第1章 单片机基础知识

第1章单片机机基础知识1.1

了解单片机的概念

1.2MCS-51内核单片机1.3

单片机的存储器扩展1.4AT89S51单片机最小系统1.5单片机应用系统设计的一般方法1.1单片机的基本概念单片机的概念

将微处理器,一定容量的ROM和RAM以及I/O口,定时器等电路集成在一块芯片上,构成单片机微型计算机,简称单片机1.1.1单片机的发展状况

1.8051类单片机的发展状况最早有lntel公司生产，后来主要由Philips、三星、华邦公司生产

2.单片机技术发展特点

①

单片机寿命长；

②

单片机速度越来越快；

③低噪声和高可靠性技术

3.单片机的发展趋势1.1.2单片机的应用领域嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备消费电子军事国防电子商务网络工业控制goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum一些典型的系统应用实例家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。家庭智能管理系统社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。社会发展方面：嵌入式Internet应用信息家电——数字机顶盒汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）——CAN总线网络VOLVOS80汽车的CAN总线网络

汽车电子智能玩具与机器人工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础；工业控制阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。军事侦察2002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事件，造成至少7人死亡，数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体.反恐防暴微型飞行器---“黑寡妇”空中飞行器机器人技术图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器（采用卡西欧PDA和WindowsCE）

基于WinCE的移动机器人平台基于RTLinux的仿人机器人高48cm

重:6kg

灵活性：20DOF操作系统:RT-Linux

接口形式:USB1.0(12Mbps)响应周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通基于VXworks的火星探路者2004年“勇气号”再次登陆火星1.1.3单片机的系列产品介绍1．ATMEL类单片机2．Intel单片机3．Motorola单片机4．Microchip单片机5．东芝单片机6．Zilog单片机1.2MCS-51内核单片机单片机的基本组成

表MCS-51系列单片机技术参数表型号片内存储器（B）定时器并行线程序存储器数据存储器8031无1282个16位4х880c31无1282个16位4х880514KROM1282个16位4х880c514KROM1282个16位4х887514KEPROM1282个16位4х887c514KEPROM1282个16位4х88032无2563个16位4х880528KROM2563个16位4х887528KEPROM2563个16位4х88051

单

片

机

内

部

结

构

图

8051内部CPU由运算器和控制器两部分组成

1.运算器由ALU、暂存器1、暂存器2、累加器（ACC）、寄存器B、程序状态字（PSW）、和布尔处理机共同组成。主要任务是完成算术运算、逻辑运算、位运算和数据传送等操作。

2.控制器包括程序计数器(PC)、PC增1寄存器、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、数据指针(DPTR)、堆栈指针(SP)、缓冲器及定时控制电路等。控制器电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。1.2.28051单片机的内部结构

1.2.3单片机的外部引脚8051单片机引脚图DIP引脚图逻辑符号

8051的40个引脚可分为：1.电源引脚(2根)

VCC(40脚)：电源端，接+5V电源。VSS(20脚)：接地端。2.时钟引脚(2根)

XTAL1(19脚)：接外部晶振和微调电容的一端。采用外部时钟电路时，此引脚应接地。XTAL2(18脚)：接外部晶振和微调电容的另一端。使用外部时钟时，此引脚应接外部时钟的输入端；8051单片机正常工作时，该引脚应该有脉冲信号输出。3.控制引脚(4根)(30脚)：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号控制锁存P0口输出的低8位地址，从而实现P0口数据与低位地址的分时复用。

(29脚)：片外ROM读选通信号端。

(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端

当EA接高电平时，CPU执行片内ROM指令，但当PC值超过0FFFH时，将自动转去执行片外ROM指令；当EA接低电平时，CPU只执行片外ROM指令。

RST/VPD(9脚)：复位信号/备用电源输入引脚。当RST引脚保持两个机器周期的高电平后，就可以使8051完成复位操作。4.I/O引脚

(1)P0.0～P0.7(39～32脚)：P0口的8位双向I/O口线。

P0口可作为通用双向I/O口。在外接数据、程序存储器时，可作为低8位地址/数据总线复用引脚。

(2)P1.0～P1.7(1～8脚)：P1口的8位准双向I/O口线。

P1口作为通用的I/O口使用。

(3)P2.0～P2.7(21～28脚)：P2口的8位准双向I/O口线。

P2口即可作为通用的I/O口使用，也可作为片外存储器的高8位地址总线，与P0口配合，组成16位片外存储器单元地址。

(4)P3.0～P3.7(10～17脚)：P3口的8位准双向I/O口线。

P3口除了作为通用的I/O口使用之外，每个引脚还具有第二功能。

MCS-51单片机程序存储器和数据存储器相互独立，在物理结构上有四个存储空间：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。单片机的外部数据存储器和I/0接口采用统一编址的方式。

1.2.4单片机的存储器图1.3存储器空间分布图

1、数据存储器

内部数据存储器和外部数据存储器在00H~7F范围内地址出现了重叠的现象，单片机通过不同的指令格式加以区分。

例如：

MOVA，@R0MOV@R1，A

片外RAM采用MOVX指令，若外部存储单元的地址为8位，可选择R0或R1作为间接寻址寄存器。

例如

MOVXA，@R0MOVX@R1，A

若地址为16位，必须选DPTR寄存器地作为间接寻址寄存器。例如：MOVXA，@DPTRMOVX@DPTR，A图1.4MCS_51单片机内部数据储存器配置2.内部RAM

内部RAM共128个单元，可分为工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。

(１)工作寄存器区（00H-1FH）该区的32个单元被均匀地分为四组，每组包含八个8位寄存器，均以R0—R7来命名，称为通用寄存器。CPU当前所使用的工作寄存器区是由程序状态字PSW中的D3（RS0）和D4(RS1)位来选择的。通过修改PSW中的RS0和RS这两位，就可选择任一组工作寄存器，这有利于提高CPU的效率和响应中断的速度

(2)位寻址区（20H-2FH）片内RAM的20H—2FH单元为位寻址区，它们既可作为一般单元用字节寻址，也可以对其中的某位进行寻址。表1-2内部RAM位寻址区地址表

(3)堆栈和数据缓冲区（30H-7FH）

该区用于存放用户的数据，对这部分区域的使用不作任何规定和限制，堆栈一般开辟在这个区域。3、特殊功能寄存器

MCS-51单片机把CPU中的专用寄存器、I/O锁存器、中断、串行口与定时/计数器内的各种控制寄存器和状态寄存器都作为特殊功能寄存器，它们离散地分布在地址80H-OFFH的范围内，该范围称为特殊功能寄存器区。MCS-51单片机有21个特殊功能寄存器，它们只能通过直接寻址的方式进行访问。符号名称地址*ACC*PSW*BSPDPTR*P1*P0*P3*P2*IE*IP*TCONTMODTL0TH0TH1TL1SBUF*SCONPCON累加器B寄存器程序状态字栈指针数据指针（包括指针高8位DPH和低8位DPL）P0口锁存寄存器P1口锁存寄存器P2口锁存寄存器P3口锁存寄存器中断优先级控制寄存器中断允许控制寄存器定时器/计数器工作方式寄存器定时器/计数器控制寄存器定时器/计数器0（高字节）定时器/计数器0（低字节）定时器/计数器1（高字节）定时器/计数器1（低字节）串行口控制寄存器串行数据缓冲器电源控制及波特率选择寄存器80H90HA0HB0H87HB8HA8H89H88H8CH8AH8DH8BH98H99H寄存器符号地址寄存器名称寄存器符号地址寄存器名称·ACCE0H累加器·P3B0HI/O口3·BF0HB寄存器PCON87H电源控制及波特率选择寄存器·PSWD0H程序状态字·SCON98H串行口控制寄存器SP81H堆栈指示器SBUF99H串行口数据缓冲寄存器DPL82H数据指针低八位·TCON88H定时器控制寄存器DPH83H数据指针高八位TMOD89H定时器方式选择寄存器·IEA8H中断允许控制寄存器TL08AH定时器0低8位·IPB8H中断优先控制寄存器TL18BH定时器1低8位·P080HI/O口0TH08CH定时器0高8位·P190HI/O口1TH18DH定时器1高8位·P2A0HI/O口2表1-4特殊寄存器表部分特殊功能寄存器

累加器（ACC）

8位寄存器，也是CPU中使用最频繁的寄存器。寄存器B

是一个是专门为乘除指令而设计的8位的寄存器。在进行乘法运算时，寄存器B用来存放一个乘数，并且存放积的高8位；在除法运算时，寄存器B用程序状态字（PSW）是一个8位的寄存器，用来存放程序运行中的各种状态信息。

位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H位标志CyACF0RS1RS0OV—P表1-5PSW中各位的定义

Cy进位标志位，同时也是布尔处理机的位累加器C。

AC

辅助进位标志位，又叫半进位标志位。该位常用于调整BCD码的运算结果。

F0

用户标识位，用于控制程序的转向。

RS1、RS0工作寄存器组的选择位。

OV

溢出标志位。RS1RS0寄存器组片内RAM的地址00000H—07H01108H—0FH10210H—17H11318H—1FH表1-5PSW中各位的定义

PSW.1

位

系统保留位。

P奇偶标志位。程序计数器PC是一个16位的计数器，是程序存储器的字节地址计数器，它里面存放着将要执行的下一条指令的地址，寻址范围为64K字节。数据指针寄存器DPTR

是16位地址指针，在访问外部存储器时，用来存放外部存储器的地址。堆栈指针寄存器SP

8位的指针寄存器，当系统复位后，SP的内容为07H,用户可根据自己的需要重新设置SP的值。P0-P3四个8位特殊功能寄存器，分别是四个并行I/O端口的锁存器。4.程序存储器

程序存储器用于存放表格常数和程序，8051单片机内部有4K字节ROM,片外可扩展64K字节的ROM，二者统一编址。脚决定片内外ROM的读取方式片外ROM和片外RAM的地址出现了重叠，可使用相应的指令进行区分。程序存储器中某些单元保留给系统使用，用来存放引导程序和各个中断源的入口地址。

表1-7MCS-51单片机复位入口和中断入口

1.时钟电路MCS-51单片机的时钟有两种方式，内部振荡方式:

利用单片机内部的振荡电路,产生时钟信号，这种方式单片机的时钟引脚上接石英晶体和振荡电容；外部时钟方式:

外部已有的时钟信号引入单片机。1.2.4单片机的时钟电路和时序

内部和外部振荡方式

①节拍、状态一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示），这两个节拍中的前一拍称为P1，后一拍为P2。②时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数，它是计算机中最基本的、最小的时间单位。时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时间周期就是1/12us。2.CPU的时序

③机器周期

CPU访问存储器一次所需的时间。例如，取指令、读存储器、写存储器等等。51系列单片机的一个机器周期同6个状态周期组成，也就是说一个机器周期等于6个状态周期，即12个时钟周期。④指令周期

执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同，有单周期指令、双周期指令和四周期指令。1.2.5单片机的复位和复位电路

51单片机一块芯片就是一个完整的最小微机系统，但片内存储器的容量、并行I/O端口、定时器等内部资源都还是有限的。可以根据实际需要，对其进行功能扩展，它包括数据存储器和程序存储器等的扩展。系统的扩展是通过总线把单片机和扩展部分连接起来。根据总线传送的信息可分为数据总线（DB）、地址总线(AB)和控制总线(CB)。1.3存储器扩展单片机扩展总线的构造

1.数据总线D0～D7

数据总线的宽度为8位，由P0口提供。

2.地址总线A0～A158051单片机的地址总线宽度为16位，P0提供低8位地址，P2提供高8位地址。可寻址范围64KB,。由于P0即作低8位地址线，又作数据线，所以它是分时复用的引脚，使用时需要加一个8位锁存器，如74LS373。

3.控制总线

P3提供的读信号、写信号,加上控制线、ALE和等信号组成控制总线，其中读和写作为扩展数据存储器读、写选通信号；信号作为片内、外ROM的选择控制信号；ALE信号作为地址锁存器的选通信号，以实现对低8位地址的锁存；号作为扩展程序存储器ROM的读选通信号。单片机扩展总线的构造如图

图1.11MCS_51单片机内部数据储存器配置

89S51单片机内部有4KBFlashROM，当程序大于4KB时，就需要扩展程序存储器。1.常用程序存储器芯片

程序存储器有有许多种，比如ROM(只读存储器)、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦除可编程ROM)、EEPROM(电可擦除可编程)和FlashROM(闪存存储器)。最常见的芯片是紫外线可擦除的EPROM，主要是Intel公司生产的27XXX系列，如2716（2K×8）、2732（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）、27512（64K×8）等。一、常用程序存储器芯片

图1.12常用EPROM芯片的管脚和封装EPROM各引脚功能如下

①A0～A15:地址输入线，引脚的数目随芯片的容量有所不同。②D0～D7:双向三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线。其余时间呈高阻状态。③:片选信号，低电平表示该芯片被选中。

④:读出选通线，低电平输出缓冲器打开，数据输出。

⑤:编程脉冲输入线。正常工作时接+5V电源，编程时输入编程脉冲。

⑥VPP:编程电源输入线，正常工作时接+5V电源，编程加编程电压。

⑦VCC:电源线，接+5V电源。

⑧NC：空。

⑨GND：接地。2.程序存储器扩展举例图1.13单片机扩展16K程序存储器原理图AT89S51

数据存储器扩展

图1.14常用RAM芯片的管脚和封装

扩展数据存储器由P2口提供高8位地址，P0口分时用作低8位地址和8位数据总线。片外数据存储器RAM的读和写由(P3.7)和(P3.6)信号控制。一、常用的RAM芯片介绍

①A0～A15：地址输入线，引脚的数目随芯片的容量有所不同。

②D0～D7（I/O0～I/O7）：双向三态数据总线。③：片选线，低电平有效。6264的26脚（CS）必须为高电平，并且为低电平时才选中该芯片。④：读选通线，低电平有效。⑤：写选通线，低电平有效。

⑥VCC：电源线，接+5V电源。

⑦NC：空。

⑧GND：接地。二、数据存储器扩展举例图1.15单片机扩展8K数据存储器原理图§1.4AT89S51最小系统图1.16AT89S51单片机的最小系统组成1.5.1