单片机原理第1,2章

单片机原理与应用第1章绪论学习要求掌握单片机基础知识，包括：片内资源与应用指令系统和编程接口技术学习方法理解：理解芯片内资源，指令功能记忆芯片的结构和应用功能每一条指令的格式和功能并行、串行扩展方法接口应用技术实践 加深对知识的理解和记忆，真正掌握所学知识。单片机原理课程教学安排课堂教学：第1-8章，第9章，第10章。上机实习：6~7次考核形式：考试（闭卷）最终成绩构成：考试（80%）+平时（20%）其中，平时成绩由上课考勤、作业以及上机实习表现三部分决定。实践单片机技术是软硬件结合的技术单片机应用系统的设计不仅需要设计硬件电路，也需要编写软件程序。开发者应该借助现代的设计调试手段，建立必要的软硬件环境。硬件：PC机、仿真器和实验板软件：开发软件Keil，设计与仿真平台PROTEUS1.1单片机的特点及应用领域计算机的发展1946年，美国宾夕法尼亚大学为了弹道设计的需要设计了世界上第一台数字电子计算机。根据计算机所采用的电子器件的发展，可以将计算机的发展分为四个阶段（或称为四代），即电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模及超大规模集成电路。发展趋势：速度、存储器容量及软件性能不断提高，体积减小，价格降低。1.1单片机的特点及应用领域相关概念传统上，根据功能与体积大小，可以将计算机划分为：巨型计算机、大型计算机、中型计算机、小型计算机、微型计算机。微型计算机：以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入/输出接口电路及系统总线等所组成的计算机。微型计算机组成结构微型计算机系统硬件微型计算机（主机）微处理器

(CPU)软件外围设备运算器控制器存储器

(内存)RAMROM外部设备辅助设备

输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪…)

输出设备(显示器、打印机、绘图仪、…)

辅助存储器(磁带、磁盘、光盘)输入/输出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…)(I/O接口)

总线(AB、DB、CB)系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序…)应用软件(科学计算，工业控制，数据处理…)程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言)电源电路时钟电路什么是单片机单片机：亦称单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer）。

是将微处理器（CPU）、存储器（只读存储器ROM和随机存储器RAM）、总线、定时器/计数器、输入/输出接口（I/O）和其他多种功能器件集成在一块芯片上构成的微型计算机。PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)塑封J引线芯片封装DIP(DoubleIn-line)双列直插式封装单片机的特点性价比高。应用广泛，生产批量大、。集成度高，体积小。有很高的可靠性。控制能力强。低功耗。工作电压大多为2～4伏特，电流几百微安，功耗很低，适用于便携式系统。系统扩展、系统配置较典型、规范。丰富的通信接口：如异步串行口SCI、同步串行口SPI、I2C、CAN总线、甚至USB接口或以太网接口。单片机的应用主要应用于测控领域。单片机使用时，通常是处于测控系统的核心地位并嵌入其中，所以国际上通常把单片机称为嵌入式控制器（EMCU，EmbeddedMicroControllerUnit），或微控制器（MCU，MicroControllerUnit）。我国习惯于使用“单片机”这一名称。单片机是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机的分类按照其用途分为通用型和专用型两大类通用型：内部可开发的资源（如存储器、I/O等各种外围功能部件等）可以全部提供给用户。用户可根据需要，设计以通用单片机芯片为核心，配以外围接口电路及其它外围设备，并编写相应软件来满足各种不同需要的测控系统。专用型：专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。从系统结构最简化、可靠性和成本的最佳化等方面综合考虑。单片机的分类根据字长：4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。根据内部程序存储器：ROM型，EPROM型，E2PROM型，FlashMemory型。单片机的发展第一阶段（1974年～1976年）：单片机初级阶段因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。1974年12月，仙童公司推出了8位的F8单片机，实际上只包括了8位CPU、64BRAM和2个并行口。第二阶段（1976-1978）：低性能单片机阶段。制造工艺落后（使用NMOS工艺），速度低，功耗大，集成度低，片内资源较少。代表产品：Intel公司的MCS-48系列。片内集成8位CPU（有的还是4位的CPU），只有并行接口，无串行接口，有1个8位的定时器/计数器，最多只有2个中断源，1KB或2KB的ROM，64B或128B的RAM，寻址范围不大于4KB。第三阶段（1978-1982）：单片机发展和完善阶段采用CMOS工艺，并逐渐被高速低功耗的HMOS工艺代替。代表产品有Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的MC6805系列，TI公司的TMS7000系列等。奠定了典型的单片机通用体系结构:完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。CPU外围功能单元的集中管理模式。体现工控特性的位地址空间及位操作方式。指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。单片机的发展单片机的发展第四阶段（1982-今）：8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段Intel公司的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。32位单片机：更高的集成度，数据处理速度快，性能优越。20世纪90年代，单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。单片机的性能不断完善提高，种类和型号大量增加，正朝着面向多用户、多层次和多规格方向发展。单片机的发展趋势高性能化

高性能化，主要是指进一步改进CPU的性能，提高指令运算速度增加字长采用RISC结构采用流水线技术现在CPU的处理速度最高者已达100MIPS，进一步增强了位处理功能、中断和定时控制功能。单片机的发展趋势大容量化—存储器的发展加大存储容量。片内程序存储器容量达128KB甚至更多。（以往单片机内的ROM为1KB－4KB，RAM为64~128B）。采用大容量Flash存储器作为程序存储器。可不用外扩展程序存储器，简化系统结构。程序存储空间的扩大，还使得单片机可以嵌入实时操作系统如RTOS（Real-TimeOperatingSystem--实时操作系统）等，提高了系统的开发效率和处理能力，简化了复杂系统的开发难度。单片机的发展趋势多功能化：片内I/O的改进增加并行口驱动能力，以减少外部驱动芯片。有的单片机可以直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LED和VFD（荧光显示器）。增加了各种总线接口，如I2C总线、USB总线、SPI总线以及支持TCP/IP协议的以太网接口，为构成分布式、网络化系统提供方便条件。在线调试现在有些新型单片机已经具备使用JTAG(JointTestActionGroup--联合测试行动小组)接口的在线调试功能，开发工具更加智能化，方便了用户的开发。单片机的发展趋势低功耗化

CMOS化，功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式。消耗电流仅在µA或nA量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。外围电路内装化

众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化是目前发展趋势之一。例如，美国Cygnal公司的C8051F0208位单片机，内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟周期，峰值处理能力为25MIPS。片上集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测等。1.2常用单片机系列介绍Intel：MCS-48，MCS-51，MCS-96系列TI:MSP430系列Atmel：AT89C51，AT89C52系列Motorola：68HC05，68HC08系列Microship：PIC系列Zilog：eZ80，eZ8系列Intel公司MCS-51系列单片机1976年推出MCS－48系列单片机20世纪80年代推出高档8位单片机MCS-51系列，该系列是世界上使用量最大、应用最广泛的几种单片机之一。MCS-51系列单片机又可分为：基本型的51子系列和增强型的52子系列两大类。51子系列主要有8031、8051、8751等机型。它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，差别仅在于片内有无ROM或EPROM。52子系列主要有8032、8052、8752等机型。52子系列与51子系列的主要不同之处在于：片内数据存储器增至256字节；片内程序存储器增至8KB(8032无片内程序)；有3个16位定时/计数器，6个中断源。其它性能均与51子系列相同。Intel公司MCS-51系列单片机Atmel公司AT89系列单片机ATMEL公司是世界上高级半导体产品设计、制造和行销的领先者，产品包括了微处理器、可编程逻辑器件、非易失性存储器、安全芯片、混合信号及RF射频集成电路。其生产的AT89系列单片机以8051为内核，分为标准型（以AT89C51为代表）、低档型（以AT89C2051为代表）和高档型（以AT89S51为代表）三大类。ATMEL生产的单片机除了有与MCS-51兼容的AT89系列，还有与MCS-51不兼容的AVR系列RISC结构单片机，AVR单片机是一种高速、低功耗的单片机产品，端口有较强的驱动负载能力。1．工业检测与控制主要应用：工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、测试、测量、监控等。在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（如机器人技术）中，单片机发挥着非常重要的作用。2．仪器仪表目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积而易于携带和使用，加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。2727单片机的应用3．消费类电子产品例如，洗衣机、电冰箱、空调机、电风扇、电视机、微波炉、加湿机、消毒柜等。嵌入了单片机后，功能和性能大大提高，并实现智能化、最优化控制。4．通讯在调制解调器、各类手机、传真机、程控电话交换机、信息网络及各种通讯设备中，单片机也已经得到广泛应用。5．武器装备在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单片机嵌入其中。28286．各种终端及计算机外部设备计算机网络终端（如银行终端）以及计算机外部设备（如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等）中都使用了单片机作为控制器。7．汽车电子设备已经广泛地应用在各种汽车电子设备中，如汽车安全系统、汽车信息系统、智能自动驾驶系统、卫星汽车导航系统、汽车紧急请求服务系统、汽车防撞监控系统、汽车自动诊断系统以及汽车黑匣子等。8．分布式多机系统在较复杂多节点的测控系统中，常采用分布式多机系统。2929第2章89C51系列单片机的

结构及原理2.189C51单片机的主要特性51系列单片机一般可分为（书P7）普通型：80C31，80C51，87C51，89C51等增强型：80C32，80C52，87C52，89C52等89C51特性由运算器和控制器组成的8位微处理器（CPU）内部时钟电路4KB的片内程序存储器（ROM）128B片内数据存储器（RAM）64K片外程序和数据存储器控制电路两个16位定时器/计数器T0、T14个8位并行口（P0～P3），共32根I/O口线89C51特性5个中断源，可编程为两个优先级一个全双工串行通信接口21个特殊功能寄存器（SFR）有节电工作方式2.2内部总体结构89C51单片机基本结构：p8图2-1有8个部件组成，CPU、片内数据存储器、片内程序存储器、输入/输出接口、可编程串行口、定时/计数器、中断系统和特殊功能寄存器。内部结构框图：p82-2单片机的基本结构CPU：单片机的最核心部分,它是整个单片机的控制和指挥中心,完成所有的计算和控制任务。程序存储器：用于存放单片机的程序。数据存储器：用于存放内部待处理的数据和处理后的结果。并口和串口:数据传输通道，方便CPU从芯片外部取得待处理的对象及将处理结果送到芯片外部。单片机的基本结构中断控制逻辑:处理临时到达的突发事件。定时器/计数器:完成对外部输入脉冲的计数或者根据内部的时钟及定时设置，周期性的产生定时信号。内部总线：内部CPU与程序存储器、数据存储器、并行I/O接口、串行I/O接口和定时器/计数器之间都是通过内部总线联系在一起。MCS-51单片机的内部详细结构如下图所示：2.389C51的引脚功能5种封装引脚图引脚功能1.电源类引脚VSS（20脚）：电源的接地端VCC（40脚）：芯片工作电源的输入端，5V2.时钟振荡电路引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）的内部是一个振荡电路。当使用内部振荡电路时在这两个管脚上外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。引脚功能3.输入/输出引脚：P0，P1，P2，P3共四个8位并行I/O口。4.控制信号引脚（4个）ALE：地址锁存允许信号输出端/PSEN：外部程序存储器读选通信号输出端/EA：访问内部/外部程序存储器选择控制信号RESET：复位信号输入端三总线P9，图2-3（B）地址总线：16位，可寻址64K，由P0口（A0~A7）,P2口（A8~A15）组成数据总线：8位，由P0口提供控制总线：由P3口的部分引脚实现（/RD,/WR)及RESET，/EA，/PSEN，ALE4根独立控制线总线结构单片机工作原理单片机在电路连接无误后，将程序下载到单片机的程序存储器中，单片机系统就可以上电工作了。上电复位后，从存储器的0000H单元开始取指令，并执行指令。点亮最小单片机系统按图连线，上电工作后，点亮一个发光二极管。由图可见，当P2.0引脚输出低电平时，发光二极管上有电流流过，发光二极管发光。程序：ORG0000HMOVP2,#11111110BAJIMP$END2.4主要组成部分存储器，CPU，I/O一、CPU单片机的核心部分，包括运算器和控制器。运算器：主要用来实现数据的传送，数据的算术和逻辑运算，位变量处理等。控制器：统一指挥和控制计算机工作的部件二、存储器89C51可寻址范围64KB(16位地址线)89C51

有4个独立的存储空间：64K字节程序存储器空间128字节内部RAM128字节内部特殊功能寄存器空间64K外部数据存储器空间89C51单片机存储器结构程序存储器

用于存放程序，常数和表格。片内ROM4KB，片外ROM64KB。地址空间0000H~FFFFH。EA接+5V，若PC<=0FFFH，访问片内ROM；若PC>0FFFH，访问片外ROM（片内ROM被忽略）。片内数据存储器128BRAM，地址00H~7FH。从功能和用途可以划分为三个区域：工作寄存器区：00H~1FH，4组工作寄存器。每组有R0~R7共8个工作寄存器。位寻址区：20H~2FH，不仅可以字节寻址，8个字节的每一位都可以位寻址用户RAM区：30H~7FH，可用作堆栈或数据缓冲器。片内数据存储器工作寄存器区任一时刻CPU只能使用其中的一组寄存器由程序状态字寄存器PSW中RS1，RS0位的状态组合来决定。特点：用寄存器直接寻址，指令数量多，均为单周期，执行快，在某一时刻，只能选用一个工作寄存器组。提高现场保护和现场恢复的速度，主程序用一组，进入子程序或中断服务程序切换用一组，返回时重新切换回原来的那组。片内数据存储器位寻址区位地址范围00H~7FH,地址范围20H~2FH位地址表示方法：位地址，字节地址.位位地址与字节地址的转换关系位地址=(字节地址-20H)*8+Di的i值片内数据存储器用户RAM区30H~7FH，可用作堆栈或数据缓冲器。若用作堆栈，后进先出。可用于保护现场和断点地址。堆栈指针sp，指示栈顶的位置。堆栈操作指令进栈指令push；(sp)+1 sp，数据进栈出栈指令pop; 数据出栈，(sp)-1sp堆栈指针的初始化51的堆栈与8086堆栈的比较？特殊功能寄存器离散地分布在80H~FFH中，21个是MCS-51单片机中各个功能部件所对应的寄存器用以存放相应功能部件的控制命令、状态或数据的区域。与片内RAM统一编址（未占用的地址单元无定义）。可以位寻址（部分），也可以字节寻址。其中，带*号的（能被8整除）寄存器即可字节寻址又可位寻址。编程中，可使用符号，也可使用地址。可位寻址的可用位符号，可用位地址，也可用“字节地址.位”，还可用“寄存器名.位”符号单元地址名称位地址符号地址*AE0H累加器ACC.7～ACC.0E7H～E0H*BF0H乘法寄存器B.7～B.0F7H～F0H*PSWD0H程序状态字PSW.7～PSW.0D7H～D0HSP81H堆栈指针

DPL82H数据存储器指针(低8位)

DPH83H数据存储器指针(高8位)

*IEA8H中断允许控制器IE.7～IE.0AFH～A8H*IPB8H中断优先控制器IP.7～IP.0BFH～B8H*P080H通道0P0.7～P0.087H～80H*P190H通道1P1.7～P1.097H～90H*P2A0H通道2P2.7～P2.0A7H～A0H*P3B0H通道3P3.7～P3.0B7H～B0HPCON87H电源控制及波特率选择

*SCON98H串行口控制SCON.7～SCON.09FH～98HSBUF99H串行数据缓冲器

*TCON88H定时控制TCON.7～TCON.08FH～88HTMOD89H定时器方式选择

TL08AH定时器0低8位

TL18BH定时器1低8位

TH08CH定时器0高8位

TH18DH定时器1高8位

CPU中使用的特殊功能寄存器程序计数器PC（不属于SFR）16位，存放下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址。用户无法对其进行读写，只能通过转移、调用和返回等指令来改变其内容。基本的工作方式：每取出1字节机器码后，自动加1执行转移指令时，被置入新的数值。CPU中使用的特殊功能寄存器累加器A8位，最常用的SFR。可用于存放操作数或运算的中间结果。寄存器B8位，主要用于乘除法运算。也可作为一般的寄存器使用。状态字寄存器PSW8位，用于存放程序运行的状态信息。CPU中使用的特殊功能寄存器堆栈指针SP：指示栈顶地址。数据指针DPTR：16位寄存器，用来存放16位的存储器地址，以实现对外部RAM的访问。可以分为两个8位寄存器：DPH、DPL。与PC的比较？DPTR与PC的比较相同点：都是与地址有关的16位寄存器。作为地址寄存器时，PC与DPTR都通过P0，P2口（作为16为地址总线）输出。不同点PC与程序存储器有关，DPTR与数据存储器有关；PC的输出与ALE及/PSEN引脚有关，DPTR与ALE、/RD和/WR引脚有关。PC只能作为16位寄存器PC不可访问，其内容变化与程序流程有关。小结存储器空间在物理结构上可分为四个空间： 片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。存储器在逻辑上分为三个空间：片内、片外统一的（地址编排是连续统一的）64K程序存储器地址空间，片内128B数据存储器地址空间、片外64K的数据存储器空间在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令，以产生不同存储空间的选通信号。三、并行I/O口

基本功能P0：I/O口（系统扩展时作为地址/数据总线口，分时复用）。P1：I/O口（特殊输入/输出线）P2：I/O口（系统扩展时作为高8位地址总线口）P3：I/O口（特殊输入/输出线）作为I/O口使用时需注意的问题P0口：字节地址为80H，位地址为80H～87H其8位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路当控制线C=0时，MUX开关向下，P0口作为普通I/O口使用。作为I/O口使用时需注意的问题P0作为输出口通过一条指令将数据写入P0的数据锁存器，然后通过输出驱动器送到端口引脚。

MOVP0,A;累加器A中内容送P0口读端口。为适应对口进行“读-修改-写”类指令的需要。

ANLP1,#0FH；读P1锁存器中数据，与立即数0FH进行逻辑与操作后，将结果写回P1口。作为I/O口使用时需注意的问题P0作为输入口读引脚。必须保证I/O口锁存器为1，才能读到I/O引脚上的情况。由于P0内部没有上拉电阻，每根口线必须外接上拉电阻。P1~P3口内部有上拉电阻，不用外接。作为I/O口使用时需注意的问题P1口的字节地址为90H，位地址为90H～97H，只能作为普通I/O口使用。作为I/O口使用时需注意的问题P2口的字节地址为0A0H，位地址为0A0H～0A7H，可以作为普通I/O口或高8位地址线。作为I/O口使用时需注意的问题P3口的字节地址为0B0H，位地址为0B0H～0B7H，可以作为普通I/O口或特殊输入/输出线。作为第二功能线使用P0口用作系统扩展的地址/数据总线口（无须外接拉高电阻）。P0口分时输出低8位地址A0~A7和传送数据D0~D7。采用地址锁存器，在ALE信号的作用下，将A0~A7锁存起来。P0口低8位地址来源：PCL、DPL、R0、R1。作为第二功能线使用P2口作为系统扩展的地址总线口，输出高8位地址A8～A15。P2口高8位地址来源：CPU访问外部程序存贮器时，来源于PC的高8位。CPU访问外部数据存贮器时，来源于DPH。作为第二功能线使用系统扩展时，作为第二功能线使用。若扩展片外程序存储器，P2口输出高8位地址，无法作为I/O口。不需要外接程序存储器，只扩展较小容量的片外数据存储器的系统中，若只使用低8位地址线，P2就可以作为I/O口线。不需要外接程序存储器，但扩展的片外数据存储器容量超过256B，P2输出高8位地址，不能作为I/O口线。2.5时钟电路与CPU时序一、振荡器和时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。内部时钟方式。MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYS2.5时钟电路与CPU时序外部时钟方式：把外部已有的时钟信号引入单片机内。XTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源2.5时钟电路与CPU时序二、CPU的时序及有关概念振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期P1P2S1P2振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P22.5时钟电路与CPU时序二、CPU的时序及有关概念1．振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。2．时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。3．机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。4．指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有1～4个机器周期。

2.5时钟电路与CPU时序若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs时钟周期＝1/6μs＝0.167μs机器周期＝1μs指令周期＝1～4μs2.5时钟电路与CPU时序三、典型指令时序1.单字节单周期指令（INCA）2.双字节单周期指令（ADDA）3.单字节双周期指令（INCDPTR）4.单字节双周期（MOVX）再读下一条指令再读下一条指令XTAL2(OSC)P2S1ALE读操作码读下一个操作码（丢弃）读第二字节（a）单字节，单周期指令例：MOVAR1（d）单字节，双周期指令，如MOVXP1P2S1P1P