第0、1章 单片机基础

单片机原理及应用RF-X1单片机开发板团队制作主要内容

第0章单片机概述

1.1微型计算机概述

1.1.2微型计算机的发展

1.2微型计算机的组成及其工作原理1.3单片微型计算机的发展及应用

1946年第一台计算机诞生♠经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路的过程♠计算机产生的目的：为了解决日益复杂的计算问题♠如今，计算机已经深入到社会的各个领域♠随着计算机的普及，计算机在不同的领域、不同的行业的应用。是计算机在结构上发生了深刻的变化，其表现在以下几个方面：（1）针对控制领域的特点，即高可靠性，灵活的控制能力，再加上要求体积小、价格低。出现了将微处理器与外围器件集成在一块芯片上计算机—单片机（single-chipMicrocomputer)。它具有灵活的指令系统和位处理能力,抗干扰能力强，功耗低。由于它主要用于控制领域，例如，智能控制设备与仪表机电一体化产品，家电产品等。因此又叫Microcontroling

unit.(MCU)（2）针对信号处理过程中需要大量的复杂计算，例如，语音、图像的处理，编解码处理。信号的提取与恢复等，出现了以密集型计算见长的单片机，即DSP（DigitalsignalProcessor).（3）满足功能多样化的目的，将微处理器，半导体存贮器，I/O接口和中断电路及装在一块印刷电路板上，或几块电路板上，形成单板机或多板机，再加上外设和系统软件，就构成了通用的PC机。单片机和PC机在结构上的区别：PC机采用了VenNeumann结构DSP采用了Havard结构MCU采用类似Havard结构单片微型计算机的发展及应用1单片机的发展历史2单片机的发展趋势3单片机的典型产品4单片机的应用

1974年12月，美国仙童（Fairchild）公司推出了世界上第一台8位单片机F8。单片机的发展过程分为以下几个发展阶段。第一代单片机（1974—1976年）单片机发展的起步阶段。集成度也较低，并且采用了双片形式。代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek公司的3870等。第二代单片机（1976—1978年）这是单片机的发展阶段。最典型的产品有Intel公司的MCS-48系列单片机。第三代单片机（1979一1982年）这是8位单片机的成熟阶段。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机、Motorola公司的MC6801系列机、Zilog公司的Z8系列机等。第四代单片机（1983年以后）

1983年以后是16位单片机和8位高性能单片机并行发展的时代。1单片机的发展历史

目前，单片机正朝着高速度、高性能和多品种方向发展，单片机的发展趋势具体体现在以下四个方面：（1）４位、８位、１６位、３２位单片机共存，并各有自己的生存空间。（2）CPU功能不断增强、运行不断速度提高。（3）内部资源增多，增加存储器容量、片内外设如AD、DA、LED／LCD驱动、DMA、PWM、WDT。（４）引脚的多功能化（５）低电压和低功耗（６）结合ASIC和RISC技术，使单片机的应用范围进一步扩大。2单片机的发展趋势3单片机的典型产品1．8位低档系列机

MCS-48系列是Intel公司1976年后推出的八位系列机单片机2．8位高档系列机

MCS-51系列单片机是Intel公司1980年以后推出的8位高档机3．16位单片机系列

Intel公司从1984年开始推出高性能的十六位MCS-96系列单片机32单片机 以ARM公司的ARM7～11为代表

单片机具有集成度高、结构简单、可靠性高、控制功能强、应用灵活方便和价格低等优点，因此广泛应用于国民经济的各个领域。单片机的应用提高了机电设备的技术水平和自动化程度，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。

1．单片机特别适用于机、电、仪一体的智能产品（1）单片机在日常生活中的应用（2）单片机在数据处理方面的应用（3）单片机在智能化的仪器仪表中应用

2．单片机在工业控制中的应用

3．单片机在通讯方面的应用4单片机的应用

单片机成功地应用于玩具、游戏机、无绳电话、充电器、按摩器、IC卡电话、IC卡水表、IC卡煤气表、IC卡电度表、流量温控仪表、家庭自动化、电子锁、电子秤、步进电机、防盗报警、电子日历时钟等这些日常生活的产品中。图形终端、彩色黑白复印机、软盘及硬盘驱动器、磁带机、打印机的内部都采用单片机进行控制。在各类仪器仪表中（包括医疗器械、色谱仪、温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、长度、硬度、元素测定等）引R入单片机，使仪器仪表数字化、智能化、微型化，功能大大提高。

计算机的新分类通用计算机：具有计算机的标准形态，有操作系统，可以装上不同的应用软件，应用于不同的领域，其典型产品是通用PC机。

嵌入式计算机：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，针对具体的应用环境和要求而设计，是一台专用的计算机系统。

单片机、DSP、ARM等为核心的系统都是嵌入式系统。

本教材主要讲述MCS-51单片机，包括它的硬件、软件及其应用。本章介绍MCS-51单片机的结构、工作原理及其组成部件和各部件的功能。

1.1MCS-51系列单片机的结构

1.28051单片机内部结构和功能1.3MCS-51单片机的引脚功能1.4MCS-51单片机的工作方式

1.5MCS-51单片机的时序第1章MCS-51单片机的结构和工作原理

1.1.2MCS-51单片机的应用特性1.1.1MCS-51单片机的基本组成1．1MCS-51系列单片机的结构

1.2.1中央处理器CPU1.2.2存储器结构

1.2.3定时器/计数器（T/C)1.2.4并行I/O接口

1.2.5串行口

1.2.6中断系统1．28051单片机内部结构和功能

1.1.1MCS-51单片机的基本组成存储器I/O接口MCS-51单片机芯片有许多种：如8051、8031、8751、80C51、80C31等。它由8个部件组成，

1、中央处理器（CPU）核心

2、时钟电路12MHz3、程序存储器（ROM/EPROM）4KB4、数据存储器（RAM）128B+128BSFR5、并行I/O口（P0～P3口）P0和P2兼作外总线

6、串行口全双工串行口

7、定时器/计数器2个16位

8、中断系统5个中断源，高级和低级两级优先级别它们都是通过单一总线连接，并被集成在一块半导体芯片上，为单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer）Microcontrolingunit片内存储器片内I/O接口1.MCS-51单片机系列两大系列：MCS-51子系列和MCS-52子系列。其中51子系列是基本型，而52子系列属于增强型。各子系列配置如表2-1所示。(P46)

片内ROM形式

无ROMEPROM

80318051875180C3180C5187C5180328052875280C3280C5287C521．1．2MCS-51单片机的应用特性51子系统52子系统52子系列与51子系列相比，其功能增强的具体方面如下：1．片内RAM从128字节增加到256字节2．片内ROM从4KB增加到8KB3．定时器/计数器从2个增加到3个4．中断源从5个增加到6～7个!80C51中央处理单元；!8K字节内部程序存储器，可外部扩展到64K字节；!256字节片内数据RAM，可外部扩展到64K字节；!3个16位定时/计数器T0，T1（标准80C51）和附加的T2（捕获&比较）；!内置PWM；!带8路模拟输入的10位ADC；!快速8位ADC选项；!5个8位I/O口加上一个与模拟输入复用的8位输入口；2!带字节方式主和从功能的I2C总线串行I/O口；!片内看门狗定时器；!宽温度范围；!全静态操作：0～16MHz；!操作电压范围：2.7～5.5V（0～16MHz）；!保密位：－OTP（3位）；!64字节加密阵列；2.单片机芯片的半导体工艺MCS-51系列单片机采用以下两种半导体工艺生产

HMOS

芯片型号中不带有字母“C”的，功耗较大。

CHMOS

芯片型号中凡带有字母“C”的，具有高速度、高密度、低功耗的特点例如8051的功耗为630mW，80C51的功耗只有120mW。在便携式、手提式或野外作业仪器设备或长期无人值守自动监测、监控的仪表上是非常有意义的。因此在这些产品中最好使用CHMOS型单片机芯片.3.片内ROM存储器的配置形式及应用环境

MCS-51单片机内程序存储器的配置形式有三种：掩模ROM型（由厂家一次写入，成本低）

EPROM型（由用户可反复写入，成本较高）87C51FLASH型（以FLASH存贮器为程序存贮器） 如：89S51/89C51

无ROM（需在片外扩展）8031

各有特点，也各有其适用场合，可根据需要进行选择

环境温度范围，划分为三个等级民用级0℃～＋70℃

工业级 －40℃～＋85℃

军用级 －65℃～＋125℃

因此在使用中应注意根据现场温度选择芯片。1.28051单片机内部结构和功能一运算器

1．算术逻辑单元（ALU—ArithmeticLogicUnit）

2．累加器（ACC—Accumulator）

3．寄存器B4．程序状态字（PSW—ProgramStatusWord）

5．布尔处理器二、控制器1．程序计数器（PC—ProgramCounter）2．指令译码器ID3．数据指针（DPTR）4.

堆栈指针(SP——StackPointer)

1．2．1中央处理器CPU

功能：运算部件实现算术、逻辑运算、位变量处理、移位、数据传送

1．算术逻辑单元（ALU）8位其累加器是ACC

二进制四则运算和布尔代数的逻辑运算运算结果影响PSW的有关标志位

2.累加器（ACC）8位存放操作数和中间结果工作频繁，大多数操作均通过它进行

3．寄存器B

8位乘法时用于存乘数/积的高8位除法时用于存除数/余数

4．程序状态字（PSW）8位特殊功能寄存器

5．布尔处理器1位它以进位标志（CY）作为累加位进行位操作一、运算器CYACF0RS1RS0OVP

PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0CY(PSW.7)进位标志位AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志F0（PSW.5）用户标志位RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）工作寄存器组选择位OV（PSW.2）溢出标志位

PSW.1未定义位P（PSW.0）奇偶标志位程序状态字PSW各位标志的含义

CY是PSW中最常用的标志位。由硬件或软件置位和清零。

字节运算中(ALU)：它表示运算结果是否有进位（或借位）。

加法时：有进位Cy由硬件置“1”即Cy=1；无进位CY被硬件清“0”即Cy=0。减法时：有借位Cy由硬件置“1”即Cy=1；无借位CY被硬件清“0”即Cy=0。位操作（布尔操作）时，CY作为累加器使用，其作用相当于字节操作的累加器ACC。

CyCY在指令中可作为转移的条件

JC

rel

；cy=1转移

JNC

rel

；cy=0转移位操作指令中做累加器

ANLC,bitANLC,/bitORLC,bitORLC,/bitSETBCCLRCCPLCMOVC,bitMOVbit,c

CyCAC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志。

当执行加减运算时，其运算结果产生低四位向高四位进位或借位时,AC由硬件置“1”；否则AC位被自动清“0”。一般在BCD码运算时，系统用于进行十进制调整

AcACOVOV（PSW.2）溢出标志位它反映运算结果是否溢出，溢出时则由硬件将OV位置“1”；否则置“0”。只有在补码运算时起作用。

OV

溢出和进位是两种不同性质的概念。溢出是指有正负号的两个数运算时，运算结果超出了累加器以补码所能表示一个有符号数的范围。而进位则表示两数运算最高位（D7）相加（或相减）有无进位（或借位）。因此使用时应加以注意。OV与CY

F0（PSW.5）用户标志位。用户可根据自己的需要对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，作为软件标志。

SETBF0;置位

CLRF0

;复位相当于高级语言中的逻辑变量F0FOP（PSW.0）奇偶标志位

P标志表明累加器ACC中1的个数的奇偶性。在每条指令执行完后，单片机根据ACC的内容对P位自动置位或复位。若累加器ACC中有奇数个“1”，则P=1；若累加器ACC中有偶数个“1”，则P=0。PP1．程序计数器（PC）16位计数器（重要）

PC是程序的字节地址计数器，其内容是将要执行的下一条指令的地址，寻址范围达64KB。

PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。二、控制器2．指令译码器ID

当指令取出经指令寄存器IR送至指令译码器ID时，ID对该指令进行译码，即把指令转变成所需的电平信号，CPU根据ID输出的电平信号使定时控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，以使计算机能正确执行程序所要求的各种操作。程序存储器PC取出指令码指令寄存器IR指令译码器ID把指令转变成所需要得电平信号CPU产生执行该指令所需的各种控制信号取指令分析指令执行指令ID3．数据指针（DPTR）16bit

数据指针DPTR为16位寄存器。它的功能是存放16位的地址，作为访问外部程序存储器和外部数据存储器时的地址。编程时，DPTR既可按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。即：DPH DPTR的高8位DPL DPTR的低8位4.堆栈指针(SP)8bit

SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。不论是数据进栈还是数据出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行的，即对栈顶单元的写和读操作。DPTRSP1.2.2存储器结构1程序存储器（1）片内数据存储器（RAM)（2）片外数据存储器（RAM/I/O)2程序存储器存储器结构8051单片机在系统结构上采用了哈佛型，其存储器在物理结构上分程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。有四个物理上相互独立的存储空间：其配置如图2-3所示。片内ROM片外ROM片内RAM

片外RAM/I/O口60KB4KB64KB128BRAM128BSFR

用户使用的角度上看，8051存储空间分为三类：

片内、片外统一编址0000H～0FFFFH的64K字节的程序存储器地址空间；

256字节数据存储器地址空间；

64K字节片外数据存储器/I/O口地址空间，地址也从0000H～0FFFFH。上述三个空间地址是重叠的，即

程序存储器中片内外低4K字节地址重叠；

数据存储器与程序存储器64K地址全部重叠；

数据存储器中片内外低256个字节地址重叠。虽然地址重叠，但由于采用了不同的操作指令及控制信号EA、PSEN的选择，因此不会产生混乱。说明特殊单元：

0000H-0002H（开机复位单元）3个

0003H-000AH（INT0中断地址区）8个

000BH-0012H（T/C0中断地址区）8个

0013H-001AH（INT1中断地址区）8个

001BH-0022H（T/C1中断地址区）8个

0023H-002AH（串行口中断地址区）8个2.2.2.1程序存储器

程序存储器用来存放程序和常数，分为片内和片外两部分，其中8051内部有4kB的ROM，地址范围是0000H-0FFFH，片外用16位地址线扩充64kB的ROM，两者统一编址。（从片内还是从片外取指取决于EA引脚。）1程序存储器

当CPU的引脚EA接高电平时，

PC在0000H～0FFFH范围内，CPU从片内ROM取指令；而当PC＞0FFFH后，则自动转向片外ROM去取指令。当引脚EA接低电平时，8051片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM取指令，地址可以从0000H开始编址对于片内无ROM的8031、8032单片机，EA应接地。以便从外部扩展EPROM中取指令。

8051从片内ROM和片外ROM取指时执行速度相同。

数据存储器用来存放运算的中间结果、标志位，及数据的暂存和缓冲等。

分为片内RAM和片外RAM。

8051系列单片机

内数据存储器最大可寻址256个单元，

片外可寻址16位（64kB）的地址空间，该空间包括外扩展I/O口的地址，两者统一编址。2

数据存储器

（a）片内数据存储器（RAM)用户RAM区（堆栈、数据缓冲）（30H-7FH）位寻址区（位地址00H-7FH）（20H-2FH）第3组通用寄存器（18H-1FH）第2组通用寄存器（10H-17H）第1组通用寄存器（08H-0FH）第0组通用寄存器（00H-07H）用于存放操作数及中间结果。由于它们的功能预先不作规定，因此称为通用寄存器，也叫工作寄存器。任一时刻，CPU只能使用一组工作寄存器。（由PSW的RS0和RS1决定）可以直接对位进行寻址。（共16个单元，128个位）用于存放用户数据和及做堆栈用。00H7FH1、低128字节RAM1、工作寄存器（00H—1FH)

RS1RS0寄存器组片内RAM地址

00第0组00H～07H01第1组08H～0FH10第2组10H～17H11第3组18H～1FH

R0~R7内部RAM的三个区域

这16个单元（共计128位）的每一位都有一个8位表示的位地址，位寻址范围为00H～7FH，如表2-3所示P53。位寻址区的每一个单元既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中的每一位进行位操作。

MCS-51布尔处理器的存储空间就是指这个位寻址空间。47H46H45H44H43H42H41H40HD0D1D2D3D4D5D6D7位地址2、可位寻址区（20H—2FH)47H46H45H44H43H42H41H40HD0D1D2D3D4D5D6D7MOV28H,#56HSETB43HCLR42H0010101110字节操作位操作30H～7FH是供用户使用的一般RAM区，也是数据缓冲区，共80个单元。对用户RAM区的使用没有任何规定或限制，一般用于存放用户数据及作堆栈区使用。3、用户RAM区（30H～7FH）SpecialFunctionRegister

8051片内高128字节RAM中，除程序计数器PC外，还有21个特殊功能寄存器，又称为专用寄存器（SFR）。它们离散地分布在80H～0FFHRAM空间中。

⑴特殊功能寄存器的字节寻址

8051片内21个特殊功能寄存器的名称、符号及单元地址如表2-6所示(P55)。

2、高128字节特殊功能寄存器SFR

⑵特殊功能寄存器的位寻址在21个特殊功能寄存器中，有11个寄存器具有位寻址，即表2-5中带者，其地址分布见表2-6(P55)。表中11个可位寻址的寄存器，它们的字节地址正好能被8整除，而且字节地址与该字节最低位的位地址相同。TCON88H8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88HD0D1D2D3D4D5D6D7TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT02、片外RAM地址范围为0000H～0FFFFH，其中在0000H～00FFH这段区间与片内数据存储器空间是重叠的，CPU使用MOV指令和MOVX指令加以区分。

3、若用户应用系统有扩展的I/O接口时，数据区与扩展的I/O口统一编址，所有的外围接口地址均占用片外RAM的地址单元，因此要合理地分配地址空间，保证译码的唯一性。1、片外数据存储器，即片外RAM一般由静态RAM组成。MCS-51系列单片机访问外部数据存储器通过一个特殊寄存器——DPTR寻址。由于DPTR是16位，则外部数据存储器可寻址的范围是64kB。（2）片外数据存储器（RAM/I/O)

8051系列单片机内有两个16位的定时器/计数器：定时器/计数器0和定时器/计数器1。它们是4个特殊功能的寄存器

TH0，TL0；TH1，TL1。

定时器/计数器具有定时和计数的功能（参见P56页）。共有4种工作方式。相关的SFR有：TCON，TMOD。

8051有4个8位的并行接口即PO-P3，共32根I/O线。它们都具有双向I/O功能。每个I/O口由输出锁存器、输出驱动器和数据输入缓冲器组成。（经常用于为扩展外部存储器和I/O接口的外部总线）4个SFR1.2.4并行I/O接口1.2.3定时器/计数器(T/C)

计算机与外界、计算机与计算机之间的信息交换称为通信，有串行通信和并行通信两种基本方式。

并行通信是数据的各位同时传送，而串行通信是数据的各位按顺序一位一位地传送。

MCS-51系列单片机内部有一个可编程的全双工的串行接口。由串行数据缓冲寄存器、控制寄存器、电源控制和串行口波特率的倍增控制。1.2.5串行口

8051系列单片机有5个中断源，分高级和低级两个优先级。它可以接受外部中断申请、定时器/计数器申请和串行口申请。常用于实时控制、故障自动处理、计算机与外设间传送数据及人机对话等。IEIP为SFR1.2.6中断系统主程序中断程序

MCS-51系列单片机芯片均为40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装（DIP）。

本节主要介绍引脚功能和引脚功能的复用。1.3MCS-51单片机的引脚功能

1、电源引脚Vss和Vcc

Vss为电压接地端，Vcc为+5V电源端。2、时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2是外接晶体引线端。当芯片使用内部时钟时，用于外接石英晶体和电容；当用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。3、控制信号引脚，具体功能见P59页。

ALE地址锁存控制信号。（以P61图2-12为例）

PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。

EA允许外部程序存储器的控制信号，低电平有效

RST

复位信号，高电平有效。1.3.1引脚信号功能介绍

4、I/O（输入/输出）端（Port）P0、P1、P2、P3

P0口是一个漏级开路的8位双向I/O口。在访问外存储器时，P0分时提供低8位地址线和8位双向数据线。当不接外存储器或不扩展I/O口时，P0口可作为一个通用输入输出接口。

P1口是一个带内部上拉电阻的准双向口。P1口只能做通用输入输出口。

4、I/O（输入/输出）端口（Port）P0、P1、P2、P3P2口是一个带内部上拉电阻的准双向口。在访问外部存储器只输出高8位地址。P3口为双功能口，除了作为一般的准双响通用接口外，每个引脚还有特殊的功能。P3.0 RxD

串行数据接受P3.1 TxD

串行数据发送P3.2 INT0外部中断0申请P3.3 INT1外部中断1申请P3.4 T0 定时器/计数器0计数输入P3.5 T1 定时器/计数器1计数输入P3.6 WR 外部RAM写选通P3.7 RD 外部RAM读选通1、P3口线的第二功能1.3.2引脚信号的第二功能

2、EPROM存储器程序固化所需要的信号。有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序需要提供专门的编程脉冲和编程电源。这些信号由引脚第二功能提供，即：编程脉冲 30脚（ALE/PROG）编程电压21V 31脚（EA/Vpp）3、备用电源

MCS-51系列单片机的备用电源是9脚（RST/Vpd）引入的。当主电源Vcc发生故障时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不被丢失。1.4时钟电路与复位电路

1.4.1复位

1.4.2时钟电路1、单片机的初始化操作——复位复位是使CPU，各功能部件都处于一个确定的状态单片机复位后，程序计数器PC和特殊功能寄存器的状态。（复位有两种方式）复位后，PC初始化为0000H，使单片机从0000H开始执行程序。按键复位后不影响片内RAM。2、复位信号

RST引脚是复位信号的输入端，复位信号为高电平有效。当高电平持续24个振荡脉冲周期（两个机器周期）以上时，单片机完成复位。3、复位方式复位分为按键手动复位和上电自动复位。1.4.1复位VcVR024TVRSTtt0+5v+5vτ=RCT是一个振荡周期5e-t/τ

最低复位电平思考题：上电复位和按键复位有何区别思考题复位后各SFR的初始状态——重要

寄存器内容寄存器内容PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0～P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000B

时钟是单片机的心脏，单片机进行的任何操作都是在时钟信号的协调下进行的。时钟信号有两种方式获得：内部产生：外接晶振和内部振荡电路构成自激振荡电路，为系统提供时钟。外部引入：将外部振荡信号从XTAL1引入。

1.4.2时钟电路

外部正弦信号时钟电路XTAL1

单片机

XTAL2XTAL1