單片機基礎

單片機概述 單片機 即集成在一塊芯片上的計算機 集成了中央處理器CPU CentralProcessingUnit 隨機存儲器RAM RandomAccessMemory 只讀存儲器 ReadOnlyMemory 定時器 計數(shù)器以及I O接口電路等主要計算機部件 單片微型計算機 SingleChipComputer 簡稱單片機 也可稱為微控制器MCU MicrocontrollerUnit 主要有Intel公司的MCS 48 51 96系列單片機 Motorola公司的MC6801 6805系列單片機 Zilog公司的Z8系列單片機 近年有Atmel公司的AT89系列單片機和Microchip公司的PIC系列單片機等 單片機發(fā)展概況 各種系列的單片機由于其內(nèi)部功能 單元組成及指令系統(tǒng)的不盡相同 形成了各具特色的系列產(chǎn)品 其中Intel公司生產(chǎn)的MCS系列單片機目前仍占主導地位 從1976年9月Intel公司推出MCS 48系列單片機以來 世界上的一些著名的器件公司都紛紛推出各自系列的單片機產(chǎn)品 1976 1978初級8位單片機IntelMCS 48系列1978 高檔8位單片機IntelMCS 51系列 51子系列 8031 8051 8751 52子系列 8032 8052 8752低功耗型80C31高性能型80C252廉價型89C2051 1051 Intel單片機 1983 16位單片機IntelMCS 96系列8098 8096 80C198 80C19632位單片機80960 51系列單片機分類 51系列單片機源于Intel公司的MCS 51系列 在Intel公司將MCS 51系列單片機實行技術開放政策之后 許多公司 如Philips Dallas Siemens Atmel 華邦 LG等都以MCS 51中的基礎結構8051為基核推出了許多各具特色 具有優(yōu)異性能的單片機 這樣 把這些廠家以8051為基核推出的各種型號的兼容型單片機統(tǒng)稱為51系列單片機 Intel公司MCS 51系列單片機中的8051是其中最基礎的單片機型號 MCS 51系列 AT89系列 其它公司的51系列單片機 MCS51單片機和8051 8031 89C51等的關系 MCS51是指由美國INTEL公司生產(chǎn)的一系列單片機的總稱 這一系列單片機包括了好些品種 如8031 8051 8751 8032 8052 8752等 其中8051是最早最典型的產(chǎn)品 該系列其它單片機都是在8051的基礎上進行功能的增 減 改變而來的 所以人們習慣于用8051來稱呼MCS51系列單片機 而8031是前些年在我國最流行的單片機 所以很多場合會看到8031的名稱 INTEL公司將MCS51的核心技術授權給了很多其它公司 所以有很多公司在做以8051為核心的單片機 當然 功能或多或少有些改變 以滿足不同的需求 其中89C51就是這幾年在我國非常流行的單片機 它是由美國ATMEL公司開發(fā)生產(chǎn)的 以后我們將用89C51來完成一系列的實驗 第二章MCS 51單片機的組成及工作原理 2 18051單片機基本組成 1 中央處理器 CPU 中央處理器 CPU 是單片機的核心 完成運算和控制功能 MCS 51單片機的CPU能處理8位二進制數(shù)或代碼 2 內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器 內(nèi)部RAM 8051共有256個RAM 其中128個被占有寄存器占用 能作為寄存器供用戶使用的只有128個單元 簡稱內(nèi)部RAM 3 內(nèi)部程序存貯器 內(nèi)部ROM 8051共有4K掩膜ROM 用于存放程序 原始數(shù)據(jù) 表格 稱程序存貯器 簡稱內(nèi)部ROM 4 定時器 計數(shù)器8051共有2個16位定時器 計數(shù)器 以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能 并以定時或計數(shù)結果對計算機進行控制 5 并行I O口8051共有8個I O口P0P1P2P3以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出 輸入 6 串行I O口MCS 51的一個全雙工的串行口 以實現(xiàn)單片機與其它設備之間的串行數(shù)據(jù)傳輸 該口功能較強 既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用 也可作為同步移位器使用 7 中斷控制系統(tǒng)8051共有5個中斷源 外中斷2個 定時器 計數(shù)中斷2個 串行中斷1個 分為高級和低級兩個級別 8 時鐘電路MCS 51內(nèi)部有時鐘 但晶振和微調(diào)電容需外接 系統(tǒng)允許最高頻率為12MHZ 2 28051的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 普林斯頓結構 程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲器邏輯空間 統(tǒng)一編址 哈佛結構 程序與數(shù)據(jù)分為兩個獨立存儲器邏輯空間 分開編址 物理上4個存儲器地址空間 片內(nèi) 片外程序存儲器空間片內(nèi) 片外數(shù)據(jù)存儲器空間邏輯上3個存儲器地址空間 64KB程序存儲器256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器64KB片外數(shù)據(jù)存儲器 MCS 51程序存儲器配置 一 8051程序存儲器64KB程序存儲器空間EA不同電平 選擇片內(nèi)或片外低位存儲單元 二 8051數(shù)據(jù)存儲器1 64KB片外數(shù)據(jù)存儲器空間 與擴展I O接口共用 2 256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 1 片內(nèi)RAM2 特殊功能寄存器SFR 特殊存儲單元 復位入口 0000H中斷入口 0003H 0023H 為什么稱它為只讀存儲器呢 在特殊的條件下由外部設備對ROM進行寫的操作 在單片機正常工作條件下 只能從那面讀 不能把數(shù)據(jù)寫進去 所以我們還是把它稱為ROM 一 存儲器概述 我們來思考一個問題 當我們在編程器中把一條指令寫進單片要內(nèi)部 然后取下單片機 單片機就可以執(zhí)行這條指令 那么這條指令一定保存在單片機的某個地方 并且這個地方在單片機掉電后依然可以保持這條指令不會丟失 這是個什么地方呢 這個地方就是單片機內(nèi)部的只讀存儲器即ROM READONLYMEMORY 隨機讀 寫存儲器RAM可以進行多次信息寫入和讀出 每次寫入后 原來的信息將被新寫入的信息所取代 另外 RAM在斷電后再通電時 原存的信息全部丟失 它主要用來存放臨時的數(shù)據(jù)和程序 隨機讀 寫存儲器RAM RandomAccessMemory 只讀存儲器ROM ReadOnlyMemory RAM按生產(chǎn)工藝分 又可以分為雙極型RAM和MOSRAM 而MOSRAM又分為靜態(tài)RAM SRAM 和動態(tài)RAM DRAM 1 雙極型RAM 是以晶體管觸發(fā)器作為基本存儲電路 存取速度快 但結構復雜 集成度較低 比較適合用于小容量的高速暫存器 2 MOSRAM 是以MOS管作為基本集成元件 具有集成度高 功耗低 位價格便宜等優(yōu)點 現(xiàn)在微型機一般都采用MOSRAM 只讀存儲器ROM的信息一旦寫入后 便不能隨機修改 在使用時 只能讀出信息 而不能寫入 且在掉電后ROM中的信息仍然保留 它主要用來存放固定不變的程序和數(shù)據(jù) ROM按生產(chǎn)工藝分 又可以分為以下幾種 1 掩膜ROM 其存儲的信息在制造過程中采用一道掩膜工藝生成 一旦出廠 信息就不可改變 2 可編程只讀存儲器PROM 其存儲的信息可由用戶通過特殊手段一次性寫入 但只能寫入一次 3 可擦除只讀存儲器 其存儲的信息用戶可以多次擦除 并可用專用的編程器重新寫入新的信息 可擦除只讀存儲器又可分為紫外線擦除的EPROM 電擦除的EEPROM和FlashROM 二 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 一 低128個單元片內(nèi)RAM 8051內(nèi)部RAM有256個單元 通常在空間上分為兩個區(qū) 低128個單元 00H 7FH 的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM塊和高128個單元 80H 0FFH 的專用寄存器SFR塊 1 工作寄存器 00H 1FH R0 R7 8位 暫存運算數(shù)據(jù)和中間結果 4個工作寄存器區(qū) 工作寄存器0區(qū) 3區(qū) 每個區(qū)均含8個寄存器R0 R7 用PSW中的兩位PSW 4和PSW 3 RS1 RS0位 來切換工作寄存器區(qū) 選用一個工作寄存器區(qū)進行讀寫操作 在任一時刻 CPU只能使用其中一組通用寄存器 共16個單元 計16 8 128位 位地址為00H 7FH 位尋址區(qū)既可作為一般的RAM區(qū)進行字節(jié)操作 也可對單元的每一位進行位操作 因此稱為位尋址區(qū) 是存儲空間的一部分 表2 1列出了位尋址區(qū)的位地址 2 位尋址區(qū) 20H 2FH 3 用戶RAM區(qū) 30H 7FH 一般把堆棧放在這里 專用寄存器 A B PSW DPTR SPP0 P1 P2 P3 SBUF TMOD TCON SCON 二 內(nèi)部RAM高128單元 專用寄存器區(qū) 也稱為特殊功能寄存器區(qū) SFR 區(qū) 占用字節(jié)地址 80H FFH 共有22個專用寄存器 程序計數(shù)器PC在物理上是獨立的 沒有地址不屬于內(nèi)部RAM的SFR區(qū) 其余的21個專用寄存器都屬于內(nèi)部RAM的SFR區(qū) 注 帶 專用寄存器表示可以位操作 CPU總是按PC的指示讀取程序 PC可自動加1 因此CPU執(zhí)行程序一般是順序方式 當發(fā)生轉移 子程序調(diào)用 中斷和復位等操作 PC被強制改寫 程序執(zhí)行順序也發(fā)生改變 復位時 PC 0000H 1 程序計數(shù)器PC 16位 5 數(shù)據(jù)指針DPTR 16位 存放片外存儲器地址 作為片外存儲器的指針 可分成兩個8位寄存器DPH DPL使用 2 累加器Acc 8位 需要ALU處理的數(shù)據(jù)和計算結果多數(shù)要經(jīng)過A累加器 3 寄存器B 8位 與A累加器配合執(zhí)行乘 除運算 也可用作通用寄存器 4 程序狀態(tài)字PSW 8位 存放ALU運算過程的標志狀態(tài) CY 進 借 位標志位 AC 輔助進 借 位標志位 F0 用戶標志位 RS1 RS0 寄存器組選擇位 OV 溢出標志位 P 奇偶標志位 6 堆棧指針SP 8位 堆棧是按 先進后出 原則存取數(shù)據(jù)的存儲區(qū) MCS 51堆棧設在片內(nèi)RAM區(qū) 數(shù)據(jù)入棧 出棧時 SP自動加1 減1 其內(nèi)容始終為棧頂?shù)刂?復位時SP 07H 7 電源控制及波特率選擇控制寄存器PCON PCON為8位寄存器 主要用于控制單片機工作于低功耗方式 8 并行I O端口P0 P3 9 串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF 10 定時器 計數(shù)器的專用寄存器T0和T1 11 控制類的專用寄存器IE IP TMOD TCON SCON寄存器是中斷系統(tǒng) 定時器 計數(shù)器 串行口的控制寄存器 包含有控制位和狀態(tài)位 三 專用寄存器的位尋址 有11個專用寄存器 字節(jié)地址能被8整除的 可以進行位尋址 即可對這些專用寄存器單元的每一位進行位操作 每一位有固定的位地址 2 3內(nèi)部程序存儲器 8051芯內(nèi)有4KROM掩膜存貯單元 AT89C51芯片內(nèi)部配置了4KBFlashROM 其地址均是0000H 0FFFH 其中一組特殊單元是0000H 0002H 系統(tǒng)復位后 PC 0000H 單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序 如果不是從0000H開始 就要在這三個單元中存放一條無條件轉移指令 0003H 000AH 外部中斷0中斷地址區(qū)000BH 0012H 定時器 計數(shù)器0中斷地址區(qū)0013H 001AH 外部中斷1中斷地址區(qū)001BH 0022H 定時器 計數(shù)器1中斷地址區(qū)0023H 002AH 串行中斷地址區(qū)通常就要在中斷地址區(qū)首地址中存放一條無條件轉移指令 內(nèi)部程序存儲器有一些特殊單元 中斷源的入口向量地址 2 4MCS 51單片機引腳 一 引腳功能1 I O口線功能4個8位并行I O接口引腳P0 0 P0 7 P1 0 P1 7 P2 0 P2 7和P3 0 P3 7 2 控制線ALE 地址鎖存允許信號端PSEN 外部程序存儲器讀選通信號端EA VPP 程序存儲器選擇信號端和編程電源輸入端 為多功能引腳 可自動切換用作數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線和或I O接口外部引腳 復位是單片機系統(tǒng)的初始化操作 復位電路 RST VPD 9腳 復位信號端和后備電源輸入端 RESET 復位信號輸入引腳 高電平有效 在該引腳上輸入持續(xù)2個機器周期以上的高電平時 單片機系統(tǒng)復位 VPD使用后備電源 可實現(xiàn)掉電保護 復位后對一些專用寄存器的影響 復位電路 1 上電復位2 外部信號復位 VPP 31腳 訪問程序存貯器選擇信號輸入線 當 為低電平時 CPU只能訪問外部程序存儲器 當 為高電平時 CPU可訪問內(nèi)部程序存儲器 當8051單片機的PC值小于等于0FFFH時 也可訪問外部程序存儲器 當PC值大于0FFFH時 29腳 外部程序存儲器的讀選通輸出信號 低電平有效 在讀外部程序存儲器時CPU會送出有效的低電平信號 ALE PROG 30腳 地址鎖存允許信號輸出端 高電平有效 在訪問外部存儲器時 該信號將P0口送出的低8位地址鎖存到外部地址鎖存器中 主電源及地引腳 VCC 40腳 電源 正常操作時接 5V電源 VSS 20腳 地線 其它控制引腳 并行輸入 輸出引腳 P0 0 P0 7 39 32腳 8位漏極開路的三態(tài)雙向輸入 輸出口 P1 0 P1 7 1 8腳 8位帶有內(nèi)部上拉電阻的準雙向輸入 輸出口 P2 0 P2 7 21 28腳 8位帶有內(nèi)部上拉電阻的準雙向輸入 輸出口 P3 0 P3 7 10 17腳 8位帶有內(nèi)部上拉電阻的準雙向輸入 輸出口 信號引腳第二功能 2 EPROM存貯器程序固化所需的信號編程脈沖 30腳 ALE PROG 編程電壓 25V 31腳 EA VPP 3 備用電源引入備用電源由9腳 RST VPD 引入的 當電源發(fā)生故障 電壓下降到下限時 備用電源經(jīng)此向內(nèi)部RAM提供電壓 保護內(nèi)部RAM中的信息不丟失 1 P3口的第二功能 對于P3口 實際上 都是先按需要選取第二功能 多余的再作為輸入輸出口使用 1信息轉存當電源電壓出現(xiàn)故障時 立即將有用信息轉存到內(nèi)部RAM中 信息轉存是通過中斷產(chǎn)生請求 執(zhí)行中斷報務程序 把有用信息送內(nèi)部RAM中保護起來 因單片機電源都接有濾波電容 掉電后的電能能有效維持電壓達幾毫秒之久 足以完成掉電中斷操作 2接通備用電源信息轉存后要維持內(nèi)部RAM的供電 才能保持信息轉存不被破壞 為此要接通備用電源 3單片機恢復正常工作后 被保護信息的現(xiàn)場恢復 掉電保護 MCS 51如掉電 RAM數(shù)據(jù)將丟失 后果是嚴重的 3 復位引腳 按圖中連好 至于復位是何含義及為何需要復要復位 在下面的功能中介紹 二 單片機的最小系統(tǒng) 拿到一塊芯片 想要使用它 首先必須要知道怎樣連線 下面我們就看一下如何給它連線 1 電源 這當然是必不可少的了 單片機使用的是5V電源 其中正極接40引腳 負極 地 接20引腳 2 振蒎電路 單片機是一種時序電路 必須提供脈沖信號才能正常工作 在單片機內(nèi)部已集成了振蕩器 使用晶體振蕩器 接18 19腳 只要買來晶振 電容 連上就可以了 4 EA引腳 EA引腳接到正電源端 至此 一個單片機就接好 通上電 單片機就開始工作了 P0 0 P0 7 39 32腳 8位漏極開路的三態(tài)雙向輸入 輸出口 P1 0 P1 7 1 8腳 8位帶有內(nèi)部上拉電阻的準雙向輸入 輸出口 P2 0 P2 7 21 28腳 8位帶有內(nèi)部上拉電阻的準雙向輸入 輸出口 P3 0 P3 7 10 17腳 8位帶有內(nèi)部上拉電阻的準雙向輸入 輸出口 2 5并行輸入 輸出接口 一 P0口 可作為一般的I O口使用 也可作為數(shù)據(jù)線 地址線使用 當P0口作為一般的I O口輸出時 由于端口各端線輸出電路是漏極開路電路 必須外接上拉電阻才能有高電平輸出 當P0口讀引腳狀態(tài)時 必須使電路中的鎖存器寫入高電平 1 使場效應管FET截止 以避免鎖存器為 0 狀態(tài)時對引腳輸入的干擾 使P0 狀態(tài)始終為 0 二 P1口 P1口通常作為通用I O口使用 作為輸出口時 由于電路內(nèi)部已經(jīng)帶上拉電阻 因此無需外接上拉電阻 作為輸入口時 也需先向鎖存器寫入 1 是一個標準的I O口 三 P2口 P2口可作為通用I O口使用 也可作為高位地址線使用的 四 P3口 P3口可作為通用I O口使用 也可作為第二功能需要來用的 I O口功能的自動識別 無論是P0 P2口的總線復用功能 還是P3口的第二功能復用 單片機會自動選擇 不需要用戶通過指令選擇 I O口的驅動特性 P0口每一個I O口可驅動8個LSTTL輸入 而P1 P2 P3口每一個I O口可驅動4個LSTTL輸入 在使用時應注意口的驅動能力 五 MCS 51系列單片機的并行I O接口有以下應用特性 P0 P1 P2 P3作為通用雙向I O口使用時 輸入操作是讀引腳狀態(tài) 輸出操作是對口的鎖存器的寫入操作 鎖存器的狀態(tài)立即反映到引腳上 兩種讀端口的方式 包括端口鎖存器的讀 改 寫操作和讀引腳的操作 在單片機中 有些指令是讀端口鎖存器的 如一些邏輯運算指令 置位 復位指令 條件轉移指令以及將I O口作為目的