单片机基本原理

单片机基本原理第1页，共33页，2023年，2月20日，星期一对于内部有ROM的芯片，根据情况外部可以扩展ROM，但内部ROM和外部ROM共用64K存储空间，其中，片内程序存储器地址空间和片外程序存储器的低地址空间重叠。51子系列重叠区域为0000H—0FFFH，52系列重叠区域为0000H—1FFFH。EA高内低外片外ROMEA=0片外ROMEA=0片内ROMEA=1片外ROM0000HFFFFH0000H0FFFH1000HFFFFH片外ROMEA=0片内ROMEA=1片外ROM0000H1FFFH2000HFFFFH（a）片内无ROM（b）片内有4KROM（c）片内有8KROM第2页，共33页，2023年，2月20日，星期一2．程序存储器的7个特殊地址中断源入口地址外部中断00003H定时/计数器0000BH外部中断10013H定时/计数器1001BH串行口0023H复位后初始化引导程序0000H-0002H

MCS-51系列单片机复位后PC的内容为0000H，故单片机复位后将从0000H单元开始执行程序。程序存储器的0000H单元地址是系统程序的启动地址。这里用户一般放一条绝对转移指令。转到后面的用户程序。

6个中断源的地址之间仅隔8个单元，存放中断服务程序往往不够用，这是通常放一条绝对转移指令，转到真正的中断服务程序，真正的中断服务程序放到后面。第3页，共33页，2023年，2月20日，星期一二．数据存储器(用来存放中间结果和数据)从物理结构上分为片内数据存储器和片外数据存储器。1．片内数据存储器(MOV访问)MCS-51系列单片机的片内数据存储器除了RAM块外，还有特殊功能寄存器（SFR）块。对于51子系列，前者有128字节，编址为00H—7FH；后者也占128个字节，编址为80H—FFH；二者连续不重叠。片内数据存储器按功能分成以下几个部分：工作寄存器组区、位寻址区、一般RAM区和特殊功能寄存器区，其中还包含堆栈区。第4页，共33页，2023年，2月20日，星期一SFR00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80HFFH工作寄存器组区位寻址区一般RAM区工作寄存器组区

00H—1FH单元为工作寄存器组区，共32个字节。工作寄存器也称为通用寄存器，用于临时寄存8位信息。工作寄存器共有4组，称为0组、1组、2组和3组，每组8个，分别依次用R0~R7表示第5页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.位寻址区

20H—2FH为位寻址区，共16字节，128位。这128位每位都可以按位方式使用，每一位都有一个位地址，位地址范围为00H—7FH字节单元地址D7D6D5D4D3D2D1D020H070605040302010021H0F0E0D0C0B0A090822H171615141312111023H1F1E1D1C1B1A191824H272625242322212025H2F2E2D2C2B2A292826H373635343332313027H3F3E3D3C3B3A393828H474645444342414029H4F4E4D4C4B4A49482AH57565554535251502BH5F5E5D5C5B5A59582CH67666564636261602DH6F6E6D6C6B6A69682EH77767574737271702FH7F7E7D7C7B7A7978第6页，共33页，2023年，2月20日，星期一3.一般RAM区

30H—7FH是一般RAM区，也称为用户RAM区，共80字节，对于52子系列，一般RAM区从30H—FFH单元。另外，对于前两区中未用的单元也可作为用户RAM单元使用。4.堆栈区与堆栈指针堆栈是按先入后出、后入先出的原则进行管理的一段存储区域。MCS-51单片机中，堆栈是用片内数据存储器的一段区域，在具体使用时应避开工作寄存器、位寻址区，一般设在2FH以后的单元，如工作寄存器和位寻址区未用，也可开辟为堆栈。为实现堆栈的先入后出、后入先出的数据处理，专门设置了一个堆栈指针SP，MCS-51单片机的堆栈是向上生长型的，存入数据是从地址低端向高端延伸，取出数据是从地址高端向低端延伸。入栈和出栈数据是以字节为单位。入栈时，SP指针的内容先自动加1，然后再把数据存入到SP指针指向的单元；出栈时，先把SP指针指向的单元的数据取出，然后再把SP指针的内容自动减1。复位时，SP的初值为07H，因此堆栈实际上从08H开始存放数据。第7页，共33页，2023年，2月20日，星期一5.特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）也称专用寄存器，专门用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统等功能模块的工作，用户在编程时可以给其设定值，但不能移作它用。分布在80H—FFH地址空间，与片内数据存储器统一编址，除PC外，51子系列有18个特殊功能寄存器，其中3个为双字节，共占用21个字节；52子系列有21个特殊寄存器，其中5个为双字节，共占用26个字节。它们的分配情况如下：CPU专用寄存器：累加器A（E0H），寄存器B（F0H），程序状态寄存器PSW（D0H），堆栈指针SP（81H），数据指针DPTR（82H、83H）。并行接口：P0~P3（80H、90H、A0H、B0H）。串行接口：串口控制寄存器SCON（98H），串口数据缓冲器SBUF（99h），电源控制寄存器PCON（87H）。第8页，共33页，2023年，2月20日，星期一定时/计数器：方式寄存器TMOD（89H），控制寄存器TCON（88H），初值寄存器TH0、TL0（8CH、8AH）/TH1、TL1（8DH、8BH）。中断系统：中断允许寄存器IE（A8H），中断优先级寄存器IP（B8H）。定时/计数器2相关寄存器：定时/计数器2控制寄存器T2CON（CBH），定时/计数器2自动重装寄存器RLDL、RLDH（CAH、CBH），定时/计数器2初值寄存器TH2、TL2（CDH、CCH）。（仅52子系列有）特殊功能寄存器名称符号地址位地址与位名称D7D6D5D4D3D2D1D0P0口P080H8786858483828180堆栈指针SP81H数据指针低字节DPL82H数据指针高字节DPH83H定时/计数器控制TCON88HTF18FTR18ETF08DTR08CIE18BIT18AIE089IT088定时/计数器方式TMOD89HGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0第9页，共33页，2023年，2月20日，星期一定时/计数器0低字节TL08AH定时/计数器0高字节TH08BH定时/计数器1低字节TL18CH定时/计数器1高字节TH18DHP1口P190H9796959493929190电源控制PCON97HSMODGF1GF0PDIDL串行口控制SCON98HSM09FSM19ESM09DREN9CTB89BRB89ATI99RI98串行口数据SBUF99HP2口P2A0HA7A6A5A4A3A2A1A0中断允许控制IEA8HEAAFET2ADESACET1ABEX1AAET0A9EX0A9第10页，共33页，2023年，2月20日，星期一P3口P3B0HB7B6B5B4B3B2B1B0中断优先级控制IPB8HPT2BDPSBCPT1BBPX1BAPT0B9PX0B8定时/计数器2控制T2CONC8HTF2CFEXF2CERCLKCDTCLKCCEXEN2CBTR2CAC/T2C9CP/RL2C8定时/计数器2重装低字节RLDLCAH定时/计数器2重装高字节RLDHCBH定时/计数器2低字节TL2CCH定时/计数器2高字节TH2CDH程序状态寄存器PSWD0HCD7ACD6F0D5RS1D4RS0D3OVD2D1PD0累加器AE0HE7E6E5E4E3E2E1E0寄存器BBF0HF7F6F5F4F3F2F1F0第11页，共33页，2023年，2月20日，星期一在表中，带有位名称或位地址的特殊功能寄存器，既能按字节方式处理，也能够按位方式处理。2．片外数据存储器(MOVX访问)

MCS-51单片机片内有128字节或256字节的数据存储器，当这些数据存储器不够时，可在外部扩展外部数据存储器，扩展的外部数据存储器最多64KB，地址范围为0000H—0FFFFH，通过DPTR作指针间接方式访问，对于低端的256字节，可用两位十六进制地址编址，地址范围为00H—0FFH，可通过R0和R1间接方式访问。另外，扩展的外部设备占用片外数据存储器空间，通过用访问片外数据存储器的方法访问。说明：第一，64K的程序存储器和64K的片外数据存储器地址空间都为0000H—0FFFFH，地址空间是重叠的，它们如何区分呢？MCS-51单片机是通过不同的信号来对片外数据存储器和程序存储器进行读、写的，片外数据存储器的读、写通过RD和WR信号来控制，而程序存储器的读通过PSEN信号控制，通过用不同的指令来实现，片外数据存储器用MOVX指令，程序存储器用MOVC指令。第12页，共33页，2023年，2月20日，星期一第二，片内数据存储器和片外数据存储器的低256字节的地址空间是重叠的，它们如何区分呢？片内数据存储器和片外数据存储器的低256字节通过不同的指令访问，片内数据存储器用MOV指令，片外数据存储器用MOVX指令。因此在访问时不会产生混乱。2.2MCS-51系列单片机的输入/输出接口

MCS-51系列单片机有4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2和P3口。它们是特殊功能寄存器中的4个。这4个口，既可以作输入，也可以作输出，既可按8位处理，也可按位方式使用。输出时具有锁存能力，输入时具有缓冲功能。第13页，共33页，2023年，2月20日，星期一一．P0口P0口是一个三态双向口，可作为地址／数据分时复用口，也可作为通用的I/O接口。它包括一个输出锁存器、两个三态缓冲器、输出驱动电路和输出控制电路组成.第14页，共33页，2023年，2月20日，星期一二．P1口

P1口是准双向口，它只能作通用I/O接口使用。P1口的结构与P0口不同，它的输出只由一个场效应管V1与内部上拉电阻组成输入输出原理特性与P0口作为通用I/O接口使用时一样，当其输出时，可以提供电流负载，不必像P0口那样需要外接上拉电阻。P1口具有驱动4个LSTTL负载的能力。第15页，共33页，2023年，2月20日，星期一三．P2口

P2口也是准双向口，它有两种用途：通用I/O接口和高8位地址线。它的1位的结构如图2.8，与P1口相比，它只在输出驱动电路上比P1口多了一个模拟转换开关MUX和反相器3。第16页，共33页，2023年，2月20日，星期一四．P3口P3口1位的结构如图2.9。它的输出驱动由与非门3、V1组成，输入比P0、P1、P2口多了一个缓冲器4。第17页，共33页，2023年，2月20日，星期一P3口除了作为准双向通用I/O口使用外，它的每一根线还具有第二种功能。P3口第二功能P3.0RXD串行口输入端P3.1TXD串行口输出端P3.2INT0外部中断0请求输入端，低电平有效P3.3INT1外部中断1请求输入端，低电平有效P3.4T0定时/计数器0外部计数脉冲输入端P3.5T1定时/计数器0外部计数脉冲输入端P3.6WR外部数据存储器写信号，低电平有效P3.7RD外部数据存储器读信号，低电平有效第18页，共33页，2023年，2月20日，星期一当P3口作为第二功能时，锁存器的Q输出端必须为高电平，否则V1管导通，引脚将被箝位在低电平，无法实现第二功能。当锁存器Q端为高电平，P3口的状态取决于第二功能输出线的状态。单片机复位时，锁存器的输出端为高电平。P3口第二功能中输入信号RXD、INT0、INT1、T0、T1经缓冲器4输入，可直接进入芯片内部。当P3口作为通用I/O接口时，第二功能输出线为高电平，与非门3的输出取决于锁存器的状态。这时，P3是一个准双向口，它的工作原理、负载能力与P1、P2口相同。第19页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.3MCS-51系列单片机的外部引脚及片外总线2.3.1外部引脚P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VpdP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTAL2XTAL1VssVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0123456789101112141516171819204039383736353433323130292827262524232221803180518751RXDTXDINT0INT1T0T1WRRDP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7PSENEAALERST用户I/O控制总线(CB)锁存器A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0地址总线数据总线(AB)(DB)VccVssVccVss第20页，共33页，2023年，2月20日，星期一一．输入/输出引脚（1）P0口（39~32脚）：P0.0~P0.7统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。（2）P1口（1~8脚）：P1.0~P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。（3）P2口（21~28脚）：P2.0~P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。（4）P3口（10~17脚）：P3.0~P3.7统称为P3口。除作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。第21页，共33页，2023年，2月20日，星期一二．控制线（1）ALE/PROG（30脚）：地址锁存信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。（2）PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。（3）RST/VPD（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。（4）/VPP（31脚）：EA为片外程序存储器选用端。该引脚低电平时，选用片外程序存储器，高电平或悬空时选用片内程序存储器。三．主电源引脚VCC（40脚）：接+5V电源正端。VSS（20脚）：接+5V电源地端。第22页，共33页，2023年，2月20日，星期一四．外接晶体引脚XTAL1、XTAL2（19、18脚）：当使用单片机内部振荡电路时，这两个引脚用来外接石英晶体和微调电容，如图2-10（a）。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，XTAL1引脚接地，XTAL2接片外振荡脉冲输入（带上拉电阻）；对于CHMOS单片机，XTAL2引脚接地，XTAL1接片外振荡脉冲输入（带上拉电阻），如图2-11（b）和（c）。XTAL1XTAL2外部振荡信号XTAL1XTAL2VccVssR外部振荡信号XTAL2XTAL1VccVssR（a）内部时钟方式（b）HMOS工艺外接时钟（c）CHMOS工艺外接时钟第23页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.3.2片外总线结构一．地址总线地址总线宽度为16位，寻址范围都为64KB。由P0口经地址锁存器提供低8位（A7~A0），P2口提供高8位（A15~A8）而形成。可对片外程序存储器和片外数据存储器寻址。二．数据总线数据总线宽度为8位，由P0口直接提供。三．控制总线控制总线由第二功能状态下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。第24页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.4MCS-51系列单片机的工作方式2.4.1复位方式在时钟电路工作以后，当外部电路使得RST端出现2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平，系统内部复位。复位有两种方式：上电复位和按钮复位。如图所示。VccRSTVssMCS-51VccRSTVssMCS-511k1k200（a）上电复位电路（b）按钮复位电路第25页，共33页，2023年，2月20日，星期一特殊功能寄存器初始内容特殊功能寄存器初始内容A0000HTCON00HPC0000HTL000HB00HTH000HPSW00HTL100HSP07HTH100HDPTR0000HSCON00HP0~P3FFHSBUFXXXXXXXXBIPXX000000BPCON0XXX0000BIE0X000000BTMOD00H第26页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.4.2程序执行方式2.4.3单步执行方式所谓单步执行，是指在外部单步脉冲的作用下，使单片机一个单步脉冲执行一条指令后就暂停下来，再一个单步脉冲再执行一条指令后又暂停下来。它通常用于调试程序、跟踪程序执行和了解程序执行过程。单片机没有单步执行中断，MCS-51单片机的单步执行也要利用中断系统完成。MCS-51的中断系统规定，从中断服务程序中返回之后，至少要再执行一条指令，才能重新进入中断。将外部脉冲加到INT0引脚，平时让它为低电平，通过编程规定INT0为电平触发。那么，不来脉冲时INT0总处于响应中断的状态。在INT0的中断服务程序中安排下面的指令：PAUSE0：JNBP3.2，PAUSE0；若INT0=0，不往下执行PAUSE1：JBP3.2，PAUSE1；若INT0=1，不往下执行RETI；返回主程序执行下一条指令第27页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.4.4节电方式一．HMOS单片机的掉电方式HMOS芯片本身运行功耗较大，这类芯片没有设置低功耗运行方式。为了减小系统的功耗，设置了掉电方式，RST/Vpd端接有备用电源，即当单片机正常运行时，单片机内部的RAM由主电源Vcc供电，当Vcc掉电，Vcc电压低于RST/Vpd端备用电源电压时，由备用电源向RAM维持供电，保证RAM中数据不丢失。这时系统的其它部件都停止工作，包括片内振荡器。二．CHMOS的节电运行方式HMOS的芯片运行时耗电少，有两种节电运行方式：待机方式和掉电保护方式。以进一步降低功耗，它们特别适用于电源功耗要求低的应用场合。第28页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.4.5编程和校验方式一．EPROM编程HMOS器件8751，内部集成4KB的EPROM编程如下：编程时时钟频率应定在4~6MHz的范围内，各引脚的接法如下：P1口和P2口的P2.3~P2.0提供12位地址，P1口为低8位。P0口输入编程数据。P2.6~P2.4以及PSEN为低电平，P2.7和RST为高电平。以上除RST的高电平为2.5V，其余的均为TTL电平。EA/Vpp端加电压为21V的编程脉冲，不能大于21.5V，否则会损坏EPROM。ALE/PROG端加宽度为50ms的负脉冲作写入信号，每来一次负脉冲，则把P0口的数据写入到由P1和P2口低四位提供的12位地址指向的片内EPROM单元。第29页，共33页，2023