单片机原理与项目实践1第一章---单片机基础知识课件

1、第一章 单片机基础知识主 要 内 容1.1 单片机概述1.2 计算机中的数制与编码1.3 单片机的电平特性1.4 MCS-51单片机的内部结构主 要 内 容1.5 MCS-51的存储器1.6 MCS-51单片机的时钟、时序与复位 1.7 输入/输出端口结构 1.8 初步了解单片机应用1.1 单片机概述单片机的发展阶段第一阶段（19761978）：初级单片机阶段。第二阶段（19781982）：单片机完善阶段。第三阶段（19821992）：8位单片机巩固发展及16位高级单片机发展阶段。第四阶段（1993现在）：百花齐放阶段。1.2 计算机中的数制与编码1.2.1 数制1、什么是进位计数制 数制也称

2、计数制，是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。按进位的原则进行计数的方法，称为进位计数制。常用进位计数制：十位制（Decimal notation）二进制（Binary notation）八进制（Octal notation）十六进制（Hexdecimal notation）1.2.1 数制2、进位计数制的基数与位权（1）基数：所谓基数，就是进位计数制的每位数上可能有的数码的个数。（2）位权：所谓位权，是指一个数值的每一位上的数字的权值的大小。1.2.1 数制2、进位计数制的基数与位权（3）数的位权表示：任何一种数制的数都可以表示成按位权展开的多项式之和。 位权表示法的特点是：每一

3、项某位上的数字X基数的若干幂次；而幂次的大小由该数字所在的位置决定。1.2.1 数制3、二进制数（1）定义：按“逢二进一”的原则进行计数，称为二进制数，即每位上计满2时向高位进一。1.2.1 数制3、二进制数（2）特点：每个数的数位上只能是，两个数字；二进制数中最大数字是，最小数字是；基数为。1.2.1 数制3、二进制数（3）二进制数的运算规则加法运算1）0002）011013）1110乘法运算1）0002）011003）1111.2.1 数制4、八进制数（1）定义：按“逢八进一”的原则进行计数，称为八进制数，即每位上计满8时向高位进一。1.2.1 数制4、八进制数（2）特点：每个数的数位上只

4、能是0、2、3、4、5、6、7八个数字；八进制数中最大数字是7，最小数字是；基数为8。1.2.1 数制4、八进制数（3）八进制数的位权表示：(107.13)8182081780181 3821.2.1 数制5、十六进制数（1）定义：按“逢十六进一”的原则进行计数，称为十六进制数，即每位上计满16时向高位进一。1.2.1 数制5、十六进制数（2）特点：每个数的数位上只能是、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F十六个数码；十六进制数中最大数字是F，即15，最小数字是；基数为16。1.2.1 数制5、十六进制数（3）十六进制数的位权表示：(109.13)16116201619160

5、 11613162(2FDE)1621631516213161 141601.2.1 数制6、常用计数制间的对应关系十进制二进制八进制十六进制00001111210224100448100010810101012A15111117F161000020101.2.1 数制7、数制间的转换（1）十进制数和非十进制数之间的转换1）十进制整数转换成非十进制整数 十进制整数化为非十进制整数采用“余数法”，即除基数取余数。把十进制整数逐次用任意非十进制数的基数去除，一直到商是0为止，然后将所得到的余数由下而上排列即可。1.2.1 数制（1）十进制数和非十进制数之间的转换2）十进制小数转换成非十进制小数 十

6、进制小数转换成非十进制小数采用“进位法”，即乘基数取整数。把十进制小数不断的用其它进制的基数去乘，直到小数的当前值等于0或满足所要求的精度为止，最后所得到的积的整数部分由上而下排列即为所求。1.2.1 数制（1）十进制数和非十进制数之间的转换3）非十进制数转换成十进制数 非十进制数转换成十进制数采用“位权法”，即把各非十进制数按位权展开，然后求和。1.2.1 数制7、数制间的转换（2）二、八、十进制数之间的转换1）二进制数与八进制数之间的转换 1.2.1 数制a、把二进制数转换为八进制数时，按“3位并1位”的方法进行。 以小数点为界，将整数部分从右向左每3位一组，最高位不足3位时，添0补足3位

7、；小数部分从左向右，每3位一组，最低有效位不足3位时，添0补足3位。然后，将各组的3位二进制数按权展开后相加，得到1位八进制数。1.2.1 数制b、将八进制数转换成二进制数时，采用“1位拆3位”的方法进行。即把八进制数每位上的数用相应的3位二进制数表示。1.2.1 数制（2）二、八、十进制数之间的转换2）二进制数与十六进制数之间的转换1.2.1 数制a、把二进制数转换为十六进制数时，按“4位并1位”的方法进行。 以小数点为界，将整数部分从右向左每4位一组，最高位不足4位时，添0补足4位；小数部分从左向右，每4位一组，最低有效位不足4位时，添0补足4位。然后，将各组的4位二进制数按权展开后相加，

8、得到一位十六进制数。1.2.1 数制b、将十六进制数转换成二进制数时，采用“1位拆4位”的方法进行。即把十六进制数每位上的数用相应的4位二进制数表示。1.2.1 数制1.2 计算机中的数制与编码1.2.2计算机中数的表示1、机器数与真值（1）机器数 计算机中，为了表示正、负数，把一个数的最高位作为符号位：0表示正数，1表示负数。比如，如果用八个二进制位表示一个十进制数，则正的36和负的36可表示为：36001001003610100100这种连同符号位一起数字化了的数称为机器数。1.2.2计算机中数的表示（2）真值由机器数所表示的实际值称为真值。比如：机器数00101011的真值为：十进制的4

9、3或二进制的0101011。1.2.2计算机中数的表示1.2 计算机中的数制与编码1.2.2计算机中数的表示2、机器数的表示方法（1）原码 正数的符号位用0表示，负数的符号位用1表示，数值部分用二进制形式表示，称为该数的原码。（2）反码 正数的反码和原码相同，负数的反码是对该数的原码除符号位外各位取反，即“0”变“1”，“1”变“0”。1.2.2计算机中数的表示（3）补码 正数的补码与原码相同，负数的补码是对该数的原码除符号位外各位取反，然后加1，即反码加1。1.2.2计算机中数的表示1.2 计算机中的数制与编码1.2.3字符编码 所谓字符编码就是规定用怎样的二进制编码来表示文字和符号。1.2

10、.3字符编码1、BCD码（二-十进制码）把十进制数的每一位分别写成二进制数形式的编码，称为二-十进制编码或BCD编码。1.2.3字符编码2、 ASCII码ASCII码有7位版本和8位版本两种。国际上通用的是7位版本。7位版本的ASCII码有128个元素，其中通用控制字符34个，阿拉伯数字10个，大、小写英文字母52个，各种标点符号和运算符号32个。1.2.3字符编码3、汉字编码（1）国标码国标码规定：用两个字节表示一个汉字字符。在国标码中共收录汉字和图形符号7445个。国标码本身也是一种汉字输入码。通常称为区位输入法。1.2.3字符编码3、汉字编码（2）机内码机内码是指在计算机中表示一个汉字的

11、编码。机内码是一种机器内部的编码，其主要作用是作为汉字信息交换码使用：将不同系统使用的不同编码统一转换成国标码，使不同的系统之间的汉字信息进行交换。1.3单片机的电平特性常用的逻辑电平有TTL、CMOS、LVTTL、ECL、PECL、GTL、RS-232、RS-422、RS-485、LVDS等。其中TTL和CMOS的逻辑电平按典型电压可分为四类：5V系列（5V TTL和5V CMOS）、3.3V系列、2.5V系列和1.8V系列。常用的逻辑芯片的特点系列名称芯片类型输入输出74LS系列TTLTTLTTL74HC系列CMOSCMOSCMOS74HCT系列CMOSTTLCMOSCD4000系列CMO

12、SCMOSCMOSTTL与CMOS管差异简介（1）CMOS是由场效应管构成，TTL为双极晶 体管构成。（2）CMOS的逻辑电平范围比较大（515V），TTL只能在5V下工作。（3）CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差。TTL与CMOS管差异简介（4）CMOS功耗很小，TTL功耗较大（15mA/门）。（5）CMOS的工作频率较TTL略低，但是高速CMOS速度与TTL差不多相当。1.4 MCS-51单片机的内部结构MCS-51系列单片机分为51和52两个子系列，包括80C51、87C51、80C52、87C52等典型产品型号。它们的结构基本相同，主要差别在于片

13、内的资源配置有所不同。其中52子系列只是在存储器容量、计数器和中断源数量方面高于51子系列，基本控制原理是一样的，采用80C51更具有代表性。1.4.1 MCS-51单片机的内部结构MCS-51单片机的内部资源都挂接在单片机内部总线上，通过内部中线传送数据和指令。1.4 MCS-51单片机的内部结构1.4.1 MCS-51单片机的内部结构80C51单片机的内部资源8位CPU；片内震荡器和时钟电路；4KB片内程序存储器（ROM）;128B的片内数据存储器（RAM）；2个16位定时/计数器；4个8位双向I/O口；80C51单片机的内部资源1个全双工串行口；5个中断源，2个优先级；21个专用寄存器；

14、对片内外程序存储器和内外数据存储器寻址的控制电路；80C51单片机的内部资源逻辑操作位寻址能力。CPU是单片机的内部核心部件，CPU的主要功能是产生各种控制信号，控制存储器和端口的数据传送、数据运算等。CPU1控制器（1）程序计数器PC（Program Counter）PC是以个16位的专用寄存器，存放着下一条要执行指令的首地址。CPU1控制器（2）指令寄存器IR（Instruction Register）指令寄存器是一个8位寄存器，用于暂存执行的指令，等待译码。CPU1控制器（3）指令译码器ID（Instruction Decoder）指令译码器是对指令寄存器中的指令进行译码，将指令转变为执

15、行此指令所需的电信号。CPU1控制器（4）数据指针DPTR（Data PoIntel）DPTR是一个16位的专用地址指针寄存器，由两个8位寄存器DPH（高8位）和DPL（低8位）组成。可作16位寄存器，也可作两个单独8位寄存器使用。DPTR可用来指向全部ROM地址空间和片外RAM地址空间。CPU2运算器（1）累加器ACC（Accumulater）ACC是一个8位二进制寄存器，简称A，通过暂存器与ALU相连，用来存放操作数和运算结果。CPU2运算器（2）算数逻辑部件ALU（Arithmetic Logic Unit）算数逻辑部件（ALU）由一个加法器、两个8位暂存器（TMP1和TMP2）和布尔处

16、理器组成。CPU2运算器（3）程序状态字寄存器PSW（Program State Word）PSW是一个8位专用寄存器，用于存放程序运行过程中的各种状态信息。PSW各位定义PSW7PSW6PSW5PSW4PSW3PSW2PSW1PSW0CYACF0RS1RS0OVF1PPSW各位定义（1）进位标志位CY（Carry）用于表示加法运算中的进位和减法中的借位。如果运算时，操作结果最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”。PSW各位定义（2）辅助进位标志AC（Auxiliary Carry）用于加或减运算时，如果操作结果的低4位向高4位产生进位或借位时，将由硬件置“1”，否则清“0”。

17、PSW各位定义（3）用户标志位F0该位是由用户根据程序执行的需要自行设定的标志位，用户可以通过设置该位来决定程序的流向。PSW各位定义（4）寄存器选择位RS1和RS0（Register Select）用于选择CPU当前工作的寄存器组。用户可以设置RS1和RS0来确定使用哪个寄存器组。RS1、RS0选择工作寄存器组RS1、RS0位的值R0R7寄存器组号在RAM中的物理地址00000H07H01108H0FH10210H17H11318H1FHPSW各位定义（5）溢出标志位OV（Overflow）可以指示运算过程中是否发生了溢出，由硬件自动形成。若在执行有符号数加、减运算指令过程中，累加器A中的运

18、算结果超出了8位数能表示的范围，即-128+127，则OV标志自动置“1”，否则清“0”。PSW各位定义（6） F1 用户标志位，同F0。（ 7）奇偶标志位P（Parity）奇偶标志位P用于指示运算结果中1的个数的奇偶属性。若P=1，则累加器A中1的个数为奇数；若P=0，则累加器A中1的个数为偶数。1.4.2 MCS-51的外部引脚及功能1.4 MCS-51单片机的内部结构1、 I/O（32条）（1）P0口（P0.0P0.7），P0.0是最低位，有两种功能：1） 通用I/O接口：无片外存储器时，P0口可作通用I/O接口使用。2） 地址/数据口。（2）P1（Pl.0P1.7）：用作I/O口。1、

19、 I/O（32条）（3）P2口（P2.0P2.7）：有两种功能：1） 通用I/O接口：无片外存储器时，P2口可作通用I/O接口使用。2） 地址口：在访问外部存储器时，传送ROM/RAM高8位地址。1、 I/O（32条）（4）P3口（P3.0P3.7），其中P3.0是最低位双向I/O接口，有两种功能：1）第一功能：通用I/O接口。2）第二功能：用于串行口、中断源输入、计数器、片外RAM选通。2、控制引脚（4条）（1）ALE/ 它是地址锁存允许/编程脉冲输入信号线，配合P0口引脚的第二功能使用。（2） 是片外程序存储器ROM的开放信号引脚，用来输出访问片外程序存储器时的读选通信号。2、控制引脚（4

20、条）（3） /VPP 允许访问片外程序存储器/编程电源输入引脚，可以控制8051使用片内还是片外ROM。（4）RST/VPD复位/备用电源引脚（2条）复位端RST：单片机上电后，其内部各寄存器都处于随机状态。若在该引脚上输入满足复位时间要求的高电平，将使单片机复位。3、电源引脚VCC：+5V电源引脚；VSS：接地引脚。4、晶振引脚（2条）MCS-51单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，即：（1）XTAL1：反相振荡放大器的输入引脚；（2）XTAL2：反相振荡放大器的输出引脚。1.5.1存储器的结构MCS-51单片机存储

21、器的特点是将程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM和SFR）分开编址，并有各自的寻址方式和寻址单元。对存储器的划分在物理上分为4个空间，片内ROM、片外ROM、片内数据存储器和片外RAM。1.5 MCS-51的存储器1.5.1存储器的结构FFFFH片内程序存储器FFHFFFFH片外程序存储器片内数据存储器片外数据存储器1000H(EA=1)0FFFH0000H(EA=0)ROMSFR片内 RAM80H7FH00HRAM(64K)0000H1.5.2程序存储器1.5 MCS-51的存储器地址分配如下：0000H存放跳转指令，跳转到主程序；0003H为外部中断0入口地址；000BH为定时器0溢出

22、中断入口地址；1.5.2程序存储器1.5 MCS-51的存储器地址分配如下：0013H为外部中断1入口地址；001BH为定时器1溢出中断入口地址；0023H为串行口中断入口地址。1.5.3数据存储器1.5 MCS-51的存储器数据存储器分为片外数据存储器和片内数据存储器。1.5.3数据存储器MCS-51单片机具有扩展64KB外部数据存储器RAM和I/O端口的能力，外部数据存储器和外部I/O端口实行统一编址，并使用相同的选通控制信号、相同的访问指令MOVX，以及相同的寄存器间接寻址。1.5.3数据存储器MCS-51单片机片内数据存储器可寻址256字节的空间，其中只有128字节RAM，地址为00H

23、7FH，它和SFR的地址空间是连续的（SFR的地址范围是80HFFH）。在256字节的空间中，具体可分为4个区域，特殊功能寄存器区、用户区、位寻址区和工作寄存器区。1.5.3数据存储器1、机器数的表示方法从00H1FH为4组工作寄存器区，每组占用8个RAM字节，记为R0R7。工作寄存器组的选择由程序状态字PSW中的RS1RS0位确定。1.5.3数据存储器2、位寻址区从20H2FH为位寻址区，16个字节的128位可以单独操作，可对每一位进行读或写。每一位都有其自身地址00H7FH与之对应。位寻址区与位地址字节地址位 地 址D7D6D5D4D3D2D1D020H07H06H05H04H03H02H

24、01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H

25、58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H1.5.3数据存储器3、用户区用户区共80个RAM单元，用于存放用户数据或作为堆栈区。此区中的存储区按字节进行存取。1.5.3数据存储器4、特殊功能寄存器MCS-51单片机的特殊功能寄存器（SFR），起着专用寄存器的作用，用来设置片内电路的运行方式，记录电路的运行状态等。此外，并行和串行I/O端口也映射到特殊功能寄存器，对这些寄存器的读写，可实现从相应I/O端口的输入和输出操

26、作。SFR的名称及其分布序号特殊功能寄存器名称符号字节地址位地址1P0口锁存器P080H87H86H85H84H83H82H81H80H2堆栈指针SP81H3数据地址指针（低8位）DPL82HSFR的名称及其分布序号特殊功能寄存器名称符号字节地址位地址4数据地址指针（高8位）DPH83H5电源控制寄存器PCON87H6定时/计数控制寄存器TCON88H8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88HSFR的名称及其分布序号特殊功能寄存器名称符号字节地址位地址7定时/计数器方式控制寄存器TMOD89H8定时/计数控0（低8位）TL08AH9定时/计数控0（高8位）TH08BHSFR的名称及其分布

27、序号特殊功能寄存器名称符号字节地址位地址10定时/计数控1（低8位）TL18CH11定时/计数控1（高8位）TH18DH12P1口锁存器P190H97H96H95H94H93H92H91H90HSFR的名称及其分布序号特殊功能寄存器名称符号字节地址位地址13串行口控制寄存器SCON98H9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H14串行口锁存器SBUF99H15P2口锁存器P2A0HA7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0H16中断允许控制寄存器IEA8HAFHAEHADHACHABHAAHA9HA8HSFR的名称及其分布序号特殊功能寄存器名称符号字节地址位地址17P3口锁存器P3

28、B0HB7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0H18中断优先级控制寄存器IPB8HBFHBEHBDHBCHBBHBAHB9HB8H19程序状态字寄存器PSWD0HD7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H20累加器AE0HE7HE6HE5HE4HE3HE2HE1HE0H21B寄存器BF0HF7HF6HF5HF4HF3HF2HF1HF0H1.6.1时钟电路MCS-51单片机的时钟信号通常有两种电路形式：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振），就构成了内部振荡方式。外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。1.6 MCS-51单片机的时钟、

29、时序与复位1.6.1时钟电路内部振荡器方式1.6.1时钟电路外部振荡器方式1.6.2单片机的时序单位1.6 MCS-51单片机的时钟、时序与复位1、时钟周期晶振或外加振荡源的振荡周期称为时钟周期，又称为节拍。时钟周期是MCS-51单片机的最小的时序单位。1.6.2单片机的时序单位2、状态周期1个状态周期等于2个时钟周期，即由2个节拍组成。3、机器周期1个机器周期等于6个状态周期（即12个节拍）。1.6.2单片机的时序单位4、指令周期执行一条指令所需要的时间。1个指令周期由14个机器周期组成，依据指令不同而不同。1.6.2单片机的时序单位单片机外接晶振频率（ ）12MHz时的时序单位时钟周期=1

30、/ =1/12MHz=0.0833 状态周期=2/ =2/12MHz=0.167 机器周期=12/ =12/12MHz=1 指令周期=（14）机器周期=14 1.6.3复位电路复位操作完成单片机片内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。另外，在单片机工作过程中，如果出现死机，也必须对单片机进行复位，使其重新开始工作。1.6 MCS-51单片机的时钟、时序与复位复位后片内各寄存器的初始值寄存器名称复位默认值寄存器名称复位默认值PC0000HTMOD00HA00HTCON00HPSW00HTH000HB00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHS

31、CON00HIPXXX00000BSBUFXXXXXXXXBIE0XX00000BPCON0XXX0000B复位操作基本形式：上电复位和开关复位复位电路1.7输入/输出端口结构 MCS-51的I/O接口结构图（a） P0的位结构 MCS-51的I/O接口结构图（b） P1的位结构 MCS-51的I/O接口结构图（c） P2的位结构 MCS-51的I/O接口结构图（d） P3的位结构 1、P0口 1.6.3复位电路1）P0口的第一功能是作为通用I/O口使用，作为输入口时，输入数据有缓冲；作为输出口时，输出数据可以锁存。使用第一功能的前提是控制信号等于0，这时0信号将与门封锁，多路开关将锁存器与T

32、2管连通。1、P0口 1.6.3复位电路2）P0口的第二功能是作为地址/数据总线的分时复用口，在访问片外扩展的程序存储器或数据存储器时，P0口首先作为地址总线输出低8位地址，与P2口输出的高8位地址组成16位的地址信号，寻址外部存储器单元；然后P0口转换为数据总线，完成外部存储器单元数据的输入输出。2、P1口 1.6.3复位电路P1口作为通用I/O口使用时，它的等效电路就是P0口控制信号等于0时的情况，工作原理基本相同。3、P2口 1.6.3复位电路P2口的第一功能是通用I/O接口，内部上拉电阻的结构与P1口相同；第二功能是作为地址总线，输出高8位地址信号，与P0接口输出的低8位地址组合，共同完成外部存