单片机基础知识及其基本原理

课程目标掌握：单片微型机的基本工作原理汇编语言程序设计方法单片微型计算机应用单片微型计算机应用系统设计方法单片机基础知识及其基本原理wyx

本讲重点：

微处理器、微机和单片机的基本概念、单片机的发展、常用系列简介、应用。

讲授内容：本章主要介绍单片机的结构特点、单片机的发展及常用系列和单片机的应用领域等。重点介绍单片机的特点以及在各领域中的应用。wyx回

顾：有关微型计算机的基础知识

硬件：微处理器，存储器，总线，I/O接口软件：系统软件，应用软件wyx第一节单片机的特点与发展概述

一、微处理器、微机和单片机的概念微处理器（Microprocessor）——微型计算机的控制和运算器部分；微型计算机（Microcomputer）——有完整运算及控制功能的计算机，包括微处理器、存储器、输入/输出(I/O)接口电路以及输入/输出设备等；

单片机(singlechipmicrocomputer)——直译为单片微型计算机，它将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、输入/输出(I/O)接口电路、中断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块大规模集成电路芯片上，组成单片微型计算机简称单片机。

单片机的形态只是一块芯片，但是它已具有了微型计算机的组成结构和功能。由于单片机的结构特点，在实际应用中常常将它完全融入应用系统之中，故而也有将单片机称为嵌入式微控制器(embeddedmicrocon-troller)。

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单片机有2种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序存储器和数据存储器合用一个存储空间的结构，称为普林斯顿(Princeton)结构或称冯·诺依曼结构；另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛(Har-vard)结构。Intel公司的MCS-51和80C51系列单片机采用的是哈佛结构。目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构较多。

单片机的中央处理器(CPU)和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能。例如：位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理功能等，增强了控制的实用性和灵活性。二、

单片机的一般结构及特点1）存储结构为哈佛结构，将程序存储器和数据存储器分开；单片机结构特点小结：4）面向控制，位处理功能强。3）芯片引脚具有复用功能；2）片内接口电路丰富，由特殊功能寄存器管理；wyxwyx三、单片机的发展过程概述

单片机作为嵌入式微控制器在工业测控系统、智能仪器和家用电器中得到广泛应用。虽然单片机的品种很多，但其中最具有代表性的是Intel公司的MCS-51系列单片机,以及其与之兼容的派生系列芯片。Intel8位单片机的发展经历了以下3代：

第一代：以1976年推出的MCS-48系列为代表。第二代：以MCS-51的8051为代表的单片机，第三代：以80C51系列为代表。一般根据控制应用需要:

又可设计成通用单片机、专用单片机按内部数据总线的宽度:

单片机分为4位、8位、16位及32位等。wyx第二节常用单片机系列简介

一、ATMEL单片机

ATMEL公司所生产的ATMEL89系列单片机（简称89系列单片机），就是基于Intel公司的MCS-5l系列而研制的，该公司的技术优势在于Flash存储器技术。标准型单片机有：AT89C51，AT89LV51，AT89C52，AT89LV52；低档型单片机有：AT89C1051和AT89C2051两种型号。它们的CPU内核和AT89C51是相同的，但并行I/O较少；高档型单片机有：AT89S8252，这是一种可下载的Flash单片机。它和IBM微机通信进行下载程序十分方便。

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二、Philips单片机

Philips公司的的单片机都属于MCS-51系列兼容的单片机。从内部结构看可以划分为两大类，8位机与80C51兼容系列和16位机XA系列。Philips公司的的单片机8位机的主要产品型号有P80CXX、P87CXX和P89CXX系列，16位机的主要产品型号有PXACXX、PXAGXX和PXASXX等。三、Maxim-Dallas单片机四、WinBond单片机五、Motorola单片机六、其他公司的单片机

1）NEC单片机；

2）东芝单片机；

3）Epson单片机；

4)PIC单片机——Microchip公司wyx第三节单片机的应用领域及发展

一、单片机在智能仪器中的应用智能化仪器内部基本上都是用单片机进行信息控制与处理。特别是近年来出现的数字信号处理器DSP是一种速度极高的单片机，它在通信和高速信息处理中起了极大的作用，从而扩展了单片机在智能仪器中的应用。二、单片机在过程控制中的应用wyx三、单片机与e-Home

在家用网络系统HNS(homenetworkedsystem)中，对家用电器提出了“个性化”和“社会化”的要求。家用电器的嵌入式结构有单核嵌入和双核嵌入2种。例如：一般电脑电饭煲，内部只有一个单片机，这种控制系统是单核嵌入；对于分体式空调，室内机与室外机中分别有1个单片机，为双核嵌入结构。

四、单片机与InternetInternet技术已经深入到日常生活和工作中。各类家用电器和智能装置，它们的“心脏”多是单片机，由于单片机芯片品种达数百种，其硬件结构和指令系统各不相同，不能像PC机那样通过标准的硬件接口和接口软件直接接入Internet网络。

五、单片机的发展

1）强化指令功能2）增加各种接口部件3）提高专用程度wyx补充内容：计算机系统中的数制、码制复习2、带符号数的表示法3、原码、反码、补码特点：⑴8位二进制数表示原码、反码、补码的范围

(-127~+127、-127~+127、-128~+127)⑵补码的运算

在微型计算机中，带符号数用补码表示，减法可用补码相加来实现，运算结果为补码。1、数制及其互换

数制基数字符二进制２０１（B）十进制１００１２３４５６７８９（D）十六进制１６０１２３４５６７８9ＡＢＣＤＥＦ（H）wyxMCS-51单片机的硬件结构与工作原理主要内容：

1.MCS-51单片机组成（结构、引脚功能）

2.并行I/O端口结构

3.储器组织与操作

4.MCS-51单片机的中断系统

1）中断系统概述

2）中断的处理过程重点理解：1.MCS-51系列单片机存储器结构特点2.单片机特殊功能寄存器的作用3.不同场合下单片机引脚的复用功能4

.单片机的位处理功能及其作用wyx一、MCS—51单片微机的硬件组成

1、MCS—51系列单片机的主要特性

1)

8位字长CPU和指令系统。

2)1个片内时钟振荡器和时钟电路。

3)64K外部数据存储器的地址空间。

4)64K外部程序存储器的地址空间。

5)32条双向且分别可位寻址的I／O口线。

6)128字节的片内RAM(52子系列为256字节)。

7)2个16位定时器／计数器(52子系列为3个)。

8)具有2个优先级的5个中断源结构(52子系列有6个)。

9)1个全双工串行口。

10)1个布尔处理器。

第一节MCS-51单片机的基本组成

wyx2.MCS—51单片机的内部结构

时钟源T0T1P0

P1

P2

P3TXDRXDINT0INT1时钟电路SFR和RAMROM定时/计数器CPU串行I/O口中断系统并行I/O口系统总线图2—1MCS—51单片机的功能模块框图MCS—51单片机的功能模块框图如图所示。MCS-51单片机由8位CPU、只读存储器EPROM／ROM、读写存储器RAM、并行I／O口、串行I／O口、定时器／计数器、中断系统、振荡器和时钟电路等部分组成。各部分之间通过内部总线相连。wyxMCS—51的内部结构框图wyx二、MCS—51单片机的引脚功能

40脚分三类：1、电源线和时钟信号线共4根

VCC，GND——电源和地+5V电源供电，

X1——时钟振荡器输入端，内部振荡器输入端；

X2——时钟振荡器输出端，内部振荡器输出端；2、控制线4根RST——复位信号，晶振工作后2个机器周期的高电平复位CPU.

ALE——地址锁存信号访问外部存储器时该信号锁存低8位地址；无RAM时，ALE为晶振6分频；PSEN——外部程序存储器读从程序存储器中取指令或读取数据时，该信号有效。EA——程序存储器有效地址，EA=1从内部开始执行程序；EA=0从外部开始执行程序；3、I/O口线32根----MCS-51系列单片机P0、P1、P2、P3共32位，对应着芯片的32根引脚。wyx三、振荡器、时钟电路及时序

1.时钟电路

MCS—5l单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，如图2—4所示。这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。图2—5所示，为外部时钟方式。

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2.有关单片机CPU的时序1）振荡周期

——

指为单片机提供定时信号的振荡源的周期，若为内部产生方式时，为石英晶体的振荡周期。2）时钟周期

——也称为状态周期，用S表示。时钟周期是计算机中最基本的时间单位，在一个时钟周期内，CPU完成一个最基本的动作。MCS—51单片机中一个时钟周期为振荡周期的2倍。3）机器周期

——完成一个基本操作（例如，取指令、存储器读、存储器写等）所需要的时间称为机器周期。MCS—51的一个机器周期含有6个时钟周期。4）指令周期

——完成一条指令所需要的时间称为指令周期。MCS—5l的指令周期含1～4个机器周期不等，其中多数为单周期指令，还有2周期和4周期指令。4周期指令只有乘、除两条指令。wyxP1P2S1振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2MCS-51单片机各种周期的相互关系

第二节并行I/O接口

MCS－5l单片机内有四个8位并行I／O端口，为P0、P1、P2和P3。每个端口都是8位准双向I／O口，共占32根引脚。每个端口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。

一、并行I/O接口的内部结构

I／O口的每位锁存器均由D触发器组成，用来锁存输出的信息。在CPU的“写锁存器”信号驱动下，将内部总线上的数据写入锁存器中。

P0口某位的结构图

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当由P0口输入数据时，由于外部输入信号既加在缓冲输入端上，又加在驱动电路的漏极上。如果这时T2是导通的，则引脚上的电位始终被钳位在0电平上，输人数据不可能正确地读人。因此，在输入数据时，应先把P0口置1，使两个输出FET均关断，使引脚“浮置”，成为高阻状态，这样才能正确地插人数据。这就是所谓的准双向口。

P1口也是—个准双向I／O口，与P0口不同的是，没有多路开关MUX和控制电路部分。输出驱动电路只有一个FET场效应管，同时内部带上拉电阻，此电阻与电源相连。P1口可作通用双向I／O口用，而不必再外接上拉电阻。

P2口在结构上比P0口少了一个输出转换控制部分，多路开关MUX的倒向由CPU命令控制，且P2口内部接有固定的上拉电阻。

P3口与Pl口的输出驱动部分及内部上拉电阻相同，但比P1口多了一个第二功能控制部分的逻辑电路〔由一个与非门和一个输入缓冲器组成〕wyxP3.0(RXD)：串行输入端。P3.1(TXD)：串行输出端。P3.2(INTO)：外部中断0输入端，低电平有效。P3.3(INT1)：外部中断1输入端，低电平有效。P3.4(T0)：定时／计数器0外部事件计数输入端。P3.5(T1)：定时／计数器1外部事件计数输入端。P3.6(WR)：外部数据存储器写选通信号，低电平有效。P3.7(RD)：外部数据存储器读选通信号，低电平有效。

P3口每位的第二功能：wyxP0～P3的功能及使用时的注意事项

1.在无片外扩展存储器的系统中，这四个端口的每一位都可以作为准双向通用I／O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口作为双向总线，分时作为低8位地址和数据的输入／输出线。

2.P0口作为通用双向I／O口用时，必须外接上拉电阻。

3.P3口除了作通用I／O使用外，它的各位还具有第二功能。当P3口某一位用于第二功能作输出时，则不能再作通用I／O使用。

4.当P0～P4端口用作输入时，为了避免误读，都必须先向对应的输出锁存器写入“l”，使FET截止。然后再读端口引脚。

如：MOVP1,#0FFHMOVA,P1wyx单片机的片外三总线结构wyx

第三节MCS-51单片机的复位

MCS—5l的RST／VPD引脚是复位输入端，其内的施密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2由复位电路采样一次。在振荡器运行时，RST端至少要保持2个机器周期(24个振荡周期)为高电平，才完成一次复位。复位后片内各专用寄存器的状态如表2—1。寄存器内容寄存器内容PC00HTMOD00HA00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0～P30FFHSCON00HIP（XXX00000）BSBUF不变IE（0XX00000）BPCON（0XXXXXXX）Bwyx几种实用的复位电路

wyxwyx第四节MCS-51存储器组织与操作

MCS—51系列单片机其存储结构特点是：

将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构的单片微机称为哈佛型结构单片微机。在物理上有4个相互独立的存储空间：片内和片外程序存储器；片内和片外数据存储器。

在逻辑上有三个彼此独立的地址空间：

1、片内外统一编地址的64KB程序存储器地址间；

2、256字节的片内数据存储器地址空间；

3、64KB片外数据存储器地址空间外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口)0000H0FFFFH程序存储器（c）特殊功能寄存器区00H

30H2FH

0FFH工作寄存器区位寻址区20H1FH80H7FH0000H0FFFH内部数据存储器（a）外部数据存储器（b）一般RAM区

MCS—5l系列存储器地址空间分配图

wyx一、MCS—51程序存储器地址空间

7个特殊单元：

0000H复位后,PC=0000H.开始执行程序

0003H外部中断0（INT0）入口

000BH定时器0中断（TF0）入口

0013H外部中断1（INT1）入口

001BH定时器1中断（TF1）入口

0023H串行口中断TI/RI入口

002BH定时计数器2溢出或T2EX输入负跳变（52系列）

程序存储器用于存放调试好的应用程序和表格常数。MCS—5l采用16位的程序计数器PC和l6位的地址总线，64KB片内、外的程序存储器空间连续、统一。wyx二、MCS—51数据存储器地址空间

数据存储器地址空间由内部和外部数据存储器空间组成。内部和外部数据存储器空间存在重叠。通过不同指令来区别

内部数据传送指令：MOV外部数据传送指令：MOVX1、工作寄存器区（００Ｈ～１ＦＨ）分成4组，每组8个寄存器R0-R72、位寻址区（20H～2FH）既可进行字节寻址，又可进行位寻址。这16个单元共有16×8＝128位,对应位地址00H-7FH。3、通用存储区（30H～7FH）4、外部数据存储器0000H-FFFFH范围为64K字节，采用R0、R1或DPTR寄存器间址方式访问。

内部数据存储器在物理上又可分成三部分：低128字节RAM、高128字节RAM(仅8032／0852才有)和专用寄存器(SFR)。

低128字节RAM由工作寄存器区、位寻址区和通用RAM区组成。内部数据存储器地址空间8032／0852的高128字节RAM和专用寄存器(SFR)空间重合，通过不同寻址方式区别wyx三、特殊功能寄存器地址空间

共有26个专用寄存器SFR，离散地分布在片内RAM的高128字节地址80H～0FFH中。程序计数器PC不占据RAM单元，在除PC外的专用寄存器SFR中，有12个专用寄存器既可字节寻址，又可位寻址（字节地址为8的整倍数）。标识符名称字节地址*Acc累加器E0H*BB寄存器F0H*PSW程序状态字D0HSP堆栈指针81HDPTR数据指针(DPH和DPL)82H,83H*P0口080H*P1口190H*P2口2A0H*P3口3B0H*IP中断优先级寄存器B8H*IE中断控制寄存器A8HTMOD定时器方式寄存器89H*TCON定时器控制寄存器88H标识符名称字节地址TH0计数器0高位8CHTL0计数器0低位8AHTH1计数器1高位8DHTL1计数器1低位8BH*SCON串行口控制98HSBUF串行数据缓冲器99HPCON电源控制97H位地址的表示法例：位名称CY、RS0

寄存器名加序号PSW.7ACC.1

字节地址加序号20H.3

直接位地址 00Hwyx1.累加器ACC—累加器A在大部分的算术运算中存放某个操作数和运算结果。2.寄存器B—寄存器B主要用于与累加器A配合执行乘法和除法指令的操作。3.程序状态字