C單片機硬件基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)課程

1、單片機簡介。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的研制步驟和方法簡介。第1頁/共78頁第一頁，編輯于星期五：十五點 五十分。第第2 2講講80C5180C51單片機硬件基礎(chǔ)知識單片機硬件基礎(chǔ)知識第2頁/共78頁第二頁，編輯于星期五：十五點 五十分。微處理器、微型計算機與單片機CPU微型計算機的基本結(jié)構(gòu) 第3頁/共78頁第三頁，編輯于星期五：十五點 五十分。單片機的內(nèi)部基本組成 如果在一塊芯片上，集成了一臺微型計算機的四個基本組成部分，則這種芯片就被稱為單片微型計算機（Single Chip Microcomputer），簡稱單片機。 第4頁/共78頁第四頁，編輯于星期五：十五點 五十分。本章小結(jié)4.1 MCS-51

2、4.1 MCS-51系列及系列及80C5180C51系列單片機簡介系列單片機簡介4.2 80C514.2 80C51系列單片機外引腳功能系列單片機外引腳功能4.3 80C514.3 80C51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.4 4.4 低功耗運行方式低功耗運行方式4.5 80C514.5 80C51單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)第5頁/共78頁第五頁，編輯于星期五：十五點 五十分。4.1 MCS-51系列及80C51系列單片機簡介系列和80C51系列單片機Intel公司推出的系列單片機有：MCS-48、MCS-51、MCS-96系列。Intel公司單片機系列的符號包括51和52兩個子系列。第6頁

3、/共78頁第六頁，編輯于星期五：十五點 五十分?；诨贖MOSHMOS工藝，工藝，它們的指令系統(tǒng)它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全與芯片引腳完全兼容，只是片內(nèi)兼容，只是片內(nèi)程序存儲器程序存儲器（ROMROM）有所不同。有所不同。51系列單片機80318051875l80C3180C5187C5l第7頁/共78頁第七頁，編輯于星期五：十五點 五十分。MCS-51系列單片機內(nèi)部組成8位CPU。片內(nèi)帶振蕩器及時鐘電路。128B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。4KB片內(nèi)程序存儲器（8031/80C31無）。程序存儲器的尋址范圍為64KB。片外數(shù)據(jù)存儲器的尋址范圍為64KB。21B特殊功能寄存器。48根I/O線。1個全雙工

4、串行I/O接口，可多機通信。2個16位定時器/計數(shù)器。中斷系統(tǒng)有5個中斷源，可編程為兩個優(yōu)先級。111條指令，含乘法指令和除法指令。布爾處理器。使用單5V電源。51子系列的主要功能為：第8頁/共78頁第八頁，編輯于星期五：十五點 五十分。與與5151子系列的不同之處在于：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器增至子系列的不同之處在于：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器增至256B256B，片內(nèi)，片內(nèi)程序存儲器增至程序存儲器增至8KB8KB（8032/80C328032/80C32無），有無），有26B26B的特殊功能寄存器，的特殊功能寄存器，有有3 3個個1616位定時器位定時器/ /計數(shù)器，有計數(shù)器，有6 6個中斷源。其他性能均與個中

5、斷源。其他性能均與5l5l子系列子系列相同。相同。52系列單片機80328052875280C3280C5287C52第9頁/共78頁第九頁，編輯于星期五：十五點 五十分。說明：本書所述的80C51系列單片機包括Intel公司和其他公司的51和52子系列。內(nèi)部資源超出52子系列的單片機則稱為新一代80C51系列單片機。第10頁/共78頁第十頁，編輯于星期五：十五點 五十分。新一代高性能80C51系列單片機。其主要發(fā)展技術(shù)如下：（1）提供不同類型的存儲器。除掩模ROM、EPROM以外，還能提供EEPROM和Flash EEPROM。（2）擴展存儲器容量。目前ROM已擴至64KB，RAM擴至2KB

6、。（3）提高運行速度，時鐘頻率已達40MHz。（4）發(fā)展低電壓專用芯片，工作電壓可低于1.8V。（5）擴大接口功能，如設(shè)置高速I/O口，擴展I/O數(shù)量，增加外部中斷源以及將ADC、PWM嵌入到片內(nèi)。第11頁/共78頁第十一頁，編輯于星期五：十五點 五十分。系列單片機的命名規(guī)則80C51系列單片機源于MCS-51系列，其他公司80C51系列單片機命名基本上是以Intel公司的80C51為參考，增加了公司標(biāo)記。 對正確選擇和使用80C51系列產(chǎn)品是十分重要的。第12頁/共78頁第十二頁，編輯于星期五：十五點 五十分。Intel 80C51系列單片機產(chǎn)品命名規(guī)則 第13頁/共78頁第十三頁，編輯于星

7、期五：十五點 五十分。Atmel 80C51系列單片機產(chǎn)品命名規(guī)則 第14頁/共78頁第十四頁，編輯于星期五：十五點 五十分。Philips 80C51系列單片機產(chǎn)品命名規(guī)則 第15頁/共78頁第十五頁，編輯于星期五：十五點 五十分。80C51系列部分單片機替換表第16頁/共78頁第十六頁，編輯于星期五：十五點 五十分。系列單片機的選擇特性1.程序存儲器 單片機程序存儲器用于存放單片機應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)程序，目標(biāo)程序通過稱之為商用編程器的工具寫入單片機，該過程稱為編程。 普遍采用Flash EEPROM型單片機代替。 第17頁/共78頁第十七頁，編輯于星期五：十五點 五十分。2. 數(shù)據(jù)存儲器單片機

8、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器目前供應(yīng)的類型有SRAM靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器，少數(shù)單片機片內(nèi)有EEPROM非易失性數(shù)據(jù)存儲器。選擇52子系列在使用上更為方便靈活。第18頁/共78頁第十八頁，編輯于星期五：十五點 五十分。3. 功耗許多公司都供應(yīng)低電壓的80C51系列單片機，具有低功耗的特點。4. 體積在應(yīng)用系統(tǒng)的空間有限時，可選擇相應(yīng)型號的PLCC和QFP封裝的單片機，外圍芯片當(dāng)然也要選擇小型封裝。第19頁/共78頁第十九頁，編輯于星期五：十五點 五十分。4.2 80C51系列單片機外引腳功能常用兩種封裝為雙列直插式DIP40和方形封裝式LCC44P1P1口口P3P3口口P0P0口口P2P2口口 時鐘端時鐘端 復(fù)位端

9、復(fù)位端控制信號控制信號 接接VCCVCC（+5V+5V） 接地端接地端第20頁/共78頁第二十頁，編輯于星期五：十五點 五十分。 LCC第21頁/共78頁第二十一頁，編輯于星期五：十五點 五十分。80C51的40條引腳，可分為端口線、電源線和控制線三類。在繪制電路原理圖時，經(jīng)常采用元器件的邏輯符號，80C51邏輯符號如圖所示。引腳1和引腳2的第二功能（方形封裝為引腳2和引腳3）僅用于52子系列80C51邏輯符號第22頁/共78頁第二十二頁，編輯于星期五：十五點 五十分。1. 端口線（4 8 = 32條）8051有4個并行I/O端口，每個端口都有8條端口線，用于傳送數(shù)據(jù)或地址。由于每個端口的結(jié)構(gòu)

10、各不相同，因此它們在功能和用途上的差別也較大。P1P1口口P3P3口口P0P0口口P2P2口口第23頁/共78頁第二十三頁，編輯于星期五：十五點 五十分。2. 電源線（2條）VCC為5V電源線，VSS接地。 接接VCCVCC（+5V+5V） 接地端接地端第24頁/共78頁第二十四頁，編輯于星期五：十五點 五十分。3. 控制線（6條）ALE、EA、PSEN、RST、XTAL1和XTAL2。 時鐘端時鐘端 復(fù)位端復(fù)位端控制信號控制信號第25頁/共78頁第二十五頁，編輯于星期五：十五點 五十分。4.2 80C51系列單片機外引腳功能第26頁/共78頁第二十六頁，編輯于星期五：十五點 五十分。4. 地

11、址、數(shù)據(jù)和控制：三總線結(jié)構(gòu)80C51三總線具有以下特點： （1）P0口的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。 （2）兩個獨立的并行擴展空間。 （3）外圍數(shù)據(jù)存儲器擴展的統(tǒng)一編址。 鎖存器第27頁/共78頁第二十七頁，編輯于星期五：十五點 五十分。4.3 80C51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖80C51CPU振蕩器和時序OSC64KB 總線擴展控制器數(shù)據(jù)存儲器256B RAM/SFR216位定時器/計數(shù)器可編程I/O程序存儲器4KBROM可編程全雙工串行口外中斷內(nèi)中斷控制并行口串行通信外部時鐘源外部事件計數(shù)第28頁/共78頁第二十八頁，編輯于星期五：十五點 五十分。80C51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖第29頁/共78頁第二十九頁，編輯

12、于星期五：十五點 五十分。中央處理器CPU 單片機最核心的部分是CPU，可以說CPU是單片機的大腦和心臟。第30頁/共78頁第三十頁，編輯于星期五：十五點 五十分。存儲器組織(哈佛結(jié)構(gòu))第31頁/共78頁第三十一頁，編輯于星期五：十五點 五十分。 每個ROM單元(byte)對應(yīng)一個唯一的16bit地址編碼(Address) CPU要到某個ROM單元去取指令，是通過把地址寫入一個16bit的特殊功能寄存器程序計數(shù)器PC(Program Counter)來實現(xiàn)，因此，51系列單片機的地址的編碼范圍(通常稱為尋址范圍)： 0000 0000 0000 0000B 1111 1111 1111 111

13、1B（二進制） 0 0 0 0 H F F F F H（十六進制） 0 65535 （十進制） 通常習(xí)慣說51系列單片機的ROM尋址范圍是64K PC的值是CPU根據(jù)用戶程序的運行流程自動裝載的，它的值代表單片機下一條要執(zhí)行的指令在ROM中的存放位置，用戶不能直接對PC進行操作51系列單片機的程序存儲器管理第32頁/共78頁第三十二頁，編輯于星期五：十五點 五十分。 而80C51在物理結(jié)構(gòu)上有4個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。但在邏輯上，即從用戶使用的角度上，80C51有三個存儲空間。在訪問三個不同的邏輯空間時，應(yīng)采用不同形式的指令（見指令系統(tǒng)），以

14、產(chǎn)生不同的存儲空間的選通信號。51系列單片機的程序存儲器管理片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64 KB程序存儲器地址空間256 B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的地址空間64KB片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間第33頁/共78頁第三十三頁，編輯于星期五：十五點 五十分。1. 程序存儲器（51子序列）程序存儲器用于存放編好的程序或表格常數(shù)程序存儲器用于存放編好的程序或表格常數(shù)第34頁/共78頁第三十四頁，編輯于星期五：十五點 五十分。在程序存儲器中，以下單元具有特殊功能0000H：80C51復(fù)位后，PC = 0000H，即程序從 0000H開始執(zhí)行指令。0003H：外部中斷0入口。000BH：定時器0溢出中斷入口。0013H：外部中斷1

15、入口。001BH：定時器1溢出中斷入口。0023H：串行口中斷入口。002BH：定時器2入口（僅52子系列有）。 第35頁/共78頁第三十五頁，編輯于星期五：十五點 五十分。 使用時，通常在這些中斷入口地址處存放一條跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到用戶安排的中斷程序起始地址。其他程序要避開上述中斷入口地址。從0000H起始地址則跳轉(zhuǎn)到用戶設(shè)計的主程序入口地址。采用匯編語言編程的程序員需要精心安排這些地址，而C51編譯器自動產(chǎn)生中斷程序起始地址。說明：第36頁/共78頁第三十六頁，編輯于星期五：十五點 五十分。2. 數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器用于存放中間運算結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。 80C51系列單片

16、機數(shù)據(jù)存儲器有片內(nèi)和片外之分。片內(nèi)又有RAM和SFR之分，這幾個部分的訪問指令不同的，從這一點看，數(shù)據(jù)存儲器的使用比程序存儲器略微復(fù)雜點。采用C51語言編程則要簡單許多。第37頁/共78頁第三十七頁，編輯于星期五：十五點 五十分。5151子系列數(shù)據(jù)存儲器配置子系列數(shù)據(jù)存儲器配置 擴展第38頁/共78頁第三十八頁，編輯于星期五：十五點 五十分。5252子系列數(shù)據(jù)存儲器配置子系列數(shù)據(jù)存儲器配置 第39頁/共78頁第三十九頁，編輯于星期五：十五點 五十分。 這樣可把數(shù)據(jù)存儲器分為片外數(shù)據(jù)存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、特殊功能存儲器，以下分別加以介紹。1）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器分為工作寄存器區(qū)、位尋

17、址區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖器區(qū)等三個區(qū)域。第40頁/共78頁第四十頁，編輯于星期五：十五點 五十分。工作寄存器區(qū)00H1FH單元為工作寄存器區(qū)。工作寄存器也稱通用寄存器，供用戶編程時使用，臨時寄存8位信息。 80c51單片機片內(nèi)RAM配置1）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 第41頁/共78頁第四十一頁，編輯于星期五：十五點 五十分。位尋址區(qū) 20H2FH單元是位尋址區(qū)，該區(qū)的每一位都賦予了一個位地址。 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 30H7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，即用戶RAM區(qū)，共80個單元。堆棧與堆棧指針 片內(nèi)RAM的部分單元還可以用作堆棧。 1）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 第42頁/共78頁第四十二頁，編輯于星期五：十五點 五十分。2）特殊功能寄存器

18、所有單片機片內(nèi)外設(shè)是依靠對內(nèi)部特殊功能寄存器的操作實現(xiàn)其功能的，80C51也不例外，特殊功能寄存器（SFR, Special Function Register）也稱專用寄存器，專用于控制、管理單片機內(nèi)部算術(shù)邏輯部件、并行I/O口、串行I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作，用戶在編程時可以置數(shù)設(shè)定，不能移作他用。 通過特殊功能寄存器可實現(xiàn)對單片機內(nèi)部資源的操作和管理。第43頁/共78頁第四十三頁，編輯于星期五：十五點 五十分。常用特殊功能寄存器第44頁/共78頁第四十四頁，編輯于星期五：十五點 五十分。常用特殊功能寄存器第45頁/共78頁第四十五頁，編輯于星期五：十五點 五十分。

19、（1）程序狀態(tài)字寄存器PSWPSW是8位寄存器，用作程序運行狀態(tài)的標(biāo)志，字節(jié)地址D0H，位地址格式如下所示。常用特殊功能寄存器第46頁/共78頁第四十六頁，編輯于星期五：十五點 五十分。 ACC是8位寄存器，通過暫存器與ALU相連。它是CPU中工作最繁忙的寄存器，因為在進行算術(shù)、邏輯類操作時，運算器的一個輸入多為ACC，而運算器的輸出即運算結(jié)果也大多要送到ACC中。在指令系統(tǒng)中累加器的助記符為A，作為直接地址時助記符為ACC。 （2）累加器ACC常用特殊功能寄存器第47頁/共78頁第四十七頁，編輯于星期五：十五點 五十分。（3）數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR由于80C51可以外接64 KB的數(shù)據(jù)存儲器

20、和I/O接口電路，因此在控制器中設(shè)置了一個16位的專用地址指針。它主要用以存放16位地址，作為間址寄存器使用。 （4）B寄存器在乘、除法運算中用B寄存器暫存數(shù)據(jù)。在其他指令中，B寄存器可作為RAM中的一個單元使用。B寄存器的地址為B0H。 常用特殊功能寄存器第48頁/共78頁第四十八頁，編輯于星期五：十五點 五十分。（5）堆棧指針SP 堆棧是個特殊的存儲區(qū)，主要功能是暫時存放數(shù)據(jù)和地址，通常用來保護斷點和現(xiàn)場。它的特點是按照先進后出的原則存取數(shù)據(jù)，這里的進與出是指進棧與出棧操作。 常用特殊功能寄存器第49頁/共78頁第四十九頁，編輯于星期五：十五點 五十分。（6）端口P0P3特殊功能寄存器P0

21、P3分別是I/O端口P0P3的鎖存器。80C51單片機是把I/O當(dāng)作一般的特殊功能寄存器使用，不專設(shè)端口操作指令，使用方便。 常用特殊功能寄存器第50頁/共78頁第五十頁，編輯于星期五：十五點 五十分。并行輸入/輸出端口結(jié)構(gòu)1. P1口P1口內(nèi)部有上拉電阻，因此在輸入時，即使由集電極開路電路或漏極開路電路驅(qū)動，也無需外接上拉電阻。Pl口只有一種功能：通用輸入/輸出接口。通用I/O接口有輸出、輸入和端口操作三種工作方式。 第51頁/共78頁第五十一頁，編輯于星期五：十五點 五十分。2. P2口P2口有兩種用途：通用I/O接口或高8位地址總線。下圖是P2口1位的結(jié)構(gòu)原理圖，圖中的模擬開關(guān)受內(nèi)部控制

22、信號控制，用于選擇P2口的工作狀態(tài)。第52頁/共78頁第五十二頁，編輯于星期五：十五點 五十分。P3口1位的結(jié)構(gòu)原理如圖所示：3. P3口第53頁/共78頁第五十三頁，編輯于星期五：十五點 五十分。P3口除了作為準(zhǔn)雙向通用I/O接口使用外，每一根線還具有第二種功能，詳見下表。3. P3口第54頁/共78頁第五十四頁，編輯于星期五：十五點 五十分。4. P0口 P0口有兩種功能；地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用總線和通用I/O接口。P0口作為準(zhǔn)雙向通用I/O接口使用時應(yīng)外加上拉電阻。 第55頁/共78頁第五十五頁，編輯于星期五：十五點 五十分。5. 并行輸入/輸出口編程舉例【例4.1】 用89C52單片機的P

23、1口驅(qū)動一位8段LED顯示器。在8段LED顯示器輪流顯示字符0F。第56頁/共78頁第五十六頁，編輯于星期五：十五點 五十分。第第3 3講講80C5180C51單片機硬件基礎(chǔ)知識單片機硬件基礎(chǔ)知識( (續(xù)）續(xù)）第57頁/共78頁第五十七頁，編輯于星期五：十五點 五十分。P1P1口口P3P3口口P0P0口口P2P2口口 時鐘端時鐘端 復(fù)位端復(fù)位端控制信號控制信號 接接VCCVCC（+5V+5V） 接地端接地端第58頁/共78頁第五十八頁，編輯于星期五：十五點 五十分。第59頁/共78頁第五十九頁，編輯于星期五：十五點 五十分。時鐘電路用于產(chǎn)生供單片機各部分同步工作的時鐘信號。時序：是CPU在執(zhí)行

24、指令時所需控制信號的時間順序。第60頁/共78頁第六十頁，編輯于星期五：十五點 五十分。時鐘電路方法方法1 1：用石英晶體振蕩器：用石英晶體振蕩器 時鐘電路參數(shù)： 頻率范圍：1.2-12MHz C1、C2：2030pF第61頁/共78頁第六十一頁，編輯于星期五：十五點 五十分。時鐘電路方法方法2 2：從外部輸入時鐘信號：從外部輸入時鐘信號(80C51(80C51）80C51單片機外部時鐘接入方法第62頁/共78頁第六十二頁，編輯于星期五：十五點 五十分。2. CPU時序為了便于對CPU時序進行分析，人們按指令的執(zhí)行過程規(guī)定了幾種周期，即時鐘周期、狀態(tài)周期、機器周期和指令周期。 時鐘周期（振蕩周

25、期）：為時鐘脈沖頻率（fosc)的倒數(shù)。用P表示。狀態(tài)周期：時鐘周期經(jīng)2分頻后的時鐘信號。用S表示。機器周期：為完成一個基本操作所需要的時間。指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時間。一般由若干個機器周期組成。第63頁/共78頁第六十三頁，編輯于星期五：十五點 五十分。 復(fù)位的概念復(fù)位：將單片機系統(tǒng)置成特定初始狀態(tài)的操作。復(fù)位后程序從頭（0000H）開始重新執(zhí)行。 何時復(fù)位 剛通電時上電復(fù)位，進入初始狀態(tài) 重新啟動時回到初始狀態(tài)、重新開始 程序故障時回到初始狀態(tài)、重新開始復(fù)位是什么？復(fù)位是什么？一般在什么時候一般在什么時候需要進行復(fù)位？需要進行復(fù)位？復(fù)位電路第64頁/共78頁第六十四頁，編輯于星期五

26、：十五點 五十分。復(fù)位的方法在RST引腳上加一個持續(xù)兩個機器周期以上的高電平脈沖，就可以使單片機被復(fù)位。復(fù)位電路第65頁/共78頁第六十五頁，編輯于星期五：十五點 五十分。1）上電復(fù)位復(fù)位電路第66頁/共78頁第六十六頁，編輯于星期五：十五點 五十分。2）上電+按鍵復(fù)位 復(fù)位電路第67頁/共78頁第六十七頁，編輯于星期五：十五點 五十分。3）同步復(fù)位電路 4）微處理器復(fù)位監(jiān)控電路復(fù)位電路第68頁/共78頁第六十八頁，編輯于星期五：十五點 五十分。 復(fù)位后單片機的特點寄存器寄存器初始狀態(tài)值初始狀態(tài)值寄存器寄存器初始狀態(tài)值初始狀態(tài)值PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH

27、000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0、P1P2、P30FFHSCON00HIPXXX00000BPCON0XX00000BIEN00XX00000BSBUF不定不定復(fù)位后單片機是復(fù)位后單片機是什么樣的呢？什么樣的呢？復(fù)位電路第69頁/共78頁第六十九頁，編輯于星期五：十五點 五十分。4.4 低功耗運行方式80C51單片機具有兩種低功耗運行方式：待機（或稱空閑）方式，電流一般為1.7mA5mA；掉電（或稱停機）方式，電流一般為5uA50uA第70頁/共78頁第七十頁，編輯于星期五：十五點 五十分。待機（或稱空閑）方式和掉電（或稱停機）方式都是由專用寄存器PCON（電源控制寄存器）中的有關(guān)位控制的。4.4 低功耗運行方式第71頁/共78頁第七十一頁，編輯于星期五：十五點 五十分。4.5 80C51單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)就是能使單片機工作的最少的器件構(gòu)成的系統(tǒng)，是大多數(shù)控制系統(tǒng)所必不可少的關(guān)鍵部分。 第72頁/共78頁第七十二頁，編輯于星期五：十五點 五十分。圖為80C32單片機的外部擴展總線。擴展外部接口電路第73頁/共78頁第七十三頁，編輯于星期五：十五點 五十分。將80C32單片機的外部擴展總線接到外部程序存儲器的