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文档简介
1第一页,共六十八页,2022年,8月28日MCS-51单片机的结构和原理本章主要介绍MCS-51系列的8051的基本结构、工作原理、存储器结构、P0、P1、P2、P3四个I/O口的基本工作原理和操作特点。单片机的各种工作方式、单片机的时序等。2第二页,共六十八页,2022年,8月28日任务一单灯闪烁【任务目的】认识89C51单片机芯片,学习WAVE软件的使用方法、学习单片机I/O接口的控制方法。【任务描述】用单片机的P1.0控制1只LED灯,使其闪烁,变化时间间隔为0.2s。1.电路原理图单灯闪烁电路原理图如图2-1所示。3第三页,共六十八页,2022年,8月28日任务一单灯闪烁图2-1单灯闪烁电路原理图4第四页,共六十八页,2022年,8月28日b编程思路(1)硬件控制对象是谁?
编程要用到①脚的名字——叫“P1.0”。记住它,类似这样的名字以后还有很多。(2)用什么语言控制?名字有了,但又怎样让它变“高”或变“低”呢?叫人做事,说一声就可以,这叫发布命令。要单片机做事,也得要向单片机发命令,计算机能听得懂的命令称之为计算机的指令。(3)关键指令要P1.0输出高电平,则指令应为:SETBP1.0;要P1.0输出低电平,则指令应为:CLRP1.0。让某个引脚输出低电平的指令是:
CLR
。让某个引脚输出高电平的指令是:SETB。5第五页,共六十八页,2022年,8月28日2.参考程序 ORG 0000H LJMP 1000H ORG 1000HSTART: CLR P1.0;从P1.0引脚输
出低电平LED亮 LCALL DELAY;延时0.2s SETB P1.0;从P1.0引脚输
出高电平LED灭 LCALL DELAY;延时0.2s AJMP START;重新开始
DELAY: MOV R5,#4;延时子程序,延
时时间为0.2S
任务一单灯闪烁6第六页,共六十八页,2022年,8月28日D1: MOV R6,#20D2: MOV R7,123 NOPDJNZR7,$DJNZR6,D2DJNZR5,D1RETEND7第七页,共六十八页,2022年,8月28日(4)单片机怎么理解你的程序?单片机看不懂SETB、CLR之类的指令,得把指令翻译成计算机能懂的方式,再让计算机去读。计算机能懂什么呢?它只懂一样东西——数字。得把“CLRP1.0”变为:C2H、90H,至于为什么是这两个数字,这也是由51芯片的设计者——INTEL规定的。这样的代码有两种方式可以得到:人工查表和机器编译。
CLRP1.0——
C2H、90H
8第八页,共六十八页,2022年,8月28日(5)编写好的程序放在哪儿?(写片)通过编程器可将“C2H、90H”这样的代码写入到单片机中,然后将单片机放入到应用电路板中方可运行。SUPERPROL+编程器缓冲区界面如下:9第九页,共六十八页,2022年,8月28日通过任务发现的问题1、单片机芯片有哪些?2、单片机芯片怎样才能工作?直接电源行吗?3、我们编写的程序放在哪儿?在哪儿运行的?4、程序(指令)又是怎么被单片机认识的?5、单片机又是通过什么控制外部设备的?10第十页,共六十八页,2022年,8月28日1、单片机芯片有哪些?
——各种类型的单片机芯片介绍。11第十一页,共六十八页,2022年,8月28日1常用单片机系列简介1.1MCS-51系列(1)MCS-51是Intel公司在1980年生产的一个高性能单片机系列的名称。属于这一系列的单片机有多种,如:
﹡8051/8751/8031;
﹡8052/8752/8032;
﹡80C51/87C51/80C31
﹡80C52/87C52/80C32等
。
12第十二页,共六十八页,2022年,8月28日(2)该系列生产工艺有两种:CHMOS是CMOS和HMOS的结合,既保持了HMOS高速度和高密度的特点,还具有CMOS的低功耗的特点。在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片,CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容,又与CMOS电平兼容。一是HMOS工艺(高密度短沟道MOS工艺)。二是CHMOS工艺(互补金属氧化物的HMOS工艺)。13第十三页,共六十八页,2022年,8月28日(3)在功能上,该系列单片机有基本型和增强型两大类:增强型:8052/8752/803280C52/87C52/80C32基本型:8051/8751/803180C51/87C51/80C3114第十四页,共六十八页,2022年,8月28日(4)在片内程序存储器的配置上,该系列单片机有三种形式,即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(无片内程序存储器)。如:﹡80C51有4K字节的掩膜ROM;﹡87C51有4K字节的EPROM;﹡80C31在芯片内无程序存储器。15第十五页,共六十八页,2022年,8月28日1.280C51系列
﹡
Intel的:80C31、80C51、87C51,80C32、80C52、87C52等;
﹡ATMEL的:89C51、89C52、89C2051等;
﹡
Philips、华邦、Dallas、Siemens等公司的许多产品。80C51系列是在MCS-51系列单片机的基础上发展起来的,许多著名厂商以MCS-51系列的8051为基核开发出的大量的CMOS工艺的单片机产品,我们常把其统称为80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要产品有:16第十六页,共六十八页,2022年,8月28日1.2.180C51系列的基本结构17第十七页,共六十八页,2022年,8月28日1.2.280C51系列的应用模式
一、总线型单片机应用模式总线型应用的“三总线”模式
非总线型应用的“多I/O”模式
18第十八页,共六十八页,2022年,8月28日
二、非总线型单片机应用模式
非总线型单片机已经将用于外部总线扩展用的I/O口线和控制功能线去掉,从而使单片机的引脚数减少、体积减小。对于不需进行并行外围扩展,装置的体积要求苛刻且程序量不大的系统极其适合。非总线型单片机典型产品如:
AT89C2051/AT89C4051。19第十九页,共六十八页,2022年,8月28日1.380C51典型产品资源配置与引脚1.3.180C51典型产品资源配置20第二十页,共六十八页,2022年,8月28日由表可见:(1)增强型与基本型在以下几点不同:﹡片内ROM字节数:从4K增加到8K;﹡片内RAM字节数:从128增加到256;﹡定时/计数器从2个增加到3个;﹡中断源由5个增加到6个。
21第二十一页,共六十八页,2022年,8月28日(2)片内ROM的配置形式﹡无ROM(即ROMLess)型,应用时要在片外扩展程序存储器,适用于研制新产品;﹡片内掩膜ROM(即MaskROM)型,用户程序由芯片生产厂写入,其内容不能更改;﹡片内EPROM型,用户程序通过写入装置按规定的方法多次写入,通过紫外线照射20min左右擦除;﹡
片内FlashROM型,闪速存储器,用户程序可以电写入或擦除(当前常用方式),开发过程中修改更容易。
﹡片内
E2PROM型,电可擦除的可编程程序存储器;22第二十二页,共六十八页,2022年,8月28日1.3.280C51的引脚封装总线型非总线型23第二十三页,共六十八页,2022年,8月28日1.3.3AT89系列单片机性能及结构该系列单片机是1998年以后出现的80C51系列单片机的一个新的分支,采用了高性能的静态8051为内核来设计,以先进的CMOS工艺制造并带有非易失性的Flash程序存储器,具有32条I/O口线,6输入4优先级的嵌套中断结构,1个串口(用于多机通信、I/O扩展或全双工串行UART),片内有振荡和时钟电路。
AT89系列单片机的主要特性:是以8051为核心的单片机,89S51/89S52/89S54/89S58是这个系列的主要型号,分别具有4KB/8KB/16KB/32KB的Flash程序存储器,89S51与89S52/89S54/89S58分别具有128B/256B的数据存储器,其存储器寻址范围为64KB,工作频率为33MHz,计算速度更快,具有ISP(在线更新)功能,集成了看门狗功能等。24第二十四页,共六十八页,2022年,8月28日2、单片机芯片怎样才能工作?直接电源行吗?
——单片机芯片的结构、管脚功能、单片机最小应用系统。25第二十五页,共六十八页,2022年,8月28日1.4AT89S51单片机内部结构(1)一个8位的CPU;(2)一个片内振荡器及时钟电路;(3)4KB的FlashROM;(4)128B的内部RAM(5)可扩展64KB外部ROM和外部RAM的控制电路;(6)两个十六位的定时/计数器;(7)26个特殊功能寄存器(双数据指针);(8)4个8位的并行口;(9)一个全双工的串行口;(10)5个中断源,两个外部中断,三个内部中断;(11)内部硬件看门狗电路;(12)一个SPI串行接口,用于芯片的在线系统编程(ISP)。26第二十六页,共六十八页,2022年,8月28日
a、AT89S51的微处理器(CPU)(1)运算器(算术运算逻辑单元ALU)累加器ACC;寄存器B;程序状态字寄存器PSW。(2)控制器程序计数器PC;指令寄存器IR;’指令译码器ID;定时与控制逻辑电路PLA。27第二十七页,共六十八页,2022年,8月28日b、AT89S51的片内存储器P17
在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间(称为哈佛结构):
﹡
内部ROM容量4K字节范围是:0000H~0FFFH
﹡内部RAM容量128字节范围是:00H~7FH28第二十八页,共六十八页,2022年,8月28日c、AT89S51的I/O口及功能单元四个8位的并行口,即P0~P3。它们均为双向口,既可作为输入,又可作为输出。每个口各有8条I/O线;
有一个全双工的串行口(利用P3口的两个引脚P3.0和P3.1);有2个16位的定时/计数器;有1套完善的中断系统,5个中断源。
一个SPI串行接口,用于芯片的在线系统编程(ISP)。
29第二十九页,共六十八页,2022年,8月28日d、AT89S51(8051)的特殊功能寄存器(SFR)P20内部有SP,DPTR(可分成DPH、DPL两个8位寄存器),PCON,…,IE,IP等26(21)个特殊功能寄存器单元,它们同内部RAM的128个字节统一编址,地址范围是80H~FFH。这些SFR只用到了80H~FFH中的26(21)个字节单元,且这些单元是离散分布的。30第三十页,共六十八页,2022年,8月28日1.4.1、电源VCC(P40)——芯片电源,接+5V。VSS(P20)——接电源地。
AT89S51单片机引脚功能P1431第三十一页,共六十八页,2022年,8月28日1.4.2、时钟XTAL1(P19)——晶体振荡电路的反相器输入端XTAL2(P18)——晶体振荡电路的反相器输出端。
使用内部振荡电路时,该引脚外接石英晶体和补偿电容。使用外部振荡输入时从XTAL2输入,此时XTAL1需接地。32第三十二页,共六十八页,2022年,8月28日AT89S51的时钟产生方式(P24)①.内时钟方式如图所示,XTAL1接地,XTAL2接外部振荡器。②.外时钟方式如上面左图所示:XTAL1接地,XTAL2接外部振荡器。由于XTAL2端的电平不是TTL电平,故接一个上拉电阻。外部振荡器的频率应低于24/33MHz。如上面右图所示:XTAL1接外部振荡器,XTAL2悬空33第三十三页,共六十八页,2022年,8月28日
1.机器周期和指令周期(1)时钟周期:也称振荡周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的振荡脉冲的周期,又称节拍(P1)。(2)状态周期:每个状态周期为时钟周期的2倍(P1,P2),是振荡周期经二分频后得到的。(3)机器周期:一个机器周期包含6个状态周期(S1~S6),也就是12个时钟周期。在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作。(4)指令周期:它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS-51系列单片机中,有单周期指令、双周期指令和四周期指令。单片机工作的时序概念34第三十四页,共六十八页,2022年,8月28日思考题:若采用12MHZ晶振,各周期是多少?振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us
35第三十五页,共六十八页,2022年,8月28日AT89S51的时钟信号一个机器周期包含12个晶荡周期或6个时钟周期
指令长度1~3个字节,指令的执行时间称作指令周期(单、双、四机器周期)36第三十六页,共六十八页,2022年,8月28日AT89S51的典型时序各指令的微操作在时间上有严格的次序,这种微操作的时间次序我们称作时序。
单字节指令双字节指令a、单周期指令时序37第三十七页,共六十八页,2022年,8月28日2个机器周期中ALE信号有效4次(即发生了4次读操作码的操作),后3次作无效。b、单字节双周期指令时序38第三十八页,共六十八页,2022年,8月28日1.4.3控制控制引脚有4个,先学习其中的两个。(1)RST/VPD(9脚)——复位/备用电源RST复位功能是单片机正常工作必不可少的,因为复位可以使单片机从程序的开头运行,使单片机按照人们设计的程序运行,在单片机系统上电开始工作,或单片机系统由于外界干扰偏离正常运行,都需要复位。AT89S51单片机是高电平复位,只要在该引脚上一段时间(两个机器周期以上)的高电平,单片机就复位。在正常运行程序时该引脚为低电平。VPD功能是在VCC掉电情况下,该引脚接备用电源,向片内的RAM供电,使RAM中的数据不丢失。39第三十九页,共六十八页,2022年,8月28日a、复位电路(P25)复位目的是使单片机或系统中的其它部件处于某种确定的初始状态。
上电复位电路按键与上电复位
40第四十页,共六十八页,2022年,8月28日b、单片机复位后的状态PC=0000H,所以程序从0000H地址单元开始执行;启动后,片内RAM为随机值,运行中的复位操作不改变片内RAM的内容;特殊功能寄存器复位后的状态是确定的:P0~P3=FFH,各口可用于输出,也可用于输入;SP=07H,第一个入栈内容将写入08H单元;IP、IE和PCON的有效位为0,各中断源处于低优先级且均被关断、串行通讯的波特率不加倍;PSW=00H,当前工作寄存器为0组。41第四十一页,共六十八页,2022年,8月28日(2)EA/VPP(31脚)——内外ROM选择在通常的应用中EA功能是作为内部和外部ROM的选择端。当EA=1,CPU从芯片内部的ROM中取指令运行,但超过4KB范围的程序,也从外部扩展的ROM中取得。反之当EA=0时,只从芯片外部扩展的ROM中取指令运行。在绝大多数的应用中,4KB空间范围足够存放程序,一般都选择内部ROM,将EA接高电平。VPP功能是在我们要把程序下载到内部ROM中才用到的功能,只有设计制造编程器时考虑,一般情况用不到。
42第四十二页,共六十八页,2022年,8月28日(3)ALE/PROG
(30脚)——地址锁存允许/编程脉冲输入信号当CPU访问片外存储器时,ALE用于锁存P0口输出的低8位地址信息到片外地址锁存器。之后,P0口作地址/数据复用口。
P0口的信息究竟是地址还是数据完全由ALE来判别,ALE高电平期间,P0口出现的是地址信息,ALE下降沿到来时,P0口上的地址信息被锁存,在ALE低电平期间P0口上出现指令和数据信息。对单片机内部程序存储器编程时为输入脚43第四十三页,共六十八页,2022年,8月28日1.4.4
I/O口AT89S51单片机有4个8位的并行口,分别称为P0口、P1口、P2口和P3口,共32个引脚。单片机就是通过这些口线对外部电路进行控制和检测。44第四十四页,共六十八页,2022年,8月28日3、我们编写的程序放在哪儿?在哪儿运行的?
——单片机的存储器结构、功能,以及如何使用。45第四十五页,共六十八页,2022年,8月28日2、单片机存储空间配置(P17)
存储器就是用来存放数据的地方。它是利用电平的高低来存放数据的。也就是说,它存放的实际上是电平的高、低,而不是我们所习惯认为的1234这样的数字。一个存储器单元就似一个个的小抽屉,一个小抽屉里有八个小格子,每个小格子就是用来存放电荷的,电荷通过与它相连的电线传进来或释放掉。存储器中的每个小抽屉就是一个存放数据的地方,称之为一个“存储单元”。要在一个存储单元中放入数据12,即放入:00001100。可见,只要把第二号和第三号小格子里存满电荷,而其它小格子里的电荷给放掉就行了。46第四十六页,共六十八页,2022年,8月28日AT89S51存储器采用哈佛型结构可以分成两大类:﹡RAM,CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出,但在关闭电源时,其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。﹡ROM是一种写入信息后不易改写的存储器。断电后,ROM中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据,如系统监控程序、常数表格等。
47第四十七页,共六十八页,2022年,8月28日内部ROM(4KB)EA=1外部ROM(4KB)EA=0外部ROM(60KB)内部RAM128BSFR(26个)外部RAM(64KB)0000H0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFHFFFFHFFH00H7FH80HMOVC指令操作MOV指令操作MOVX指令操作ROM地址空间RAM地址空间48第四十八页,共六十八页,2022年,8月28日2.1程序存储器(ROM)8051/AT89S51的程序存储器空间,片内ROM/FlashROM为4KB,地址为0000H~0FFFH,片外最多可扩展至64KB的ROM/FlashROM,地址1000H~FFFFH,片内外是统一编址的。当31引脚接高电平时,AT89S51的PC在0000H~0FFFH范围内执行片内ROM中的程序;当PC超过0FFFH时,就自动转向片外ROM取指令。当接低电平时,AT89S51片内ROM不起作用,CPU只能从片外ROM/EPROM中取指令.
注:不管是内部的还是外部的ROM,开头的0003H~002AH空间地址是中断源的入口地址区,是专用单元,一般情况下用户不能用来存放其它程序。
49第四十九页,共六十八页,2022年,8月28日单片机上电复位后,程序计数器指针PC为0000H,故CPU总是从0000H开始执行程序。若用户编写的主程序或初始化程序不从此地址开始,则应在0000H单元内存放一条绝对跳转指令,将PC转向主程序或初始化程序的入口地址。
CPU是根据PC(程序计数器)值从ROM中取指令来执行的。CPU每从ROM中读取一个字节,自动执行(PC)+1→PC,即PC指向下一个地址空间,一般情况下CPU是按ROM地址空间顺序从小到大依次执行。只有执行的指令是转移类指令,才根据转移类指令所指示的新地址,调整PC值,然后根据新的PC值从对应的地址空间中取指令来执行。当调用子程序或中断发生时,PC值也会改变。50第五十页,共六十八页,2022年,8月28日2.2内部数据存储器(内RAM)
P19AT89S51单片机内部有128B字节划分为三部分:工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。
CyACF0RS1RS0OVF1P0区1区2区3区位寻址区数据缓冲区工作寄存器区8位整体操作位寻址区8位整体操作、位操作堆栈与数据缓冲区8位整体操作00~07H08~0FH10~17H18~1FH20~2FH位地址D7D0PSW07H06H05H04H03H02H01H00HD7D020H(字节地址)(R0~R7)30~7FH51第五十一页,共六十八页,2022年,8月28日
在任一时刻只有一个区作为当前的工作寄存器区,相应的空间单元作为工作寄存器使用,表示R0~R7。不是当前工作寄存器区的可以作为一般的RAM空间使用。操作方式:8位整体操作。
(1)工作寄存器区
低端32个字节分成4个工作寄存器组,每组8个单元。当前工作寄存器组的机制便于快速现场保护。
PSW的RS1、RS0决定当前工作寄存器组号
寄存器0组:地址00H~07H;寄存器1组:地址08H~0FH;寄存器2组:地址10H~17H;寄存器3组:地址18H~1FH。52第五十二页,共六十八页,2022年,8月28日(2)位寻址区20H~2FH共计16个单元为位寻址区,每个单元的8位可进行位操作,有位的置1、清0、取反以及判断等操作等指令。
位地址的范围:00~7FH。(要注意和内RAM空间单元地址的区别)位寻址区空间单元操作的有两种方法,即可以象其它RAM空间一样进行8位整体操作,也可以通过位地址对这些空间单元的某一位进行操作。53第五十三页,共六十八页,2022年,8月28日字节地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H位寻址区的位地址映象表(表2-5)54第五十四页,共六十八页,2022年,8月28日位寻址区的位地址形式有两种:位地址和位编号。位地址07H06H05H04H03H02H01H00HD7D020H(字节地址)
如20H单元的8个位位地址为:00H~07H位编号为:20H.0~20H.7它们的含义是一致的,都表示20H单元的位地址,在应用中可以互换,位编号更便于记忆。55第五十五页,共六十八页,2022年,8月28日(3)堆栈与数据缓冲区30H~7FH共80个字节为数据缓冲区,用于存放数据和中间结果,起到数据缓冲的作用,这些空间数据的操作是8位的整体操作。在实际应用中,常需在RAM区设置堆栈。AT89S51的堆栈一般设在30H~7FH的范围内。栈顶的位置由SP寄存器指示。复位时SP的初值为07H,在系统初始化时可以重新设置。56第五十六页,共六十八页,2022年,8月28日(3)特殊功能寄存器(SFR)单片机的状态字、并行口、串行口、定时器和中断系统的寄存器等,是一些有专门用途的寄存器,称为特殊功能寄存器SFR,离散地分布在80H~FFH地址范围内。
SFR操作同内部RAM的操作,其中字节地址能被8整除的特殊功能器,它们的每一位也有自己的位地址,也可以进行位操作。字节地址不能被8整除的特殊功能寄存器,只能8位的整体操作。
8位整体操作既可以对它们的字节地址操作,也可以对它们的符号(名称)操作。57第五十七页,共六十八页,2022年,8月28日a、与运算器相关的寄存器(3个)累加器ACC,8位。累加器ACC是单片机最常用的寄存器,许多指令都用到累加器,特别是算术运算都需要用到,用于向ALU提供操作数,许多运算的结果也存放在累加器中,在指令中ACC简写为A
;寄存器B,8位。主要用于乘、除法运算。也可以作为RAM的一个单元使用;58第五十八页,共六十八页,2022年,8月28日程序状态字寄存器PSW,PSW反映的程序运行的状态,其结构和含义如下表所示。位编号PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H位定义CyACF0RS1RS0OVF1PCy——进位标志。累加器A在执行加减法运算中,如果最高位有进位或借位,Cy自动置1,否则自动清0,用于无符号数运算。另Cy还是位操作累加器,在指令中简写为C。例:78H+97H(01111000+10010111)59第五十九页,共六十八页,2022年,8月28日OV——溢出标志。累加器A在执行加减法运算中,如果最高位和次高位只有一个进位或借位,OV置1,否则清0,用于有符号数的运算。
AC——进位标志辅助。累加器A执行加法运算时,低4位向高4位进位时置1,否则清0。BCD码加法运算调整标志。例:57H+3AH(01010111+00111010)P——奇偶标志。表示累加器A中“1”的个数的奇偶性。如果A中“1”的个数为奇数,则P置1,否则清0。例:某运算结果是78H(01111000),显然1的个数为偶数,所以P=0。60第六十页,共六十八页,2022年,8月28日F0、F1——用户标志。与位寻址区的位地址功能相同,由我们(编程人员)决定什么时候用,什么时候不用。RS1、RS0——工作寄存器区选择位。工作寄存器区有4个,每次只有一个区当作工作寄存器用,通过RS1、RS0可以选择它们中的一个。RS1、RS0=00——0区(00H~07H)RS1、RS0=01——1区(08H~0FH)RS1、RS0=10——2区(10H~17H)RS1、RS0=11——3区(18H~1FH)61第六十一页,共六十八页,2022年,8月28日[例2-1]设A中有下面的加法运算,分析PSW中有关位的值,及其表示的含义。
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