單片機(jī)原理與應(yīng)用第二章

單片機(jī)原理與應(yīng)用第二章第一頁，共五十頁，2022年，8月28日自1971年微型計算機(jī)問世以來，由于實際應(yīng)用的需要，微型計算機(jī)向兩個不同的應(yīng)用方向發(fā)展：

高速度、大容量、高性能的高檔計算機(jī)穩(wěn)定可靠、體積小、價格低的單片機(jī)第二頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.1單片機(jī)的概念一、單片機(jī)的硬件系統(tǒng)：1、微機(jī)系統(tǒng)基本組成：運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備

（CPU）RAM+ROM（I/O）

2、單片機(jī)的硬件組成把組成微型計算機(jī)的各功能部件：CPU、RAM、ROM、中斷系統(tǒng)、T/C以及I/O等主要微型機(jī)部件，集成在一塊芯片上。

第三頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.1單片機(jī)的概念一、單片機(jī)的硬件系統(tǒng)二、單片機(jī)的軟件系統(tǒng)1、在單片機(jī)系統(tǒng)中，使用機(jī)器語言2、在單片機(jī)開發(fā)時，使用機(jī)器語言、匯編語言、高級語言（如C-51、MBISIC-51等）第四頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.1單片機(jī)的概念一、單片機(jī)的硬件系統(tǒng)二、單片機(jī)的軟件系統(tǒng)三、單片機(jī)的名稱1、單片機(jī)是單片微型計算機(jī)的簡稱。2、單片機(jī)主要應(yīng)用于控制領(lǐng)域，它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計的，故又稱為微控制器（MicroControllerUnitMCU）。3、由于單片機(jī)在應(yīng)用時通常是被控系統(tǒng)的核心并融入其中，即以嵌入的方式工作，為了強(qiáng)調(diào)其“嵌入”的特點(diǎn)，也常常將單片機(jī)稱為嵌入式微控制器。第五頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.1單片機(jī)的概念四、單片機(jī)的發(fā)展

第一階段（1971～1974年）：單片機(jī)出現(xiàn)。

第二階段（1974～1978年）：初級單片機(jī)階段。MCS-48系列

第三階段（1978～1983年）：高性能單片機(jī)階段。MCS-51系列

第四階段（1983年～現(xiàn)在）：8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位、32位單片機(jī)推出階段。

*

單片機(jī)的發(fā)展朝多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗方向發(fā)展。

第六頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.1單片機(jī)的概念四、單片機(jī)的發(fā)展五、單片機(jī)的主流系列1、MC6800系列：Motorola公司產(chǎn)品，8位的CPU，典型產(chǎn)品如MC68HC05芯片。含模擬比較器，可編程的Watchdog等。2、Z-8系列：Zilog公司的產(chǎn)品8位CPU，OTP型，低價格。3、INTELMCS-51系列：8位的CPU，含布爾處理機(jī)，典型產(chǎn)品如8051芯片。

第七頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.1單片機(jī)的概念四、單片機(jī)的發(fā)展五、單片機(jī)的主流系列4、PHILIPS-51系列：除含MCS-51功能外，增加多種外部接口功能，如Watchdog、ADC、高速I/O等5、ATMEL-51系列：除含MCS-51功能外，內(nèi)有FLASH-ROM。典型產(chǎn)品如89C51芯片。6、華邦-W78C51系列：除含MCS-51功能外，內(nèi)有FLASH-ROM，容量大。典型產(chǎn)品如W78C51芯片。7、PIC16系列：Microchip公司產(chǎn)品，8位CPU，精簡指令系統(tǒng)，Watchdog等功能。典型產(chǎn)品如PIC16C64芯片。

第八頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.1單片機(jī)的概念四、單片機(jī)的發(fā)展五、單片機(jī)的主流系列

除PHILIPS-51系列、ATMEL-51系列、華邦-W78C51系列外，以MCS-51為內(nèi)核的其它高性能單片機(jī)層出不窮，以MCS-51為內(nèi)核的單片機(jī)仍是當(dāng)今主流之一。第九頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.1單片機(jī)的概念六、51單片機(jī)的分類分為51子系列和52子系列1、51子系列的四種芯片（以片內(nèi)ROM形式分）8031：無ROM8051：掩膜ROM8751：EPROM，紫外線可擦除ROM8951：EEPROM，電可擦除ROM第十頁，共五十頁，2022年，8月28日六、51單片機(jī)的分類1、51子系列的四種芯片2、51子系列和52子系列的性能比較資源配置子系列片內(nèi)ROM形式片內(nèi)ROM容量片內(nèi)RAM容量定時器/計數(shù)器中斷源無ROMEPROME2PROM51子系列80318051875189514KB128B2×16552子系列80328052875289528KB256B3×166第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日六、51單片機(jī)的分類1、51子系列的四種芯片2、51子系列和52子系列的性能比較（1）型號比較：末尾數(shù)字“1”→“2”，即8032、8052……（2）51子系列與52子系列的資源配置比較

4KBROM→8KBROM128BRAM→256BRAM2個T/C→3T/C：定時器/計數(shù)器5個中斷→6個中斷

第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日六、51單片機(jī)的分類1、51子系列的四種芯片2、51子系列和52子系列的性能比較3、51單片機(jī)的制造工藝（1）HMOS：高密度短溝道MOS工藝，具有高速、高密度的特點(diǎn)。（2）CHMOS：CMOS和HMOS的結(jié)合，高速、高密度和低功耗的特點(diǎn)。

*型號上的差別：80CXX，如80C31、80C51、87C51、89C51

*CHMOS單片機(jī)增加功能：待機(jī)方式、掉電方式第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.280C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號引腳一、80C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1、8位CPU2、內(nèi)部RAM256字節(jié)，供用戶使用的是前128字節(jié)3、內(nèi)部ROM4K字節(jié)4、2個16位的加法計數(shù)結(jié)構(gòu)的計數(shù)器5、并行I/O口四個6、一個全雙工的串行口7、5個中斷源2級中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)8、時鐘電路、布爾處理機(jī)、總線第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.280C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號引腳一、8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、信號引腳1、四個并行口（共32腳）P0口：雙向口，P0.0~P0.7P1口：準(zhǔn)雙向口,P1.0~P1.7P2口：準(zhǔn)雙向口,P2.0~P2.7P3口：準(zhǔn)雙向口,P3.0~P3.72、ALE：地址鎖存控制信號3、/PSEN：外部程序存儲器讀選通信號，由芯片本身控制。第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.2MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號引腳一、8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、信號引腳4、/EA：訪問程序存儲器控制信號，由用戶硬件控制/EA接低電平：表示對ROM的讀操作僅限定在外部。/EA接高電平：表示對ROM的讀操作從內(nèi)部延續(xù)到外部。*

注意與/PSEN引腳的不同控制意義第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.2MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號引腳一、8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、信號引腳1、四個并行口（共32腳）2、ALE：地址鎖存控制信號3、/PSEN：外部程序存儲器讀選通信號，

4、/EA：訪問程序存儲器控制信號5、RST：復(fù)位信號6、XTAL1、XTAL2：外部晶體振蕩器輸入引腳7、Vss和Vcc：地、電源第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.2MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號引腳一、8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、信號引腳三、信號引腳的第二功能1、P3口的第二功能：除作為一般輸入/輸出應(yīng)用外，還有口線引腳功能P3.010RXD(串行輸入口)P3.111TXD(串行輸出口)P3.212INT0(外部中斷0)P3.313INT1(外部中斷1)P3.414T0(定時器0外部輸入)P3.515T1(定時器1外部輸入)P3.616/WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖)P3.717/RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖)第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.2MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號引腳一、8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、信號引腳三、信號引腳的第二功能1、P3口的第二功能2、固化EPROM所需信號固化的意義ALE/PROG：地址鎖存控制信號/編程脈沖輸入EA/VPP：訪問程序存儲器控制信號/編程電壓輸入3、備用電源輸入RST/VPD：復(fù)位/備用電源輸入第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.38051單片機(jī)的內(nèi)部存儲器一、內(nèi)部RAM低128單元（00H~7FH）1、寄存器區(qū)（00H~1FH）：共32個字節(jié)，分為四組寄存器組，每組以符號R0~R7表示，通過PSW寄存器的RS1、RS0選擇寄存器組0組PSW.4(RS1)PSW.3(RS0)當(dāng)前使用的工作寄存器組R0～R7000組(00H～07H)011組(08H～0FH)102組(10H～17H)113組(18H～1FH)0組第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.38051單片機(jī)的內(nèi)部存儲器一、內(nèi)部RAM的低128單元（00H~7FH）1、寄存器區(qū)（00H~1FH）2、位尋址區(qū)（20H~2FH）有字節(jié)地址，又有位地址字節(jié)地址：20H~2FH位地址：00H~7FH能字節(jié)操作，又能位操作是布爾處理機(jī)的存儲空間3、用戶RAM區(qū)（30H~7FH）第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.38051單片機(jī)的內(nèi)部存儲器一、內(nèi)部RAM的低128單元（00H~7FH）二、內(nèi)部RAM的高128單元（80H~FFH）

離散地分布著一些特殊功能寄存器SFR

符號名稱地址符號名稱地址P0*P0鎖存器80HP1*P1鎖存器90HSP堆棧指針81HSCON*串行口控制寄存器98HDPL數(shù)據(jù)指針低位字節(jié)82HSBUF串行數(shù)據(jù)緩沖器99HDPH數(shù)據(jù)指針高位字節(jié)83HP2*P2鎖存器A0HPCON電源控制及波特率選擇87HIE*中斷允許寄存器A8HTCON*定時器/計數(shù)器控制寄存器88HP3*P3鎖存器B0HTMOD定時方式選擇寄存器89HIP*中斷優(yōu)先級寄存器B8HTL0定時器/計數(shù)器0低位字節(jié)8AHB*B寄存器F0HTL1定時器/計數(shù)器1低位字節(jié)8BHPSW*程序狀態(tài)寄存器D0HTH0定時器/計數(shù)器0高位字節(jié)8CHACC*累加器E0HTH1定時器/計數(shù)器1高位字節(jié)8DH

第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.38051單片機(jī)的內(nèi)部存儲器一、內(nèi)部RAM的低128單元（00H~7FH）二、內(nèi)部RAM的高128單元（80H~FFH）1、專用寄存器SFR介紹（1）PC程序計數(shù)器（ProgramCounter）不占RAM單元，不可尋址

16位，PC的內(nèi)容是將要執(zhí)行的指令的地址取出一條指令，PC的內(nèi)容自動加1（2）A累加器Accumulator地址：E0H，符號為Acc（3）B寄存器：用于完成乘除運(yùn)算第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.38051單片機(jī)的內(nèi)部存儲器二、內(nèi)部RAM的高128單元（80H~FFH）1、專用寄存器SFR介紹（4）PSW:程序狀態(tài)字（ProgramStateWord）位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OVF1P

軟件控制：F0、F1————用戶通用標(biāo)志位 RS1、RS0——選擇寄存器組

硬件控制：CY、AC、OV、PCY：算術(shù)運(yùn)算的進(jìn)借位標(biāo)志；CY=1，表示有進(jìn)借位。AC：輔助進(jìn)位位；一字節(jié)中低四位向高四位的有進(jìn)借位，AC=1OV：加減、乘、除運(yùn)算時溢出標(biāo)志位；CPU判定條件P：奇偶標(biāo)志位，P=1，表示累加器A中含“1”的個數(shù)為奇數(shù)個第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日練習(xí)例1：將數(shù)據(jù)34H與50H的和傳送到A寄存器，問PSW寄存器的P、OV、AC、CY位的狀態(tài)。例2：將數(shù)據(jù)34H與50H的差傳送到A寄存器，問PSW寄存器的P、OV、AC、CY位的狀態(tài)。第二十五頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.38051單片機(jī)的內(nèi)部存儲器一、內(nèi)部RAM的低128單元（00H~7FH）二、內(nèi)部RAM的高128單元（80H~FFH）1、專用寄存器SFR介紹（1）PC程序計數(shù)器（ProgramCounter）（2）A累加器Accumulator（3）B寄存器：用于完成乘除運(yùn)算（4）PSW:程序狀態(tài)字（ProgramStateWord）（5）DPTR：16位的寄存器高八位：DPH，地址為83H低八位：DPL，地址為82H第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.38051單片機(jī)的內(nèi)部存儲器一、內(nèi)部RAM的低128單元（00H~7FH）二、內(nèi)部RAM的高128單元（80H~FFH）1、專用寄存器SFR介紹（PC、A、B、PSW、DPTR）2、專用寄存器的尋址直接尋址：使用直接地址或寄存器符號如訪問B寄存器，可使用符號B，或其地址F0H位尋址：僅限于專用寄存器的地址能被8整除的（見P22表2.3）第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.38051單片機(jī)的內(nèi)部存儲器一、內(nèi)部RAM的低128單元二、內(nèi)部RAM的高128單元三、堆棧及其指示器

堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就是只允許在其一端進(jìn)行數(shù)據(jù)插入和數(shù)據(jù)刪除操作的線性表。1、堆棧有關(guān)術(shù)語入棧、出棧棧底、棧頂、堆棧指示器SP（棧頂?shù)牡刂罚?、堆棧的操作規(guī)則：后進(jìn)先出，LIFO3、堆棧的類型向上生長型：隨數(shù)據(jù)入棧，SP增加向下生長型：隨數(shù)據(jù)入棧，SP減少

棧底

棧頂

頂端

SP

第二十八頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.38051單片機(jī)的內(nèi)部存儲器三、堆棧及其指示器4、堆棧的開辟：內(nèi)部RAM，或外部RAM。5、數(shù)據(jù)入棧、出棧的步驟向上生長型：入棧：SP=SP+1，數(shù)據(jù)寫入出棧：數(shù)據(jù)從SP單元讀出，SP=SP-1向下生長型：入棧：SP=SP-1，數(shù)據(jù)寫入出棧：數(shù)據(jù)讀出，SP=SP+16、堆棧的功能和使用功能：保護(hù)斷點(diǎn)，即PC值保護(hù)現(xiàn)場，即有沖突使用的單元使用：自動方式，如保護(hù)斷點(diǎn)指令方式，如保護(hù)現(xiàn)場棧底

棧頂

頂端

SP

第二十九頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.38051單片機(jī)的內(nèi)部存儲器三、堆棧及其指示器1、堆棧有關(guān)術(shù)語2、堆棧的操作規(guī)則3、堆棧的類型4、數(shù)據(jù)入棧、出棧的步驟5、堆棧的開辟6、堆棧的功能和使用7、MCS-51單片機(jī)的堆棧向上生長型，開辟在內(nèi)部RAM中復(fù)位后：SP=07H堆棧的位置是浮動的第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.38051單片機(jī)的內(nèi)部存儲器一、內(nèi)部RAM的低128單元二、內(nèi)部RAM的高128單元三、堆棧及其指示器四、內(nèi)部程序存儲器1、51子系列的ROM配置情況2、內(nèi)部ROM的地址：0000H~0FFFH3、幾個特殊單元0000H：復(fù)位后的PC值0003H/0013H：外中斷0入口地址/外中斷1入口地址000BH/001BH：定時器0入口地址/定時器1入口地址0023H：串行口入口地址第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.4并行I/O結(jié)構(gòu)一、并行口的分工P0口：分時送出8位數(shù)據(jù)和低八位地址、I/O口P1口：I/O口P2口：高八位地址、I/O口P3口：I/O口、第二功能輸入二、并行口的負(fù)載特性P0口：8個TTL負(fù)載，雙向口P1~P3口：4個TTL負(fù)載，準(zhǔn)雙向口第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.4并行I/O結(jié)構(gòu)三、各并行口結(jié)構(gòu)1、P1口結(jié)構(gòu)D觸發(fā)器功能:在寫入脈沖的作用下，Q=D，/Q=/DMOS管工作特性：當(dāng)柵極輸入高電平時，漏極電位=源極電位=0當(dāng)柵極輸入低電平時，漏極由電阻拉為高電平。即漏極=/柵極。三態(tài)門功能：當(dāng)控制信號有效時，三態(tài)門的輸出等于其輸入。第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.4并行I/O結(jié)構(gòu)三、各并行口結(jié)構(gòu)1、P1口結(jié)構(gòu)寫功能：在寫入脈沖的作用下，/Q=/D，P1.X=/（/Q）=/（/D）=D。讀鎖存器：（上三態(tài)門）當(dāng)讀鎖存器控制信號有效時，三態(tài)門的輸出(內(nèi)部總線某位)等于其輸入(Q)讀引腳：（下三態(tài)門）當(dāng)讀引腳控制信號有效時，三態(tài)門的輸出(內(nèi)部總線某位)等于其輸入(P1.X)。第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.4并行I/O結(jié)構(gòu)三、各并行口結(jié)構(gòu)2、P2口結(jié)構(gòu)（了解）高八位地址輸出在控制信號的作用下，MUX打向“地址”端，地址信號通過非門和MOS管兩級反相后輸出到引腳P2.X。I/O：內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)輸入/輸出在控制信號的作用下，MUX打向“Q”，同P1口。有“寫、讀引腳、讀鎖存器”功能第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.4并行I/O結(jié)構(gòu)三、各并行口結(jié)構(gòu)3、P3口結(jié)構(gòu)（了解）數(shù)據(jù)輸入/輸出輸出：“第二功能輸出”信號維持1時，在寫入脈沖作用下，P3.X=Q=內(nèi)部總線的數(shù)據(jù)。輸入：讀鎖存器，同P1口；讀引腳，經(jīng)兩級三態(tài)門電路到內(nèi)部總線第二功能輸入、輸出輸出：Q維持高電平，P3.X=“第二功能輸出”輸入：Q端和“第二功能輸出”維持高電平，在讀引腳信號控制下，“第二功能輸入可到達(dá)內(nèi)部總線第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.4并行I/O結(jié)構(gòu)三、各并行口結(jié)構(gòu)4、P0口結(jié)構(gòu)（了解）8位數(shù)據(jù)和低八位地址的輸出“控制”信號=1，MUX打向“地址/數(shù)據(jù)”端，I/O口“控制”信號=1，MUX打向“/Q”端，第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.5時鐘電路和時序一、時鐘電路及時鐘信號1、振蕩電路：P30圖2.112、時鐘電路：P30圖2.12第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.5時鐘電路和時序一、時鐘電路及時鐘信號二、時序定時單位1、拍節(jié)：P（晶體振蕩周期），1P=2、狀態(tài)：S（時鐘信號周期），1S=2P=23、機(jī)器周期：1個機(jī)器周期=6S=12P4、指令周期：執(zhí)行一條指令所需時間最短指令周期=1個機(jī)器周期最長指令周期=4個機(jī)器周期（僅乘除指令）第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.5時鐘電路和時序一、時鐘電路及時鐘信號二、時序定時單位三、指令分類1、按指令長度分：單字節(jié)指令：INCA；04HMULAB雙字節(jié)指令：ADDA,#01H；24H01H三字節(jié)指令：MOV30H,#00H；75H30H00H第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.5時鐘電路和時序一、時鐘電路及時鐘信號二、時序定時單位三、指令分類1、按指令長度分：2、按指令執(zhí)行時間分：單機(jī)器周期指令：如INCA雙機(jī)器周期指令：如ADDA,#01H四機(jī)器周期指令：如MULAB第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.5時鐘電路和時序一、時鐘電路及時鐘信號二、時序定時單位三、指令分類1、按指令長度分：2、按指令執(zhí)行時間分：綜合分類單字節(jié)單機(jī)器周期指令：如INCA雙字節(jié)單機(jī)器周期指令：單字節(jié)雙機(jī)器周期指令：雙字節(jié)雙機(jī)器周期指令：三字節(jié)雙機(jī)器周期指令：

見指令表，P50第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日§2.6MCS-51單片機(jī)的工作方式一、復(fù)位方式1、