教学课件-单片机原理及应用

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电气自动化技术类课程规划教材单片机原理及应用

本电子课件是与《单片机原理及应用》教材相配套的。为了使用者选取方便，课件制作时均是由任课教师按授课时的讲课过程进行制作的。课件中提供了教学用的所有图表和大量讲解用的文字。为了兼顾教学效率和教学效果，建议采用电子课件教学时，应注意图表在PPT上显示，讲解用的文字不在PPT上显示，应该在黑板上讲解。

提供电子课件是为了提高教学效率，但是决不应该以课件代替教师的备课过程。课程教学效果的实现主要依赖于任课教师的独特的教学设计，教学从本质上是教师与学生的互动，是感情与感情的交流，是思想与思想的碰撞，是心灵与心灵的沟通！

在此，希望本课件能够为您的教学目的的实现起到一定的推波助澜的作用！

使用说明目录

第1章绪论

第2章MCS-51单片机的结构和原理

第3章MCS-51单片机的指令系统

第4章MCS-51单片机的程序设计

第5章中断系统及定时计数器

第6章单片机串行通信及接口

第7章单片机系统扩展

第8章A/D和D/A转换的接口技术

第9章单片机系统的工程设计

第10章基于C语言的单片机的程序设计*第一章绪论二进制数、十进制数和十六进制数之间的换算关系。二进制数原码、反码和补码的表示方法；BCD码和ASCII码的基本概念。计算机的产生、发展及基本结构。单片机的发展过程及其应用领域。*本章主要内容

1.1

数制与编码

1.2

计算机概述

1.3单片机的发展过程与应用领域

*

数制：是进位计数制的简称。

十进制：生活中最熟悉的进位计数制。特点：

每一位是0~9十个数码中的一个数码，基数是10

运算规则：逢十进一，借一当十例如，十进制数47.25按权展开为：1.1.1

数制及其转换

47.25=4×101+7×100+2×10-1+5×10-2*1.1.1

数制及其转换

1.二进制数及其转换（1）二进制数的特点

每一位是0、1两个数码中的一个数码，基数是2

运算规则：逢二进一，借一当二（2）二进制数和十进制数的转换

二进制数十进制数：乘权求和法。十进制数整数二进制数：除2取余逆排法。十进制数小数二进制数：乘2取整顺排法。*1.1.1

数制及其转换

2.十六进制数及其转换（1）十六进制数的特点

每一位是0~9、A~F中的一个数码，基数是16

运算规则：逢十六进一，借一当十六（2）十六进制数的转换

十六进制数二进制数：一拉四法。二进制数十六进制数：四合一法。十六进制数与十进制数间的转换类似于二进制数和十进制数之间的转换*1.1.1

数制及其转换

其一是（N）R，R代表2、10、16等；其二是在数的结尾以一字母标示

D（Decimal）代表十进制（也可省略）

B（Binary）代表二进制

O（Octal）代表八进制

H(Hexadecimal)代表十六进制。如：（1010）2

（100）10

101B101DEFH为了区分数的不同进制，有两种不同的区分法：*

机器数：机器中以编码形式表示的数；真值：原来一般书写形式表示的数。1.1.2

机器数与真值

有符号的数在数学中用“十”和“－”表示，在计算机中规定用最高位作为符号位，用“0”表示“+”，用“1”表示“－”。例：负数

-1011011B（-5BH）1011011B1

（DBH）机器数真值*1.1.3

原码、反码、补码

在计算机中机器数可以用三种方法表示，即原码、反码和补码。

原码：最高位为符号位，其余位为数值位。

反码：是有符号二进制数的一种表示方法。正数的反码与原码相同；负数的反码符号位为1，数值位是原码的数值位按位取反。注：采用原码和反码表示时，符号位不能同数值一道参加运算。*1.1.3

原码、反码、补码

例如：*1.1.3

原码、反码、补码

补码：计算机中有符号数的常用表示方法。

正数的补码与原码相同；负数的补码是反码加1。例如：*反码：范围是：+127~-127；“0”有2种表示补码：范围是：+127~-128；“0”有1种表示1.1.3

原码、反码、补码

*1.1.3

原码、反码、补码

三种编码的最高位为符号位，“0”表示正，“1”

表示负。对于正数，三种编码的表示方法相同。对于负数，三种编码的符号位均为1，数值部分不同。8位二进制数的原码、反码和补码所能表示的数值范围是不完全相同的。

结论1*1.1.3

原码、反码、补码

补码的加减运算补码运算的几个公式：

其中，为的每一位（包括符号位）都按位取反，再加1。上面式子中，x1、x2、（x1+x2）、（x1－x2）必须在－2n-1~2n-1范围内，否则机器会产生溢出错误。*1.1.3

原码、反码、补码

例1-9用补码进行运算，求x1+x2x1＝+0011101B＝+29，x

2＝－0000110B＝－600011101+1111101000010111

真值为：+0010111B=+23由此可见，符号在参加运算后结果是正确的。则[x1]补+[x2]补为：自然丢失1解：*1.1.3

原码、反码、补码

例1-10用补码进行运算，求x1－x2

x1＝+0001000B＝+8，x

2＝+0001111B＝+1500001000+1111000111111001

真值为：-0000111B=-7则[x1]补+[-x2]补为：解：*

求出参加运算的两个数的补码。用补码相加进行加法运算，用减数变补相加完成减法运算。运算时符号位应当作为数的一部分参与运算，符号位有进位则丢弃。运算结果仍为补码，要得到真值须再转换。负数的补码求原码时，符号位不变，数值位按位取反后再加“1”。补码运算结果超出机器允许范围，会产生“溢出”而出错。

结论2*1.1.4BCD码和字符的ASCII码

计算机只能识别“0”和“1”两个符号，而计算机处理的信息却有多种形式，例如数字、标点符号、运算符号、各种命令、文字和图形等。要表示这么多的信息并识别它们，必须对这些信息进行编码。计算机中根据信息对象不同，编码的方式也不同。常见的码制有BCD码和ASCII码等。

*1.BCD码（十进制数的二进制编码）1.1.4BCD码和字符的ASCII码

BCD（BinaryCodedDecimal）码也叫二—十进制编码，是指将十进制数的0～9十个数字用二进制数表示的编码。由于十进制数有十个不同的数码，因此需用4位二进制数来表示。而4位二进制编码有16种不同的组合，从中取出10种组合来表示0～9十个数有多种方案，所以BCD码也有多种方案。最常用的编码是8421码，它是一种恒权码，8（23）、4（22）、2（21）、1（20）分别是4位二进制数的权值。*1.1.4BCD码和字符的ASCII码

表1-2BCD（8421）码与十进制数对应关系十进制数8421BCD码十进制数8421BCD码00000501011000160110200107011130011810004010091001*2.ASCII码（字符编码）1.1.4BCD码和字符的ASCII码

在计算机内，任何信息都是用代码表示的，字母、数字和符号也是用二进制代码表示的。国际上通用的是美国国家信息交换标准字符码，即ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）。ASCII码是一种8位代码，最高位一般用于奇偶校验，用7位代码对128字符进行编码。其中32个是控制字符，96个是图形字符，如下图所示。7位ASCII码字符表，最高位未列出，一般表示时以0来代替。列为高三位二进制码，行为低4位二进制码。附录CASCII码表*

1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世，标志着计算机时代的到来。1.2.1

电子计算机的产生及发展

1.2计算机概述ENIAC奠定了电子计算机的发展基础，在计算机史上具有划时代的意义，标志着电子计算机时代的到来。*

计算机的发展1.2.1

电子计算机的产生及发展采用不同物理器件的发展历程电子管计算机晶体管计算机中小规模集成电路计算机大、超大规模集成电路计算机机器语言汇编语言高级语言软件（编程语言）发展*冯·诺依曼提出的“二进制运算”和“程序存储”的思想，构建了计算机经典结构。1.2.2

计算机的基本结构图1-1计算机的基本结构框图

*单片机定义：把CPU和一定容量的存储器、中断系统、一些并/串接口电路及定时/计数器电路集成在一块芯片上。1.2.3

单片微型计算机图1-2单片机内部结构示意图*单芯片微机形成阶段1.3

单片机的发展过程与应用领域1.3.1单片机的发展过程特点：体积小，价格低，存储器容量小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。*性能完善提高阶段1.3.1单片机的发展过程特点：虽然仍是8位机，但其结构体系完善，性能已大大提高，品种全、兼容性强、软硬件资源丰富、面向控制的特点进一步突出、性能价格比高。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。*微控制器化阶段1.3.1单片机的发展过程特点：片内面向测控系统电路增强，使之可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。1983年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有4路或8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。*1.3.1单片机的发展过程微控制器的CPU核仍以CISC为主，但向RISC

演化。单片机发展趋势提升指令执行速度。集成大容量片上FLASH存储器，实现ISP、IAP。普遍使用混合信号（数字、模拟相混合）集成技术。增加可联网的外设接口。追求低电压、低功耗、低价位、LPG。*1.3.2单片机的特点和应用领域体积小，价格低，应用广。1.单片机的特点通用性、灵活性强，易扩展

。可靠性高、抗干扰能力强

。实时控制能力强

。微型计算机具有运算速度快、精度高、方便灵活、适应范围广和可靠性高等特点。作为其分支的单片机，由于特殊的硬件结构和指令系统，还具有以下突出特点。*1.3.2

单片机的特点和应用领域工业方面：各种测控系统、数据采集系统、工业机器人、机电一体化产品等。2.单片机的应用领域智能仪器仪表方面：如齿轮精度检验仪类的各种工业检验、测量仪器、医疗器械等。

通信方面：调制解调器、程控交换技术。

民用方面：全自动洗衣机、智能电饭锅、电话机、录像机、空调机和电子玩具等。

导弹与控制方面：导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装备、航天飞机导航系统等。

*1.3.3

MCS-51系列单片机简介MCS-51系列单片机采用HMOS（如8051）和CHMOS（如80C51）工艺。这两种单片机完全兼容。1.Intel公司的MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机按片内有无程序存储器及程序存储器的形式分为三种基本产品：8031、8051和8751。它们的引脚与指令系统完全兼容，但在内部结构及应用特性方面存在一些差异。8031内部包括一个8位的CPU、128KB的RAM、21个特殊功能寄存器、4个8位并行I/O口、1个全双工的串行口、2个16位的定时/计数器。但无程序存储器，使用时需外扩EPROM芯片。*1.3.3

MCS-51系列单片机简介8051是在8031的基础上，片内集成有4KB的ROM，ROM中的程序是由单片机芯片厂固化的，适合大批量的生产。8751片内含有4KB的EPROM，单片机应用开发人员可以把编写好的程序用开发机或编程器写入其中，也可以反复修改程序。但其价格相对于8031较贵。

高档单片机主要包括：将原来的8031/8051/8751进行扩展为8032/8052/8752；低功耗CHMOS工艺芯片80C31H/87C51/80C51BH；具有高级语言编程的芯片8052H-BASIC；高性能的8XCX52系列。*1.3.3

MCS-51系列单片机简介Atmel公司生产的MCS-51系列单片机提供了丰富的外围接口和专用的控制器，可用于特殊用途。例如电压比较、USB控制、MP3解码及CAN控制等。此外，Atmel公司还把ISP技术集成在MCS-51系列单片机中，使用户能够方便地改变程序代码，从而方便地进行系统调试。Atmel公司还提供了各种产品的不同封装，以方便用户进行选择。

2.Atmel公司的MCS-51系列单片机*1.3.3

MCS-51系列单片机简介2.Atmel公司的MCS-51系列单片机表1-3AT89系列单片机常用产品特性一览表型号片内存储器I/O口线定时/计数器模拟比较器中断源串行口程序存储器数据存储器89C10511KBFPEROM64B151个16位1个3个无89C20512KBFPEROM128B152个16位1个5个2级UART89C514KBFPEROM128B322个16位无5个2级UART89C528KBFPEROM256B323个16位无6个2级UART*本课小结

计算机中所有信息都采用二进制表示，对于数值型数据，常采用几种进位计数制表示，不同数制之间可以相互转换。对有符号数的表示有真值、机器数、原码、反码和补码。在机器中采用补码加减运算规则做加减运算。为了方便书写程序和数据，观察处理结果，同时又能符合计算机只能识别二进制的特点，对十进制数采用BCD编码，对常用字符编码采用ASCII码。单片机是把微处理器、存储器、输入输出接口、定时/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片上，它具有体积小、价格和功耗低、可靠性高等特点，其应用领域十分广泛。*思考题及习题1-1.对下列不同数制的数据进行转换。

（1）(10011010)2＝()16＝()10

(0110.011)2＝()16＝()10（2）(12.375)10＝()2＝()16

(127.875)10＝()2＝()16（3）(0B7)16＝()2＝()10

(3EF.8)16＝()2＝()101-2.将下列二进制带符号数分别用原码、反码和补码表示。（1）+1101110（2）-1111111

（3）+1010111（4）-1000000*思考题及习题1-3.写出下列各十进制数的BCD码。

（1）(47)10

（2）(68)10（3）(1986.7)10（4）

(1969)101-4.计算机中为什么要采用二进制数？十六进制数能被微型计算机直接执行吗？为什么要学习十六进制数？

1-5.单片机有哪些方面的应用？发展前景如何？

1-6.什么是单片机？它由哪几部分组成？1-7.计算机的基本结构有哪几部分组成？各部分作用如何？*广东松山职业技术学院课件制作组第二章MCS-51单片机的结构和原理MCS－51系列单片机的基本结构、CPU的组成。

MCS－51系列单片机的存储器结构、功能区划分和各自寻址特点。

MCS－51系列单片机4个8位并行I/O端口的各自功能和应用特点。

MCS－51系列单片机器件的外部引脚功能、封装形式及单片机的工作方式。*广东松山职业技术学院课件制作组

2.1MCS-51单片机基本结构

2.2中央处理器CPU

2.3存储器

2.4并行输入/输出接口

2.5单片机的引脚及其功能本章主要内容*广东松山职业技术学院课件制作组2.1MCS-51单片机基本结构MCS-51系列单片机都是以8051为核心电路发展起来的，包括51子系列（基本型）和52子系列（增强型）两大类，因此它们都具有MCS-51的基本结构与软件特征，具有很强的兼容性。

*广东松山职业技术学院课件制作组2.1.1MCS-51系列的内部结构（1）面向控制的8位中央处理器（CPU）（2）具有布尔处理（即位处理）能力（3）64KB程序存储器空间（4）64KB数据存储器空间（5）4KB片内程序存储器（ROM）（6）128B内部数据存储器（RAM）（7）一组特殊功能寄存器（SFR）（8）32根双向并可按位寻址的I/O口线（9）2个16位定时器/计数器（10）5个中断源，具有两个优先级（11）一个全双功异步串行口（12）片内振荡器和时钟电路VCCALERAM地址寄存器RAMP0锁存器P2锁存器ROMP0驱动器P2驱动器ACC寄存器B暂存2暂存1SP程序地址寄存器缓冲器PC加1PCDPTRPSWP1驱动器P3驱动器P1锁存器P3锁存器SFR特殊功能寄存器PSENVSSEARESET内部时钟外接晶振P1.0~P1.7P3.0~P3.7P0.0~P0.7P2.0~P2.7中断、串行口及定时器ALU定时及控制指令寄存器指令译码器用EPROM,为8751无ROM为8031*广东松山职业技术学院课件制作组2.1.2MCS-51系列单片机的结构P0P1P2P3并行接口CPU时钟电路串行接口中断系统ROMRAM定时/计数器T0T1TXDRXD*广东松山职业技术学院课件制作组2.2中央处理器CPU

1.

CPU结构

MCS－51内部有一个8位CPU（8位是CPU的字长，指CPU对数据的处理是按一个字节进行的），它象通常的微处理器一样，也是由算术逻辑运算单元ALU、定时控制部件（即控制器）和各种专用寄存器等组成的。2.2.1MCS-51系列单片机CPU的结构和功能部件*广东松山职业技术学院课件制作组ALU

由定时和控制部件构成的控制器，包括定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、程序计数器PC、堆栈指针SP、RAM地址寄存器以及16位地址缓冲器等。运算器（ALU、专用寄存器）

1.

CPU结构*广东松山职业技术学院课件制作组2.CPU的专用寄存器组MCS-51的CPU专用寄存器组包括程序计数器PC、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW、堆栈指针SP和数据指针DPTR等6个寄存器。除PC外，其余5个寄存器均为可编程可访问寄存器。PC只能用在查表指令MOVC中，不可直接访问。专用寄存器组中只有PC在物理上是独立的（即没有与其他器件共同编码的物理地址），其余5个寄存器都有相应的直接地址编码（称字节地址）。

*广东松山职业技术学院课件制作组是一个独立的计数器，用于存放下一条待执行指令的地址。PC的基本工作过程可以描述为：PC中的数作为指令地址输出给程序存储器，程序存储器按此地址输出指令字节，同时PC本身自动加1，指向下一条指令。在执行转移、调用类指令或响应中断等操作时，PC的工作过程将有所不同。MCS-51的PC是一个16位寄存器，其寻址范围是64KB（即216Byte）。

（1）程序计数器PC（ProgramCounter）2.CPU的专用寄存器组*广东松山职业技术学院课件制作组（2）累加器ACC（Accumulator）简称A寄存器或累加器A，是一个具有特殊用途的8位寄存器，主要用来存放一个操作数或存放运算的结果。累加器ACC是CPU中使用最频繁的寄存器，MCS-51指令系统中多数指令的执行都通过它进行。2.CPU的专用寄存器组*广东松山职业技术学院课件制作组（3）寄存器B寄存器B也是一个8位寄存器，在乘法和除法运算中用作ALU的输入之一。乘法运算时，ALU的两个输入分别为A、B，运算结果存放在AB寄存器中，其中A存放积的低8位，B则存放积的高8位。除法运算时，被除数取自A，除数取自B；运算结果商存于A，而余数存于B。其它情况下，B可作为一个工作寄存器使用。2.CPU的专用寄存器组*广东松山职业技术学院课件制作组（4）程序状态字PSW（ProgramStateWord）CyACF0RS1RS0OV…PD7D6D5D4D3D2D1D0PSW进位标志、“位累加器”

辅助进位标志

用户通用状态标志

溢出标志

奇偶标志位

保留位

工作寄存器组选择控制位

若A中有奇数个“1”，则P置位，否则清零

2.CPU的专用寄存器组*广东松山职业技术学院课件制作组

RS1、RS0与片内工作寄存器组的对应关系RS1RS0寄存器组片内PAM地址通用寄存器名称000组00H~07HR0~R7011组08H~0FHR0~R7102组10H~17HR0~R7013组18H~1FHR0~R72.CPU的专用寄存器组*广东松山职业技术学院课件制作组

堆栈是指用户在单片机内部RAM中开辟的、遵循“先进后出”原则、只能从一端存取数据的一个存储区。存取数据的一端称为栈顶。（5）堆栈指针SP（StackPointer）2.CPU的专用寄存器组*广东松山职业技术学院课件制作组

堆栈中的数据压入和弹出过程

凡是关系到堆栈操作的场合，都需要借助MCS-51的CPU中一个专用8位寄存器SP来间接指示堆栈中数据存取的位置，该寄存器被称为堆栈指针SP。

MCS-51的堆栈是向上（即向地址增加的方向）生成的，堆栈指针SP的初始值称为栈底。在堆栈操作过程中，SP始终指向堆栈的栈顶。单片机复位后SP的值为07H，因此入栈数据将从08H存起。08H~1FH与工作寄存器区1~3，通常把栈底设计在片内RAM中地址值较高的地方，如60H等。2.CPU的专用寄存器组*广东松山职业技术学院课件制作组

入栈操作时首先将SP的内容[记为（SP）]自动增1，将SP间接指示的栈区片内RAM存储单元地址向上调整一次，再把数据压入由SP最新指示的片内RAM单元中；出栈操作时，首先将当前栈顶的内容弹出到相应位置，然后把SP的内容自动减1。可见，在堆栈操作过程中，SP的值将自动增1或减1。89H80H70H50H栈底SPSP入栈过程PUSHACC出栈过程POPACCSP89HSP89HAA89H80H70H50H栈底2.CPU的专用寄存器组*广东松山职业技术学院课件制作组6.数据指针寄存器DPTR数据指针DPTR是一个16位的专用寄存器，其高位字节寄存器用DPH表示、低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个16位寄存器DPTR来处理，也可作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL来处理。DPTR主要用来存放16位地址，可通过它访问64KB外部数据存储器或外部程序存储器空间。2.CPU的专用寄存器组*广东松山职业技术学院课件制作组2.2.2MCS-51系列的CPU时序CPU以不同的方式，通过复杂的时序电路执行并完成各种不同指令功能。CPU的控制器按照指令的功能发出一系列在时间上有一定次序的信号去控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。在一定时刻发出一定的控制信号去启动一定的逻辑部件动作，这就是CPU的时序。*广东松山职业技术学院课件制作组1.系统时钟与时钟周期系统时钟是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础。单片机内部有一个自激振荡电路，可以通过它或外部提供振荡源驱动内部时钟电路产生系统时钟信号。系统时钟信号的振荡周期简称时钟周期。系统时钟组成了单片机机器周期的状态序列。

2.2.2MCS-51系列的CPU时序*广东松山职业技术学院课件制作组2.机器周期与指令周期CPU完成一种基本操作所需要的时间称为机器周期Tcy。基本的机器周期有取指周期、存储器读周期和存储器写周期等，各种指令功能都是由这几种基本机器周期实现的。CPU执行一条指令所需要的时间称为指令周期，它以机器周期为单位。MCS-51的指令可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令三种，它们的执行时间依次是1个、2个和4个机器周期。2.2.2MCS-51系列的CPU时序*广东松山职业技术学院课件制作组

机器周期与时钟周期的关系

MCS－51系列单片机的的1个机器周期包括12个时钟周期。为了叙述方便，可将1个机器周期分为6个状态S1～S6，每个状态又分为两节拍P1、P2，则1个机器周期的12个节拍依次为S1P1、S1P2、S2P1……S6P2。如果系统时钟的晶振频率为fosc=12MHz，则

1Tcy

=12Tosc=12/fosc=12/(12×106)=1μs即：1个机器周期的时间为1μs。

2.2.2MCS-51系列的CPU时序单字节单周期指令例：INCA双字节单周期指令例：ADDA，DATA单字节双周期指令例：INCDPTRCPU取指/执行时序*广东松山职业技术学院课件制作组一个机器周期P1P2P1P2读操作码（丢弃）MOVX类指令(单字节双周期指令）无取指（无ALE）地址数据访问外部存储器双字节双周期指令例：MOVRn,direct读第二字节操作码当CPU对外部RAM读写时，ALE不是周期信号*广东松山职业技术学院课件制作组2.3存储器普林斯顿（Princeton）结构：将程序和数据合用一个存储器空间的结构。哈佛（Harvard）结构：为绝大多数单片机所采用。程序存储器和数据存储器截然分开，ROM和RAM独立编址并分别寻址的结构，相互间不会冲突。在MCS-51系列单片机中，不仅在片内预留了一定容量的程序存储器、数据存储器以及众多的特殊功能寄存器（SFR），而且还具有很强的外部存储器扩展能力，程序存储器和数据存储器的寻址能力均可达64KB，寻址和操作简单方便。*广东松山职业技术学院课件制作组1

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16

15RAM62641

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1428

27

26

25

24

23

22

2120

19

18

17

16

15RAM6264

80318751805189C51片内RAM片内ROM256B（字节）4KB64K64K2.3存储器*广东松山职业技术学院课件制作组MCS－51存储器结构

三大逻辑存储空间内部数据存储器

程序存储器外部ROM0FFFFH1000H外部RAM及输入输出端口（64K）0000H0FFFFH0FFFH0000H内部ROM

EA=10FFFH0000H外部ROM

EA=00080H00FFH特殊功能寄存器0000H007FH内部RAM外部数据存储器2.3存储器*广东松山职业技术学院课件制作组2.3.1程序存储器程序存储器（Programmemory）主要用于存放经调试正确的应用程序和常数表格。由于MCS-51系列单片机采用16位的程序计数器PC和16位的地址总线，因而程序存储器可扩展的地址空间为64KB，并且这64KB地址在空间分布范围上是连续和统一的。*广东松山职业技术学院课件制作组1.程序存储器的分类

单片机应用系统中的程序存储器一般用半导体只读存储器即ROM（ReadOnlyMemory）。这种存储器在计算机运行时只能对其执行读操作，即使整机掉电后存于其中的信息也不会丢失，显然适于存放用户程序、常数和表格等。

(1)MaskROM型：掩膜ROM。其编程只能由制造商通过半导体掩膜技术完成，用户无法改写，所以对用户而言，它是严格意义上的只读存储器，适用于有固定程序且大批量生产的产品中。如8051中的4KB程序存储器就是这一种。2.3.1程序存储器*广东松山职业技术学院课件制作组（2）OTPROM型

一次可编程ROM（OneTimeProgrammableROM）。用户可通过专门设备对其一次性写入程序，此后便不能改写。这种程序存储器可靠性很高，适合于存放已调试成功的用户程序，投入规模生产，但调试阶段不宜用。目前，国内外有很多单片机制选商提供片内集有OTRROM的单片机产品，可供用户选择。2.3.1程序存储器*广东松山职业技术学院课件制作组(3)EPROM型可擦除可编程ROM（ErasableProgrammableRom）,其典型外观标志是芯片上有一个紫外线擦除窗口。这种存储器编程使用一定的直流电源（如+21V电压），而擦除则用紫外线灯光照射芯片窗口（一般需15～30分钟），重新编程后用不透明标签将窗口贴覆遮盖住即可。目前仍有许多用户在单片机产品开发中用此类器件，但由于这种器件不是本质非易失器件（阳光或日光灯照射时间足够长也会擦除程序）、编程电压要求高、编程时间长等原因，应用范围正在萎缩，相信不久即会被新型器件替代。MCS-51系列单片机8751的片内ROM以及27系列存储器芯片都属于此类产品。2.3.1程序存储器*广东松山职业技术学院课件制作组（4）E2PROM型电可擦除可编程ROM（ElectricallyErasableProgrammableROM），较新型只读存储器，编程速度较快且可在线改写，擦除、写入和读出电压均为+5V。28系列存储器属于此类产品。2.3.1程序存储器*广东松山职业技术学院课件制作组(5)FlashROM型闪速只读存储器，是最新型的半导体只读存储器，其集成度、速度和易用性等远非传统ROM可比。在+5V电源下，改写时无需擦除操作，高端产品擦写速度可达ns级，已进入推广阶段。如ATMEL公司的AT89系列单片机中均集有容量不等的FlashROM，是产品开发用的理想机种。其唯一的缺点是可靠性尚需提高，若设计调试时用FlashROM型产品，投入生产时改用OTPROM型，在目前应是最佳选择。专门的FlashROM器件，有93系列等。很多大规模可编程逻辑器件（如CPLD）在存储性质上与FlashROM一致。

2.3.1程序存储器*广东松山职业技术学院课件制作组2.MCS-51系列单片机程序存储器的应用形态

MCS-51片内程序存储器为固定的只读存储器ROM。如8051中含有4KB容量的掩膜ROM，8751中含有4KB容量的EPROM，89C51中含有4KB容量的FlashROM。8031/8032中不设程序存储器，这种单片机在供应状态上称为ROMLess型器件，使用过程中必须外扩ROM。2.3.1程序存储器*广东松山职业技术学院课件制作组...程序存储器(PC)中断5中断4中断3中断2中断10000H0001H0002H0003H000BH0013H001BH0023H002BH定时器1中断外部中断0定时器0中断外部中断1串行口中断8位0FFFH0FFEH0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)内部EA=1程序存储器资源分布中断入口地址外部EA=02.3.1程序存储器引脚接高电平时，CPU可访问内部和外部ROM，且程序自片内程序存储器开始执行，PC值超出片内ROM容量时，会自动转向片外程序存储器中的程序。*广东松山职业技术学院课件制作组3.程序存储器中的特定程序入口ROM地址功能分配ROM地址功能分配0000H系统复位或非屏蔽中断0013H外部中断1中断服务程序入口0003H外部中断0中断服务程序入口001BH定时器/计数器1中断服务程序入口000BH定时器/计数器0中断服务程序入口0023H串行口中断服务程序入口2.3.1程序存储器*广东松山职业技术学院课件制作组0000HFFFFH(64K)外部数据存储器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)内部RAM专用

寄存器0组R0R7R0R7R0R7R0R71组2组3组工作寄存器区可位寻址区20H2FH7F78070030H7FH数据缓冲区/堆栈区内部RAM存储器18H1FH10H17H08H0FH00H07H2.3.2内部数据存储器RS1RS0000组011组102组013组*广东松山职业技术学院课件制作组2.3.2内部数据存储器2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F776F675F574F473F372F271F170F07MSB位地址LSB7E766E665E564E463E362E261E160E067D756D655D554D453D352D251D150D057C746C645C544C443C342C241C140C047B736B635B534B433B332B231B130B037A726A625A524A423A322A221A120A027971696159514941393129211911090178706860585048403830282018100800单元地址*广东松山职业技术学院课件制作组

堆栈或数据缓冲区（30H‐7FH）此区间共80个单元，只可按字节寻址，而不可位寻址。程序运行期间，会产生一些运算结果等中间数据，这些数据可在此区间暂时保存。另外，若程序运行过程中遇到调用子程序或响应中断，往往需要保护现场，将有关的数据压入堆栈，待子程序返回或中断响应结束时再将入栈数据弹出，此时，该区间可作堆栈使用。单片机复位后，堆栈指针SP的值为07H，即默认此区间的08H为栈底。考虑到00H～2FH通常留作工作寄存器区和位寻址区，因此一般将栈底设置在30H或更高地址单元。2.3.2内部数据存储器*广东松山职业技术学院课件制作组2.3.3特殊功能寄存器99HSBUFA0HA0HA1HA2HA3HA4HA5HA6HA7HP2EX0ET0EX1ET1ES--EAA8HA8HA9HAAHABHACHADHAEHAFHIEB0HB0HB1HB2HB3HB4HB5HB6HB7HP3PX0PT0PX1PT1PS---B8HB8HB9HBAHBBHBCHBDHBEHBFHIPP-OVRS0RS1F0ACCyD0HD0HD1HD2HD3HD4HD5HD6HD7HPSWE0HE0HE1HE2HE3HE4HE5HE6HE7HACCF0HF0HF1HF2HF3HF4HF5HF6HF7HB地址位地址/位定义SFR助记符9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98HSCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI98H

97

96

95

94

93

92

91

90

P1

P1.7

P1.6

P1.5

P1.4

P1.3

P1.2

P1.1

P1.0

90H

TH1

8DH

TH0

8CH

TL1

8BH

TL0

8AH

TMODGATE

C/T

M1

M0

GATE

C/T

M1

M0

89H

8F

8E

8D

8C

8B

8A

89

88

TCON

TF1

TR1

TF0

TR0

IE1

IT1

IE0

IT0

88HPCON

SMOD

/

//GF1

GF0

PD

IDL

87H

DPH

83H

DPL

82HSP

81H

87

86

85

84

83

82

81

80

P0P0.7

P0.6

P0.5

P0.4

P0.3

P0.2

P0.1

P0.0

80H

特殊功能寄存器SFR*广东松山职业技术学院课件制作组说明：1、51子系列离散分布有21个特殊功能寄存器SFR、52子系列为26个。2、凡地址能被8整除的寄存器（共11个）都是可位寻址的寄存器。*3、位寻址形式：直接位地址：如D3H位助记符：RS0寄存器.位：如PSW.3单元地址.位：如D0H.32.3.2内部数据存储器*广东松山职业技术学院课件制作组P0口原理图如下所示：2.4.1P0口作为通用I/O使用，

是一个准双向口；作为地址/数据总线时，是一个真正的双向接口。*广东松山职业技术学院课件制作组（1）P0口可作通用I/O口使用，又可作地址/数据总线口；（2）P0既可按字节寻址，又可按位寻址；（3）作通用I/O口输出时：是开漏输出，应外接上拉电阻；（4）作地址/数据总线口时，P0是一真正双向口，而作通用I/O口时，只是一个准双向口。

2.4.1P0口P0口特点总结：*广东松山职业技术学院课件制作组2.4.2P1口（1）只能作I/O口，没有地址/数据复用功能（2）可按字节寻址，也可按位寻址（3）是一准双向口，输出驱动接有上拉电阻，不是开漏输出。

读锁存器读引脚写锁存器内部总线DCLQQP1.X锁存器P1.X引脚Vcc内部上拉电阻R**广东松山职业技术学院课件制作组2.4.3P2口（1）当P2口作为通用I/O时，是一准双向口。（2）从P2口输入数据时，先向锁存器写“1”。（3）可位寻址，也可按字节寻址。（4）可输出地址高8位。

读引脚写锁存器内部总线读锁存器DCLQQP2.X锁存器MUXP2.X引脚地址Vcc控制内部上拉电阻R*l*广东松山职业技术学院课件制作组2.4.4P3口读引脚写锁存器内部总线读锁存器DCLQQP3.X锁存器P3.X引脚第二功能输出内部上拉电阻R*第二功能输入Vcc&P3口原理图如下所示：*广东松山职业技术学院课件制作组2.4.4P3口

当P3口作为通用I/O接口时,第2功能输出线为高电平，使与非门3的输出取决于口锁存器的状态。在这种情况下，P3口仍是1个准双向口,它的工作方式、负载能力均与P1、P2口相同。

当P3口作为第2功能使用时，其锁存器Q端必须为高电平，否则V1管导通，引脚被箝位在低电平，无法输入或输出第2功能信号。当Q端为高电平时，P3口的口线状态就取决于第2功能输出线的状态。P3口特点总结：*广东松山职业技术学院课件制作组2.4.5并行I/O口的使用特性

MCS-51系列单片机的4个并行I/O口均由内部总线控制，端口的功能复用会自动识别，不用指令选择。

P0是8位、漏极开路的双向I/O口，当用作片外存储器或接口扩展时，分时复用为数据总线和低8位地址总线，可驱动8个LSTTL负载。

P1是8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻，驱动为4个LSTTL负载。

P2是8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻，可驱动4个LSTTL负载，外部扩展时用作高8位地址总线。

P3是8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻，可驱动4个LSTTL负载。P3口的所有口线都具有第二功能，实现控制总线的作用。*广东松山职业技术学院课件制作组2.5单片机的引脚及功能2、振荡电路：XTAL1、XTAL23、复位引脚：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址锁存控制信号1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地)5、EA：访问片外ROM控制信号6、PSEN：外部ROM读选通信号VCCVSSXTAL2

XTAL1RST/VPDP0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7EAPSENRXD/

TXD/

INT0/INT1/

T0/

T1/

WR/

RD/1

2

3

4

5

6

7

8

9

10111213141516171819

2040

39

38

37

36

35

34

33

32

313029282726252424222180318051875189C511.主电源引脚Vcc和Vss

VCC（40脚）:接+5V电源正端;VSS（20脚）:接+5V电源地端。2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）:接外部石英晶体的一端。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。

XTAL2（18脚）:接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。

（1）RST/VPD（9脚）:RST即为RESET，VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。VPD是备用电源输入端，当单片机掉电或电源发生波动导致电源电压下降到一定值时，备用电源通过VPD端给内部RAM供电，保持其中的信息，直至单片机工作电压恢复正常。（2）(30脚):当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低8位地址，的功能是8751等片内含有ROM器件的编程脉冲输入端。（3）（29脚）:片外程序存储器读选通信号输出端,低电平有效。（4）/VPP（31脚）:为访问外部程序存储器控制信号,低电平有效。VPP是编程电源输入端。3.控制信号或与其它电源复用引脚*广东松山职业技术学院课件制作组4.输入/输出（I/O）（1）P0口（39脚～32脚）:P0.0～P0.7统称为P0口。（2）P1口（1脚～8脚）:P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。（3）P2口（21脚～28脚）:P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。（4）P3口（10脚～17脚）:P3.0～P3.7统称为P3口。

*广东松山职业技术学院课件制作组P3口的第二功能2.5.1单片机的引脚及功能*广东松山职业技术学院课件制作组2.5.2部分引脚应用及MCS-51单片机工作方式

复位操作就是使单片机内部的一些部件恢复到某种预先确定的状态。复位状态：除以下SFR外，其余SFR都被硬件自动写入0口锁存器P0~P3：0FFH堆栈指针SP：07HSBUF：不定内部RAM不受复位操作的影响，但在单片机接通电源时，RAM中的内容不定。1．复位工作方式*广东松山职业技术学院课件制作组SFR复位值SFR复位值SFR复位值PCACCBPSWSPDPTRP0～P3IP(51子系列)IP(52子系列)IE(51子系列)IE(52子系列)SBUF0000H00H00H00H07H0000HFFH×××00000B××000000B0××00000B0×000000B不定

TMODTCONTH0TL0TH1TL1TH2（52子系列）TL2（52子系列）RCAP2H(52子系列)RCAP2L(52子系列)SCONPCON(HMOS工艺)PCON(CHMOS工艺)

00H00H00H00H00H00H00H00H00H00H00H0×××××××B0×××0000B

*广东松山职业技术学院课件制作组单片机进入复位状态的条件在内部振荡器运行时，使复位输入端RESET至少保持两个机器周期（24个振荡周期）为高电平，由CPU采样复位信号，启动复位时序，完成复位操作。2.5.2部分引脚应用及MCS-51单片机工作方式

*广东松山职业技术学院课件制作组复位电路

上电复位电路

按钮复位电路

当VCC接通电源时，即可实现单片机的上电复位

2.5.2部分引脚应用及MCS-51单片机工作方式

*广东松山职业技术学院课件制作组2．程序运行工作方式MCS-51单片机的程序运行方式包括连续执行方式和单步执行方式两种。其中连续执行方式是程序最基本的执行方式，即从PC指针开始，连续不断地执行程序，直到遇到结束或暂停标志。在系统复位时，PC总是指向0000H地址单元，而实际的程序应允许从程序存储器的任意位置开始，可通过执行若干种指令使PC指向程序的实际起始地址。2.5.2部分引脚应用及MCS-51单片机工作方式

*广东松山职业技术学院课件制作组3．节电工作方式MCS-51单片机的CHMOS器件具有两种降低功耗的工作方式：空闲方式和掉电方式。

HMOS器件不具有这种功能。通过置位特殊功能寄存器PCON（电源控制寄存器）有关位可使器件进入节电工作状态。

2.5.2部分引脚应用及MCS-51单片机工作方式

*广东松山职业技术学院课件制作组D7D6D5D4D3D2D1D0SMOD－－－GF1GF0PDIDL波特率乘2倍。若使用定时器T1产生波特率且该位置1，则在串行口工作于方式1、2、3时波特率乘2通用标志位掉电位，该位置1激活CHMOS器件的掉电操作

空闲方式位，该位置1激活CHMOS器件的空闲操作通用标志位当PD和IDL同时置位，则优先执行PDPCON的直接字节地址是87H2.5.2部分引脚应用及MCS-51单片机工作方式

*广东松山职业技术学院课件制作组(1)空闲方式：执行一条使PCON.0置位的指令便可使器件立即进入空闲工作状态，此时CPU时钟被切断，但中断系统、定时器和串行口的时钟信号继续保持，所有SFR保持进入空闲工作方式前的状态；而ALE和信号保持为逻辑高电平。退出空闲方式有两种方法——产生中断或硬件复位。2.5.2部分引脚应用及MCS-51单片机工作方式

*广东松山职业技术学院课件制作组(2)掉电方式

执行一条使PCON.1置位的指令便可使器件立即进入掉电状态，此时振荡器停止工作，芯片的所有功能均停止，但片内RAM和SFR内容保持，ALE和信号输出为低电平。退出掉电方式的唯一方法是硬件复位。2.5.2部分引脚应用及MCS-51单片机工作方式

*广东松山职业技术学院课件制作组本章小结掌握MCS-51系列单片机的应用特点，了解其基本结构和基本特征，了解MCS-51系列单片机CPU的组成，熟悉各CPU组件（尤其是专用寄存器）及其作用；掌握MCS-51系列单片机的存储器结构，了解半导体存储器的类型和各自特点，能够区分不同型号51系列单片机程序存储器的应用状态；掌握片内数据存储器的功能区划分和各自寻址特点，熟悉常用的SFR的功能和应用特点；了解MCS-51系列单片机4个8位I/O端口的各自功能和应用特点；了解MCS-51系列单片机器件的外部引脚功能、封装形式，熟悉各控制引脚的功能和应用特点；了解MCS-51系列单片机的工作方式。了解CPU时序特点，熟悉机器周期的概念以及机器周期与指令周期之间的关系等。通过本章内容，读者应获得MCS-51系列单片机内部资源的比较全面的认识，为后续各章的学习奠定良好的基础。

*广东松山职业技术学院课件制作组2-1.MCS—51系列单片机包括哪几个主要部件？各自的逻辑功能如何？2-2.简述PC、PSW、DPTR和ACC等4种专用寄存器的各自含义和作用。2-3.何谓程序状态标志寄存器？它的符号是什么？它的位置在哪里？其中各位的含义是什么？多应用在什么场合？2-4.数据堆栈的特点是什么？堆栈指针的地址在哪里？单片机初始化后，把“SP初始化为07H”是什么意思？2-5.MCS—51系列单片机的存储器是怎样配置的？片内ROM与片外扩展ROM的存储空间的关系是什么？片内RAM与片外扩展RAM的存储空间的关系是什么？2-6.MCS—51系列单片机中ROMLess型器件，在应用中P0口和P2口能否直接作为I/O口连接开关、指示灯之类的外设？为什么？思考题与习题*广东松山职业技术学院课件制作组2-7.MCS—51系列单片机ROM存储空间中，0003H～002BH有什么用途？用户应怎样合理安排？2-8.8051的片内RAM分哪三部分？各部分在使用上有何特点？内部RAM中字节地址00～7F与位地址00～7F完全重合，CPU如何区分？2-9.MCS—51系列单片机如何实现工作寄存器组的选择？2-10.何谓时钟周期、机器周期、指令周期？三者间有何关系？当晶振频率为4MHz时，三者各是多少？2-11.MCS—51系列单片机40个引脚的功能各是什么？2-12.综述P0口、P1口、P2口、P3口的功能。当单片机外扩RAM和ROM时，他们各起什么作用？2-13.“复位”是什么意思？MCS—51系列单片机进入复位状态的条件是什么？常用的复位方法有哪几种？应注意什么事项？画出电路图说明其工作原理。

思考题与习题*广东松山职业技术学院课件制作组第3章MCS-51单片机指令系统指令系统概述MCS-51单片机的寻址方式MCS-51的指令系统*广东松山职业技术学院课件制作组本章主要内容

3.1指令系统概述

3.2MCS-51单片机的寻址方式

3.3数据传送类指令

3.4算数运算类指令

3.5逻辑运算类指令

3.6控制转移类指令

3.7位操作类指令*广东松山职业技术学院课件制作组1.指令的定义指令是主机能直接识别和接受并指挥计算机执行某种操作的命令。指令有两种基本表达形式：机器码指令和汇编语言指令。3.1指令格式及常用符号3.1.1指令的概念2.机器码指令与汇编语言指令机器码指令：用二进制代码（或十六进制数）表示的指令。也常被称为目标代码指令。汇编语言指令：为了便于记忆以及的程序的编写和阅读，用助记符表示的指令。

说明：汇编语言指令必须通过某种手段（汇编）把它变成机器码指令才能被机器执行。汇编可由计算机通过汇编程序自动完成，亦可手工汇编。

*广东松山职业技术学院课件制作组1．汇编语言指令格式：

[标号：]

操作码操作数

[；注释]

LOOP：

MOVA，#30H

；A←#30H操作码－－表示指令进行何种操作，用助记符形式给出。操作数－－指令操作的对象。分为目的操作数和源操作数。

3.1.2MCS-51单片机指令格式2．机器码指令的格式

操作码操作数（操作数用十六进制数表示） 机器码指令按指令的字节长度划分，有单字节、双字节、三字节指令。*广东松山职业技术学院课件制作组

单字节指令8位编码仅为操作码：指令INCA，编码为04H。A隐含在操作码中。

注意：指令中“A”表示累加器，而“ACC”表示累加器对应的地址（E0H）。

00000100INCA3.1.2MCS-51单片机指令格式*广东松山职业技术学院课件制作组高5位为操作码，低3位为存放操作数的寄存器编码。如：MOVA，R08位编码含有操作码和寄存器编码编码为11101000B，可表示为E8H（低3位000为寄存器R0的编码）。1110

1000MOVA，R0寄存器号3.1.2MCS-51单片机指令格式*广东松山职业技术学院课件制作组

双字节指令第一字节表示操作码，第二个字节表示参与操作的数据或数据存放的地址。

如：MOVA，#50H

编码为01110100B，01010000B。其十六进制表示为74H，50H。操作数01010000MOVA，#50H操作码011101003.1.2MCS-51单片机指令格式*广东松山职业技术学院课件制作组

三字节指令

指令的第一字节表示该指令的操作码，后两个字节表示参与操作的数据或数据存放的地址。如：MOV20H，#50H

编码为01110101B，00100000B，01010000B。可表示为75H，20H，50H。操作数00100000MOV20H，#50H操作码01110101010100003.1.2MCS-51单片机指令格式*广东松山职业技术学院课件制作组3.1.3指令系统微处理器（包括单片机）所有指令的集合称为该机器的指令系统。

MCS-51系列单片机使用42种助记符，有51种基本操作。通过助记符及指令中的源操作数和目的操作数的不同组合构成了MCS-51的111条指令。

MCS-51的指令系统按字节数分为：单字节指令49条，双字节指令45条，三字节指令17条；按指令执行的周期划分：