第五章单片机单片机及接口电路设计

1、第第1 1章章 单片机系统概述单片机系统概述主讲：袁鹏平主讲：袁鹏平本章学习要点： (1) (1) 单片机和嵌入式系统的概念，单片机和嵌入式系统的概念，单片机与单片机与PCPC机的区别和联系；机的区别和联系； (2) (2) 单片机的发展历程、趋势和应单片机的发展历程、趋势和应用领域；用领域； (3) (3) 单片机的分类、主要特性、主单片机的分类、主要特性、主要生产厂家、常用系列和主要芯片型要生产厂家、常用系列和主要芯片型号。号。 第第1 1章章 单片机概述单片机概述 单片机产生于单片机产生于2020世纪世纪7070年代。年代。单片机的特点：单片机的特点： 体积小，重量轻，抗干扰能力强，对体

2、积小，重量轻，抗干扰能力强，对运行环境要求不高，价格低廉，可靠性运行环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好。高，灵活性好。单片机已广泛应用在：单片机已广泛应用在：工业自动化控制、自动检测、智能工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等方面。机电一体化设备等方面。 1 1、什么是计算机？、什么是计算机？( (CPU、 RAM、ROM、I/O) ) 2 2、什么是单片机？、什么是单片机？ 剪裁计算机的功能部件后在一块半导体硅片上集剪裁计算机的功能部件后在一块半导体硅片上集成如下部件的芯片称为单片机：成如下部件的芯片称为单片机： (

3、1)(1)微处理器微处理器(CPU)(CPU) (2) (2)存储器存储器(RAM(RAM、ROMROM或或EPROM)EPROM) (3) (3)各种输入、输出接口各种输入、输出接口1.1 1.1 什么是单片机什么是单片机3 3、单片机具有、单片机具有一台计算机的属性一台计算机的属性。也称为：。也称为： 微控制器微控制器 MCU(MCU(MicroController Unit)MicroController Unit) 嵌入式控制器嵌入式控制器 EMCUEMCU （Embedded icroController UnitEmbedded icroController Unit）在我国，习惯

4、使用在我国，习惯使用“单片机单片机”这一名称。这一名称。4 4、单片机的组成结构、单片机的组成结构1.2 1.2 单片机的发展概况单片机的发展概况五个阶段五个阶段: :第一阶段第一阶段(1974(1974年年19761976年年) )：单片机：单片机初级初级阶段。双片阶段。双片 的形式，且功能比较简单。的形式，且功能比较简单。第二阶段（第二阶段（19761976年年19781978年）年）: :低性能低性能单片机阶段。以单片机阶段。以 Intel Intel 公司制造的公司制造的MCS-48MCS-48单片机为代表。单片机为代表。第三阶段第三阶段(1978(1978年现在年现在) )：高性能高

5、性能单片机阶段。单片机阶段。 IntelIntel公司的公司的MCS-51MCS-51系列、系列、MortorolaMortorola公司的公司的68016801系列等。系列等。第四阶段第四阶段(1982(1982年现在年现在) )：8 8位单片机巩固发展及位单片机巩固发展及1616 位单片机、位单片机、3232位单片机推出阶段。位单片机推出阶段。第五阶段第五阶段（19901990至今）：微控制器的全面发展阶段。至今）：微控制器的全面发展阶段。 IntelIntel公司单片机系列典型产品：公司单片机系列典型产品： MCS-48 MCS-48 （80358035、80488048、8748874

6、8） MCS-51MCS-51（80318031、80518051、87518751） MCS-52MCS-52（80328032、80528052、87528752） MCS-96MCS-96（80988098、83988398、87988798）注意：注意： 这些产品在实际应用中已经淘汰，但其原理尚这些产品在实际应用中已经淘汰，但其原理尚存，并继续发扬光大。存，并继续发扬光大。1.3 1.3 单片机的特点：单片机的特点： 1 1小巧灵活、成本低、易于产品化小巧灵活、成本低、易于产品化 2 2面向控制，完成各种控制任务面向控制，完成各种控制任务 3 3抗干扰能力强，适应温度范围宽抗干扰能力强

7、，适应温度范围宽 4 4可以很方便地实现多机和分布式控制可以很方便地实现多机和分布式控制 1.4 81.4 8位单片机的主要生产厂家和机型位单片机的主要生产厂家和机型（1 1）美国）美国IntelIntel公司公司 MCS-51MCS-51系列及其增强型、扩展型系列及其增强型、扩展型系列。系列。 （2 2）中国）中国STCSTC宏晶科技的宏晶科技的STC89CSTC89C系列系列 和和STC12xxxxSTC12xxxx （3 3）台湾）台湾WinbondWinbond的的W78C52W78C52和和W78C54W78C54系列系列 （4 4）美国）美国AtmelAtmel公司公司AT89AT

8、89和和AT90AT90系列系列 以及以及PICPIC系列系列、MSP430MSP430系列系列、C8051FC8051F系列系列等等。等等。 51 51系列单片机在我国广泛应用；系列单片机在我国广泛应用； 80518051单片机品种多、兼容性好、性价比高；单片机品种多、兼容性好、性价比高； 5151系列的系列的软、硬件设计软、硬件设计资料资料丰富齐全；丰富齐全； 5151系列单片机及其衍生兼容机型仍将是主流产品，系列单片机及其衍生兼容机型仍将是主流产品，是现代工业检测、控制应用的重要机型。是现代工业检测、控制应用的重要机型。 MCS-51MCS-51系列单片机的演绎系列单片机的演绎2020世

9、纪世纪8080年代后期年代后期: :IntelIntel公司以专利的形式把公司以专利的形式把 80518051内核技术转让给厂家内核技术转让给厂家。 这些厂家生产的这些厂家生产的兼容单片机兼容单片机，与，与80518051的系统结构的系统结构（主要是指令系统）相同，采用（主要是指令系统）相同，采用CMOSCMOS工艺。工艺。如：如：AMTELAMTEL、PHILIPSPHILIPS、ANALOG DEVICESANALOG DEVICES、DALLASDALLAS公司。公司。 不应直接称不应直接称80518051单片机为单片机为MCS-51MCS-51系列系列单片机。单片机。MCSMCS只是只

10、是特指特指IntelIntel公司生产的单公司生产的单片机的片机的符号符号, ,即即MCS-51MCS-51系列。系列。8080C C5151系列：系列：所有的具有所有的具有80518051指令系统的指令系统的单片机，带单片机，带C C的是低功耗型。的是低功耗型。 按字长分：按字长分：4位、位、8位、位、16位和位和32位单片机。位单片机。 在8位单片机家族中，主流产品有： （1）80C51内核 （2）Motorola（(Freescale ）内核 （3）PIC内核的单片机。 1.5 81.5 8位单片机介绍位单片机介绍1、增强型、增强型STC单片机单片机 STC是2005年推出中国本土的第一

11、款具有全球竞争力的、且与MCS-51兼容的STC单片机。 主要产品型号主要产品型号：STC89C51RC、STC89C52RC、STC89C53RCSTC12C5201、STC12C5201AD、TC12C5201PWM1.5.1 80C511.5.1 80C51单片机介单片机介绍绍2、NXP增强型单片机增强型单片机 Philips公司的P89LPC900系列是采用了增强型80C51内核制造而成的增强高档型单片机。主要产品型号主要产品型号： P89LPC9321、P89LPC936、P89LPC938 P89C51、P89C523AVR高速型单片机高速型单片机 是ATMEL 公司于1997年由

12、A先生和V先生结合Flash技术，推出全新配置的精简指令集（RISC）8位单片机。主要产品型号有：ATtiny13，ATtiny24、AT90S8535、ATmega8 。4C8051Fxxx系列高速单片机系列高速单片机 是Cygnal公司推出的、与8051指令集兼容的单片机，弥补了8051系列单片机的速度慢、内部资源少的不足。如：C8051F120-4K RAM、128K ROM、8个I/O口、12位A/D、100引脚C8051F022-4K RAM、64K ROM、8个I/O口、12位A/D、100引脚C8051F023-4K RAM、64K ROM、4个I/O口、10位A/D 、64引脚

13、5专用型专用型 针对某一种产品或某一种控制应用而专门设计的，设计时已使结构最简，软硬件应用最优，可靠性及应用成本最佳。 例如：电子表、电话机、电视机和空调里的就嵌入了一种专用型单片机。 1.5.2 Motorola（Freescale Semiconductor）内内核的单片机核的单片机 Freescale Semiconductor公司是世界上最大的单片机厂商之一。 1、MC68HC05采用HCMOS工艺制造，是一种高性能、低功耗的8位单片机 。 2、MC68HC08系列单片机是在MC68HC05的基础上进行改进后的8位单片机。 1.5.3 PIC内核的单片机内核的单片机 PIC系列单片机是

14、美国Microchip微芯公司的制造的另一款8位单片机。特点： 1、采用RISC指令集 2、33条指令，指令最短执行时间160ns 3、指令系统和开发工具与8051系列不同。 主要有：主要有：PIC16C5X、PIC16CXX、PIC17CXX和PIC18CXXX系列 1.5.4 其他公司其他公司8位单片机位单片机 1、MDT20 xx系列单片机 2、日本TOSHIBA的4位机、8位机 3、Zilog公司的单片机Z8 4、EPSON公司的单片机 5、NS公司的 COP8单片机 6、先锋Chipcon公司推出了全新概念的新一代ZigBee无线单无线单片机片机CC2430/CC2431 7、富士通

15、单片机MB89P935C。等等1.6 16位和位和32位单片机系列介绍位单片机系列介绍 1.6.1 16位单片机位单片机 是高性能单片机。主要有：主要有： 1、凌阳16位单片机 2、TI公司的MSP430C系列（极低功耗的单片机） 3、PIC18CXXX系列单片机。 1.6.2 32位单片机位单片机 32位单片机又称嵌入式处理器，是面向特定应用，隐藏于应用系统或电子产品内部的专用计算机。 主要有：主要有： Philips公司的LPC2220系列 SAMSUNG公司的S3C44B0X系列 IBM公司的PowerPC系列 MIPS公司的MIPS系列 Sun公司的Sparc ARM公司的ARM系列嵌

16、入式处理器。 1.7 单片机的发展趋势单片机的发展趋势 1改进CPU结构 2低电压、低功耗CMOS化 3改善存储器性能 4改进I/O口性能 5外围电路内装化 6主流与多品种共存 7片内ROM中固化应用软件和系统软件 1.8 1.8 单片机的应用单片机的应用 单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。到各个领域。使用温度：使用温度：民品民品： 0 0C C +70+70C C工业品：工业品： -40-40C C +85+85C C军品：军品： -65-65C C +125+125C C。在下述的各个领域广泛的应用：在下述的各个领域广泛的应用：

17、1 1、测控系统测控系统2 2、智能仪器仪表、智能仪器仪表3 3消费类电子产品消费类电子产品4 4机电一体化产品机电一体化产品5 5武器装备武器装备6 6终端及外部设备智能接口终端及外部设备智能接口7 7通信技术通信技术 8 8多机分布式系统多机分布式系统 1.9 1.9 单片机技术主要网站介绍单片机技术主要网站介绍STCSTC单片机（单片机（http:/http:/）周立功单片机（周立功单片机（http:/http:/）C51 BBSC51 BBS论坛（论坛（http:/www.Chttp:/www.C）中国电子网（中国电子网（http:/http:/）嵌入式公社（嵌入式公社（http:/

18、第第2 2章章80518051单片机的体系结构单片机的体系结构 主讲 袁鹏平本章学习要点：本章学习要点： (1) 8051单片机特点、内部结构及片内各组成部单片机特点、内部结构及片内各组成部件的功能作用；件的功能作用； (2) 8051单片机引脚名称、功能和控制信号、三单片机引脚名称、功能和控制信号、三总线的组成；总线的组成； (3) 单片机的存储结构，程序存储器、数据存储单片机的存储结构，程序存储器、数据存储器、特殊功能寄存器的编址和地址空间分配，单器、特殊功能寄存器的编址和地址空间分配，单片机堆栈的特点、程序状态字片机堆栈的特点、程序状态字PSW各位的含义；各位的含义； (4) 单片机工作

19、时序、时钟电路、复位电路工作单片机工作时序、时钟电路、复位电路工作原理；机器周期、指令周期的计算方法；原理；机器周期、指令周期的计算方法；I/O的结的结构功能特点，单片机的工作模式。构功能特点，单片机的工作模式。 2.1 80512.1 8051单片机内部结构单片机内部结构八大功能部件：八大功能部件：（1 1）微处理器微处理器（8 8位位CPUCPU）（2 2）程序存储器程序存储器（ROMROM、EPROMEPROM或或FlashFlash等）等）（3 3）数据存储器数据存储器（RAMRAM、E2PROME2PROM）（4 4）四个四个8 8位并行可编程位并行可编程I/OI/O端口端口（P0P

20、0、P1P1、P2P2、P3P3）（5 5）一个串行口一个串行口（UARTUART）（6 6）两个两个1616位定时器位定时器/ /计数器计数器（T0/T1T0/T1）（7 7）中断系统中断系统（含（含8 8个中断源、个中断源、2 2个优先级）个优先级）（8 8）特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFRSFR） 还包含：还包含： 时钟振荡器、总线控制器和供电电源时钟振荡器、总线控制器和供电电源 此外，有的还有此外，有的还有其它功能部件其它功能部件，如：，如： A/D、D/A PWM、PCA WDT SPI、I2C、ISP、IAP8051单片机内部结构图单片机内部结构图 2.2 80512.2 80

21、51单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能单片机芯片单片机芯片双列直插封装方式双列直插封装方式引脚图引脚图 2.2 80512.2 8051单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能单片机芯片单片机芯片方形封装方式方形封装方式引脚图引脚图 2.2 80512.2 8051单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能1主电源引脚（1）GND 接地（2）VCC正常操作时为十5V电源。2时钟电路引脚 （1）XTAL1： （2）XTAL2： 3 3控制线与电源复用引脚控制线与电源复用引脚（1）RST/VPD：RSTRST是复位信号，高电平有效。 VPDVPD为第二功能，即备用电源输

22、入端。 （2）ALE/PROG：ALEALE为地址锁存允许信号输出引脚。 PROGPROG为编程信号，第二功能，低电平有效。 （3）PSENPSEN：片外ROM选通信号输出端，低电平有效。 （4）EAVPP：EA为内部和外部ROM控制端 当EA1时，从内ROM开始访问 当EA0时，只访问外部ROM VPP是编程电源输入端4 4并行输入并行输入/ /输出引脚输出引脚（1）P0口：P0.0P0.7统称为P0口（2）P1口：P1.0P1.7统称为P1口（3）P2口：P2.0P2.7统称为P2口（4）P3口：P3.0P3.7统称为P3口 P3口每一位可用作第二功能，而且P3口的每一条引脚都可以独立设置

23、为第一功能的I/O口功能和第二功能 。2.3 80512.3 8051中央处理器中央处理器 单片机的单片机的CPUCPU是完整的是完整的1 1位微计算机。这位微计算机。这个个1 1位微计算机包含位微计算机包含CPUCPU、位寄存器、位寄存器、I/OI/O口口和指令集。和指令集。 CPUCPU内部内部包含：包含： 1 1、运算器、运算器 2 2、控制器、控制器 3 3、存储器。、存储器。2.3.1 2.3.1 运算器运算器 运算器包含： 1.算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALUALU-算术运算、逻辑运算 2.累加器累加器A A-相当于数据加工厂 3.位处理器位处理器-位运算 4.BCDBCD码

24、修正电路码修正电路-十进制数的运算处理 5.PSW-记录程序运行状态 2.3.2 2.3.2 控制器控制器 单片机的指挥部件，主要任务是识别指令识别指令，控制各功能部件控制各功能部件，保证各部分有序工作有序工作。主要包括指令寄存器、指令译码器、程序计数器、程序地址寄存器、条件转移逻辑电路、时序控制逻辑电路。 1 1、指令、指令译码及控制器、指令、指令译码及控制器 指令指令-就是完成某项操作的命令。 指令译码指令译码-对指令进行解析和翻译 控制器控制器-发出相应的控制信息，指挥运算器和存储器协同完成指令所要求的操作。例如：下面是单片机的一条指令： 00100101 00110000 (A)+(3

25、0H) 该指令是加法指令,指令占2字节2 2、指令集和指令助记符、指令集和指令助记符 指令译码器所能解析系统在设计时规定的。 为直观表达，用指令助记符表示。 例如，上面的加法指令的助记符为： ADD A，30H3 3、程序及程序计数器、程序及程序计数器PCPC 什么叫计算机程序：为完成一个完整的运算任务，按照执行步骤用计算机指令编写的指令集合。 执行程序指示：地址由PC指示。 执行程序时，在计算机控制器的控制下，取指令装置会按PC的指向从存储器中读出第一条指令并译码，执行指令所要求的操作。2.3.3 2.3.3 程序执行过程程序执行过程 执行程序线路实际上按PC的指取指令运行，PC就象引路人，

26、称为程序指针。执行流程如下图：程序指令取指执行过程程序指令取指执行过程1、复位PC=00002、从PC取指，PC+13、取数据4、执行指令5、取下一条指令2.4 80512.4 8051单片机的存储结构单片机的存储结构 8051单片机存储器采用冯诺依曼结构： 1、有一根地址和数据总线。 2、程序存储器空间和数据存储器空间采用独立编址。 3、拥有各自的寻址方式和寻址空间。2.4.1 80512.4.1 8051单片机的存储器结构单片机的存储器结构80518051单片机存储器从物理结构上分四种：单片机存储器从物理结构上分四种： 1、片内程序存储器 2、片外程序存储器 3、片内数据存储器 4、片外数

27、据存储器从寻址空间分布上分三种：从寻址空间分布上分三种： 程序存储器、内部数据存储器外部数据存储器。从功能作用上可五种：从功能作用上可五种： 程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间存储器和外部数据存储器。2.4.1 80512.4.1 8051单片机的存储器结构图单片机的存储器结构图2.4.2 2.4.2 程序存储器：程序存储器： 可寻址的地址空间为64KB，从0000H开始编址，最大地址可至FFFFH。 用EA信号选择片内、片外程序存储器： 对于STC89C51单片机（片内有4 KB），编址为00000FFFH，EA 接高电平，从片内0000H开始执行程序。 对于8031单片

28、机无内部程序存储器， EA接低电平，从片外读取程序执行。中断向量：中断向量： 单片机至少有5个中断地址，在0000002FH程序存储器地址之间占5个特殊地址，被固定用于5个中断源的中断服务程序入口地址。中断地址如下：2.4.3 2.4.3 片内数据存储器片内数据存储器1 1、片内、片内RAMRAM编址编址片内数据存储器(RAM)，128B/256B)，用来存放程序运行时所需要的常数或变量。编址如下：51子系列片内RAM有128字节编址为007FH 特殊功能寄存器块有128字节编址为为80FFH 52子系列片内RAM有256字节 低128字节编址为007FH （直接寻址） 高128字节编址为80

29、FFH （间接寻址） SFR有128字节编址为为80FFH （间接寻址）2 2、内部数据存储器的划分、内部数据存储器的划分 片内片内RAMRAM编址为编址为00007FH7FH，分，分工作寄存器区工作寄存器区、位位寻址区寻址区、数据缓冲区数据缓冲区和和堆栈数据区堆栈数据区三个部分。结三个部分。结构如下图：构如下图：(1) (1) 工作寄存器区工作寄存器区 从上图中可以看到，单片机内部从上图中可以看到，单片机内部RAM的的001FH区是区是R工作寄存器区，分为四个组，由工作寄存器区，分为四个组，由RS1、RS0配置选择：配置选择：(2) (2) 位寻址区位寻址区 内部内部RAM的的20H2FH为

30、位寻址区域为位寻址区域(见表见表2-4)。 这这16个单元个单元(共共128位位)的位地址编址范围为的位地址编址范围为00H7FH。(3)(3)数据缓冲区数据缓冲区 内部内部RAMRAM的的30H30H7FH7FH是数据缓冲区，也称为用户是数据缓冲区，也称为用户RAMRAM区，区，共共8080个单元。个单元。 5252子系列内部有子系列内部有256256个单元的数据存储器，用户个单元的数据存储器，用户RAMRAM区范区范围为围为30H30HFFHFFH，共，共208208个单元。个单元。 工作寄存器区和位寻址区的地址及单元数与上述一致。工作寄存器区和位寻址区的地址及单元数与上述一致。3 3、堆

31、栈和堆栈指针、堆栈和堆栈指针 堆栈的概念：堆栈的概念：是一种数据项按序排列的数据结是一种数据项按序排列的数据结构，采用后进先出，这种后进先出操作的缓冲器构，采用后进先出，这种后进先出操作的缓冲器区称为堆栈。区称为堆栈。 堆栈指针总是指向栈顶。堆栈指针总是指向栈顶。 堆栈就好比水桶或手枪中的弹匣，更象一个装堆栈就好比水桶或手枪中的弹匣，更象一个装兵乓球的小圆筒。兵乓球的小圆筒。 堆栈的几个名词：堆栈的几个名词： 满堆栈 、空堆栈、递增堆栈和递减堆栈 堆栈特点：后进先出堆栈特点：后进先出堆栈有堆栈有3 3个具体功能：个具体功能： (1) (1) 保护断点保护断点 (2) (2) 现场保护现场保护

32、(3) (3) 临时暂存数据临时暂存数据2.4.4 2.4.4 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 单片机是通过特殊功能寄存器（单片机是通过特殊功能寄存器（SFR）对各种功）对各种功能部件进行集中控制。如下表：能部件进行集中控制。如下表：2.4.5 2.4.5 外部数据存储器外部数据存储器 单片机单片机一般的内部一般的内部RAMRAM只有只有128 B128 B或或256B256B。 现在有现在有大大RAMRAM容量容量单片机或集成了单片机或集成了Data FlashData Flash的单片机。的单片机。 系统需要系统需要海量存储器海量存储器必须扩展外部存储器。必须扩展外部存储器。 扩展外部存储器

33、方式：扩展外部存储器方式： （1 1）并行方式扩展（最大）并行方式扩展（最大64KB64KB） （2 2）串行方式扩展（最大）串行方式扩展（最大1MB1MB以上）以上）存储器使用总结如下：存储器使用总结如下： (1) (1) 地址有重叠性，用不同的控制命令分开。地址有重叠性，用不同的控制命令分开。 (2) (RAM)(2) (RAM)和和 (ROM)(ROM)在操作使用上是严格区分在操作使用上是严格区分的，不同的操作指令不能混用。的，不同的操作指令不能混用。 (3) (3) 位地址空间有两个区域：位地址空间有两个区域： 20H20H2FH2FH区和区和SFRSFR区区 (4) (4) 片外数据

34、存储器区中，片外数据存储器区中，RAMRAM存储单元与单存储单元与单片机外部扩展的片机外部扩展的I/OI/O端口是统一编址的。端口是统一编址的。2.5 并行并行I/O端口端口 共有共有4 4个个8 8位双向位双向I/OI/O口，共口，共3232口线。每位口线。每位均有自己的锁存器均有自己的锁存器(SFR)(SFR)，输出驱动器和输入，输出驱动器和输入缓冲器。缓冲器。多路开关多路开关功能功能：用于控制选通I/O方式还是地址/数据输出方式1)方式控制方式控制：由内部控制信号产生输入锁存器输入锁存器两个输入缓冲器两个输入缓冲器(BUF1和BUF2)推拉式推拉式I/O驱动器驱动器2.5.1 P02.5

35、.1 P0口位图内部结构口位图内部结构BUF2BUF15 5、P0R2P0R2为为读引脚读引脚信号，执行信号，执行“MOV A,P0MOV A,P0”时该信号有效时该信号有效6 6、读引脚（端口）时，输出锁存器应为、读引脚（端口）时，输出锁存器应为“1 1”说明：说明：1 1、当控制信号为、当控制信号为0 0时，时，P0P0口做双口做双向向I/OI/O口，为漏极开路（三态）口，为漏极开路（三态）2 2、控制信号为、控制信号为1 1时，时，P0P0口为地址口为地址/ /数据复用总线（用于口扩展）数据复用总线（用于口扩展）3 3、P0WP0W为端口输出写信号，用于为端口输出写信号，用于锁存输出状态

36、锁存输出状态4 4、P0R1P0R1为为读锁存器读锁存器信号，执行信号，执行“ANL P0,#0FHANL P0,#0FH”时该信号有效时该信号有效Q QQ QD DC CVccVcc控制控制AD0AD0P0R1P0R1 P0R2P0R2D0D0P0WP0W图图1 1、P0P0口内部结构口内部结构读锁存器读锁存器读引脚读引脚锁存器锁存器内部总线内部总线写锁存器写锁存器地址地址/ /数据数据P00P00多路开关多路开关102.5.2 P12.5.2 P1口内部结构口内部结构Vcc P10 Q Q D C P1R1 P1R2 D0 P1W R* 图2、P1口内部结构 P1P1口内部结构如图口内部结

37、构如图2 2所示所示 输出部分有内部上拉电阻输出部分有内部上拉电阻R R* *约为约为20K20K。 其他部分与其他部分与P0P0端口使用相类似（读引脚时先写入端口使用相类似（读引脚时先写入1 1）。）。写数据读端口 P10 Vcc P11 8051 K1 D1 R1 图2.1、P1口应用 2.5.3 P22.5.3 P2口内部结构口内部结构2 2、当控制信号为、当控制信号为1 1时时FP2P2口输出地址信息，口输出地址信息，F此时单片机完成外部的此时单片机完成外部的取指操作或对外部数据取指操作或对外部数据存储器存储器1616位地址的读写位地址的读写操作。操作。3 3、当、当P2P2口作为普通

38、口作为普通I/OI/O口口使用时使用时F用法和用法和P1P1口类似。口类似。说明：说明：1 1、P2P2可以作为通用的可以作为通用的I/OI/O，也可以作，也可以作为为高高8 8位地址位地址输出。输出。Q Q D C Vcc 控制 地址 P2R1 P2R2 D0 P2W P20 图3、P2口内部结构 R* P0.3地址锁存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCC P0

39、.0P0.1P0.2P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2MCS-51片外总线结构示意图 返回返回MCS-51单片机片外总线 P0.4返回返回单片机单片机 8031P2.0P2.1P2.2A8A9A10ALERD74LS373G6264A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2O3O4O5O6O7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7OECEQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7WEWRP2.7P2.3P2.4A11A126264WE单片机单片机 8031P2.0:

40、.A8.ALERD74LS373GA7.A0P0.0P0.0 :P0.7P0.7OECEQ0.Q7D0.D7A12P2.4WRD7.D02.5.4 P32.5.4 P3口内部结构口内部结构说明：说明：1、做普通端口使用时，第二、做普通端口使用时，第二功能应为功能应为“1”。Q Q D C Vcc 变异输出 P3R1 P3R2 D0 P3W P30 图3、P3口内部结构 R* 变异输入 2、使用第二功能时，输出端、使用第二功能时，输出端口锁存器应为口锁存器应为“1”。3、变异功能（）、变异功能（） P3.0 TXD P3.4 T0 P3.1 RXD P3.5 T1 P3.2 INT0 P3.6

41、WR P3.3 INT1 P3.7 RD1输出输出I/O口口1读I/O口1 12.5.5 P02.5.5 P0P3P3端口功能总结端口功能总结使用中应注意的问题：使用中应注意的问题：（1 1）P0P0P3P3口都是并行口都是并行I/OI/O口，但口，但P0P0口和口和P2P2口口还可还可用来构建数据总线和地址总线，所以用来构建数据总线和地址总线，所以电路中有一电路中有一个个MUXMUX，进行转换。，进行转换。（2 2）而）而P1P1口和口和P3P3口口无构建系统的数据总线和地址总无构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，线的功能，因此，无需转接开关无需转接开关MUXMUX。（3 3）只有）只

42、有P0P0口口是一个真正的是一个真正的双向口双向口，P1P1P3P3口口都是都是准双向口准双向口。 原因原因: :P0P0口作数据总线使用时，为保证数据正确传口作数据总线使用时，为保证数据正确传送，需解决芯片内外的隔离问题，送，需解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传即只有在数据传送时芯片内外才接通；否则应处于隔离状态。为此，送时芯片内外才接通；否则应处于隔离状态。为此，P0P0口的输出缓冲器应为三态门。口的输出缓冲器应为三态门。（4 4）P3P3口具有第二功能。因此在口具有第二功能。因此在P3P3口电路增加了第口电路增加了第二功能控制逻辑。这是二功能控制逻辑。这是P3P3口与其它各口的不同之

43、处口与其它各口的不同之处。P3P3口的第二功能口的第二功能2.6 2.6 单片机时序与复位单片机时序与复位 时钟电路用于产生单片机工作所必需的时时钟电路用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号。钟控制信号。2.6.1 2.6.1 时钟电路时钟电路 时钟频率直接影响单片机的时钟频率直接影响单片机的速度速度，电路的，电路的质量直接影响系统的质量直接影响系统的稳定性稳定性。常用的时钟电路。常用的时钟电路有两种方式：有两种方式：内部时钟内部时钟方式和方式和外部时钟外部时钟方式。方式。一、内部时钟方式一、内部时钟方式 内部有一个用于构成振荡器的内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器高增益反相放大器，其

44、输入端：其输入端：XTAL1XTAL1，输出端：，输出端：XTAL2XTAL2。 C1和和C2典型值通常选择典型值通常选择为为30pF左右。左右。 晶体的振荡频率晶体的振荡频率在在1.2MHz12MHz之间。之间。 某些高速单片机芯片的某些高速单片机芯片的时钟频率已达时钟频率已达40MHz。二、外部时钟方式二、外部时钟方式 常用于多片单片机同时工作。常用于多片单片机同时工作。 三、时钟信号的输出三、时钟信号的输出 为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需增加为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需增加驱动能力。驱动能力。 2.6.2 2.6.2 机器周期、指令周期与指令时序机器周期、指令周期与指令时序

45、一、时钟周期一、时钟周期单片机的单片机的基本时间单位基本时间单位。若时钟的晶体的振荡频率为若时钟的晶体的振荡频率为foscfosc，则时钟周期，则时钟周期Tosc=1/foscTosc=1/fosc。如。如fosc=6MHzfosc=6MHz，Tosc=166.7nsTosc=166.7ns。二、机器周期二、机器周期CPUCPU完成一个基本操作所需要的时间完成一个基本操作所需要的时间。执行一条指令分为几个机器周期。每个机器周期执行一条指令分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作。完成一个基本操作。MCS-51MCS-51单片机每单片机每1212个时钟周期个时钟周期为一个机器周期，为一个机

46、器周期，一个机器周期又分为一个机器周期又分为6 6个状态个状态：S1S1S6S6。每个状每个状态又分为两拍态又分为两拍：P1P1和和P2P2。因此，。因此，一个机器周期中的一个机器周期中的1212个时钟周期表示为：个时钟周期表示为：S1P1S1P1、S1P2S1P2、S2P1S2P1、S2P2S2P2、SP6P1SP6P1、S6P2S6P2三、指令周期三、指令周期执行一条指令时，可分为执行一条指令时，可分为取指令阶段取指令阶段和和指令执行阶指令执行阶段段 。 取指令阶段取指令阶段，PCPC中地址送到程序存储器，并从中取出中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。需要执行指令

47、的操作码和操作数。 指令执行阶段指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。列控制信号完成指令的执行。 ALEALE信号是为地址锁存而定义的信号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲，以时钟脉冲1/61/6的频的频率出现，在一个机器周期中，率出现，在一个机器周期中，ALEALE信号两次有效（注意，信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令在执行访问外部数据存储器的指令MOVXMOVX时，将会丢失一时，将会丢失一个个ALEALE脉冲）脉冲）8051X2X2X1X1VssVssTTLTTL外接时钟源外接时钟源VccVcc时钟电路时钟电

48、路 需外接晶振的频率需外接晶振的频率1.212MHZ，C1和和C2取取3010PFX1X1X2X2C2C2 C1C1X X 8051振荡电路振荡电路S1S2S3S4S5S6S1S2P1 P2 P1 P2 P1 P2P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2fosc一个状态周期一个状态周期一个机器周期一个机器周期T=12T=12* *(1/fosc)(1/fosc)X2 CPU的时序（时钟周期、的时序（时钟周期、 状态周期、机器周期）状态周期、机器周期）若外接晶振为若外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周时，则单片机的四个周期的具体值为：期的具体值为： 时钟周期时钟周期1/12

49、MHz1/12s0.0833s 状态周期状态周期1/6s0.167s 机器周期机器周期1s 指令周期指令周期14s可用于计算指令、程序的执行时间，以及定可用于计算指令、程序的执行时间，以及定时器的定时时间时器的定时时间2.6.3 2.6.3 复位电路复位电路单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。 引脚引脚RSTRST加上加上大于大于2 2个机器周期（即个机器周期（即2424个时钟振荡个时钟振荡周期）的高电平就可使周期）的高电平就可使MCS-51MCS-51复位。复位。复位时，复位时，PCPC初始初始化为化为0000H0000H，使，使MCS-51MCS-51单片机

50、从单片机从0000H0000H单元开始执行程单元开始执行程序。序。 除除PCPC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见见表表2-82-8(P43)(P43)。 SP=07H SP=07H ，P0-P3P0-P3的引脚均为高电平的引脚均为高电平。 在复位有效期间，在复位有效期间，ALEALE脚脚和和PSENPSEN* *脚脚均为高电平，均为高电平，内部内部RAMRAM的状态不受复位的影响。的状态不受复位的影响。2.7.2 2.7.2 复位电路复位电路 片内复位结构：片内复位结构： 上电自动复位上电自动复位和和按钮复位按钮复位 最简单的上电自动复位电路最

51、简单的上电自动复位电路: :按键手动复位按键手动复位，有，有电平方式电平方式和和脉冲方式脉冲方式两种。两种。 电平方式电平方式 脉冲方式脉冲方式两种实用的兼有上电复位与按钮复位的电路。两种实用的兼有上电复位与按钮复位的电路。 图图2-192-19中（中（b b）的电路能输出高、低两种电平的复位控制的电路能输出高、低两种电平的复位控制信号，以适应外围信号，以适应外围I/OI/O接口芯片所要求的不同复位电平信号。接口芯片所要求的不同复位电平信号。74LS12274LS122为单稳电路，实验表明，为单稳电路，实验表明，电容电容C C的选择约为的选择约为0.10.1 F F较好。较好。Watch Do

52、g复位电路复位电路 2.6.4 复位和复位状态 单片机复位后，各个特殊功能寄存器的复位状态如表2-8所示 2.7 单片机的省电工作模式单片机工作方式：（1）正常工作方式（2）空闲模式（3）掉电模式空闲模式和掉电模式由PCON中的IDL和PD位设置。PCON电源控制寄存器格式如下： PCON的字节地址为87H，不能位寻址，系统复位时PCON=00 x1 0000B。IDL=1进入空闲模式。 (1) 用中断方式退出空闲模式。 (2) 用硬件复位方式退出空闲模式。 PD=1进入掉电模式。 STC89C51单片机的功耗： （1）正常工作时功耗为25 mA （2）空闲节电模式下功耗是6.5 mA （3）

53、掉电模式时功耗仅50 A。 第第8 8章章 单片机与键盘、单片机与键盘、显示器、打印机接口的设计显示器、打印机接口的设计主讲：袁鹏平主讲：袁鹏平10.1 单片机与键盘的接口单片机与键盘的接口 键盘是由若干按键组成的开关阵列。键盘有编码键盘和非编码键盘之分。单片机系统中通常采用非编码键盘，非编码键盘主要由软件来识别闭合键，具有结构简单、使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。 10.1.1 键盘的工作原理1按键特点键盘是一组按键开关的集合，组成键盘的按键有触点式和非触点式两种。 常用的键盘一般采用由机械触点构成的键盘开关，在按键接触过程中通常会产生抖动，如下图： 2按键的识别按键的识别 图1

54、0-1中，当按键开关K1没有按下时，K1键的2个触点是断开的，这时P1.0输入为高电平；当K1键被按下时，K1键的2个触点是接通的，P1.0输入为低电平。通过对连接按键的I/O端口的电平检测，就能识别出K1键是否被按下。 3按键抖动的消除方法按键抖动的消除方法 有两种：硬件去抖和软件延时去抖。 硬件去抖电路如图10-2所示。 10.1.2 键盘的接口方式键盘的接口方式 单片机系统中采用非编码键盘，非编码键盘分为独立式键盘和行列式矩阵键盘。 1独立式键盘接口 按键处理子程序：ORG 0000 LJMP MAIN ORG 0013H LJMP KPINT1MAIN: MOV SP,#6FH SET

55、B IT SETB EX1 SETB EA (2) 查询方式独立键盘接口这种键盘接口方式适用于键盘操作实时性要求不高的系统。接口电路如图10-4： (3) 缓冲方式独立键盘接口 这种键盘接口方式适用于键盘操作实时性要求不高的系统。接口电路如图10-5：按键处理程序见课本。 10.2 单片机与显示器接口设计 LED(Light Emitting Diode)是发光二极管，常作为指示器，其导电特性与普通二极管类似。由8个LED按照规定的排列安装就可构成LED数码管，能够显示各种数字及部分英文字母，是单片机应用系统中普遍被使用的显示器。 10.2.1 显示器结构与工作原理 数码管只能显示一个数字或字

56、符，其内部结构如图10-10所示。LED显示器有共阳极和共阴极2种。 10.2.2 LED数码显示方式与接口电路设计由N个LED单字数码管可接成N位数码显示，如图10-12是四位LED显示的电路原理图。1静态显示 静态显示是指每一个显示器都要占用单独的、具有锁存功能的I/O接口，以用于锁存字形代码。 静态显示静态显示3位数字的子程序位数字的子程序(假定显示的数在假定显示的数在50H52H)：DISP：MOV R2,#03 MOV R0,#50HLP0： MOV A,R0 ADD A,#0BH MOVC A,A+PC MOV SBUF,ALP1： JNB TI,LP1 CLR TI INC R0

57、 DJNZ R2,LP0 RETTAB：DB 09H,0EBH,98H,8AH,6AH,0EH DB0CH,0CBH,08H,0AH,0FFH,0FFH2动态显示 动态显示是指一位一位地轮流点亮各位数码显示器，即每隔一段时间点亮一个数码管。 动态显示程序如下：动态显示程序如下： DISP:MOV R3,#00;显示初值 MOV R4,#0E8H;循环显示次数LP0:MOV DPTR,#TAB;置笔形码表首地址MOV A,R3MOVC A,A+DPTRMOV P1,ADELAY:ACALL DISP1DJNZ R4,DELAYINC R3CJNE R3,#0A,LP0AJMP EXQDISP1:

58、MOV R1,#06MOV R5,#00DISP2:MOV A,R5MOV P3,A;送位选码ACALL DEL1;每位显示15msINC R5;指向下一个LEDDJNZ R1,DISP2;未显示完6位继续RETDEL1:MOV R6,#250;延时1ms(6MHz晶振)LP2:DJNZ R6,LP2EXQ: RETTAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99HDB 92H,82H,0F8H,80H,90H10.4 单片机与液晶显示器的接口设计 液晶显示器是一种将液晶显示屏、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源和结构件装配在一起的组件。英文名称为Liquid Crystal D

59、isplay Module，简称为LCD，称为液晶显示模块。 10.4.1 液晶显示器类型与工作原理1字段型模块 字段型是以长条状组成的字符显示，主要用于显示数字和部分英文字母及字符，广泛应用于电子仪器、数字仪表和计算器中。 2点阵字符型模块点阵字符型模块由行、列驱动器，控制器及必要的连接件，结构件装配而成，内部固化了192个字模的字符库，可以显示数字、英文字母和字符。 3点阵图形型模块这种点阵图形型模块点阵像素连续排列，行和列在排布中均没有空隔，可以显示连续、完整的图形。由于它由X-Y矩阵像素构成，所以除显示图形外，也可以显示字符。3、TC1602E液晶显示器接口设计液晶显示器接口设计 单片

60、机与TC1602E液晶显示器接口方法有两种：一种为直接访问方式；另一种为间接控制方式。接口电路如图10-25所示。 10.4.3 点阵图形液晶显示器接口设计点阵图形液晶显示器接口设计 有图形显示功能的液晶显示器，其里面包含一个“图形显示缓冲区”。“图形显示缓冲区”的内容按点阵对应方式进行显示。液晶显示屏中的“显示缓冲区”通常不能被CPU直接访问，一字节的操作需要先传送地址，再传送数据，需要若干条指令才能完成。 1OCM12864引脚功能与接口电路设计引脚功能与接口电路设计 OCM12864是12864蓝模、CCFL背光、带KS0108控制器的图形液晶显示器，有20个引脚，工作电压为+5 V，可