單片機(jī)1前言及51體系結(jié)構(gòu)課件

單片機(jī)原理及應(yīng)用

授課人：楊紅宇什么是單片機(jī)？單片機(jī)：將組成微機(jī)的各個(gè)部件：CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等，集成在一塊電路芯片上，構(gòu)成的一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片+微機(jī)系統(tǒng)=單片機(jī)數(shù)字電路與計(jì)算機(jī)二進(jìn)制8個(gè)D觸發(fā)器可以存放8位2進(jìn)制數(shù)據(jù)8位數(shù)據(jù)就是有序排列的8條導(dǎo)線或者8個(gè)觸發(fā)器按照導(dǎo)線排序，每一條導(dǎo)線分別代表不同的數(shù)字“權(quán)”值。以4線為基準(zhǔn)，分別代表“8，4，2，1”，4線都是高電平，記為“1111”，其代表數(shù)字是8＋4＋2＋1＝15。我們采用16進(jìn)制表達(dá)為F。4位2進(jìn)制可以表達(dá)數(shù)字0～15或者0～9，A~F的16進(jìn)制數(shù)。每4線代表1位16進(jìn)制數(shù)據(jù)。8線就是2位16進(jìn)制數(shù)據(jù)，稱為“1字節(jié)”我們學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)，一定要掌握2進(jìn)制－16進(jìn)制－10進(jìn)制之間的換算關(guān)系。2進(jìn)制數(shù)用B結(jié)尾，16進(jìn)制數(shù)用H結(jié)尾，10進(jìn)制不加結(jié)尾，或者加D結(jié)尾以示區(qū)別。單片機(jī)就是“嵌入式”系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)分為兩個(gè)層次：自己編寫全部控制程序——底層應(yīng)用。利用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS，在操作系統(tǒng)中添加具有針對性的控制任務(wù)（程序）——高層應(yīng)用?！皢纹瑱C(jī)原理”課程教會(huì)我們底層應(yīng)用uc/OS-II是“微控制器操作系統(tǒng)”，它將教會(huì)我們高層應(yīng)用。單片機(jī)也稱為：微控制器（MCU）地址總線AB控制總線CBCPU內(nèi)存智能儀器接口數(shù)字化存儲(chǔ)示波器、數(shù)字化萬用表通信接口終端調(diào)制解調(diào)器TTY電傳機(jī)過程控制接口A/D轉(zhuǎn)換器開關(guān)量I/OD/A轉(zhuǎn)換器輸出接口打印機(jī)，顯示器，繪圖儀，記錄儀輸入接口鍵盤，數(shù)字化儀，光筆，圖形/聲音輸入外存接口硬盤，軟盤，光盤，磁帶數(shù)據(jù)總線DB計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)主要模塊CPU、存儲(chǔ)器、接口連接三者用“總線”：數(shù)據(jù)總線DB；地址總線AB；控制總線CB接口連接外部設(shè)備：顯示器；鍵盤；鼠標(biāo)；打印機(jī)；以及硬盤；光盤；軟盤；U盤、還有互聯(lián)網(wǎng)等等兩種計(jì)算機(jī)對比對比項(xiàng)目個(gè)人計(jì)算機(jī)PC單片機(jī)CPU位數(shù)64位8、16、32位內(nèi)存大小256MB以上128字節(jié)～幾百KB工作頻率1GHZ以上幾十兆赫茲接口類型繁多的基本接口和智能接口只有基本接口基本接口并口、串口、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)并口、串口、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)智能接口FDD、IDE、USB、顯示器、聲卡少量類型有USB、CAN、等接口結(jié)構(gòu)特點(diǎn)多種IC多個(gè)電路板結(jié)構(gòu)單片IC結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存內(nèi)存分為只讀存儲(chǔ)器ROM和隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM兩類。ROM存放啟動(dòng)/開機(jī)程序以及一些系統(tǒng)子程序。PC機(jī)的BIOS就是存放在ROM中。用戶編寫的單片機(jī)程序也是存放在ROM中。RAM存放變量，數(shù)據(jù)。PC機(jī)還要存放從硬盤等處讀入的可執(zhí)行程序。ROM中的程序用于開機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)能引導(dǎo)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，這些程序在掉電后應(yīng)保證不會(huì)消失。單片機(jī)：麻雀雖小，五臟俱全單片機(jī)設(shè)計(jì)為：專用于控制目的計(jì)算機(jī)。用于專門目的，為了降低成本，沒有必要將不用的功能包含進(jìn)來。單片機(jī)通常只有8位，16位字長，運(yùn)算速度不是很快，但用于專門的控制足夠了。因數(shù)據(jù)量不大，單片機(jī)內(nèi)存也沒有必要做得太大。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)功能單一，可見于我們生活中的時(shí)時(shí)處處：手機(jī)、微波爐、洗衣機(jī)、電視機(jī)、遙控器、電子詞典、高檔玩具……嵌入式單片機(jī)還見于計(jì)算機(jī)的許多輔助設(shè)備：鍵盤、硬盤、光驅(qū)、打印機(jī)等等。計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換接口盡管計(jì)算機(jī)外部設(shè)備多種多樣，根本上來說就是數(shù)據(jù)的傳輸：外部設(shè)備把指令、數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)內(nèi)讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算機(jī)把處理情況和處理結(jié)果，以及需要保存的數(shù)據(jù)送到外部設(shè)備：顯示；打?。槐４?；交換……計(jì)算機(jī)接口就是完成以上數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的基本電路模塊。計(jì)算機(jī)基本接口并行接口：多條線（8線）同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。一次傳輸一字節(jié)。串行接口：單線傳輸，一次傳輸一位，分時(shí)傳送。定時(shí)器：產(chǎn)生設(shè)定的時(shí)間間隔信號(hào)，用于安排計(jì)算機(jī)的多種任務(wù)執(zhí)行時(shí)間。中斷控制器：用于使CPU能及時(shí)響應(yīng)多種外部設(shè)備申請的服務(wù)。通訊接口舉例并行接口：LPT打印機(jī)；內(nèi)部FDD軟驅(qū)；IDE光驅(qū)/硬盤……串行接口：COM1/COM2串行接口；USB通用串行接口；鍵盤、鼠標(biāo)接口；紅外線接口；網(wǎng)絡(luò)接口……串行接口還有更廣泛的應(yīng)用：手機(jī)，數(shù)字電視，衛(wèi)星通訊……常見的8位16位單片機(jī)Intel8051系列和96系列Motorola的MC68H系列Microchip的PIC系列英飛凌的XC800系列、C166系列TI的MSP430系列單片機(jī)不同型號(hào)間的主要差異CPU字長：4位；8位；16位；32位ROM容量：沒有（需要外部擴(kuò)展）；1K;2K;4K;8K…64K,128K…，工藝上分EPROM;E2PROM;FLASHROMRAM容量：128B;256B;1K;2K…，基本RAM和片內(nèi)擴(kuò)展XRAM接口數(shù)量和種類：并口；串口；定時(shí)器；中斷控制器。好的芯片還集成了AD/DA接口，DMA，PWM，CAN，I2C，……。同時(shí)增加更多引腳。單片機(jī)引腳和封裝單片機(jī)的發(fā)展方向加大存儲(chǔ)容量，采用新型存儲(chǔ)器加強(qiáng)程序的保密措施集成部件越來越多通信和聯(lián)網(wǎng)功能不斷加強(qiáng)功耗降低，電源電壓范圍寬如何選擇單片機(jī)從應(yīng)用的實(shí)際需求出發(fā)，不是越貴越好。運(yùn)行速度、接口數(shù)量、存儲(chǔ)容量、擴(kuò)展單元、功耗是否能滿足要求？是否易于獲得，價(jià)格如何？開發(fā)是否容易（程序下載）？軟件環(huán)境是否友好（程序仿真）？封裝及大小是否滿足要求？本課程重點(diǎn)因課時(shí)所限，本課程包括：Intel的8051單片機(jī)（初期/打基礎(chǔ)）。Infineon的XC866單片機(jī)（后期/重點(diǎn)）。配以多個(gè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行編程及操作練習(xí)。CPU主要結(jié)構(gòu)和功能ALU：算術(shù)邏輯單元。它是一個(gè)集：加、減、乘、除、移位、與、或、非、異或等多種功能模塊的電路單元。選擇ALU的某項(xiàng)功能是通過“指令譯碼器”送出的控制信號(hào)決定的。指令寄存器存放著從存儲(chǔ)器讀回的操作指令，它被“指令譯碼器”譯成操作ALU的控制信號(hào)。地址寄存器/程序計(jì)數(shù)器自動(dòng)計(jì)算CPU要執(zhí)行的下一條指令的存放地址，并產(chǎn)生相應(yīng)地址信號(hào)用于選擇程序存儲(chǔ)器。指令譯碼器在執(zhí)行完當(dāng)前指令時(shí)，發(fā)出“讀指令”信號(hào)，把下一條指令讀入指令寄存器。狀態(tài)寄存器存放著ALU運(yùn)算的狀態(tài)標(biāo)志。通用寄存器存放一些最常用的運(yùn)算數(shù)據(jù)或地址。運(yùn)算前，數(shù)據(jù)會(huì)轉(zhuǎn)存到暫存器中累加器是最常用的運(yùn)算寄存器。通常，運(yùn)算前是運(yùn)算數(shù)據(jù)，運(yùn)算后存放運(yùn)算結(jié)果。它配合暫存器通過ALU進(jìn)行運(yùn)算。存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：RAM程序存儲(chǔ)器：ROM兩類存儲(chǔ)器的編址方法有兩種：線性統(tǒng)一編址和分區(qū)編址。IntelMCS-51為“分區(qū)編址”，ROM和RAM各自占用一個(gè)獨(dú)立地址空間。IntelX86采用線性統(tǒng)一編址。ROM和RAM分布于同一個(gè)地址空間的不同地址段。單片機(jī)的RAM特點(diǎn)單片機(jī)的RAM又分為“片內(nèi)”和“片外”兩種。片內(nèi)RAM包含兩種應(yīng)用類型：①通用寄存器＋片內(nèi)RAM。②特殊功能寄存器SFR。SFR是特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegisters），而且是專用的！它們控制著單片機(jī)的各種接口功能，也存放著接口的輸入輸出數(shù)據(jù)。這些寄存器都有特定的地址。片外RAM通常指外部擴(kuò)展的RAM。一些性能較好的單片機(jī)片內(nèi)也集成了“片外”RAM，稱為：XRAM，實(shí)際上還是存在于片內(nèi)。片內(nèi)RAM和片外RAM也分為統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址兩種。51系列單片機(jī)最早以8031為代表，后來派生出許多型號(hào)，它們的基本結(jié)構(gòu)和指令代碼相同。甚至引腳也相同，可以直接互換。這類系列統(tǒng)稱為MCS-51系列，常見型號(hào)有：8031，8032，8751，8752，8051，8052…89C51，89C52，9751，9752，……生產(chǎn)51系列單片機(jī)的許多廠家還推出了性能更好的型號(hào)。51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖震蕩器及定時(shí)電路4K字節(jié)程序存儲(chǔ)器128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2個(gè)16位定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器8051CPU64K字節(jié)總線擴(kuò)展控制可編程I/O可編程串行口中斷中斷頻率基準(zhǔn)源計(jì)數(shù)器控制并行I/O口串行輸入串行輸出51單片機(jī)代表型號(hào)及資源型號(hào)ROM（KB）RAM（字節(jié)）并口（腳數(shù)）串口定時(shí)器中斷源8031無1284×81258032無2564×813680514KPROM1284×812589514K1284×812589528K2564×813689C5832K2564×813687C5416K2564×813689C20512K1282×812587C514K1284×8125DIP40封裝的51單片機(jī)P1.0~P1.7 并行口P1，其中P1.0和P1.1可能作為定時(shí)器T2的功能引腳。P0.1~P0.7 并行口P0，當(dāng)需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器或接口時(shí)，可以作為數(shù)據(jù)/地址（低8位）總線。P2.0~P2.7 并行口P2，當(dāng)需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器或接口時(shí)，可以作為地址總線高8位。P3.0~P3.7 并行口P3，通常單獨(dú)使用它們的第二功能：

P3口特殊功能

P3.0 RXD，異步通訊接口的數(shù)據(jù)輸入端。

P3.1 TXD，異步通訊接口的數(shù)據(jù)輸出端。

P3.2 INT0，外部中斷0申請的輸入端。

P3.3 INT1，外部中斷1申請的輸入端。

P3.4 T0，定時(shí)器T0外部時(shí)鐘輸入端。

P3.5 T1，定時(shí)器T1外部時(shí)鐘輸入端。

P3.6 WR，對外部存儲(chǔ)器/接口的“寫”信號(hào)。

P3.7 RD，對外部存儲(chǔ)器/接口的“讀”信號(hào)。51單片機(jī)的其它引腳VCC 工作電源，常為＋5V,某些型號(hào)可以工作在2.7~8V之間。VSS GND，接地端。XTAL1 外接晶體振蕩器，當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，此腳應(yīng)接地。XTAL2 外接晶體振蕩器。也作外部時(shí)鐘輸入。PSEN 讀外部ROM信號(hào)。RST 復(fù)位輸入端，高電平復(fù)位，低電平時(shí)CPU工作。ALE/PROG 地址鎖存信號(hào)輸出（正脈沖）/編程脈沖輸入（負(fù)脈沖），用戶一般不考慮后者。此信號(hào)控制外接的74LS373鎖存器把P0口的地址分量分離出來作為擴(kuò)展地址的低8位。EA/VPP 片內(nèi)片外ROM選擇/編程電壓輸入，用戶一般不考慮后者。當(dāng)接GND時(shí)，表示使用外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)接VCC時(shí)，使用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)簡介1

從外部來看，共有4組8位并行接口，占用32個(gè)引腳，另：兩個(gè)引腳作晶振接入，電源，地各一個(gè)腳及4個(gè)控制腳共計(jì)40個(gè)引腳。

4組并行接口分別稱為：P0;P1;P2和P3，每一個(gè)單獨(dú)引腳由小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)字確定。例如：P1.0;P3.2等。

4組并口，除P1為專門的并口外，其它3個(gè)并口還有第二功能：P0可以作為外部的數(shù)據(jù)總線和地址低8位；P2作為地址高8位。P3的每一個(gè)引腳都有不同的第2功能：串行接口的輸入輸出；外部中斷輸入；定時(shí)器外部鐘輸入以及外部接口存儲(chǔ)器的讀寫信號(hào)。單片機(jī)內(nèi)部除CPU的主要結(jié)構(gòu)外，還有128B（256B）的RAM，一定數(shù)量的ROM。RAM和ROM的多少隨芯片型號(hào)不同而不同。ALU：算術(shù)邏輯單元。所有的運(yùn)算都通過ALU進(jìn)行。PSW:：（ProgramStateWord）程序狀態(tài)字，8位。其中存放著當(dāng)前ALU的一些操作狀態(tài)特征。其字節(jié)地址是D0H。

結(jié)構(gòu)簡介2PC：（ProgramCounter）程序計(jì)數(shù)器，16位。它與8086CPU的IP（InstructionPointer）意義類似。PC中存放著CPU要執(zhí)行的下一條指令地址，CPU通過它產(chǎn)生ROM地址從而讀取指令。每執(zhí)行一條指令，它都會(huì)自動(dòng)增加。增加的數(shù)值依照已讀指令的長短而變化。只有中斷、跳轉(zhuǎn)和調(diào)用指令才能使其作其它變化。每當(dāng)開機(jī)或者復(fù)位時(shí)，它的起始值為0000H。ACC：累加器，8位。51單片機(jī)大多數(shù)指令都必須使用ACC，它是使用最頻繁的寄存器。它與ALU直接相連，加、減、乘、除、移位以及其它邏輯運(yùn)算都要使用ACC，特別是：外部數(shù)據(jù)的讀寫也都必須使用ACC。ACC有兩個(gè)名字：A和ACC。A表示寄存器，ACC表示用地址表達(dá)的寄存器（存儲(chǔ)器）。除入棧出棧指令使用ACC這個(gè)名字外，其它指令中都用A。DPTR：數(shù)據(jù)指針16位，主要用于指出外部RAM的數(shù)據(jù)地址或ROM數(shù)據(jù)表的基地址。內(nèi)存中將其分為兩個(gè)8位寄存器，分別叫DPL和DPH，DPH存放地址的高8位，DPL存放低8位。SP：stackPointer堆棧指針，8位。用于指出當(dāng)前堆棧的頂部地址，當(dāng)有入棧操作時(shí)，SP自動(dòng)+1，出棧時(shí)SP=SP-1。結(jié)構(gòu)簡介3P0口和P2口可以作為外部擴(kuò)展的數(shù)據(jù)總線和地址總線使用。P0口分時(shí)作為數(shù)據(jù)線（8位）和地址線低8位使用，通過外部地址分離電路將其分離。分離信號(hào)就是ALEP2口作為地址線高8位使用P0和P2可以組合成16位地址，因而可以對外部的64KB空間進(jìn)行尋址訪問。他們可以同時(shí)連接ROM和RAM（訪問操作各自不同）程序狀態(tài)字PSWC：也叫CY，進(jìn)位標(biāo)志或借位標(biāo)志。當(dāng)運(yùn)算產(chǎn)生進(jìn)位或借位時(shí)：C=1，否則C=0。C位還有一個(gè)特殊意義：它是1位計(jì)算機(jī)的“累加器”，CPU作布爾運(yùn)算時(shí)，需要C的介入。同時(shí)C還可以讀取一個(gè)引腳的數(shù)據(jù)或者把C的數(shù)據(jù)從引腳送出。AC：半進(jìn)位。當(dāng)AC=1時(shí)，表明運(yùn)算使低4位向高4位產(chǎn)生了進(jìn)位。F0：用戶標(biāo)志位。用戶可以用于存1位數(shù)據(jù)。RS1和RS0：（RegistersSelection）寄存器選擇位。用于選擇寄存器組。OV：溢出標(biāo)志。對符號(hào)數(shù)的運(yùn)算，當(dāng)結(jié)果超出-128~+127時(shí)，產(chǎn)生溢出，此時(shí)OV=1。F1：用戶標(biāo)志位。用戶可以用于存1位數(shù)據(jù)。（有些品種不支持）P：奇偶標(biāo)志，反映ACC中數(shù)據(jù)的奇偶性。若ACC中有奇數(shù)個(gè)1，則P=1。位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H位符號(hào)CACF0RS1RS0OVF1P51單片機(jī)內(nèi)部RAM地址名稱PSW/說明00~07R0R1R2R3R4R5R6R70組RS1=0,RS0=008~0FR0R1R2R3R4R5R6R71組RS1=0,RS0=110~1FR0R1R2R3R4R5R6R72組RS1=1,RS0=018~1FR0R1R2R3R4R5R6R73組RS1=1,RS0=120~2F位尋址區(qū)，地址00～7FH共128位，占16字節(jié)不用的字節(jié)作RAM30~7F用戶RAM區(qū)，存變量、緩沖、堆棧等80~FF51、52單片機(jī)為SFR特殊功能寄存器采用直接地址（名稱）80~FF52單片機(jī)作RAM采用寄存器間接尋址

內(nèi)部RAM的讀寫采用“MOV”指令，操作數(shù)分為：字節(jié)或位，其操作對象隨之不同。

R0-R7通用寄存器部分，不用的字節(jié)也做RAM。SFR簡介

地址：80H~FFH并口數(shù)據(jù)寄存器：P0;P1;P2;P3累加器ACC和寄存器B定時(shí)器T0（TH0;TL0),T1(TH1;TL1)定時(shí)器控制寄存器：TMOD;TCON串行口控制SCON和數(shù)據(jù)SBUF中斷控制：IE,IP電源控制：PCON程序狀態(tài)字：PSW堆棧指針：SP數(shù)據(jù)指針：DPTR(DPH和DPL)通用寄存器的使用51單片機(jī)留了4組寄存器，它們都叫做：R0,R1～R7。它們在各種運(yùn)算中起著參與運(yùn)算的作用。程序只能使用某一組寄存器。其它組用于其它程序。目的是互不破壞數(shù)據(jù)。這種情況主要發(fā)生在“中斷服務(wù)”時(shí)。如何切換到另一組呢？用程序改變PSW中的RS1和RS0就可。主程序默認(rèn)使用：寄存器組0。中斷服務(wù)程序開始時(shí)，先保存PSW，然后改寫RS1和RS0。退出服務(wù)時(shí)恢復(fù)原來的PSW。一般只要使用兩組就可以了。單片機(jī)的“位”單片機(jī)特色之一是使用“位”變量并可以直接操作。“位”存在于各個(gè)并口（引腳），累加器，PSW以及若干寄存器中；同時(shí)在RAM中也預(yù)留了“可位尋址”的空間：20H~2FH。位空間占用16字節(jié)，每個(gè)字節(jié)8位共128位，用地址00H~7FH表達(dá)。換算關(guān)系：字節(jié)地址＝20H