单片机1前言及51体系结构课件

单片机原理及应用

授课人：杨红宇什么是单片机？单片机：将组成微机的各个部件：CPU、存储器、I/O接口电路、定时器/计数器等，集成在一块电路芯片上，构成的一个完整的微型计算机系统。单片+微机系统=单片机数字电路与计算机二进制8个D触发器可以存放8位2进制数据8位数据就是有序排列的8条导线或者8个触发器按照导线排序，每一条导线分别代表不同的数字“权”值。以4线为基准，分别代表“8，4，2，1”，4线都是高电平，记为“1111”，其代表数字是8＋4＋2＋1＝15。我们采用16进制表达为F。4位2进制可以表达数字0～15或者0～9，A~F的16进制数。每4线代表1位16进制数据。8线就是2位16进制数据，称为“1字节”我们学习计算机知识，一定要掌握2进制－16进制－10进制之间的换算关系。2进制数用B结尾，16进制数用H结尾，10进制不加结尾，或者加D结尾以示区别。单片机就是“嵌入式”系统嵌入式系统分为两个层次：自己编写全部控制程序——底层应用。利用实时多任务操作系统RTOS，在操作系统中添加具有针对性的控制任务（程序）——高层应用。“单片机原理”课程教会我们底层应用uc/OS-II是“微控制器操作系统”，它将教会我们高层应用。单片机也称为：微控制器（MCU）地址总线AB控制总线CBCPU内存智能仪器接口数字化存储示波器、数字化万用表通信接口终端调制解调器TTY电传机过程控制接口A/D转换器开关量I/OD/A转换器输出接口打印机，显示器，绘图仪，记录仪输入接口键盘，数字化仪，光笔，图形/声音输入外存接口硬盘，软盘，光盘，磁带数据总线DB计算机的基本结构计算机主要模块CPU、存储器、接口连接三者用“总线”：数据总线DB；地址总线AB；控制总线CB接口连接外部设备：显示器；键盘；鼠标；打印机；以及硬盘；光盘；软盘；U盘、还有互联网等等两种计算机对比对比项目个人计算机PC单片机CPU位数64位8、16、32位内存大小256MB以上128字节～几百KB工作频率1GHZ以上几十兆赫兹接口类型繁多的基本接口和智能接口只有基本接口基本接口并口、串口、定时器、中断系统并口、串口、定时器、中断系统智能接口FDD、IDE、USB、显示器、声卡少量类型有USB、CAN、等接口结构特点多种IC多个电路板结构单片IC结构计算机的内存内存分为只读存储器ROM和随机存储器RAM两类。ROM存放启动/开机程序以及一些系统子程序。PC机的BIOS就是存放在ROM中。用户编写的单片机程序也是存放在ROM中。RAM存放变量，数据。PC机还要存放从硬盘等处读入的可执行程序。ROM中的程序用于开机时，计算机能引导进入运行状态，这些程序在掉电后应保证不会消失。单片机：麻雀虽小，五脏俱全单片机设计为：专用于控制目的计算机。用于专门目的，为了降低成本，没有必要将不用的功能包含进来。单片机通常只有8位，16位字长，运算速度不是很快，但用于专门的控制足够了。因数据量不大，单片机内存也没有必要做得太大。单片机应用系统功能单一，可见于我们生活中的时时处处：手机、微波炉、洗衣机、电视机、遥控器、电子词典、高档玩具……嵌入式单片机还见于计算机的许多辅助设备：键盘、硬盘、光驱、打印机等等。计算机的数据交换接口尽管计算机外部设备多种多样，根本上来说就是数据的传输：外部设备把指令、数据送到计算机内让计算机进行处理计算机把处理情况和处理结果，以及需要保存的数据送到外部设备：显示；打印；保存；交换……计算机接口就是完成以上数据传输任务的基本电路模块。计算机基本接口并行接口：多条线（8线）同时传输数据。一次传输一字节。串行接口：单线传输，一次传输一位，分时传送。定时器：产生设定的时间间隔信号，用于安排计算机的多种任务执行时间。中断控制器：用于使CPU能及时响应多种外部设备申请的服务。通讯接口举例并行接口：LPT打印机；内部FDD软驱；IDE光驱/硬盘……串行接口：COM1/COM2串行接口；USB通用串行接口；键盘、鼠标接口；红外线接口；网络接口……串行接口还有更广泛的应用：手机，数字电视，卫星通讯……常见的8位16位单片机Intel8051系列和96系列Motorola的MC68H系列Microchip的PIC系列英飞凌的XC800系列、C166系列TI的MSP430系列单片机不同型号间的主要差异CPU字长：4位；8位；16位；32位ROM容量：没有（需要外部扩展）；1K;2K;4K;8K…64K,128K…，工艺上分EPROM;E2PROM;FLASHROMRAM容量：128B;256B;1K;2K…，基本RAM和片内扩展XRAM接口数量和种类：并口；串口；定时器；中断控制器。好的芯片还集成了AD/DA接口，DMA，PWM，CAN，I2C，……。同时增加更多引脚。单片机引脚和封装单片机的发展方向加大存储容量，采用新型存储器加强程序的保密措施集成部件越来越多通信和联网功能不断加强功耗降低，电源电压范围宽如何选择单片机从应用的实际需求出发，不是越贵越好。运行速度、接口数量、存储容量、扩展单元、功耗是否能满足要求？是否易于获得，价格如何？开发是否容易（程序下载）？软件环境是否友好（程序仿真）？封装及大小是否满足要求？本课程重点因课时所限，本课程包括：Intel的8051单片机（初期/打基础）。Infineon的XC866单片机（后期/重点）。配以多个实验，进行编程及操作练习。CPU主要结构和功能ALU：算术逻辑单元。它是一个集：加、减、乘、除、移位、与、或、非、异或等多种功能模块的电路单元。选择ALU的某项功能是通过“指令译码器”送出的控制信号决定的。指令寄存器存放着从存储器读回的操作指令，它被“指令译码器”译成操作ALU的控制信号。地址寄存器/程序计数器自动计算CPU要执行的下一条指令的存放地址，并产生相应地址信号用于选择程序存储器。指令译码器在执行完当前指令时，发出“读指令”信号，把下一条指令读入指令寄存器。状态寄存器存放着ALU运算的状态标志。通用寄存器存放一些最常用的运算数据或地址。运算前，数据会转存到暂存器中累加器是最常用的运算寄存器。通常，运算前是运算数据，运算后存放运算结果。它配合暂存器通过ALU进行运算。存储器数据存储器：RAM程序存储器：ROM两类存储器的编址方法有两种：线性统一编址和分区编址。IntelMCS-51为“分区编址”，ROM和RAM各自占用一个独立地址空间。IntelX86采用线性统一编址。ROM和RAM分布于同一个地址空间的不同地址段。单片机的RAM特点单片机的RAM又分为“片内”和“片外”两种。片内RAM包含两种应用类型：①通用寄存器＋片内RAM。②特殊功能寄存器SFR。SFR是特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegisters），而且是专用的！它们控制着单片机的各种接口功能，也存放着接口的输入输出数据。这些寄存器都有特定的地址。片外RAM通常指外部扩展的RAM。一些性能较好的单片机片内也集成了“片外”RAM，称为：XRAM，实际上还是存在于片内。片内RAM和片外RAM也分为统一编址和独立编址两种。51系列单片机最早以8031为代表，后来派生出许多型号，它们的基本结构和指令代码相同。甚至引脚也相同，可以直接互换。这类系列统称为MCS-51系列，常见型号有：8031，8032，8751，8752，8051，8052…89C51，89C52，9751，9752，……生产51系列单片机的许多厂家还推出了性能更好的型号。51单片机内部结构图震荡器及定时电路4K字节程序存储器128字节数据存储器2个16位定时器/事件计数器8051CPU64K字节总线扩展控制可编程I/O可编程串行口中断中断频率基准源计数器控制并行I/O口串行输入串行输出51单片机代表型号及资源型号ROM（KB）RAM（字节）并口（脚数）串口定时器中断源8031无1284×81258032无2564×813680514KPROM1284×812589514K1284×812589528K2564×813689C5832K2564×813687C5416K2564×813689C20512K1282×812587C514K1284×8125DIP40封装的51单片机P1.0~P1.7 并行口P1，其中P1.0和P1.1可能作为定时器T2的功能引脚。P0.1~P0.7 并行口P0，当需要扩展存储器或接口时，可以作为数据/地址（低8位）总线。P2.0~P2.7 并行口P2，当需要扩展存储器或接口时，可以作为地址总线高8位。P3.0~P3.7 并行口P3，通常单独使用它们的第二功能：

P3口特殊功能

P3.0 RXD，异步通讯接口的数据输入端。

P3.1 TXD，异步通讯接口的数据输出端。

P3.2 INT0，外部中断0申请的输入端。

P3.3 INT1，外部中断1申请的输入端。

P3.4 T0，定时器T0外部时钟输入端。

P3.5 T1，定时器T1外部时钟输入端。

P3.6 WR，对外部存储器/接口的“写”信号。

P3.7 RD，对外部存储器/接口的“读”信号。51单片机的其它引脚VCC 工作电源，常为＋5V,某些型号可以工作在2.7~8V之间。VSS GND，接地端。XTAL1 外接晶体振荡器，当使用外部时钟时，此脚应接地。XTAL2 外接晶体振荡器。也作外部时钟输入。PSEN 读外部ROM信号。RST 复位输入端，高电平复位，低电平时CPU工作。ALE/PROG 地址锁存信号输出（正脉冲）/编程脉冲输入（负脉冲），用户一般不考虑后者。此信号控制外接的74LS373锁存器把P0口的地址分量分离出来作为扩展地址的低8位。EA/VPP 片内片外ROM选择/编程电压输入，用户一般不考虑后者。当接GND时，表示使用外部程序存储器；当接VCC时，使用片内程序存储器。51单片机结构框图结构简介1

从外部来看，共有4组8位并行接口，占用32个引脚，另：两个引脚作晶振接入，电源，地各一个脚及4个控制脚共计40个引脚。

4组并行接口分别称为：P0;P1;P2和P3，每一个单独引脚由小数点后的数字确定。例如：P1.0;P3.2等。

4组并口，除P1为专门的并口外，其它3个并口还有第二功能：P0可以作为外部的数据总线和地址低8位；P2作为地址高8位。P3的每一个引脚都有不同的第2功能：串行接口的输入输出；外部中断输入；定时器外部钟输入以及外部接口存储器的读写信号。单片机内部除CPU的主要结构外，还有128B（256B）的RAM，一定数量的ROM。RAM和ROM的多少随芯片型号不同而不同。ALU：算术逻辑单元。所有的运算都通过ALU进行。PSW:：（ProgramStateWord）程序状态字，8位。其中存放着当前ALU的一些操作状态特征。其字节地址是D0H。

结构简介2PC：（ProgramCounter）程序计数器，16位。它与8086CPU的IP（InstructionPointer）意义类似。PC中存放着CPU要执行的下一条指令地址，CPU通过它产生ROM地址从而读取指令。每执行一条指令，它都会自动增加。增加的数值依照已读指令的长短而变化。只有中断、跳转和调用指令才能使其作其它变化。每当开机或者复位时，它的起始值为0000H。ACC：累加器，8位。51单片机大多数指令都必须使用ACC，它是使用最频繁的寄存器。它与ALU直接相连，加、减、乘、除、移位以及其它逻辑运算都要使用ACC，特别是：外部数据的读写也都必须使用ACC。ACC有两个名字：A和ACC。A表示寄存器，ACC表示用地址表达的寄存器（存储器）。除入栈出栈指令使用ACC这个名字外，其它指令中都用A。DPTR：数据指针16位，主要用于指出外部RAM的数据地址或ROM数据表的基地址。内存中将其分为两个8位寄存器，分别叫DPL和DPH，DPH存放地址的高8位，DPL存放低8位。SP：stackPointer堆栈指针，8位。用于指出当前堆栈的顶部地址，当有入栈操作时，SP自动+1，出栈时SP=SP-1。结构简介3P0口和P2口可以作为外部扩展的数据总线和地址总线使用。P0口分时作为数据线（8位）和地址线低8位使用，通过外部地址分离电路将其分离。分离信号就是ALEP2口作为地址线高8位使用P0和P2可以组合成16位地址，因而可以对外部的64KB空间进行寻址访问。他们可以同时连接ROM和RAM（访问操作各自不同）程序状态字PSWC：也叫CY，进位标志或借位标志。当运算产生进位或借位时：C=1，否则C=0。C位还有一个特殊意义：它是1位计算机的“累加器”，CPU作布尔运算时，需要C的介入。同时C还可以读取一个引脚的数据或者把C的数据从引脚送出。AC：半进位。当AC=1时，表明运算使低4位向高4位产生了进位。F0：用户标志位。用户可以用于存1位数据。RS1和RS0：（RegistersSelection）寄存器选择位。用于选择寄存器组。OV：溢出标志。对符号数的运算，当结果超出-128~+127时，产生溢出，此时OV=1。F1：用户标志位。用户可以用于存1位数据。（有些品种不支持）P：奇偶标志，反映ACC中数据的奇偶性。若ACC中有奇数个1，则P=1。位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H位符号CACF0RS1RS0OVF1P51单片机内部RAM地址名称PSW/说明00~07R0R1R2R3R4R5R6R70组RS1=0,RS0=008~0FR0R1R2R3R4R5R6R71组RS1=0,RS0=110~1FR0R1R2R3R4R5R6R72组RS1=1,RS0=018~1FR0R1R2R3R4R5R6R73组RS1=1,RS0=120~2F位寻址区，地址00～7FH共128位，占16字节不用的字节作RAM30~7F用户RAM区，存变量、缓冲、堆栈等80~FF51、52单片机为SFR特殊功能寄存器采用直接地址（名称）80~FF52单片机作RAM采用寄存器间接寻址

内部RAM的读写采用“MOV”指令，操作数分为：字节或位，其操作对象随之不同。

R0-R7通用寄存器部分，不用的字节也做RAM。SFR简介

地址：80H~FFH并口数据寄存器：P0;P1;P2;P3累加器ACC和寄存器B定时器T0（TH0;TL0),T1(TH1;TL1)定时器控制寄存器：TMOD;TCON串行口控制SCON和数据SBUF中断控制：IE,IP电源控制：PCON程序状态字：PSW堆栈指针：SP数据指针：DPTR(DPH和DPL)通用寄存器的使用51单片机留了4组寄存器，它们都叫做：R0,R1～R7。它们在各种运算中起着参与运算的作用。程序只能使用某一组寄存器。其它组用于其它程序。目的是互不破坏数据。这种情况主要发生在“中断服务”时。如何切换到另一组呢？用程序改变PSW中的RS1和RS0就可。主程序默认使用：寄存器组0。中断服务程序开始时，先保存PSW，然后改写RS1和RS0。退出服务时恢复原来的PSW。一般只要使用两组就可以了。单片机的“位”单片机特色之一是使用“位”变量并可以直接操作。“位”存在于各个并口（引脚），累加器，PSW以及若干寄存器中；同时在RAM中也预留了“可位寻址”的空间：20H~2FH。位空间占用16字节，每个字节8位共128位，用地址00H~7FH表达。换算关系：字节地址＝20H