第一章单片机概述

1、单片机实训单片机实训主讲人：胡祝兵主讲人：胡祝兵 王蓉王蓉实验室：齐晓旭实验室：齐晓旭时间：时间：四周四周 （5*4=20天）天）第一讲 单片计算机概述 1 1 计算机的基本结构及工作过程计算机的基本结构及工作过程 计算机是微电子技术与计算数学相结合计算机是微电子技术与计算数学相结合的产物。微电子学的基本元件及其集成的产物。微电子学的基本元件及其集成电路构成了计算机的硬件基础；计算数电路构成了计算机的硬件基础；计算数学的计算方法与数据结构则成为计算机学的计算方法与数据结构则成为计算机的软件基础。的软件基础。 当前计算机均采用冯当前计算机均采用冯诺依曼原理，诺依曼原理，即即存储程序存储程序-执行

2、程序执行程序的过程。的过程。 1.1 计算机的基本结构 冯诺依曼计算机由存储器、控制器、计算器、输入设备和输出设备等五部分组成，逻辑框图如图1-1所示。 输入设备存储器输出设备控制器运算器CPU一 运算器(Arithmetic and logic unit ) 运算器是在控制器的控制下，对二进制数进行算术运算、逻辑运算及信息传递的部件。运算器的功能包括四则运算，逻辑运算以及传递数据等。它的基本部件有算术逻辑部件、累加器和寄存器等。 算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)是运算器的中心部件,它完成算术逻辑运算。 ALU累加器暂存器图1-2 ALU结构图寄存器 累加器通常

3、存放参与运算的第一操作数，经ALU与第二操作数运算的结果也保存在累加器中。 寄存器(Register)用来暂存参与运算的原始数据、中间结果及运算结果。它的存取速度比主存要快的多，但寄存器的数量较少。 二 控制器(Control unit) 控制器是计算机的神经中枢，它指挥、协调各部件的工作。控制器决定每个部件在什么时间、具体做什么工作。 程序(指令)计数器PC(Program Counter)是控制器的一个重要部件，PC存放当前指令的起始地址（存储器地址）；处理器每取出一条指令，PC就自动加1，指向下一条指令的起始地址，因此决定了程序指令的顺序执行。 随着集成电路的发展，将运算器、控制器集成在

4、一个芯片内，称为CPU。 三 存储器(Memory) 存储器是用来存放程序（指令的有序排列）和数据的装置；它具有记忆能力，特点是一次写入可以多次读取。 按使用性质分为： RAM: 随机存储器，由半导体电路组成，内容可以随时写入、读出，掉电后内容丢失； ROM: 只读存储器，由半导体电路组成，内容由厂家写入，使用时只可读出，不可写入，掉电后内容不丢失。ROM中还有可编程的ROM，具体分为EPROM、EEPROM。 存储器的指标之一是存储器容量，常用容量单位有：位(Bit) ，字节(Byte) ，字(Word) 。注意：存储器有单元地址和单元内容之分，它们都用二进制数表示。存储器的地址用来区分各个

5、不同的存储单元，如果有N位地址，则它的存储单元数为2N；存储器单元内容则表示存放在存储器中的信息（指令、数据）。 四 输入/输出设备 I/O设备是人与计算机交换信息的通路，常用设备有: 键盘（Keyboard）、显示器CRT(Cathode Ray Tube)、打印机（Printer）、磁盘（Disk）等。输入设备存储器输出设备控制器运算器CPU1.2 计算机的工作过程 在计算机通电正常工作后，就进入如下过程： PC中的指令地址放到地址总线； 从地址指示的存储器中取出指令，由数据总线送CPU； PC中的地址递增指令字节数，即指向下一指令的首地址； CPU分析指令，完成指令功能； 返回注意：计算

6、机的工作是周而复始、无穷无尽的，因此在书写完某种工作程序时，需要使计算机进入无限循环或迫使CPU停机。PC中的内容放到地址总线取出指令PC内容加“1”分析指令，执行指令2 单片机及应用 把计算机的五个组成部分：运算器、存储器、控制器、输入口电路及输出口电路集成在一个芯片上形成的芯片级特殊计算机称为单片计算机（single chip microcomputer）简称单片机。 单片机已经完全融入应用系统中，集成有A/D、PWM、PAC、WDT等专用电路，称为微控制器（microcontroller） 。 单片机分为通用型单片机及专用型单片机两大类。我们通常所说的单片机即指通用型单片机。 单片机的发

7、展概况见教学参考书。2.1 MCS-51系列 单片机 Intel公司的单片机问世早、产品系列齐全、兼容性强，得到了广泛的应用。 MCS-51包括51和52两个子系列,51子系列有8031、8051、8751。52子系列有8032、8052。 52子系列的不同在于它多具有定时/计数器2及具有256B的内部数据存储器。 MCS-51单片机程序存储器配置 存储器类型单片机系列 掩模ROMEPROM MCS51 51803180514KB87514KB52803280528KB我们以MCS-51为主进行讲授。单片机的引脚图及逻辑符号 图 1-3 引脚图及逻辑符号图 WR/P3.612345678910

8、111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7 RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 VSSVCCP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7EA/VDDALE/PROGPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P

9、2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8803180518751EA/VDDXTAL1XTAL2VCCVSSRST/VPDPSENALE/PROGP0 口地址 和数据总线P1 口通用口P3 口地址总线P3口 RXD TXDINT0INT1 T0 T1 WR RD803180518751 51单片机的硬件特性 集 成 度 高 ： 单 片 机 包 括 C P U 、 4 K B ROM(8031无)、128B RAM、216位定时/计数器、48位并行口、全双工串行口。 系统结构简单，使用方便，模块化； 单片机可靠性高，可工作到1067小时无故障；（一年：365*24=8.76*103小时） 处理

10、功能强、速度快，即使执行最长指令，只需4S(晶振12MHz)； 可靠性较商用品高，价格较军用品便宜，属于工业品，温度范围为-40+85。 2.2 MCS-51的内部结构 时钟电路CPU中断控制INT0 INT1ROMRAM定时/计数器 64KB 总线扩展控制器并行接口串行接口T0T1串行口T0 T1图 1-4 MCS-51 单片机的结构方块图P2 驱动器RAM 地址寄存器P0 驱动器P0 锁存器P2 锁存器 EPROMRAMALU暂存 1暂存 2寄存器 BACCSP指令寄存器 定时及控制PCON SCON TMODTCON T2CON TH0TL0 TH1 TL1TH2* TL2* RLDHR

11、LDL SBUF I E IP中断、串行口及定 时器PSWP1 锁存器P3 锁存器P1 驱动器P3 驱动器程序地址 寄存器缓冲器PC 加 1PCDPTRVCCVSSP0.0P0.7P2.0P2.7P1.0P1.7P3.0P3.7振荡器XTAL1 XTAL2PSENALEEARST图 1-5 MCS51 总体结构框图*表示仅 8032/8052 具有l 8位算术/逻辑运算部件，累加器ACC、寄存器B、程序状态寄存器PSW(Program Status Word) 运算器主要完成：算术运算(加减乘除、加1、减1、BCD加法的十进制调整)、逻辑运算(与、或、异或、清零、求反)、移位操作(左、右移位)

12、等。 布尔处理机：拥有相应的布尔指令子集。大部分的操作均围绕CY来完成。能够完成位的传送、清零、置位、求反、与、或等逻辑运算及判位转移操作等。 控制器：地址指针DPTR、堆栈指针SP、程序计数器PC 程序存储器 :单片机的程序存储器分为片内程序存储器（8031无片内程序存储器）和片外程序存储器两种。 数据存储器:单片机内部设有128B（52系列为256B）的数据存储器 ,把寄存器（工作寄存器，栈区，特殊功能寄存器等）也划入数据寄存器空间，这种结构也有利于提高单片机的运行速度。 并行输入/输出口(32条)：分成四组，每组八位口线。 串行输入/输出口(2条) 定时/计数器：定时/计数器为16位增量

13、计数器，当计数满时溢出产生中断并将相应标志位置位。中断系统：有5个中断源、2个优先级，可实现慢速设备与快速CPU的并行运行。 时钟电路：时钟电路由内部时钟振荡器和外接晶振电路两部分构成。 它起到单片机工作节拍时间的控制。2.3 MCS-51引脚功能描述 XTAL1(19脚)：内部反向放大器的输入端，外接外部晶振的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接收振荡器信号。 XTAL2(18脚)：内部反向放大器的输出端，外接外部晶振的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚应悬空。（P8有误）RST/VPD(9脚)：当振荡器运行时，在此引脚上出现持续两个机器周期的高电平将使单片机复位。 PSEN(29脚)：

14、外部程序存储器的读选通信号。ALE/PROG(30脚)：当访问外部存储器时，ALE的输出用于锁存P0口输出的地址低字节的低8位。EA/VPP(31脚)：当EA保持高电平时，访问内部程序存储器；当端保持低电平时，则只访问外部程序存储器。2.4 存储器地址空间 单片机采用哈佛结构，将程序存储器和数据存储器分开，相互独立编址，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式和控制方式。一 物理上有四个存储器区域程序存储器：片内程序存储器(8031无片内程序存储器) 片外程序存储器数据存储器：片内数据存储器 片外数据存储器 二 逻辑上有三个存储器地址空间 片内+片外程序存储器，统一编址。 片内随机存储器。 片

15、外随机存储器。访问三个逻辑地址空间采用不同的指令 访问程序存储器使用MOVC指令； 访问片内数据存储器使用MOV指令； 访问片外数据存储器使用MOVX指令；80 内部(EA=1)0000H0FFFH0FFFH0000H 外部(EA=0)FF7F00专用寄存器内部 RAM外部FFFFH1000HFFFFH0000H程序存储器内部数据存储器外部数据存储器图 1-6 MCS-51 存储器的配置图三 程序存储器 地址总线宽度为16位，采用16位程序计数器PC给出地址码，因此其地址空间为0000HFFFFH，共64KB。程序存储器有七个存储单元具有特殊含义，用于特定的程序入口，它们是： 0000H：系统

16、复位后，PC=0000H，单片机从0000H单元开始执行程序。0003H：外部中断0的入口地址。000BH：定时器0的溢出中断入口地址。0013H：外部中断1的入口地址。001BH：定时器1的溢出中断入口地址。0023H：串行口中断入口地址。002BH：定时器2溢出中断入口地址(仅8032、8052有)。四 内部数据存储器（内部RAM） 3 区2 区1 区0 区1FH00H2FH20H位地址：00H7FH数据缓冲区堆栈区工作单元7FH30H只能字节寻址可位寻址的区域（16 个字节 128 位，也可按字节寻址）4 组工作寄存器 R0R7（也可以作为 RAM 单元使用，以字节地址寻址）图 1-7

17、RAM 空间分配示意图使用PSW中的RS1、RS0位确定当前工作区 。5特殊功能寄存器SFR(Special Function Register) 1）累加器ACC(Accumulator) （0E0H ）2） B寄存器（0F0H） 3）程序状态字PSW(Program Status Word)（0D0H） MSB LSBCYACF0RS1 RS0 OV-PAC(Auxiliary Carry)：辅助进位/借位标志。当低半字节向高半字节有进/借位时，AC=1，否则AC=0。该标志主要用于十进制调整。 F0(Flag 0)：标志0，由用户定义，由软件置位或清除。 OV(Overflow)：溢出标

18、志，由硬件置位或清除。 P(Parity)：奇偶标志，若ACC中值为1的位数为奇数，则P=1，否则P=0即采用补偶校验，简称偶校验。 4)程序计数器PC(Program Counter)（16位）5)堆栈指针SP(Stack Pointer) （81H）6)数据指针DPTR（16位 83H,82H）7)并行输入/输出端口寄存器(Parallel I/O Port): P0(80H)、P1(90H)、P2(0A0H)、P3(0B0H)。8)串行数据缓冲器SBUF(Serial Data Buffer) (99H) 9)串行控制/状态寄存器SCON(Serial Control)(98H)10)

19、电源控制寄存器PCON(Power Control)(87H)11)中断优先级寄存器IP(Interrupt Priority) (0B8H)12)中断允许寄存器IE(Interrupt Enable) (0A8H)13)定时器方式寄存器TMOD(Timer Mode) (89H)14)定时器控制寄存器TCON(Timer Control) (88H)15)计数寄存器TH0(8CH)、TL0(8AH)、TH1(8DH)、TL1(8BH)。 6位地址空间 单片机为布尔处理机提供221位位地址空间，这些位地址空间位于RAM的20H2FH单元和SFR特殊功能寄存器中。 内部数据存储器的20H2FH有

20、16个单元可按位寻找，共计128位；占用00H7FH。 SFR地址码能被8整除的12个专用寄存器可按位寻址，但是IP.7、IP.6、IE.6三位未定义，共93位可按位寻址。 128+93=221位。 07H00H1FH18H0FH08H17H10H20H21H22H23H24H25H26H27HBANK3BANK2BANK1BANK028H29H2AH2BH2CH2DH2EH2FH0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 0807 06 05 04 03 02 01 007F 7E 7D 7C 7B 7A 79 7877 76 75 74 73 72 71 706F 6E 6D 6C 6B 6

21、A 69 6867 66 65 64 63 62 61 605F 5E 5D 5C 5B 5A 59 5857 56 55 54 53 52 51 504F 4E 4D 4C 4B 4A 49 4847 46 45 44 43 42 41 403F 3E 3D 3C 3B 3A 39 3837 36 35 34 33 32 31 302F 2E 2D 2C 2B 2A 29 2827 26 25 24 23 22 21 201F 1E 1D 1C 1B 1A 19 1817 16 15 14 13 12 11 10BYTE(MSB) (LSB)7外部数据存储器地址空间 外部数据存储器的最大地址

22、空间为64K，寻址范围为0000HFFFFH，寻址方式为间接寻址。可用R0、R1及DPTR作间址寄存器。P0、P2送地址码（地址总线），P0接收或发送数据（数据总线）。 2.5 振荡器、时钟电路和CPU时序 1时钟的基本概念 时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时序是研究指令执行中各信号之间的相互关系。1）时钟周期：即振荡器周期。由振荡时钟产生，是单片机工作的基础时钟信号。 2）状态周期：一个状态周期包含两个时钟周期。每个状态周期由两个脉冲组成(所谓两相)，前一个脉冲叫P1(相位1)，后一个脉冲叫P2(相位2)。 3）机器周期：是机器完成基本操作周期。一个机器周期分成六个状态周期，12个

23、时钟周期。4）指令周期：从取指开始到指令执行完毕所需要的时间叫做一个指令周期。一个指令周期包含至少一个机器周期。指令周期随指令的不同而不同。 OSC(XTAL2)P1 P2ALE读操作码读第二字节读下一个操作码(b)双字节单周期指令，如 ADDA #data读操作码读下一个操作码(丢掉)再读下一个操作码(c)单字节双周期指令，如 INC DPTR读操作码读下一个操作码(丢掉)再读下一个操作码(a)单字节单周期指令，如 INC A读操作码(MOVX)读下一个操作码(丢掉)再读下一个操作码(d)MOVX(单字节双周期)不取指不取指无 ALE地址 数据访问外部存储器图 1-9 典型指令的取指/执行时序S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2P1 P2P1 P2二 典型指令的取指/执行时序 3振荡电路（源） MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大