第章单片机基础知识

51单片机原理及应用朱方综合楼918sky050607@第1章51单片机基础知识

1.1单片机概述1.251单片机功能及引脚1.351单片机内部结构1.451单片机工作方式1.551单片机单片机工作时序1.1单片机概述单片机SCMC（SingleChipMicroComputer）

是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，是典型的嵌入式微控制器。单片机系统

1.1.1单片机的发展历史

第一阶段（1976~1978年）：低性能单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表，采用了单片结构，即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。主要用于工业领域。第二阶段（1978~1982年）：单片机完善阶段。这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。这类单片机的应用范围较广，并在不断的改进和发展。1.1.1单片机的发展历史第三阶段（1982~1990年）：16位单片机阶段。16位单片机除CPU为16位外，片内RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。例如Intel公司的MCS-96主振频率为12M，片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。第四阶段（1990年~）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。1.1.251系列单片机

MCS-51是指美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了很多种类。805180528952...以下是一些典型的51系列单片机：（1）美国Intel公司MCS-48系列、MCS-51系列和MCS-96系列主要型号见表1.1.1所示；（2）美国Atmel公司的AT89系列单片机主要型号见表1.1.2所示；（3）Philips公司51系列单片机主要型号见表1.1.3所示。这些单片机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同。他们对8051都作了一些功能扩充，更有特点、功能更强、市场竞争力更强。1.1.3单片机的实际应用

1.1.3单片机的实际应用l．家用电器领域国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。2．办公自动化领域比如一台PC机可能嵌入了10个单片微机，如控制键盘、鼠标、显示器、CD-ROM、声卡、打印机、软/硬盘驱动器、调制解调器等。

现代办公室中所使用的大量通信、信息产品，如绘图仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。 1.1.3单片机的实际应用3．工业自动化领域的在线应用如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系统。而其中每一个小系统都是由单片微机进行控制的。4.智能仪器仪表与集成智能传感器领域应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行“更新换代”，提供了非常理想的的条件。目前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统，使测量系统具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音功能等。1.1.3单片机的实际应用5．汽车电子与航空航天电子系统通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等，都要构成冗余的网络系统。比如一台BMW-7系列宝马轿车就用了63个单片微机。

单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。1.251单片机功能及引脚

1.2.151单片机功能综述

8051是51系统单片机中的典型产品，8051单片机主要参数及功能如下：（1）8位CPU2）4KB程序存储器（ROM）（3）128B的数据存储器（RAM）（4）32条I/O口线（5）111条指令，大部分为单字节指令（6）21个专用寄存器（7）2个可编程定时/计数器（8）5个中断源，2个优先级（9）1个全双工串行通信口（10）外部数据存储器寻址空间为64KB（11）外部程序存储器寻址空间为64KB（12）逻辑操作位寻址功能（13）多种封装形式（14）单一+5V电源供电1.2.251单片机的封装

51单片机芯片有两种封装(如下）

双列直插式封装及引脚

方形封装及引脚

1.351单片机内部结构

1.3.151单片机的CPU结构

MCS-51系列的8051单片机内部结构如图

8051单片机内部结构

单片机内部结构图中央偏处理骂器（CP吃U）主科要由疑算术惑逻辑鉴单元航、控祖制器唱部件吼和寄校存器黄三部仁分电傅路组笼成。CP肥U是整秋个单庄片机揭的核浓心部青件，能实现基了运布算器汁和控诸制器啊的功虏能，钳具体祝介绍妖如下吼：1.算术砌逻辑线单元史（AL开U）2.定时饱控制术部件3.专用唐寄存走器组（1）专否用寄余存器前组包外括程欲序计摩数器Pc（2）累辅加器A（3）程沿序状杠态字欲（PS冰W）寄才存器（4）堆挨栈指雨针SP（St豪ac呢k毅Po转in耗te切r）（5）数特据指攀针DP及TR雁(酸Da赶ta帅P侦oi帜nt透er依)（6）通搁用寄恐存器B程序如计数劣器PC（Pr倚og般ra床m煤C筒ou皂nt锄er）PC用于茄存放CP漂U下一授条要沿执行抬的指区令地军址,是一说个16位的壮专用彻寄存足器,可寻迅址范印围是00铅00堂H~宗0F撒FF查FH共64黄K巾B。镜程序凶中的灭每条刷指令悟存放劲在RO稼M区的绝某一后单元,并都都有自迅己的聋存放杏地址虑。CP羽U要执睁行哪伙条指耳令时,就把艇该条敞指令舱所在莫的单片元的集地址爸送上刷地址亩总线嫂。童在顺成序执蒸行程瞎序中,当PC的内方容被蓬送到材地址鸡总线璃后,会自护动加1,即(P朴C)不←挽(P路C)置+1生,又指测向CP倍U下一耀条要胡执行穿的指沟令地酬址。累加喉器A一个8位二替进制愤寄存因器，涉用来腊存放雪操作错数和怕运算可结果。拌使用慌最频致繁的铺寄存石器。mo粗va,岛#3ad快d违a,供#2程序米状态摆字PS产WCyACF0RS1RS0OV_PD7盟D6便D5逃D损4艰D3大D狗2倘D1妨D递0Cy(C万ar挺ry陷):进位AC(A点ux子il选ia仔ry逐C盏ar示ry然):辅助顿进位F0(F驰la产g)欢:用户诉标志RS吹1、RS狭0：寄存森器组是选择昼控制祸位OV(O沟ve洞rf仿lo棕w)送:溢出P(P给ar遗it较y)鸦:奇偶惑标志RS1RS0寄存器组片内RAM地址通用寄存器名称000组00H~07HR0~R7011组08H~0FHR0~R7102组10H~17HR0~R7113组18H~1FHR0~R7堆栈事指针SP（St述ac棉k赴P展oi伙nt耗er）堆栈尊操作逗是在悦内存RA盼M区专兴门开猪辟出绣来的柏按照“先进该后出”原则略进行衡数据亡存取歪的一形种工哨作方毫式,主要宵用于笔子程略序调坝用及桃返回食和中燥断处仔理断屿点的捕保护做及返枝回,它在遗完成础子程触序嵌疯套和殖多重悬中断浆处理茂中是萌必不贸可少纽奉的。零为保牺证逐回级正揭确返夜回,进入鬼栈区凝的“断点”数据樱应遵引循“先进槽后出”的原膏则。SP用来溪指示买堆栈监所处珍的位仇置,在进望行操锡作之赞前,先用领指令妄给SP赋值,以规壮定栈湖区在RA呈M区的顷起始反地址姥（栈鄙底层舰）。仙当数瓶据推岁入栈沈区后,繁SP的值诊也自创动随筝之变执化。MC须S谦-羽51系统既复位窝后,学SP初始蜘化为07险H。数据兽指针好寄存忙器DP誉TR数据叛指针DP馋TR是一件个16位的绪专用高寄存姑器,其高嫂位字皮节寄写存器兽用DP溜H表示,低位顷字节捷寄存评器用DP蚊L表示逗。既菊可作械为一帖个16位寄抢存器DP竿TR来处纠理,也可萄作为菠两个味独立祸的8位寄亭存器DP恼H和DP兰L来处枣理。稿DP薪TR主要间用来犬存放16位地限址,当对64殊K汪B外部傍数据斧存储盟器空峡间寻竭址时,作为义间址放寄存颜器用讽。在秤访问骡程序驴存储雄器时,用作骨基址烛寄存凝器。mo咬vxa，@dp屠tr访问虽外部龟数据位存储痛器mo冻vca，@a+剧dp卵tr访问绒程序躲存储挣器通用滥寄存她器B专门星为乘防法和庸除法子而设愿置的柜二进谈制8位寄伴存器策。用绑来存耐放乘数秒和除押数，公运算雪后用圾来存键放乘餐积的仪高8位或遥除法座的余验数。mu崭lab乘法di论vab除法1.敬3.侨2存储漏器结爹构MC温S-斥51单片识机的签存储例器特诸点是控将程胡序存箭储器颠和数祖据存喝储器绍分开伪编址匙，并寺有各膊自的樱寻址抵方式非和寻涌址单无元。广对存差储器垂的划牲分在暖物理冻上分面为4个空爪间，覆片内RO肠M、片曲外RO与M、片净内RA怪M和片吩外RA俗M，其箭结构汗示意悲图如唉下：其中RO厅M存储毙器地唇址空跨间有础片内RO翁M和片内外RO延M，其殖地址碰范围叼为00耳00心H~奴FF貌FF饺H；片克内RA州M地址震空间慌的地艺址范侵围为00牢H~饶FF浩H；片倚外RA匹M地址皇空间荷的地俩址范寺围为00稼00幼H~宴FF巡寿FF架H。单片膊机的琴存储咱器结世构图1．程它序存趋储器RO破M程序淡设计驾人员拼编写珍的程弹序就杠存放狐在程乘序存鱼储器中中。单片何机重背新启庸动后疫，程亦序计洲数器PC的内叠容为00煮00钱H，所为以系出统将懒从程忽序存扶储器均的地富址为00擦00亚H单元进处开韵始执地行程奴序。嚼但是高考虑缠到中亮断系岁统的愤应用身，用黄户程缠序一偶般不久是从00迎00正H处开阁始连碗续存东放，沾因为螺接下寺来的努一段周程序因区要束用来盘存放挪中断递向量葛表，穴所以娃用户贡不能填占用疲。要喉求地茫址分种配如芒下：00牙00剪H存放用转移浮指令硬，跳灰转到踢主程膝序。00移03盟H外部接中断0的中效断地玩址区洽。00姓0B煤H定时/计数北器0中断仁地址塘区。00扯13朋H外部陈中断1的中嫁断地雀址区妖。00糟1B友H定时/计数妙器1中断嘱地址对区。00貌23席H串行发通信径中断界地址拣区。用户告程序燃一般城从00伴30较H处开凤始，垫而在00椅00托H处放色置一裤条跳线转指钱令，在这样缝单片悬机复梨位后情能从00益00煤H处跳封转到歌用户然的主尊程序香。2．片喉内RA奏MMC名S-宾51的片弓内RA友M存储滋器共反有25耍6字节漆，可承分为4个区诵域，费分别敬特殊麦功能短寄存冶器区调、用舅户区舌、位择寻址引区和蹦工作在寄存掩器区余。（1）工长作寄通存器乒区从00声H—得1F环H为4组工乒作寄宇存器枝区，虚每组绍占用8个RA付M字节伶，记龄为R0奖~R杜7。工涝作寄荣存器腊组的还选择地由程标序状翻态字PS葵W中的RS芽1~溪RS才0位确达定。（2）位梨寻址魂区从20拢H~含2F瘦H为位找寻址跳区，16个字鼻节的12舅8位可枯以单死独操转作，着可对犯每一服位进茶行读桂取或陈写操纲作。司每一辨位都吉有其丧自身页位地预址00绝H~座7F凡H与之宿对应阿。（3）用荡户区用户盐区共80个RA饿M单元静，用色于存膝放用添户数段据或摘作堆惨栈区预使用慰，用棚户区架中的斥存储升区按熔字节州进行笋存取望。3．特荐殊功制能寄污存器（1）AL镰U相关SF踢R（2）指若针相勒关SF绸R（3）中心断相庄关SF负R（4）端秀口相这关SF血R（5）定功时器/计数吵器相最关SF牛R4．片茄外RA甚M如果巨片内RA鹿M容量狭太小绒，不但能满迁足系异统需司求时绩可以谨外接RA芬M，但屿外部RA蓝M大小由不能各超过64颤KB，因疫为80双51的寻液址范袋围为64息KB。1.社3.论3镰I根/O端口邪结构I/宪O端口走是单因片机雕控制号外围或设备迅的重卫要接希口，集是和钱外设士进行射信息洒交换阿的主牢要途施径。I/短O端口浇有串者行口舒和并活行口吧之分初。并锡行口掘一次叹可以婶传送仁一组熄二进婚制数蜘据（猜如8位）嚷，而廊串行火口一果次只呜能传承送一飞位二匀进制甲数，锁传送恰多位行数据危时要伍分段策发送冤。（1）并首行I/鉴O端口80呈51有4个并旱行I/违O端口给，分漂别为P0、P1、P2、P3，每愿个端魔口都惜有双玩向I/污O功能尼，可士以从住端口穿读取鞠数据煎和向闸端口薯写入东数据汉。（2）串耽行I/配O端口80句51具有念一个涨全双挤工的惕可编安程串谎行口规，可讲以实院现８蓬位并枕行数当据的船串行冠发送园和接留收。故在使雁用串踢行口扑之前配必须让对其画初始疏化，轧即对PC床ON及SC集ON寄存衔器进心行设屡置。1.坊3.涨4定时搏／计画数器80意51具有瞧两个16位定这时器/计数忆器T0和T1，分终别与2个8位寄醉存器TL砖0、TH到0及TL膜1、TH歼1对应遍。80叮51的定削时器/计数俯器可沙以工啊作在要定时掉方式何和计足数方痕式。定时袍方式定时才方式取实现参对单歪片机界内部朴的时株钟脉易冲或陆分频私后的锡脉冲垫进行哨计数古。计数配方式实现垮对外抱部脉兼冲的紧计数捕。定派时器/计数茅器将伯在以听后的跃章节样中具幼体讲夏解。1.扬3.孕5中断帽系统80情51有5个中貌断源罗，有序两个芹中断约优先拐级控谢制，根可实翻现中孕断服晒务嵌棒套。安两个风外部宏中断IN是T0、IN析T1，两怒个定优时器爹中断T0、T1，还伴有一祥个串狗行中虑断。中断絮的控权制由企中断严允许插寄存闯器IE和中剑断优抬先级神寄存岸器IP实现质。1.鹊4射5慨1单片穴机工黎作方固式1.及4.娱1复位茎方式在51单片谜机中败，最丢常见举的复鸽位电间路有饱如图1.斤4.虎1所示钞的上袭电复录位和映手动抽复位神电路上电怪复位固和手帐动复故位电粮路1.哈4.举2程序律执行邪方式连续典执行切方式连续宪执行挤方式曲是单遭片机蒙执行价的基殊本工狼作方慈式，能所要柱执行蚁的代黑码放连在程约序存妇储器RO呜M中（景可以党是片院内或紫片外序），CP爹U不断扛地从刮程序渐存储壶器中才取指宝令、出分析谣并执仰行。单步浊执行铸方式程序仓的执堂行处劝于外祖加脉炮冲（刺通常拖用一瞒个按冶键生欣产）牙的控小制下撕，一袄般利请用中滔断来饥实现蓝程序潜的单呈步执害行。1.志5颈5功1单片就机单革片机域工作宫时序1.去5.田1时钟浪电路根据孩硬件架电路倒的不贝同，占单片匀机的省时钟踪蝶连接施方式旬可以榜分为骆内部砍时钟冷和外躲部时贵钟方片式。内部播振荡缓方式驻：MC仆S-慎51单片顶机片辩内有射一个驳用于很构成以振荡盆器的圾高增绍益反廉向放超大器锯，引觉脚XT萍AL坏1和XT照AL皇2分别缠是此悄放大掉器的难输入筝端和核输出渠端。矛把放听大器谁与作宁为反北馈元弱件的香晶体翼振荡益器或予陶瓷症谐振销器连摸接，系就构浮成了勇内部灵自激制振荡借器并视产生载振荡门时钟域脉冲掀。外部狭振荡范方式体：外凡部振贝荡方图式就扣是把炎外部蒸已有怜的时泳钟信筒号引间入单昼片机呈内，秒接XT浸AL少2引脚奥，XT卡AL厘1引脚货接地。1.射5.纱2机器收周期福及指尚令周签期（1）振为荡周途期——振荡费周期俱也叫适时钟