第1章 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

第1章單片機(jī)機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1

了解單片機(jī)的概念

1.2MCS-51內(nèi)核單片機(jī)1.3

單片機(jī)的存儲(chǔ)器擴(kuò)展1.4AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)1.5單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法1.1單片機(jī)的基本概念單片機(jī)的概念

將微處理器,一定容量的ROM和RAM以及I/O口,定時(shí)器等電路集成在一塊芯片上,構(gòu)成單片機(jī)微型計(jì)算機(jī),簡(jiǎn)稱單片機(jī)1.1.1單片機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r

1.8051類單片機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r最早有l(wèi)ntel公司生產(chǎn)，后來(lái)主要由Philips、三星、華邦公司生產(chǎn)

2.單片機(jī)技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)

①

單片機(jī)壽命長(zhǎng)；

②

單片機(jī)速度越來(lái)越快；

③低噪聲和高可靠性技術(shù)

3.單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)1.1.2單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動(dòng)存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消費(fèi)電子軍事國(guó)防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum一些典型的系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例家用方面：數(shù)字電視、信息家電、智能玩具、手持通訊、存儲(chǔ)設(shè)備的核心。家庭智能管理系統(tǒng)社區(qū)建筑的水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，遠(yuǎn)程點(diǎn)菜器等。社會(huì)發(fā)展方面：嵌入式Internet應(yīng)用信息家電——數(shù)字機(jī)頂盒汽車電子產(chǎn)品（18個(gè)嵌入式控制模塊）——CAN總線網(wǎng)絡(luò)VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)

汽車電子智能玩具與機(jī)器人工業(yè)方面：機(jī)床、冶金、電子、交通、航空航天等行業(yè)技術(shù)升級(jí)的重要基礎(chǔ)；工業(yè)控制阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價(jià)值4萬(wàn)美元，可攜帶2架攝像機(jī)，發(fā)揮了很好作用。軍事偵察2002年11月28日，以色列一選舉投票點(diǎn)，發(fā)生槍擊事件，造成至少7人死亡，數(shù)十人受傷。以警方用機(jī)器人在檢查一具巴勒斯坦槍手的尸體.反恐防暴微型飛行器---“黑寡婦”空中飛行器機(jī)器人技術(shù)圖：卡耐基梅隆大學(xué)和瑞士EPFL研制的機(jī)器人控制器（采用卡西歐PDA和WindowsCE）

基于WinCE的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)基于RTLinux的仿人機(jī)器人高48cm

重:6kg

靈活性：20DOF操作系統(tǒng):RT-Linux

接口形式:USB1.0(12Mbps)響應(yīng)周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通基于VXworks的火星探路者2004年“勇氣號(hào)”再次登陸火星1.1.3單片機(jī)的系列產(chǎn)品介紹1．ATMEL類單片機(jī)2．Intel單片機(jī)3．Motorola單片機(jī)4．Microchip單片機(jī)5．東芝單片機(jī)6．Zilog單片機(jī)1.2MCS-51內(nèi)核單片機(jī)單片機(jī)的基本組成

表MCS-51系列單片機(jī)技術(shù)參數(shù)表型號(hào)片內(nèi)存儲(chǔ)器（B）定時(shí)器并行線程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8031無(wú)1282個(gè)16位4х880c31無(wú)1282個(gè)16位4х880514KROM1282個(gè)16位4х880c514KROM1282個(gè)16位4х887514KEPROM1282個(gè)16位4х887c514KEPROM1282個(gè)16位4х88032無(wú)2563個(gè)16位4х880528KROM2563個(gè)16位4х887528KEPROM2563個(gè)16位4х88051

單

片

機(jī)

內(nèi)

部

結(jié)

構(gòu)

圖

8051內(nèi)部CPU由運(yùn)算器和控制器兩部分組成

1.運(yùn)算器由ALU、暫存器1、暫存器2、累加器（ACC）、寄存器B、程序狀態(tài)字（PSW）、和布爾處理機(jī)共同組成。主要任務(wù)是完成算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、位運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等操作。

2.控制器包括程序計(jì)數(shù)器(PC)、PC增1寄存器、指令寄存器(IR)、指令譯碼器(ID)、數(shù)據(jù)指針(DPTR)、堆棧指針(SP)、緩沖器及定時(shí)控制電路等。控制器電路完成指揮控制工作，協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分正常工作。1.2.28051單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2.3單片機(jī)的外部引腳8051單片機(jī)引腳圖DIP引腳圖邏輯符號(hào)

8051的40個(gè)引腳可分為：1.電源引腳(2根)

VCC(40腳)：電源端，接+5V電源。VSS(20腳)：接地端。2.時(shí)鐘引腳(2根)

XTAL1(19腳)：接外部晶振和微調(diào)電容的一端。采用外部時(shí)鐘電路時(shí)，此引腳應(yīng)接地。XTAL2(18腳)：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端。使用外部時(shí)鐘時(shí)，此引腳應(yīng)接外部時(shí)鐘的輸入端；8051單片機(jī)正常工作時(shí)，該引腳應(yīng)該有脈沖信號(hào)輸出。3.控制引腳(4根)(30腳)：地址鎖存允許信號(hào)輸出/編程脈沖輸入引腳。當(dāng)CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)控制鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實(shí)現(xiàn)P0口數(shù)據(jù)與低位地址的分時(shí)復(fù)用。

(29腳)：片外ROM讀選通信號(hào)端。

(31腳)：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端

當(dāng)EA接高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)ROM指令，但當(dāng)PC值超過(guò)0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外ROM指令；當(dāng)EA接低電平時(shí)，CPU只執(zhí)行片外ROM指令。

RST/VPD(9腳)：復(fù)位信號(hào)/備用電源輸入引腳。當(dāng)RST引腳保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以使8051完成復(fù)位操作。4.I/O引腳

(1)P0.0～P0.7(39～32腳)：P0口的8位雙向I/O口線。

P0口可作為通用雙向I/O口。在外接數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器時(shí)，可作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用引腳。

(2)P1.0～P1.7(1～8腳)：P1口的8位準(zhǔn)雙向I/O口線。

P1口作為通用的I/O口使用。

(3)P2.0～P2.7(21～28腳)：P2口的8位準(zhǔn)雙向I/O口線。

P2口即可作為通用的I/O口使用，也可作為片外存儲(chǔ)器的高8位地址總線，與P0口配合，組成16位片外存儲(chǔ)器單元地址。

(4)P3.0～P3.7(10～17腳)：P3口的8位準(zhǔn)雙向I/O口線。

P3口除了作為通用的I/O口使用之外，每個(gè)引腳還具有第二功能。

MCS-51單片機(jī)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相互獨(dú)立，在物理結(jié)構(gòu)上有四個(gè)存儲(chǔ)空間：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/0接口采用統(tǒng)一編址的方式。

1.2.4單片機(jī)的存儲(chǔ)器圖1.3存儲(chǔ)器空間分布圖

1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在00H~7F范圍內(nèi)地址出現(xiàn)了重疊的現(xiàn)象，單片機(jī)通過(guò)不同的指令格式加以區(qū)分。

例如：

MOVA，@R0MOV@R1，A

片外RAM采用MOVX指令，若外部存儲(chǔ)單元的地址為8位，可選擇R0或R1作為間接尋址寄存器。

例如

MOVXA，@R0MOVX@R1，A

若地址為16位，必須選DPTR寄存器地作為間接尋址寄存器。例如：MOVXA，@DPTRMOVX@DPTR，A圖1.4MCS_51單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器配置2.內(nèi)部RAM

內(nèi)部RAM共128個(gè)單元，可分為工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

(１)工作寄存器區(qū)（00H-1FH）該區(qū)的32個(gè)單元被均勻地分為四組，每組包含八個(gè)8位寄存器，均以R0—R7來(lái)命名，稱為通用寄存器。CPU當(dāng)前所使用的工作寄存器區(qū)是由程序狀態(tài)字PSW中的D3（RS0）和D4(RS1)位來(lái)選擇的。通過(guò)修改PSW中的RS0和RS這兩位，就可選擇任一組工作寄存器，這有利于提高CPU的效率和響應(yīng)中斷的速度

(2)位尋址區(qū)（20H-2FH）片內(nèi)RAM的20H—2FH單元為位尋址區(qū)，它們既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可以對(duì)其中的某位進(jìn)行尋址。表1-2內(nèi)部RAM位尋址區(qū)地址表

(3)堆棧和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（30H-7FH）

該區(qū)用于存放用戶的數(shù)據(jù)，對(duì)這部分區(qū)域的使用不作任何規(guī)定和限制，堆棧一般開(kāi)辟在這個(gè)區(qū)域。3、特殊功能寄存器

MCS-51單片機(jī)把CPU中的專用寄存器、I/O鎖存器、中斷、串行口與定時(shí)/計(jì)數(shù)器內(nèi)的各種控制寄存器和狀態(tài)寄存器都作為特殊功能寄存器，它們離散地分布在地址80H-OFFH的范圍內(nèi)，該范圍稱為特殊功能寄存器區(qū)。MCS-51單片機(jī)有21個(gè)特殊功能寄存器，它們只能通過(guò)直接尋址的方式進(jìn)行訪問(wèn)。符號(hào)名稱地址*ACC*PSW*BSPDPTR*P1*P0*P3*P2*IE*IP*TCONTMODTL0TH0TH1TL1SBUF*SCONPCON累加器B寄存器程序狀態(tài)字棧指針數(shù)據(jù)指針（包括指針高8位DPH和低8位DPL）P0口鎖存寄存器P1口鎖存寄存器P2口鎖存寄存器P3口鎖存寄存器中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器中斷允許控制寄存器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作方式寄存器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0（高字節(jié)）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0（低字節(jié)）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1（高字節(jié)）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1（低字節(jié)）串行口控制寄存器串行數(shù)據(jù)緩沖器電源控制及波特率選擇寄存器80H90HA0HB0H87HB8HA8H89H88H8CH8AH8DH8BH98H99H寄存器符號(hào)地址寄存器名稱寄存器符號(hào)地址寄存器名稱·ACCE0H累加器·P3B0HI/O口3·BF0HB寄存器PCON87H電源控制及波特率選擇寄存器·PSWD0H程序狀態(tài)字·SCON98H串行口控制寄存器SP81H堆棧指示器SBUF99H串行口數(shù)據(jù)緩沖寄存器DPL82H數(shù)據(jù)指針低八位·TCON88H定時(shí)器控制寄存器DPH83H數(shù)據(jù)指針高八位TMOD89H定時(shí)器方式選擇寄存器·IEA8H中斷允許控制寄存器TL08AH定時(shí)器0低8位·IPB8H中斷優(yōu)先控制寄存器TL18BH定時(shí)器1低8位·P080HI/O口0TH08CH定時(shí)器0高8位·P190HI/O口1TH18DH定時(shí)器1高8位·P2A0HI/O口2表1-4特殊寄存器表部分特殊功能寄存器

累加器（ACC）

8位寄存器，也是CPU中使用最頻繁的寄存器。寄存器B

是一個(gè)是專門為乘除指令而設(shè)計(jì)的8位的寄存器。在進(jìn)行乘法運(yùn)算時(shí)，寄存器B用來(lái)存放一個(gè)乘數(shù)，并且存放積的高8位；在除法運(yùn)算時(shí)，寄存器B用程序狀態(tài)字（PSW）是一個(gè)8位的寄存器，用來(lái)存放程序運(yùn)行中的各種狀態(tài)信息。

位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H位標(biāo)志CyACF0RS1RS0OV—P表1-5PSW中各位的定義

Cy進(jìn)位標(biāo)志位，同時(shí)也是布爾處理機(jī)的位累加器C。

AC

輔助進(jìn)位標(biāo)志位，又叫半進(jìn)位標(biāo)志位。該位常用于調(diào)整BCD碼的運(yùn)算結(jié)果。

F0

用戶標(biāo)識(shí)位，用于控制程序的轉(zhuǎn)向。

RS1、RS0工作寄存器組的選擇位。

OV

溢出標(biāo)志位。RS1RS0寄存器組片內(nèi)RAM的地址00000H—07H01108H—0FH10210H—17H11318H—1FH表1-5PSW中各位的定義

PSW.1

位

系統(tǒng)保留位。

P奇偶標(biāo)志位。程序計(jì)數(shù)器PC是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，是程序存儲(chǔ)器的字節(jié)地址計(jì)數(shù)器，它里面存放著將要執(zhí)行的下一條指令的地址，尋址范圍為64K字節(jié)。數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR

是16位地址指針，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用來(lái)存放外部存儲(chǔ)器的地址。堆棧指針寄存器SP

8位的指針寄存器，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，SP的內(nèi)容為07H,用戶可根據(jù)自己的需要重新設(shè)置SP的值。P0-P3四個(gè)8位特殊功能寄存器，分別是四個(gè)并行I/O端口的鎖存器。4.程序存儲(chǔ)器

程序存儲(chǔ)器用于存放表格常數(shù)和程序，8051單片機(jī)內(nèi)部有4K字節(jié)ROM,片外可擴(kuò)展64K字節(jié)的ROM，二者統(tǒng)一編址。腳決定片內(nèi)外ROM的讀取方式片外ROM和片外RAM的地址出現(xiàn)了重疊，可使用相應(yīng)的指令進(jìn)行區(qū)分。程序存儲(chǔ)器中某些單元保留給系統(tǒng)使用，用來(lái)存放引導(dǎo)程序和各個(gè)中斷源的入口地址。

表1-7MCS-51單片機(jī)復(fù)位入口和中斷入口

1.時(shí)鐘電路MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘有兩種方式，內(nèi)部振蕩方式:

利用單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路,產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，這種方式單片機(jī)的時(shí)鐘引腳上接石英晶體和振蕩電容；外部時(shí)鐘方式:

外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)。1.2.4單片機(jī)的時(shí)鐘電路和時(shí)序

內(nèi)部和外部振蕩方式

①節(jié)拍、狀態(tài)一個(gè)時(shí)鐘周期定義為一個(gè)節(jié)拍（用P表示），二個(gè)節(jié)拍定義為一個(gè)狀態(tài)周期（用S表示），這兩個(gè)節(jié)拍中的前一拍稱為P1，后一拍為P2。②時(shí)鐘周期也稱為振蕩周期，定義為時(shí)鐘脈沖的倒數(shù)，它是計(jì)算機(jī)中最基本的、最小的時(shí)間單位。時(shí)鐘周期就是單片機(jī)外接晶振的倒數(shù)，例如12M的晶振，它的時(shí)間周期就是1/12us。2.CPU的時(shí)序

③機(jī)器周期

CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器一次所需的時(shí)間。例如，取指令、讀存儲(chǔ)器、寫存儲(chǔ)器等等。51系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期同6個(gè)狀態(tài)周期組成，也就是說(shuō)一個(gè)機(jī)器周期等于6個(gè)狀態(tài)周期，即12個(gè)時(shí)鐘周期。④指令周期

執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，一般由若干個(gè)機(jī)器周期組成。指令不同，所需的機(jī)器周期數(shù)也不同，有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。1.2.5單片機(jī)的復(fù)位和復(fù)位電路

51單片機(jī)一塊芯片就是一個(gè)完整的最小微機(jī)系統(tǒng)，但片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量、并行I/O端口、定時(shí)器等內(nèi)部資源都還是有限的。可以根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展，它包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器等的擴(kuò)展。系統(tǒng)的擴(kuò)展是通過(guò)總線把單片機(jī)和擴(kuò)展部分連接起來(lái)。根據(jù)總線傳送的信息可分為數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線(AB)和控制總線(CB)。1.3存儲(chǔ)器擴(kuò)展單片機(jī)擴(kuò)展總線的構(gòu)造

1.數(shù)據(jù)總線D0～D7

數(shù)據(jù)總線的寬度為8位，由P0口提供。

2.地址總線A0～A158051單片機(jī)的地址總線寬度為16位，P0提供低8位地址，P2提供高8位地址?？蓪ぶ贩秶?4KB,。由于P0即作低8位地址線，又作數(shù)據(jù)線，所以它是分時(shí)復(fù)用的引腳，使用時(shí)需要加一個(gè)8位鎖存器，如74LS373。

3.控制總線

P3提供的讀信號(hào)、寫信號(hào),加上控制線、ALE和等信號(hào)組成控制總線，其中讀和寫作為擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀、寫選通信號(hào)；信號(hào)作為片內(nèi)、外ROM的選擇控制信號(hào)；ALE信號(hào)作為地址鎖存器的選通信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)低8位地址的鎖存；號(hào)作為擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器ROM的讀選通信號(hào)。單片機(jī)擴(kuò)展總線的構(gòu)造如圖

圖1.11MCS_51單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器配置

89S51單片機(jī)內(nèi)部有4KBFlashROM，當(dāng)程序大于4KB時(shí)，就需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。1.常用程序存儲(chǔ)器芯片

程序存儲(chǔ)器有有許多種，比如ROM(只讀存儲(chǔ)器)、PROM(可編程ROM)、EPROM(可擦除可編程ROM)、EEPROM(電可擦除可編程)和FlashROM(閃存存儲(chǔ)器)。最常見(jiàn)的芯片是紫外線可擦除的EPROM，主要是Intel公司生產(chǎn)的27XXX系列，如2716（2K×8）、2732（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）、27512（64K×8）等。一、常用程序存儲(chǔ)器芯片

圖1.12常用EPROM芯片的管腳和封裝EPROM各引腳功能如下

①A0～A15:地址輸入線，引腳的數(shù)目隨芯片的容量有所不同。②D0～D7:雙向三態(tài)數(shù)據(jù)總線，讀或編程校驗(yàn)時(shí)為數(shù)據(jù)輸出線，編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸入線。其余時(shí)間呈高阻狀態(tài)。③:片選信號(hào)，低電平表示該芯片被選中。

④:讀出選通線，低電平輸出緩沖器打開(kāi)，數(shù)據(jù)輸出。

⑤:編程脈沖輸入線。正常工作時(shí)接+5V電源，編程時(shí)輸入編程脈沖。

⑥VPP:編程電源輸入線，正常工作時(shí)接+5V電源，編程加編程電壓。

⑦VCC:電源線，接+5V電源。

⑧NC：空。

⑨GND：接地。2.程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展舉例圖1.13單片機(jī)擴(kuò)展16K程序存儲(chǔ)器原理圖AT89S51

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展

圖1.14常用RAM芯片的管腳和封裝

擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由P2口提供高8位地址，P0口分時(shí)用作低8位地址和8位數(shù)據(jù)總線。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的讀和寫由(P3.7)和(P3.6)信號(hào)控制。一、常用的RAM芯片介紹

①A0～A15：地址輸入線，引腳的數(shù)目隨芯片的容量有所不同。

②D0～D7（I/O0～I(xiàn)/O7）：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)總線。③：片選線，低電平有效。6264的26腳（CS）必須為高電平，并且為低電平時(shí)才選中該芯片。④：讀選通線，低電平有效。⑤：寫選通線，低電平有效。

⑥VCC：電源線，接+5V電源。

⑦NC：空。

⑧GND：接地。二、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展舉例圖1.15單片機(jī)擴(kuò)展8K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器原理圖§1.4AT89S51最小系統(tǒng)圖1.16AT89S51單片機(jī)的最小系統(tǒng)組成1.5.1