单片机基础知识

第1章单片机基础知识1.1

了解单片机的概念

1.2MCS-51内核单片机1.3

单片机的存储器扩展1.4AT89S51单片机最小系统1.5单片机应用系统设计的一般方法1.1单片机的基本概念什么是单片机？

将微处理器CPU、一定容量的ROM和RAM以及I/O口、定时器/计数器、中断系统等电路集成在一块芯片上，构成单片机微型计算机，简称单片机SCM。单片机主要应用于控制领域，用以实现各种测试和控制功能。为了强调其控制属性，单片机又被称为MCU。单片机与单片机系统单片机系统是为了实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。1.1单片机的基本概念发展历程：4位、8位、16位、32位。自单片机诞生以来的近四十年中，单片机已有70多个系列，近500个机种。国际上较有名、影响大的公司及其产品：Intel公司：MCS-48、MCS-51、MCS-96系列；Motorola公司：6801、6802、6803、6805、68HCH系列；Zilog公司：Z8、Super8系列；Fairchild（仙童）公司和Mostek公司的F8、3870系列；NEC公司：μCOM-87系列；Rockwell公司：6500、6501系列ATMEL、PHILIPS、LG、三星、华邦等公司的51兼容机。1.1.1

单片机的发展状况1.1.1单片机的发展状况单片机特点集成度高，抗干扰能力较强，可靠性高；体积小、重量轻、低电压、低功耗，便于生产便携式产品；控制功能强，运算速度快；硬件通用化、应用灵活，单片机的系统扩展、系统配置较为典型、规范，易构成各种规模的应用系统；研制周期短；价格便宜。单片机的发展趋势

单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展。为满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。1．CPU的改进（1）增加CPU数据总线宽度。例如，各种16位单片机和32位单片机，数据处理能力要优于8位单片机。另外，8位单片机内部采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机。（2）采用双CPU结构，以提高数据处理能力。2．存储器的发展（1）片内程序存储器普遍采用闪烁（Flash）存储器。可不用外扩展程序存储器，简化系统结构。（2）加大存储容量。目前有的单片机片内程序存储器容量可达128KB甚至更多。3．片内I/O的改进（1）增加并行口驱动能力，以减少外部驱动芯片。有的单片机可以直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LED和VFD（荧光显示器）。（2）有些单片机设置了一些特殊的串行I/O功能，为构成分布式、网络化系统提供方便条件。4．低功耗化

CMOS化，功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式。消耗电流仅在µA或nA量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。5．外围电路内装化

众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化是目前发展趋势之一。例如，美国Cygnal公司的C8051F0208位单片机，内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟周期，峰值处理能力为25MIPS。片上集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测、看门狗、多种类型的串行接口（两个UART、SPI）等。一片芯片就是一个“测控”系统。

综上所述，单片机正在向多功能、高性能、高速度（时钟达40MHz）、低电压（2.7V即可工作甚至更低）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据存储器容量不断增大的方向发展。1.1.2单片机的应用智能产品上的应用工业控制的应用家用电器的应用计算机网络和通信领域的应用汽车设备领域中的应用

单片机应用领域通讯及网络办公自动化家电、电子玩具智能仪器仪表工业测控1.1.3单片机的系列产品介绍ATMEL类单片机Intel单片机Motorola单片机Microchip单片机东芝单片机Zilog单片机1.2MCS-51内核单片机单片机基本组成2、数据存储器(RAM)：

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果等。掉电后数据消失。3、程序存储器(ROM)：8051有4K的8位掩膜ROM，存放用户程序，原始数据或表格。EPROM、EEPROM4、定时/计数器(Timer/Counter）：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数,并产生中断用于控制程序转向。5、并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位并行I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。6、全双工串行口：

8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可用作异步通信收发器，也可以当同步移位寄存器使用。

7、中断系统：

8051具有相对完善的中断功能，有2个外中断、2个定时/计数器中断和1个串行中断，可满足不同控制要求，并具有2级的优先级别选择。8、时钟电路：

8051内置频率12MHz时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡器和振荡电容。8051

单

片

机

内

部

结

构

图

1.2.2单片机的外部引脚DIP引脚图逻辑符号

8051的40个引脚可分为：1.电源引脚(2根)

VCC(40脚)：电源端，接+5V电源。VSS(20脚)：接地端。2.时钟引脚(2根)

XTAL1(19脚)：接外部晶振和微调电容的一端。采用外部时钟电路时，此引脚应接地。XTAL2(18脚)：接外部晶振和微调电容的另一端。使用外部时钟时，此引脚应接外部时钟的输入端；8051单片机正常工作时，该引脚应该有脉冲信号输出。

3.控制引脚(4根)

(30脚)：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号控制锁存P0口输出的低8位地址，从而实现P0口数据与低位地址的分时复用。当访问内部程序存储器时，ALE端将输出1/6时钟频率的正脉冲信号。这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可当做一个时钟向外输出，每次有效对应一次读指令操作。3.控制引脚(4根)

(29脚)：片外ROM读选通信号端。当访问外部程序存储器时，此引脚输出负脉冲选通信号，16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。

(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端。

当EA接高电平时，CPU执行片内ROM指令，但当PC值超过0FFFH时，将自动转去执行片外ROM指令；当EA接低电平时，CPU只执行片外ROM指令。

对8031，此管脚怎么处理？

RST/VPD(9脚)：复位信号/备用电源输入引脚

当此引脚保持2个机器周期（24个时钟周期）的高电平后，就可使8051完成复位操作。复位方式可以是自动复位或手动复位。初始化后，系统所处状态：（1）程序计数器PC指向0000H；（2）P0-P3输出口全部为高电平；（3）堆栈指针SP写入07H，其它专用寄存器被清“0”。注意：初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，RST由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。

RST/VPD(9脚)：复位信号/备用电源输入引脚

4.I/O引脚

(1)P0.0～P0.7(39～32脚)：P0口的8位双向I/O口线。P0口可作为通用双向I/O口。在外接数据、程序存储器时，可作为低8位地址/数据总线复用引脚。

(2)P1.0～P1.7(1～8脚)：P1口的8位准双向I/O口线。P1口作为通用的I/O口使用。

(3)P2.0～P2.7(21～28脚)：P2口的8位准双向I/O口线。P2口即可作为通用的I/O口使用，也可作为片外存储器的高8位地址总线，与P0口配合，组成16位片外存储器单元地址。(4)P3.0～P3.7(10～17脚)：P3口的8位准双向I/O口线。P3口除了作为通用的I/O口使用之外，每个引脚还具有第二功能。

信号引脚的第二功能由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的，而单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过实际管脚数。解决这一矛盾的方式是引脚复用。具有第二功能的引脚：EPROM存储器程序固化所需信号：编程脉冲ALE/PROG编程电压备用电源引入：RST/VPDP3口P3口的第二功能对于各种型号的芯片，引脚的第一功能是相同的，所不同的只在第二功能信号上。对于9、30和31各引脚，由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号，因此不会发生使用上的矛盾。P3口的情况有所不同，它的第二功能信号都是单片机的重要控制信号。因此在实际使用中，总是先按需要优先选用它的第二功能。1.2.3单片机的存储器

MCS-51单片机程序存储器和数据存储器相互独立（独立编址、独立访问），即存储器采用是哈佛结构。（另外一种是冯诺曼结构又称为普林斯顿结构）在物理结构上有4个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。单片机的外部数据存储器和I/O接口采用统一编址的方式。

在逻辑结构上有3个存储空间：64K字节片内片外统一编址的程序存储器、256字节片内数据存储器、64K片外数据存储器。在访问三个不同的逻辑存储空间时，采用不同的指令和不同的控制信号。存储器空间分布图

1.程序存储器ROM作用：用于存放程序和常数表格。一般采用只读式存储器ROM、EPROM、E2PROM。特点:

寻址范围64K，与之对应的编址为0000H~FFFFH；片内片外连续统一编址，先片内再片外，地址不重合（片内0000H~0FFFH，片外1000H~FFFFH）；选择片内片外ROM与哪个控制引脚有关？有6组特殊单元0000H~002AH：

0000H~0002H：复位入口地址0003H~000AH：外部中断INT0入口地址000BH~0012H：定时器T0/C0溢出中断入口地址0013H~001AH：外部中断INT1入口地址001BH~0022H：定时器T1/C1溢出中断入口地址0023H~002AH：串行口中断入口地址；注意事项系统若扩展片外程序存储器时，P0（通过锁存器）、P2口与16位地址线连接；对于片内有ROM的单片机，/EA=1，对于片内无ROM的单片机8031，调试时/EA=1（不用8031的程序存储器），而使用时，/EA=0；外部程序存储器读选通信号/PSEN只用于外部ROM取指，对片内程序存储器无效；6组特殊单元，一般存放一条无条件跳转语句；

片外ROM和片外RAM的地址出现了重叠，可使用相应的指令进行区分。访问外部ROM时，用MOVC指令。2.数据存储器作用：用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓存、标志位等。一般采用读写存储器:静态/动态RAM。特点：片内、片外分别编址；片内：00～FFH片外：0000H~FFFFH片外RAM用数据指针DPTR寻址，由管脚RD/WR控制RAM的读出/写入；片内RAM分为四个区（工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区和特殊功能寄存器区）

内部数据存储器和外部数据存储器在00H~7F范围内地址出现了重叠的现象，单片机通过不同的指令格式加以区分。访问片内RAM使用MOV指令，允许采用多种寻址方式。

例如：MOVA，@R0

MOV@R1，A片外RAM采用MOVX指令，若外部存储单元的地址为8位，可选择R0或R1作为间接寻址寄存器。

例如

MOVXA，@R0

MOVX@R1，A

若地址为16位，必须选DPTR寄存器地作为间接寻址寄存器。例如：MOVXA，@DPTR

MOVX@DPTR，AMCS_51单片机内部数据储存器配置片内RAM分为四个区（工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区和特殊功能寄存器区）（1）工作寄存器区（00H-1FH）

该区32个单元分为4组，每组包含8个八位寄存器，均以R0~R7来命名，称为通用寄存器。CPU当前所使用的工作寄存器区是由程序状态字PSW中的D3（RS0）和D4(RS1)位来选择的。通过修改PSW中的RS0和RS1这两位，就可选择任一组工作寄存器，这有利于提高CPU的效率和响应中断的速度。

(2)位寻址区（20H-2FH）片内RAM的20H—2FH单元为位寻址区，它们既可作为一般单元用字节寻址，也可以对其中的某位进行寻址。位寻址区共16字节，位地址00~7FH。“位”的表示方式：以位地址形式，如7FH以存储单元加位的形式，如2FH.7（3）用户RAM区（30H-7FH）

该区用于存放用户数据，对这部分区域的使用不作任何规定和限制，堆栈一般开辟在这个区域。（4）特殊功能寄存器区（80H-FFH）

8051单片机有21个特殊功能寄存器，离散分布在片内高128字节内，只能采用直接寻址方式，其中11个特殊功能寄存器还可位寻址，这11个字节地址都可被8整除，如ACC的字节地址为E0H，其位地址为E0H-E7H。

对此区空闲地址的操作是无意义的。常用的特殊功能寄存器：ACC、B、PSW、SP、DPTR等。①与ALU相关的（3个）

程序状态字（PSW）

PSW是8位寄存器，用于作为程序运行状态的标志。里面存放了CPU工作时的很多状态，借此，我们可了解CPU的当前状态，并作出相应处理。

AC—辅助进位标志位。在加减运算中，当有低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置位，否则被清零，用于调整BCD码的运算结果。F0—用户标识位，用于控制程序的转向。RS1、RS0—工作寄存器组的选择位。OV—溢出标志位。P—奇偶校验位。用来表示累加器A内容中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则为0。②与指针相关的（2个）数据指针（DPTR）—16位SFR，可分开为两个8位：DPL和DPH。存放外部存储器的地址。堆栈指针（SP）

SP是一个8位寄存器，指示堆栈顶部在内部RAM中的位置，专门用来存放堆栈的栈顶地址。入栈能自动加1，出栈则自动减1。堆栈操作遵循先进后出的原则。

系统复位后初始化的值为07H，则堆栈由08H单元开始，占用了工作寄存器空间，可以改变SP的值，一般设在30H-7FH。堆栈的作用：保护断点：在调用子程序或中断时，返回地址自动进栈。程序返回时，断点自动弹回到PC。保护现场：使用专用堆栈操作指令POP与PUSH。如现场保护就是指令式的进栈操作；现场恢复就是出栈操作。堆栈的开辟：在内部数据存储器，容量有限；堆栈指示器SP：无论数据进栈还是出栈，都是对栈顶单元进行，即对栈顶单元的写和读操作。为了指示栈顶地址，要设置堆栈指针，SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。堆栈类型：向上生长型（栈底是低地址单元）进栈操作：先SP加1，后写入数据；出栈操作：先读出数据，后SP减1。进栈出栈程序计数器PC是一个16位的计数器，是程序存储器的字节地址计数器，它里面存放着将要执行的下一条指令的地址。其特点如下：不可寻址的专用寄存器物理上是独立的，不占据RAM单元；寻址范围为64K字节1.2.4单片机的时钟电路和时序1.时钟电路：

MCS-51的时钟有2种方式：（1）内部振荡方式:利用单片机内部的振荡电路,产生时钟信号，这种方式单片机的时钟引脚上接石英晶体和振荡电容；（2）外部时钟方式:外部已有时钟信号引入单片机。2.CPU的时序

时序是用定时单位来描述的。MCS-51时序单位有4个，从小到大依次为节拍、状态、机器周期、指令周期。（1）节拍、状态

一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示），这两个节拍中的前一拍称为P1，后一拍为P2。（2）时钟周期

也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数，它是计算机中最基本的、最小的时间单位。时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时间周期就是1/12us。（3）机器周期

CPU访问存储器一次所需的时间。例如，取指令、读存储器、写存储器等。51系列单片机的1个机器周期同6个状态周期组成，也就是说1个机器周期等于6个状态周期，即12个时钟周期。（4）指令周期

执行1条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同，有单周期指令、双周期指令和四周期指令。典型指令时序1.2.5单片机的复位和复位电路1.3存储器扩展

8051单片机一块芯片就是一个完整的最小微机系统，但片内存储器的容量、并行I/O端口、定时器等内部资源都还是有限的。可以根据实际需要，对其进行功能扩展，它包括数据存储器和程序存储器等的扩展。

系统的扩展是通过总线把单片机和扩展部分连接起来。根据总线传送的信息可分为数据总线（DB）、地址总线(AB)和控制总线(CB)。单片机扩展总线的构造

数据总线D0～D7:

数据总线的宽度为8位，由P0口提供。地址总线A0～A15

8051单片机的地址总线宽度为16位，P0提供低8位地址，P2提供高8位地址。可寻址范围64KB,。由于P0即作低8位地址线，又作数据线，所以它是分时复用的引脚，使用时需要加一个8位锁存器，如74LS373。控制总线

P3提供的读信号、写信号,加上控制线、ALE、/EA、/PSEN等信号组成控制总线。/RD读和/WR写作为扩展数据存储器读、写选通信号；/EA信号作为片内、外ROM的选择控制信号；ALE信号作为地址锁存器的选通信号，实现对低8位地址的锁存；/PSEN号作为扩展程序存储器ROM的读选通信号。单片机扩展总线的构造如图

89S51单片机内部有4KBFlashROM，当程序大于4KB时，就需要扩展程序存储器。1.常用程序存储器芯片

程序存储器有许多种，比如ROM(只读存储器)、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦除可编程ROM)、EEPROM(电可擦除可编程)和FlashROM(闪存存储器)。最常见的芯片是紫外线可擦除的EPROM，主要是Intel公司生产的27XXX系列，如2716（2K×8）、2732（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）、27512（64K×8）等。1.3.1程序存储器扩展图1.12常用EPROM芯片的管脚和封装（除了2716、2732（DIP24）外，其他均为DIP28的双列直插式封装。）EPROM各引脚功能如下:

①A0～A15:地址输入线，引脚的数目随芯片的容量有所不同。②D0～D7:双向三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线。其余时间呈高阻状态。③/CE:片选信号，低电平表示该芯片被选中。

④/OE:读出选通线，低电平输出缓冲器打开，数据输出。

⑤/PGM:编程脉冲输入线。正常工作时接+5V电源，编程时输入编程脉冲。

⑥VPP:编程电源输入线，正常工作时接+5V电源，编程加编程电压。

⑦VCC:电源线，接+5V电源。

⑧NC：空。

⑨GND：接地。2.总线扩展地址锁存器与单片机的连接3.扩展的基本结构4.典型EPROM的扩展例1：单片扩展例2：线选法单片扩展线选法多片EPROM的扩展电路线选法多片EPROM的扩展电路0000H-1FFFH2000H-3FFFH4000H-5FFFH对于多片程序存储器的扩展，其要点：各芯片的低位地址线并行连接；各芯片的数据线并行连接；各芯片的控制信号/PSEN并行连接；采用线选法或译码法来产生各芯片的片选信号。

1.3.2数据存储器的扩展

图1.14常用RAM芯片的管脚和封装1.常用RAM芯片

①A0～A15：地址输入线，引脚的数目随芯片的容量有所不同。

②D0～D7：双向三态数据总线。

③/CE:片选线，低电平有