存储地址空间数据存储地址空间 片内数据存贮器为00HFFH 片外片外64KB的数据存储器地址空间的数据存储器地址空间

47、 片外为0000HFFFFH2021-11-1820000HFFFFH0000HFFFFHROM内RAM外RAM00HFFH寄存器区位寻址区数据缓冲区SFR20H30H80HE0HA2021-11-1831、使用使用MOV、MOVX、MOVC三个不同的指令分别三个不同的指令分别 区分片区分片内内RAM、片外、片外RAM和和ROM2、片外、片外ROM使用控制信号使用控制信号PSEN 片外片外RAM使用控制信号使用控制信号RD、WR3、EA引脚接地，从片外引脚接地，从片外ROM开始开始 0000H0FFFH 位于片外位于片外ROM EA引脚接高电平，从片内引脚接高电平，从片内ROM开始开始 000

48、0H 0FFFH位于片内位于片内ROM4、ROM和片外和片外RAM一定要用一定要用16位地址位地址 片内片内RAM 和和SFR，只能使用，只能使用8位地址位地址2021-11-184 最多为最多为64K，用于存放程序和表格，用于存放程序和表格 使用使用PC作为程序地址指针作为程序地址指针 编址方式：片内、片外编址方式：片内、片外ROM统一编址（统一编址（0000HFFFFH）片内（如有，片内（如有，4K）为低地址（）为低地址（0000H0FFFH），片外为），片外为高地址高地址 加电复位后，加电复位后，PC0000H，当，当PC超出片内，则会自动转超出片内，则会自动转向片外向片外ROM EA引

49、脚控制引脚控制PC值（值（8031和和8051不同）不同） MOVC用来读取用来读取ROM中存放的表格常数中存放的表格常数 分为两个部分：分为两个部分：1、系统使用区：其中、系统使用区：其中0000H0002H为系统复位入口，其为系统复位入口，其中必有一条存放中必有一条存放PC的跳转指令（转至主程序）的跳转指令（转至主程序）;0003H002AH为各个中断源处理程序使用为各个中断源处理程序使用2、用户使用区：其余地址空间、用户使用区：其余地址空间2021-11-185 单片机的数据存储器分为片内单片机的数据存储器分为片内RAM和片外和片外RAM，两者单独编址（片内为两者单独编址（片内为00FF

50、H，片外为，片外为0000FFFFH）。一般需要外部扩展时才使用最多）。一般需要外部扩展时才使用最多64K的的片外片外RAM。 通常将单片机通常将单片机256B的内部数据存储器的内部数据存储器RAM分为两分为两个部分，一个是片内个部分，一个是片内RAM（占（占128B） ，一个是，一个是特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFR（占另外（占另外128B的的21B）。）。 片内片内RAM的的128B地址为地址为007FH，可分为四个，可分为四个大区：大区：工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区、堆栈区工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区、堆栈区2021-11-1862021-11-187 片内片内RAM工作寄

51、存器区：工作寄存器区：字节地址：字节地址：00H1FH位寻址区：位寻址区：字节地址：字节地址：20H2FH位地址为：位地址为：00H7FH数据缓冲区数据缓冲区/堆栈区：堆栈区：字节地址：字节地址：00H7FH一般使用一般使用30H7FH2021-11-1882021-11-1892021-11-190 001FH单元，共单元，共32B，常用来存放操作数和中间，常用来存放操作数和中间结果，可以使用指令系统中有工作寄存器的专用指结果，可以使用指令系统中有工作寄存器的专用指令，多为单字节指令，执行速度快，方便。令，多为单字节指令，执行速度快，方便。 分为分为4个寄存器区：个寄存器区： 0区：区：00

52、07H 1区：区：080FH 2区：区：10H17H 3区：区：181FH 每个区有每个区有8个单元，都用个单元，都用R0R7编号。编号。 在任何时刻在任何时刻CPU只能使用其中一个区（当前寄存器只能使用其中一个区（当前寄存器组），即将这个区的组），即将这个区的8个单元作为工作寄存器，其他个单元作为工作寄存器，其他区仍是一般的区仍是一般的RAM。具体使用哪个区，由程序状态。具体使用哪个区，由程序状态寄存器寄存器PSW中的中的RS1、RS0两位的状态来决定。两位的状态来决定。2021-11-191 20H2FH，共，共16个单元，个单元，128位。位。 为布尔处理区为布尔处理区 各有自己的位地址

53、，统一编各有自己的位地址，统一编址为址为00H7FH（1个地个地址代表址代表1位）位） 既可以字节寻址，也可以位既可以字节寻址，也可以位寻址。寻址。 有有17条位操作指令，条位操作指令， 常进行置位（常进行置位（SETB）、清）、清零（零（CLR）、取反（）、取反（CPL）2021-11-192 30H7FH 用户RAM区，用于存放运算数据和结果。2021-11-193 用户可以指定内部用户可以指定内部RAM的最高若干的最高若干字节作为堆栈区（至字节作为堆栈区（至7FH），指针），指针为为SP 例：例：MOV SP，#5FH 则从则从607FH单元为堆栈区单元为堆栈区2021-11-194 堆

54、栈是在片内堆栈是在片内RAM中临时开辟的暂存区中临时开辟的暂存区； 作用作用：保护现场、保护断点保护现场、保护断点 针对针对：子程序调用、中断操作子程序调用、中断操作 在响应中断或子程序调用时，发生入栈操作，入栈在响应中断或子程序调用时，发生入栈操作，入栈的是的是16位的位的PC值，值，PSW值并不自动入栈值并不自动入栈。 特点特点：先进后出，后进先出先进后出，后进先出 指令指令：入栈入栈PUSH，出栈，出栈POP 堆栈区每个单元不能按字节任意访问，堆栈区每个单元不能按字节任意访问，PUSH和和POP都是对堆栈的栈顶单元进行的。为了指示栈顶都是对堆栈的栈顶单元进行的。为了指示栈顶的地址，必须使

55、用堆栈指针的地址，必须使用堆栈指针SP。 SP始终指向堆栈最后压入或即将弹出的数据单元，始终指向堆栈最后压入或即将弹出的数据单元，即指向栈顶。即指向栈顶。 SP实际为一个实际为一个8位寄存器，它的内容是栈顶存储单位寄存器，它的内容是栈顶存储单元的地址。元的地址。2021-11-195 进栈PUSH：先SP+1再写入数据 例：PUSH ACC 初始SP=2FH SP+1即现在SP30H，然后将ACC的内容写入30H单元 出栈POP：先读数据再SP1 进栈、出栈有两种方式：1、自动方式：执行子程序、中断响应时。2、指令方式：PUSH、POP2021-11-196 为保护足够的寄存器内容，需要堆栈有

56、一定的深度，即有足够的容量。 原则上堆栈区可以是片内RAM任意区域，只要SP赋予不同的初值，则SP7FH都是堆栈区。但具体应具体应用时栈区设置应和用时栈区设置应和RAM的分配统一考虑，工作寄的分配统一考虑，工作寄存器和位寻址区域分配好后再指定堆栈区域存器和位寻址区域分配好后再指定堆栈区域。 系统复位后，SP07H，则实际堆栈从08H开始。 通常通常SP设在设在30H以后以后，即在用户RAM（30H7FH）之间开辟。 例 MOV SP ，3FH 即40H7FH为堆栈区2021-11-197 反映单片机的状态，存储对定时器、中断、串行口、I/O口等的控制设定，使这些控制具有可编程性。 共18个，其

57、中3个16位的寄存器，故占用21B，分布于80HFFH，可读可写，可视为专用RAM。 均可以进行字节寻址，其中有11个可以位寻址（字节地址能被8整除）2021-11-1982021-11-199 1、ACC 地址为地址为0E0H，8位累加器，在指令中用位累加器，在指令中用A表示，可以位寻址表示，可以位寻址 2、B寄存器寄存器 地址为地址为0F0H，8位，可位寻址，主要用于乘除法，也可以作位，可位寻址，主要用于乘除法，也可以作为一个通用的为一个通用的8位数据缓冲单元。位数据缓冲单元。 3、SP 地址为地址为81H，8位堆栈指针，只能字节寻址，复位值为位堆栈指针，只能字节寻址，复位值为07H。 4

58、、数据指针、数据指针DPTR 16位寄存器，包括两个位寄存器，包括两个8位寄存器位寄存器DPL和和DPH，地址分别为，地址分别为82H和和83H。只能字节寻址。也可以作为两个。只能字节寻址。也可以作为两个8位寄存器来位寄存器来处理。处理。 用于访问外部用于访问外部RAM时作为地址指针，也可访问时作为地址指针，也可访问ROM中的表中的表格常数。格常数。 5、I/O端口端口P0P3 为引脚为引脚P0P3引脚的锁存器。可位寻址引脚的锁存器。可位寻址。2021-11-1100 6、其他：、其他： 串行口数据缓冲器SBUF； 串行口控制寄存器SCON； 定时/计数器T0、T1； 定时/计数器方式控制TM

59、OD； 中断允许寄存器IE； 定时器控制TCON； 电源方式控制PCON。7、程序状态寄存器、程序状态寄存器PSW（下面具体研究）2021-11-1101 SFR中的寄存器都有复位值，用到的寄存器中的寄存器都有复位值，用到的寄存器在复位后应考虑到是否重新赋值；在复位后应考虑到是否重新赋值； SFR可视为专用可视为专用RAM，有，有11个可以位寻址个可以位寻址（可以由布尔处理器控制），共（可以由布尔处理器控制），共21单元，其单元，其余余107单元用户不能使用；单元用户不能使用； 8052另有另有3个个SFR，占据，占据5个单元个单元。2021-11-1102 地址地址0D0H，PSW是一个是一

60、个8位寄存器，可位寻址，位寄存器，可位寻址，它包含了许多程序状态信息。它包含了许多程序状态信息。 其各位的含义如图所示：其各位的含义如图所示： 其中其中PSW.1位系统保留，用户不能使用位系统保留，用户不能使用。 PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0 Cy AC FORS1RS0 OV P2021-11-1103 Cy AC FO RS1RS0 OV P进位标志Cy： 算术逻辑指令时，最高位算术逻辑指令时，最高位D7有进（借）位，有进（借）位，则则Cy=1，否则，否则Cy=0； 在布尔处理器中，它起着在布尔处理器中，它起着“位累加器位累加器”的