单片微型计算机原理及其应用电子教案

《单片微型计算机原理

及其接口技术》电子教案

周琪云

江西师范大学计算机信息工程学院

2005・元

t微计算机系统概念

微计菖机（HC）微处理器（MP）菖术逻辑部件（ALU）

（单片、单板）寄存器

控制电路

微

系统软件系统总线地址总线

计

数据总线

篁

控制总线

机

电源存储器ROMsPROM

系

RAM

统

输入端出电路串行输入输出接口

并行输入端i出接口

输入端出外围设备（显示器、键盘、磁盘、磕带、打印机等）

微处理器、微计算机和微计算机系统的关系

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。

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

量兼容的同时一，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发

展。

1.2单片前的特点

■(1)体积小、重量轻、功耗低、功能强、

性价比高。

■(2)数据大都在单片机内部传送，运行

速度快，抗干扰能力强，可靠性高。

■(3)结构灵活，易于组成各种微机应用

系统。

■(4)应用广泛，既可用于工业自动控制

等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器及

家用电器等领域。

1.3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

地址空间。

1.4单片机的主要品种及系列

■一、4位单片机

■二、8位单片机

■三、16位单片机

■四、32位单片机

表格1-1MCS-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字吊

80C31CHMOS无128字十

8051HMOSROM(8K)256字节

8031HMOS无256字节

1.5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

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。

2.1MCS-51单并机的结构原理

■一、8051单片机的结构

TnTi

PoPiP2P3TXDRXDINTOINT1

图2-1MCS-51单片机的基本结构

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:

PO.OPO.7P2.OP2.7

图2-28051的内部结构框图

FFHFFFFH

SFR

80H

RAM外部

RAM

3OH

OFFFH

位寻址区

20H

工作

寄存器

0〜3组

OOOOHOOH0000H

图2-38051存储器组织结构

字节地

位地址

址

D.D、

D.D,65D,iD0n

2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H

2EH77H76H75H74H73H72H71H70H

2DH6FH6F.H6DH6cH6RH6AH69H6RH

2CH67H66HASH64H62H61H60H

2BH5FHSEHSDHSCHSRHSAHSOH

2AH57H56H55H54H53H52H51H50H

29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H

28H47H46IT4STT44H42H47H41T-T4nH

27H3FH3EH?DH2rH3RH3AH39H

26H37H36H35H34H33H32HMHROH

25H2FH2EH?DH2cH2RH2AH29H2又H

24H77I-T26H25H24H23H22H21H20H

23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H

22H17H16H1SH14HBH12H11H10H

21H0FHOEH_ODHOCHOBH0AH09H08H

20H07H06HOSH04H02H01HOOH

图2-48051内部RAM位地址区

单兀地加

符号地址

*ACCEOH累加器_________________ACC.7〜ACC.0E7H〜EOH

*BFOH乘法寄存器B.7-B.0F7H~F0H

*PSWDOH程序状态字PSW.7-PSW.0D7H-D0H

SP81H堆栈指针

DPL82H数据存储器指针（低8位）

DPH83H数据存储器指针（高8位）

*IEA8H中断允许控制器IE.7〜IE.0AFH〜A8H

表格*IPB8H中断优先控制器IP.7〜IP.0BFH〜B8H

2-280H通道87H〜80H

*P00^0.7^0.0

特殊90H97H〜90H

*-P-,i--通道1P—P"

功能*p?AOH通道2「2.7~「2.0A7H-A0H

寄存*p.BOH通道3「3.7~「3.0B7H-B0H

器表PCON87H电源控制及波特率选择

*SCON98H串行口控制SCON.7-SCON.O9FH-98H

SBUF99H串行数据缓冲器

*TCON88H定时控制TC0N.7-TCON.O8FH〜88H

TMOD89H定时器方式选择

8AH

TL0定时器0低8位

TL,8BH定时器1低8位

8CH

THn定时器0高8位，

TH18DH定时器1高8位

*：可位寻址的特殊功能寄存器

（1）Po口位的结构

读引脚

图2-5P。口的位结构

(2)P1口位的结构

vcc

读锁存器

内部上拉电阻

内部总线

Pl.n

Pl.n

写锁存器锁存器

>

读引脚

图2-6口的位结构

(3)P2口的位结构

VCC

地址控制

读锁存器

内部上拉电阻

内部总线

P2.

写锁存器T

读引脚

图P2口的结构图

(4)P3口的位结构

VCC

第二输出功能

读锁存器

内部上拉电阻

内部总线

写锁存器

读引脚

第二输入功能

图2-8P3口的结构图

(4)P3口的位结构

第二输出功能-j-

读锁存器

内部上拉电阻

内部总线

4i----e-P3,n[>

写锁存器P---------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/O口第二功能注释

P3.0RXD串行口数据接收端

TXD串行口数据发送端

p3..

P3.2

INT(------------)0外部中断请求0

P3.3

INT(------------)(外部中断请求1

P3.4定时/计数器

To0

P3.5Ti定时/计数器1

P3.6WR(---------)外部RAM写信号

P3.7RD(---------)外部RAM读信号

2.2MCS・51单片机的时序

、时钟周期、机器周期和指令周期

图2-9基本定时时序关系

1.时钟周期

2.机器周期

ALEj

「读操作码F读操作码（无效）1「读下-•指令

（a）1字节

SIS2S3S4S5S6

1周期指令

__________j第二字节____________读卜一指令

「

（b）2字节

S3S4S5S6

1周期指令

读操作码读操作码（无效）读下一指令

「「…jJ

（C）1字节

SIS2S3S4S5S6SIS2S3S4S5S6

2周期指令

图2-10MCS-51的取指/执行时序

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

日寸车中

ALE

PSEN

图2・11访问外部ROM的时序

1.访问外部ROM的时序

2.访问外部RAM的时序

SIS2|S3S4S5S6SIS2S3S4S5S6

ALE

PSEN

RD

PCH输出DPH输出或P2输出PC11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

2.3MCS-51单片机的时钟和复位电路

、时钟电路

VCC

XTAL1XTAL280C51

XTAL1

XTAL1XTAL2

VssVss

(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2-13MCS-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

RST/VPD0-----------0-------►//一►复位电路

D2-------

支

D1斯密特触发器

Vcco-----M-----n

RAM

VssO------------(»

图2-148051复位电路结构

2.外部复位电路

8051RESETv(c8051RESETVCC8051

JZL~口一

VccVccao—o—Vcc

C-Ci--c

C222pF二

22pF-22UFRi200T22口F

」|______<

RST/VPD"II'IRST/VPD~□——n-----RST/VPD

RqR2RirR2r

IkL

IkIkIk

l_______

VssIVssVss

(a)上电复位

(b)按健脉冲复位(c)按键电平复位

图2・15复位电路

勾寄墓位1状7态

专用寄存雷'复位值

PC0000H

ACCOOH

BOOH

PSWOOH

SP07H

DPTR0000H

P°〜P3FFH

IPXXX00000B

IE0XX00000B

TMODOOH

TCONOOH

THOOOH

TLOOOH

TH1OOH

TL1OOH

SCONOOH

SBUF不定

PCON(CHMOS)0XXX0000B

表格2-4各专用寄存器的复位值

2.4MCS-51单片机的低功耗工作方式

、电源控制寄存器PCON

DDD』DD,

D765D32D（）

PCONSMOD————GF1GFOFDIDL

二、等待工作方式

三、掉电方式

第三章MCS-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］

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

三、MCS-51单片机指令系统特点

（1）指令执行时间快。

（2）指令短，约有一半的指令为单字节

指令。

（3）用一条指令即可实现2个一字节的相

乘或相除。

（4）具有丰富的位操作指令。

（5）可直接用传送指令实现端口的输入

输出操作。

四、指令分类

■按指令功能，MCS-51指令系统分为数

据传递与交换、算术运算、逻辑运算、

程序转移、布尔处理操作等5类。

■布尔处理操作类指令又称位操作指令。

五、指令描述符号介绍

Rn——当前选中的寄存器区中的8个工作

寄存器R0~R7(n=0~7)。

Ri——当前选中的寄存器区中的2个工作

寄存器RO、RI(i=0,1)o

direct—8位的内部数据存储器单元中的地

址。

#data-----包含在指令中的8位常数。

#datal6——包含在指令中的16位常数。

addrl6------16位目的地址。

addrll——11位目的地址。

rel——8位带符号的偏移字节，简称偏移量。

DPTR一数据指针，可用作16位地址寄存器。

bit——内部RAM或专用寄存器中的直接寻址位。

A一累加器。

B——专用寄存器，用于乘法和除法指令中。

C——进位标志或进位位，或布尔处理机中的累

加器。

@——间址寄存器或基址寄存器的前缀，

如@印，@DPTRO

/——位操作数的前缀，表示对该位操作

数取反，如/bit。

X——片内RAM的直接地址或寄存器。

(X)——由X寻址的单元中的内容。

———箭头左边的内容被箭头右边的内

容所代替。

3.2寻址方式

一、立即寻址

二、直接寻址

三、寄存器寻址

四、寄存器间接寻址

五、变址寻址

六、相对寻址

七、位寻址

一、立即寻

■指令中直接给出操作数的寻址方式。立即操

作数用前面加有#号的8位或16位数来表示。

例如：MOVA,#60H；A-#60H

MOVDPTR,#3400H；DPTR―#3400H

MOV3OH,#40H；30H单元-#40H

■上述三条指令执行完后，累加器A中数据为

立即数据60H,DPTR寄存器中数据为3400H,

30H单元中数据为立即数40H。

、直接寻址

■指令中直接给出操作数地址的寻址方式，能

进行直接寻址的存储空间有SFR寄存器和内

部数据RAM。

例如：MOVPSW,#20H；

PSW-#20H

PSW为直接寻址寄存器的符号地址。

MOVA,30H；A-30H内部RAM单

元中的内容

■30H为直接给出的内部RAM的地址。

三、寄存器寻址

■以通用寄存器的内容为操作数的寻址方

式。通用寄存器指A、B、DPTR以及

R0〜R7。

例如：CLRA；A-0

INCDPTR；DPTR-DPTR+1

ADDR5,#20H；R5-#20H+R5

四、寄存器间接寻址

■以寄存器中内容为地址，以该地址中

内容为操作数的寻址方式。间接寻址

的存储器空间包括内部数据RAM和外

部数据RAM。

■能用于寄存器间接寻址的寄存器有RO,

RI,DPTR,SPo其中RO、R1必须是

工作寄存器组中的寄存器。SP仅用于

堆栈操作。

例如：MOV@R0,A；内部RAM(RO)-A

其指令操作过程示意图如图3-1所示。

又如：MOVXA,@R1；A一外部

RAM(P2R1)其指令操作过程示意图如图3-

2所示。

再如：MOVX@DPTR,A；外部

RAM(DPTR)-A

其指令操作过程示意图如图3-3所示。

RO

A

图3-1MOV@R0,A间接寻址示意图

片外片外

图

图3-2MOVXA,@R13-3MOVX@DPTR,A

间接寻址示意图

间接寻址示意图

五、变址寻址

■变址寻址只能对程序存储器中数据进行操作。由

于程序存储器是只读的，因此变址寻址只有读操

作而无写操作，在指令符号上采用MOVC的形式

(如图3-4所示)。

例如：MOVCA,@A+DPTR；A—(A+DPTR)

又如，MOVCA,@A+PC；A-(A+PC)

这条指令与上条指令不同的是，基址寄存器是PC。

Rid

程序存储器DPTR

2000H

10H2000H

201OH

图3-4变址寻址示意图

六、相对寻址

■以当前程序计数器PC的内容为基础，

加上指令给出的一字节补码数（偏移

量）形成新的PC值的寻址方式。

■相对寻址用于修改PC值，主要用于实

现程序的分支转移。

例如,SJMP08H；

PC-PC+2+08H

指令操作示意图如图3-5和图3-6所示。

PC

(2000H)

200AH

图3-5相对寻址示意图

80H-----操作码

2000Hrel=54HPC当前值

2001H54H2002H

2002II下一条指令

•

\

ALU

2056H

修正后转移

目标地址（PC）=2056H

图3-6相对寻址过程

七、位寻址

■位寻址只能对有位地址的单元作位寻址操作。

■位寻址其实是一种直接寻址方式，不过其地

址是位地址。

例如：SETB10H；将10H位置1若22H单

元中存放着数据40H,22H单元的D。位的位

地址为10H,执行上述指令后（22H）=41H。

又如：MOV32H,C；32H一进位位C

ORLC,32H；C-CV32H

.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）

、数据传送类指令

■数据传送类指令共29条，是将源操作数送到目

的操作数。指令执行后，源操作数不变，目的

操作数被源操作数取代。数据传送类指令用到

的助记符有MOV、MOVX、MOVC、XCH、

XCHD、SWAP、PUSH、POP8种。

■源操作数可采用寄存器、寄存器间接、直接、

立即、变址5种寻址方式寻址，目的操作数可以

采用寄存器、寄存器间接、直接寻址3种寻址方

MCS-51单片机片内数据传送途径如图3-7所

Zpso

图3-7MCS-51单片机片内数据传送图

1.以A为目的操作数

MOVA,Rn；A—Rn

MOVA,direct；A—(direct)

MOVA,@Ri；A—(Ri)

MOVA,#data；A—#data

2.以Rn为目的操作数

MOVRn,A；Rn-A

MOVRn,directRn—(direct)

MOVRn,#dataRn—#data

3.以直接地址为目的操作数

MOVdirect,A；(direct)-A

MOVdirectLdirect2；(directl)—(direct2)

MOVdirect,#data；(direct)—#data

MOVdirect,@Ri;

4.以间接地址为目的操作数

MOV@Ri,A；(Ri)-A

MOV@Ri,direct；(Ri)一(direct)

MOV@Ri,#data；(Ri)―#data

例如：设(30H)=6FH,Rl=40H,执行

MOV@R1,30H后，30H单元中数据取

出送入RI间接寻址的40H单元，(40H)

=6FH。

5.以DPTR为目的操作数

MOVDPTR,#datal6；DPTR—#datal6

例如执行MOVDPTR,#2000H后，

(DPTR)=2000Ho

6.访问外部数据RAM

MOVXA,@DPTR；A—(DPTR)

MOVX@DPTR,A；(DPTR)-A

MOVXA,@Ri；A—(P2Ri)

MOVX@Ri,A；(P2Ri)-A

7.读程序存储器

MOVCA,@A+DPTR；A—(A+DPTR)

MOVCA,@A+PC；A-(A+PC)

例如已知A=30H,DPTR=3000H,

程序存储器单元(3030H)=50H,执行MOVC

A,@A+DPTR后，A=50Ho

8.数据交换

•字节交换

XCHA,Rn；A<=>Rn

XCHA,direct；A<=>(direct)

XCHA,@Ri；A<=>(Ri)

•半字节交换

XCHDA,@Ri,(Ri)

SWAPA；A0〜3VQA4〜7

9.堆栈操作

■所谓堆栈是在片内RAM中按“先进后出，后进先

出”原则设置的专用存储区。数据的进栈出栈由

指针SP统一管理。堆栈的操作有如下两条专用指

令：

PUSHdirect；SP-(SP+1),(SP)一(direct)

POPdirect；(direct)—(SP),SP-SP-1

■PUSH是进栈(或称为压入操作)指令。指令执行

过程如图3-8所示。

■POP是出栈(或称为弹出操作)指令。指令执行

过程如图3-9所示。

片内片内片内

执行前执行前PUSH指令后执行POP指令后

PUSH40HPOP30H

图3-8指令PUSH操作示意图图3-9指令POP操作示意图

数据传送类指令一览表（1）

助记符功能描述字吊数振荡器周期数

MOVA,Rn寄存器送累加器112

MOVRn,A累加器送寄存器112

MOVA,@Ri内部RAM送累加器112

MOV@Ri,A累加器送内部RAM112

MOVA,#data立即数送累加器212

MOVA,direct直接寻址字节送累加器212

MOVdirect,A累加器送直接寻址字节212

MOVRn,#data立即数送寄存器212

MOVdirect,#data立即数送直接寻址字节324

MOV@Ri,#data立即数送内部RAM212

MOVdirect,Rn寄存器送直接寻址字节224

MOVRn,direct直接寻址字节送寄存器224

MOVdirect,@Ri内部RAM直接寻址字1J224

MOV@Ri,direct直接寻址字节送内部RAM224

数据传送类指令一览表（2）

MOVdirect,direct直接寻址字节送直接寻址字节324

MOVDPTR,#datal616位立即数送数据指针324

MOVXA,@Ri外部的RAM（P28位地址）内容送累加器124

MOVX@Ri,A累加器送外部的RAM（P28位地址）124

MOVXA,@DPTR外部的RAM（16位地址）内容送累加器124

MOVX@DPTR,A累加器送外部的RAM（16位地址）124

MOVCA,@A+DPTR程序代码送累加器（相对数据指针）124

MOVCA,@A+PC程序代码送累加器（相对程序计数器）124

XCHA,Rn累加器与寄存器父换112

XCHA,@Rn累加器与内部RAM交换112

XCHA,direct累加器与直接寻址字节交换212

XCHDA,@Ri累加器与内部RAM低4位交换112

SWAPA累加器高4位与低4位交换112

POPdirect栈顶弹出至直接寻址字节224

PUSHdirect直接寻址字节压入栈顶224

【例1］设片内RAM30H单元为40H,40H单元中的内容为

10H,10H单元内容为00H,端口P1上的内容为11001010B,

分析下面7条指令功能，操作数采用的寻址方式以及指令执

行后各单元及寄存器、端口的内容。

MOVRO,#3OH

MOVA,@R0

MOVRI,A

MOVB,@R1

MOV@R1,Pl

MOVP2,Pl

MOV10H,#20H

【例2工设一系统配有2KB的外部RAM,设计一段程序把

250单元的内容送650H单元。

MOVDPTR,#0650H

MOVRO,#0FAH

MOVXA,@R0

MOVX@DPTR,A

【例3】将片内RAM30H单元与40H单元中的内容互换。

方法1（直接地址传送方法2（间接地址传送

法）：法）：

MOV31H,30HMOVRO,#40H

MOV30H,40HMOVRI,#3OH

MOV40H,31HMOVA,@R0