单片微型计算机原理及其应用

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《单片微型计算机原理

及其应用》电子教案

赵秀珍王乃钊制作

中国水利水电出版社

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第一章单片微型计算机概述

■本章主要介绍单片机的发展，基本的结构和特

点，单片机的应用模式和领域，单片机的供应

状态等。

■单片微型计算机就是将CPU、RAM、ROM、

定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电

路芯片上的微型计算机。因此，一块芯片就构

成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智

能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使

用的计算机。

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1.1单片机的发展概况

■综上所述，我们可以把单片机的发展历史划分为四阶段：

■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）：高性能单片机阶段，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。

■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。

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k

1.2单片机的结构特点

■(1)片内的RAM采用寄存器结构形式，这样可以提

高存取的速度；

■(2)在存储器结构上，严格的将程序存储器ROM和

数据存储器RAM在空间上分开；

■(3)它的引出管脚一般都设计成多功能的；

■(4)增加了一个全双工的串行接口，以扩充I/O口和

外接同步输入和输出设备；

■(5)有21个特殊功能寄存器；

■(6)有丰富的指令系统，内部设置了可以位寻址的位

施址空间。

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1.3单片机的主要品种及系

列

■一、4位单片机

■二、8位单片机

表格17MCS-51系列型号

片内数据存储

型号制造技术片内程序存储器

器

8051AHHMOSROM(4k)128字节

8031AHAHMOS无128字节

8751HHMOSEPROM(4K)128字节

80C51CHMOSROM(4K)128字节

80C31CHMOS无128字节

8051HMOSROM(8K)256字节

8031HMOS无256字节

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1.4单片机的应用

■一、单片机在仪器仪表中的应用

■二'单片机在机电一体化中的应用

■三、单片机在智能接口和多机系统中的

应用

■四、单片机在生活中的应用

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第二章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、P。、PPP2>

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。

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2.1MCS-51单片机的结构原

■一、8051单片机的结构

图2TMCS-51单片机的基本结构

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二、8051单片机的内部结构和

工作原理

■8051单片机的内部结构框图如图2-2所

示，下面分别进行介绍：

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图2-28051的内部结构框图

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FFHFFFFH

SFR

80H

RAM外部

RAM

30H

位寻址区

20H

工作

寄存器

0〜3组

OOH0000H

图2-38051存储器组织结构

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D5D4D3D2

D7ID。

2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H

2EH77H76H75H—74H—73H72H71H70H

2DH6MI6EH6DH6CH—6BH6AH69H68H

2CH67H66H6511641163H—62H—61H6011

2BH5FH——5CH——5BEL—5Al^59H58H

2AH57H56H55H54H53H52H51H50H

29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H

28H47H46H—45H—44H43H42H—41H40H

27H一EL31：ll—3BH——3AH-39H38H

26H371136H35H341133H32H311130H

25H2FH2EH2DH2C112BH2AH291128H

24H27H26H25H24H23H22H21H20H

23H1FH1l;.H1DH1CH1BH1AH19H18H

22H17H161115H14H13H12H11H10H

21HOFIIOEHODHOCIIOBHOAH09H08H

20H07H06H05H04H03H02H01HOOH

图2-48051内部RAM位地址区

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符号单元地址名称

符号地址

EOHACC.7〜ACC.0E7H〜EOH

*ACCFOH累加器B.7〜B.0F7H〜FOH

*BDOH乘法寄存器PSW.7〜PSW.0D7H〜DOH

*PSW81H程序状态字

SP82H堆栈指针

数据存储器指针（低位）

DPL83H8

数据存储器指针（高位）

DPHA8H8IE.7〜IE.0AFH〜A8H

*IEB8H中断允许控制器IP.7〜IP.0BFH-B8H

*IP中断优先控制器

80HP07〜P°087H-80H

通道

*p。90H0P|7~P1097H〜90H

通道

AOH1P27~P"A7H-A0H

通道

*p2BOH2B7H-B0H

P37~P30

通道

*P387H3

PCON98H电源控制及波特率选择SCON.7〜SCON.O9FH〜98H

*SCON99H串行口控制

SBUF88H串行数据缓冲器TCON.7〜TCON.O8FH〜88H

*TCON89H定时控制

TMOD8AH定时器方式选择

定时器低位

TL°8BH08

定时器低位

TL,8CH18

定时器0高8位

TH08DH

TH1定时器1高8位

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(1)

读引脚

图2-5P0口的位结构

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(2)口位的结构

vcc

读锁存器

n内部上拉电阻

内部总线.

D图2-6Pi口露立结构<»_a—Pl.n、

Pl.n---------/

写锁存镂_____锁存器_1

>QT

读引脚

图2-6口的位结构

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(3)P2口的位结构

图2-7P2口的结构图

WORLD

(4)P3口的位结构

第二输入功能

图2-8P3口的结构图

WORLD

(4)P3口的位结构

第二输出功能早

读锁存器

n内部上拉电阻

内部总线

<•—•―|P3.n)

写锁存器--------T

读引脚

第二输入功能

图2-8P3口的结构图

表格2-3P3口的第二功能表

i/on第二功能注释

P3.0RXD串行口数据接收端

%TXD串行口数据发送端

P32INT(-------------)0外部中断请求0

%INT(------%外部中断请求1

P.4

3定时/计数器0

P36定时/计数器1

P3.6WR(---------)外部RAM写信号

P3.7RD(---------)外部RAM读信号

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2.2MCS・51单片机的时序

一、时钟周期、机器周期和指令周期

图2-9基本定时时序关系

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■CMC*.r^_

1.时钟周期

2.机器周期

图2-10MCS-51的取指/执行时序

WORLD

3.指令周期

二、MCS-51单片机指令的取指和执行的时序

三、访问外部ROM和RAM的时序

SIS2S3S4S5S6

时钟

图271访问外部ROM的时序

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1.访问外部ROM的时序

2.访问外部RAM的时序

SIS2S3S4S5S6SIS2S3S4S5S6

ALE

PSENr

因PCH输出XPC”输出义DPH输出或2蹄j出XPCH输出

PCL输出指令输入地址输出数据输入PCL输出指令输入

图2-12访问外部RAM的时序

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2.3MCS-51单片机的时钟和复位电路

、时钟电路

VCC

外

外

部

部

振

振X

荡

荡

器

器

（a）内部振荡器方式（b）8051外时钟源接法（c）80c51外时钟源接法

图2T3MCS-51时钟接法

1.内部振荡器方式

2.外部时钟方式

二、复位电路及复位状态

1.内部复位电路

图2T48051复位电路结构

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2.外部复位电路

VCC8051RESETVCC8051RESETVCC8051

口口

oi

NccVCCvU।Wc

C--Q-C

Q22nF二

22ul"22uFR1200一-22nF

」1______1--1____1

1RST就，1IIi1RST周1__1I1RST>¥

R及

1kpknlk

仁s\ss屈

(a)上电复位(b)按键脉冲复位(c)按键电平复位

图275复位电路

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3.复位状态

专用寄存器复位值

PC0000H

ACCOOH

BOOH

PSWOOH

SP07H

DPTR0000H

Po〜取FFH

IPXXX00000B

IE0XX00000B

TMODOOH

TCONOOH

THOOOH

TLOOOH

TH1OOH

TL1OOH

SCONOOH

SBUF不定

PCON(CHMOS)0XXX0000B

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2.4MCS-51单片机的低功耗工作方式

、电源控制寄存器PCON

D7口6D5D4D3D?D]D0

PCONSMOD一一一GF1GFOFDIDL

二、等待工作方式

三、掉电方式

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第三章MSC-51单片机的指令系统

3.1指令系统概述

一、机器码指令与汇编语言指令

机器码指令：

汇编语言指令：

二、指令格式

汇编语言格式为：［标号：］操作码助记符［目的操作数，］［源操作数］［;注释］

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单字节指令双字节指令三字节指令

INCAADDA,#22HMOV5EH,4FH

操作码04H

图3-1机器码指令格式

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3.2寻址方式

一、寄存器寻址

二、直接寻址

三、立即寻址

四、寄存器间接寻址

五、变址寻址

六、相对寻址

七、位寻址

3.3MSC・51单片机的指令系统

按照指令的功能，可以把MSC-51的111条指令分成五类:

•数据传送类指令（29条）

•算术运算类指令（24条）

•逻辑操作类指令（24条）

•控制转移类指令（17条）

•位操作类指令（17条）

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图3-2相对寻址过程

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第四章MCS-51单片机的应用程序设计

入口入口入口

P1

P2

P3

出口出口v出口

(a)顺序结构(b)分支结构(c)循环结构

图4-1基本程序结构

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4.1运算程序

一、多字节数加法

1.多字节无符号数加法

CLRC

MOVRo,#40H；指向加数最低位

MOVR/#5OH；指向另一加数最低位

MOVR2,#04H；字节数作计数初值

LOOP1：MOVA,@R()；取被加数

ADDCA,@R]；两数相加，带进位

MOV@R0，A

INCRo；修改地址

INCR]

DJNZR2,LOOP1；未力口完转LOOP1

JNCLOOP2；无进位转LOOP2

MOV@R0，#01H

LOOP2：DECR()

RET

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2.多字节有符号数加法

SDADD：CLR07H；标志位清零

MOVA,Ro；复制保存地址指针

MOVR,,A

MOVA；R3

MOVR7,A

CLRC

LOOP1：MOVA,@R()

ADDCA,@R)；相力口

MOV@R0,A

INCRo

INCRi；地址指针加1

DJNZR7,LOOP1

JBOV,ERR；若溢出，转溢出处理

DECRo

MOVA,@R0

JNBE7H,LOOP2

SETB07H；和值为负，置位标志

LOOP2：MOVA,R?；恢复地址指针

MOVRo,A

RET

I

I

：：；溢出处理

ERR图4-3多字节有符号数加法程序流程图

RET

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二、多字节数减法

MOVRo,#40H；指向被减数最低位

MOVR〔，#50H；指向减数最低位

MOVR2,#04H；字节数

CLRC

LOOP1：MOVA,

@R0

SUBBA,@R】；完成一个字节的减法运算

MOV@R0,A

INCRo

INCR1

DJNZR2,LOOP1

RET

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三、多字节十进制数（BCD码）加法

BCDADD：MOV20H,Ro

MOV23H,R3

CLRC

LOOPO：MOVA,@R0；取被加数

ADDCA,@R］；两数相加

DAA；十进制调整

MOV@R0,A

INCRo；指针加1

INCR1

DJNZR3,LOOPO；作完加法否

MOVR2.#23H

JNCRETURN；有无进位

MOV@Ro,#01H

INCR3

RETURN：MOVR(),#20H

RET

图4-4BCD码多字节加法程序流程图

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四、多字节数乘法

ZHENFA:MOVA,Ro

MOVB,RI

MULAB；(R1)*(R0)

MOVR3,A；积的低位送到R3

MOVR4,B；积的高位送到R4

MOVA,Ro

MOVB,R2

；

MULAB(R2)*(RO)

ADDA,R4；(R1)*(Ro)的高位加(R2)*(R0)的低位

MOVR4,A；结果送R#进位在CY中

MOVA,B

ADDCA,#OOH；侬2)*(凡)的高位加低位来的进位

；

MOVR5,A结果送R5

RET

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五、多字节数除法

除法次数rR

DV:MOVR7,#08H；设计数初值

DVI:CLRC清进位，&R）左移一优

MOVA,R5移出的位-*标志位

RLCA

余数高位-除数

MOVR5,A

MOVA,R6

RLCA；将出6）、（R5）左移一位

MOV07H,C；将移出'的一位送07H位保存

CLRC恢复余数:

SUBBA,R；余数（高位）减除数

2保存余数

JBO7H,GOU；若标志位为1,说明够减

JNCGOU；无借位也说明够减(Rz)-l=o?^>

ADDA,R2；否则，恢复余数(返回)

AJMPDV2

GOU:INCR；商上1

5图4-5除法程序流程图

DV2:MOVR6,A；保存余数（高位）

DJNZR7,DV1

RET

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4.2数据的拼拆和转换

一、数据的拼拆

例4-7设在30H和31H单元中各有一个8位数据：

(30H)=X7X6X5X4X3X2X1X0

(31H)=y7y6y5y4y3y2y1y0

现在要从30H单元中取出低5位，并从31H单元中取出低3位完成拼装,

拼装结果送40H单元保存，并且规定：

(4OH)=y2y