第一二章单片机概述及芯片硬件结构gai

1单片机原理及应用

FoundationandApplicationofMicrocontroller

讲授：沈跃博士副教授邮箱：shen@江苏大学电气信息工程学院自动化系课程安排理论课:讲述基本原理、结构和方法实验课:根据实验指导书的要求独立完成教材

单片机原理与应用赵德安机械工业出版社参考书:单片微型机原理应用与实验张友德复旦大学出版社单片机原理及应用徐安北京希望电子出版社单片机原理及应用胡汉才清华大学出版社MCS-51单片机应用设计张毅刚等编STC单片机器件手册网址：一、什么是单片机？其发展概况如何？1、单片机的定义：

◆单板机将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。单板机第一章单片机概述◆单片机在一片半导体硅片上：集成中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。具有微型计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。单板机单片机

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。第一章单片机概述5第一章单片机概述1.按照其用途可分为通用型和专用型两大类。单片机的分类：通用型单片机：其内部可开发的资源（如存储器、I/O等各种外围功能部件等）可全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外围接口电路及其它外围设备，并编写相应的软件来满足各种不同需要的测控系统。通常所说的和本书介绍的是指通用型单片机。专用型单片机：专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。（例如：各种家用电器中的控制器等。）2.按照其处理的二进制位数分为：4位单片机、8位单片机、16位单片机及32位单片机。6第一章单片机概述2、单片机的发展历史第一阶段（1974年～1976年）：初级阶段。因工艺限制，采用双片的形式,且功能较简单。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年～1978年）：低性能单片机阶段。1976年Intel的MCS-48单片机（8位）极大地促进了单片机的变革和发展，1977年GI公司推出了PIC1650，但这个阶段仍处于低性能阶段。第三阶段（1978年～1983年）：高性能单片机阶段。推出的单片机普遍带有串行I/O口、多级中断系统、16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。

1978年，Zilog公司推出Z8单片机，1980年，Intel公司在MCS-48系列基础上推出MCS-51系列，Mortorola推出6801单片机。使单片机的性能及应用跃上新的台阶。第四阶段（1983年～现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。16位典型产品Intel公司的MCS-96系列单片机。而32位单片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比16位单片机提高许多，性能比8位、16位单片机更加优越。7第一章单片机概述3、单片机的特点单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，如工业自动检测监视系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。单片机的优点：（1）简单方便，易于普及。（2）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。（3）发展迅速，前景广阔。（4）嵌入容易，用途广泛，体积小、性价比高，应用灵活性强等特点。8第一章单片机概述4、单片机的应用工业检测与控制：机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用（如机器人技术）。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。（如电表）消费类电子产品（如：各种家用电器）通信：（如：各类手机、传真机、程控电话交换机、信息网络等设备。）武器装备：（在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单片机嵌入其中。）各种终端及计算机外设：（如打印机、硬盘驱动器、传真机、复印机及ATM机等）汽车电子设备：（如汽车安全系统、智能自动驾驶系统、卫星汽车导航系统等。）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。9第一章单片机概述10第一章单片机概述5、单片机的发展趋势单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展。1．CPU的改进（1）增加CPU数据总线宽度。（2）采用双CPU结构，以提高数据处理能力。2．存储器的发展（1）片内程序存储器普遍采用闪烁（Flash）存储器。可不用外扩展程序存储器，简化系统结构。目前有的单片机片内程序存储器容量可达128KB甚至更多。（2）加大片内数据存储容量，以满足动态存储的需要。3．片内I/O的改进（1）增加并行口驱动能力，以减少外部驱动芯片。（2）有些单片机设置了一些特殊的串行I/O功能，为构成分布式、网络化系统提供方便条件。（3）引入数字交叉开关，改变了以往片内外设与外部I/O引脚的固定对应关系。交叉开关是一个大的数字开关网络，可通过编程设置交叉开关控制寄存器，将片内的计数器/定时器、串行口、中断系统、A/D转换器等片内外设灵活配置出现在端口I/O引脚。这就允许用户根据自己的特定应用，将内部外设资源分配给端口I/O引脚。11第一章单片机概述

4．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。5．外设电路内装化

6．编程及仿真的简单化支持程序的在线编程，也称在系统编程（ISP—InSystemProgram），只需一条ISP并口下载线，就可以把仿真调试通过的程序从PC写入单片机的Flash存储器内，省去编程器。综上所述，单片机正在向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格（几元钱）、外设电路内装化以及片内程序存储器、数据存储器容量不断增大的方向发展。7．实时操作系统的使用51单片机可配置实时操作系统RTX51。RTX51是一个针对8051系列的多任务内核。从本质上简化了对实时事件反应速度要求较高的复杂应用的系统设计、编程和调试。RTX51实时内核完全集成到C51编译器中，使用简单方便。第一章单片机概述6、MCS-51系列与AT89C5x系列单片机6.1、MCS-51系列单片机Intel公司的MCS-51系列单片机是一款设计成功、易于掌握得到广泛使用的机型。MCS-51系列单片机是最早进入我国，并在我国应用最为广泛的单片机机型之一，也是单片机应用的主流品种。MCS-51系列单片机基本型增强型:对应以上三种型号推出52子系列8032、8052、8752。内部RAM

增到256B，8052、8752片内程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个，6个中断源，串行口通信速率大大提高。

8031：1个8位CPU、128BRAM，21个特殊功能寄存（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，5个中断源，但片内无程序存储器，需外扩程序存储器芯片。8051：在8031基础上集成4KBROM作为程序存储器8751：片内集成4KBEPROM,其内容可反复擦写修改。第一章单片机概述综上：MCS-51系列单片机的代表性产品为8051，其他单片机都是在8051的基础上进行了功能的增减。第一章单片机概述6.2、AT89系列单片机

20世纪80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在高档CPU芯片的研发上，逐渐淡出单片机芯片的开发和生产。因此，Intel公司以专利转让或技术交换的形式把8051的内核技术转让给了许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。各种衍生品种统称为51单片机。第一章单片机概述6.3、STC8051单片机第一章单片机概述STC15F2K60S2系列1T8051单片机第一章单片机概述STC15F2K60S2系列1T8051单片机18第二章MCS-51单片机芯片硬件结构2.1MCS-51系列单片机结构及组成2.1.1MCS-51系列单片机结构框图MCS-51系列单片机属于总线结构19202.1.2MCS-51系列单片机组成一个8位CPU包括运算器、控制器以及若干寄存器等部件组成。算术和逻辑运算，可对半字节（4位）和单字节数据进行操作；加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算；与、或、异或、求补、循环等逻辑运算；布尔处理器。（1）运算器21PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64KROM直接寻址。PC低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。（2）程序计数器PC指令寄存器存放指令代码。CPU执行指令过程：由程序存储器（ROM）中读取指令代码送入指令寄存器，经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。（3）指令寄存器22时钟电路：MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。有两种时钟生成电路，内部方式，外部方式。（4）定时与控制部件234k/8k字节程序存储器（ROM）51系列4k字节；52系列8k字节128/256字节数据存储器（RAM）51系列128字节；52系列256字节2/3个16位定时/计数器51系列2个16位定时/计数器；52系列3个24可寻址64k外部数据存储器（RAM）和64k外部程序存储器（ROM）32条可编程I/O口线（4个8位并行I/O端口）一个可编程全双工串行口；五个中断源、两个优先级嵌套中断结构252.1.3MCS-51系列单片机芯片引脚26ALE/（30），ALE：允许地址锁存信号。（数据线、地址线复用）当访问外部存储器时，ALE信号负跳变将P0口上低8位地址送入锁存器。ALE低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致1）主电源引脚；2）外接晶体或外部振荡器引脚；XTAL1、XTAL2引脚分布（40脚双列直插封装（DIP）方式）3）控制、选通或复用电源引脚：27非访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡频率输出，访问外部存储器时以1/12振荡频率输出。

为编程脉冲输入端，对片内程序存储器进行编程时，此脚输入编程脉冲。RST（9脚）：复位信号延续两个机器周期以上的高电平，复位有效。28

（29脚）：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。/Vpp（31脚）：访问内部或外部ROM选择信号。高电平时()，访问内部ROM（PC指针超过4K，0FFFH时，自动转向外部ROM），保持低电平，则访问外部ROM。（对于8031，接低电平）29四个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3）;每一条I/O线都能独立地作输入或输出。P0口（32—39）低8位地址/数据线复用或I/O口。P1口（1—8）常用的I/O口。P2口（21—28）常用I/O口或高8位地址线。P3口（10—17）双功能口。4）I/O口引脚（32个引脚）30信号引脚的第二功能P3口第二功能312-2MCS-51存储器数据存储器（RAM）--用来存放程序运行中所需要的常数和变量。当然，全局数据也可以放在RAM中。特点：程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）分开，各有各的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器（ROM）--用来存放程序和始终要保留的数据。32从物理空间上看：MCS-51单片机有四个存储器地址空间。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33程序存储器映象数据存储器映象8051存储器映象342.2.1程序存储器程序存储器以PC（程序计数器）作地址指针，可寻址空间为64K（0000H—FFFFH）字节。8051/8751单片机内部分别驻留4K（0000H—0FFFH）字节ROM/EPROM。8031则没有片内程序存储器。358031单片机接低电平。51系列单片机64K字节程序存储器统一编址。程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。程序从外部存储器开始执行。3651系列单片机复位后PC=0000H，系统从0000H开始执行程序。安排一条跳转指令。0003H—0032H单元被保留专用于中断服务程序（入口地址）。每个中断服务程序只有8个字节单元存放，显然不够，故此8个单元通常放一条跳转指令。指向被实际分配的中断服务程序段。3738中断服务程序首地址：外部中断0（） 0003H定时器0溢出中断 000BH外部中断1（） 0013H定时器1溢出中断 001BH串行口中断 0023H定时器2溢出/T2EX（负跳变） 002BH392-2-2数据存储器MCS-51系列单片机的数据存储器在物理和逻辑上都分为两个地址空间。00H—7FH（0—127）128字节RAM区；80H—FFH（128—255）128字节专用寄存器区。40内部RAM低128字节（00H—7FH）四个通用寄存器区，每个区有8个工作寄存器R0—R7D4D3=00—0区；D4D3=01—1区；D4D3=10—2区；D4D3=11—3区根据程序状态字PSW（特殊功能寄存器，地址D0H）中的D4D3位来指示的。通过对PSW的D4D3的修改，便能任意选择一个工作寄存器区。寄存器区41位寻址区（20H—2FH）16个字节。16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H—7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。位寻址区42用户RAM区（数据缓冲区）单元地址：30H~7FH在此区域中，用户只能以存储单元（字节）形式使用。通常将堆栈建立在此区域中。43内部RAM高128字节（80H—FFH）专用功能寄存器区（SFR）2-2-3外部数据存储器以后介绍442-2-3专用功能寄存器（SFR）分布在RAM区域80H—FFH中，具体执行功能：锁存器、定时器、串行口数据缓冲器、各种控制寄存器、状态寄存器等。45●累加器ACC（最常用专用寄存器）暂存寄存器，用于提供操作数和存放运算结果。直接与内部总线相连。一般信息传递和交换都要通过ACC。常用专用功能寄存器46●寄存器B乘法指令两个操作数分别取自A、B，其结果放在A、B寄存器队中；除法指令，被除数取自A，除数取自B，商放A，余数放B。47●程序状态控制字PSWRS1，RS0--选择工作寄存器区；CY--高位进位标志，8位运算产生进位或借位；AC--辅助进位标志，半字节进位标志；OV--溢出标志位，用于带符号数运算的溢出。P—奇偶校验标志位，A寄存器中奇偶性判别。“1”的个数为偶P=0“1”的个数位奇P=148●数据指针DPTR16位寄存器，DPH，DPL用来访问外部RAM的地址寄存器，地址范围64K。●端口P0—P3专用寄存器P0—P3端口名和寄存器名一一对应可采用直接寻址方式参与操作。MOVA，P049●串行数据缓冲器SBUF存放欲发送或已接收的数据。虽然用一个缓冲器99H，但却以两个独立的缓冲器出现。一个发送，一个接收。●定时器/计数器两个16为定时/计数器T0、T1。各有两个8为独立寄存器组成，TH0、TL0，TH1、TL1。●其他控制寄存器5051522-3并行I/O端口电路P0口：地址/数据复用口53锁存器：数据输出三态输入数据缓冲器多路转换器MUX，控制电路数据输出时（写P0口）：由于锁存器的存在，故P0端口可以直接和外设相连。内部写脉冲加在D触发器CP端，数据写入锁存器，由端口引脚输出。作为一般I/O口使用54数据输入时（读P0口），有两种情况：读引脚：读芯片引脚上的数据，“读引脚”缓冲器打开，通过内部数据总线读入；MOV指令的读口操作。读端口：通过打开读锁存器缓冲器读锁存器Q端的状态，例如语句：ANLP0，A。作为地址/数据复用口使用打开控制与门，使得内部地址/数据线与驱动场效应管栅极反相接通状态。55根据端口特点，P0，P2口结构基本一致，内部有一个多路开关MUX，根据CPU控制可作为I/O口，也可作为外部存储器扩展时用作16位地址总线。P1，P3口结构基本一致，为双向口。注意，一般地说，P1口多用作I/O或位操作；而P3口多用于第二功能。56P0口：为三态双向口，扩展外部存储器时，它是地址总线和数据总线的复用（低8位）。低8位地址通过ALE信号负跳变将其锁存在外部锁存器中。单独作I/O口用时，由于输出电路是漏极开路，必须外接上拉电阻。能带8个LSTTL电路。端口功能57P1口：常用I/O口，每一位都能作为可编程的输入或输出线。输出端无需上拉电阻。P2口：可以作为输入口或输出口使用；但一般作为扩展系统的地址总线，输出高8位地址。与P0口一起组成16位地址总线。P3口：双功能口。作为第一功能使用同P1口。第二功能如下表：58P3口第二功能592-4振荡器\时钟及时序振荡有两种方式：外部、内部时钟发生器：将震荡频率2分频，为芯片提供一个两相时钟信号。时序定时单位：（1）拍节P：振荡脉冲周期，用P表示；（2）状态S：时钟信号周期，用S表示；60（3）机器周期：MCS-51采用定时方式，因此有固定的机器周期，一个机器周期等于6个状态周期，1