單片機(jī)及接口技術(shù)

單片機(jī)及接口技術(shù)

第一章單片機(jī)概述

1.單片機(jī)的概念

2.單片機(jī)的發(fā)展簡史

3.單片機(jī)的應(yīng)用

4.單片機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)1.何謂單片機(jī)一臺能夠工作的計(jì)算機(jī)要有這樣幾個部份構(gòu)成：CPU（進(jìn)行運(yùn)算、控制）、RAM（數(shù)據(jù)存儲）、ROM（程序存儲）、輸入/輸出設(shè)備（例如：串行口、并行輸出口等）。在個人計(jì)算機(jī)上，這些部份被分成若干塊芯片，安裝在一個稱之為主板的印刷線路板上。而在單片機(jī)中，這些部分全部被做到一塊集成電路芯片中了，所以就稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。由于它常常是針對工業(yè)控制以及與控制有關(guān)的數(shù)據(jù)處理而設(shè)計(jì)的，故又名為微控制器（Microcontroller）。2.單片機(jī)的發(fā)展簡史★第一代單片機(jī)（1974-1976）:這是單片機(jī)發(fā)展的起步階段。此時(shí)的單片機(jī)采用雙片形式，集成度低，制造工藝落后。典型代表產(chǎn)品有Fairchild公司的F8和Mostek387公司的3870等。★第二代單片機(jī)（1976-1978）:這是單片機(jī)的第二發(fā)展階段。此時(shí)的單片機(jī)已能在單塊芯片內(nèi)集成多個功能部件，但性能低，品種少，應(yīng)用范圍也不是很廣，典型產(chǎn)品有Intel公司的MCS-48系列單片機(jī)。★第三代單片機(jī)（1979-1982）:這是單片機(jī)發(fā)展成熟的階段。這一時(shí)期生產(chǎn)的單片機(jī)品種齊全，可以滿足各種不同領(lǐng)域的需要。代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)等?！锏谒拇鷨纹瑱C(jī)（1983年以后）:這是高速、高性能單片機(jī)發(fā)展的時(shí)代。此時(shí)的單片機(jī)集成度高，工藝先進(jìn)，內(nèi)部功能強(qiáng)，速度快，應(yīng)用滲透到人們工作和生活的各個角落，幾乎是“無所不在，無所不為”。代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900等。

?

MCS51單片機(jī)和8051、8031、89C51等的關(guān)系

MCS51單片機(jī)8031單片機(jī)8051單片機(jī)8751單片機(jī)8032單片機(jī)8052單片機(jī)8752單片機(jī)89C51單片機(jī)3.單片機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)長壽命體積小低電壓與低功耗低噪聲與高可靠性技術(shù)總而言之，單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、體積小、功耗低、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。?單片機(jī)的特點(diǎn)?單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)應(yīng)用單機(jī)應(yīng)用測控系統(tǒng)智能儀表機(jī)電一體化產(chǎn)品智能接口智能民用產(chǎn)品多機(jī)應(yīng)用功能集散系統(tǒng)：并行多控制系統(tǒng)：局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是指在一個應(yīng)用系統(tǒng)中，只用一個單片機(jī)。是指在一個應(yīng)用系統(tǒng)中，使用多個單片機(jī)。為滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的快速性問題?單片機(jī)分類★按字長分：

4位單片機(jī)（1971～1974）、8位單片機(jī)（1974～1982）

16位單片機(jī)（1982～1990）、32位單片機(jī)（90年代以來）★按控制應(yīng)用需要分：通用型單片機(jī)內(nèi)部資源比較豐富，性能全面且適用性強(qiáng)，能覆蓋多種應(yīng)用需求，用戶可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成各種不同應(yīng)用的控制系統(tǒng)。專用型單片機(jī)針對一種產(chǎn)品或一種控制應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的單片機(jī)芯片。

?常用計(jì)數(shù)法

十進(jìn)制——符合人們的習(xí)慣二進(jìn)制——便于物理實(shí)現(xiàn)十六進(jìn)制——便于識別、書寫八進(jìn)制1）.十進(jìn)制特點(diǎn)：以十為底，逢十進(jìn)一；共有0-9十個數(shù)字符號。表示：2）.二進(jìn)制特點(diǎn)：以2為底，逢2進(jìn)位；只有0和1兩個符號。表示：3）.十六進(jìn)制特點(diǎn)：以16為底，逢16進(jìn)位；有0--9及A--F共16個數(shù)字符號。表示：進(jìn)位計(jì)數(shù)制的一般表示一般地，對任意一個K進(jìn)制數(shù)S都可表示為其中：

Si

--

S的第i位數(shù)碼，可以是K個符號中任何一個；

n,m--

含義同前；

K

--

基數(shù)；

Ki

--K進(jìn)制數(shù)的權(quán)?各進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換1）.非十進(jìn)制數(shù)到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

按相應(yīng)進(jìn)位計(jì)數(shù)制的權(quán)表達(dá)式展開，再按十進(jìn)制求和。

例：10110010B

=(?)10

13FAH

=(?)102）.十進(jìn)制到非十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制→二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換： 整數(shù)部分：除2取余；小數(shù)部分：乘2取整。十進(jìn)制→十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換：整數(shù)部分：除16取余；小數(shù)部分：乘16取整。以小數(shù)點(diǎn)為起點(diǎn)求得整數(shù)和小數(shù)的各個位。3）.二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十六進(jìn)制數(shù)

例：10110001001.110=(?)H

0101

1000

1001.1100

5

8

9.C4.單片機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生產(chǎn)的，在它上面集成的是一些作為基本組成部分的電路，單片機(jī)只是一個芯片。單片機(jī)系統(tǒng)則是在單片機(jī)芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)展其它電路或芯片構(gòu)成的具有一定應(yīng)用功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

第二章單片機(jī)芯片的硬件結(jié)構(gòu)51單片機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)及信號引腳51單片機(jī)的內(nèi)部存儲器并行輸入/輸出口電路單片機(jī)時(shí)鐘電路與時(shí)序單片機(jī)工作方式1.單片機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)及信號引腳輸入輸出接口（I/O）控制與運(yùn)算單元（CPU）程序存儲器（ROM）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）單片機(jī)內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)中央處理器簡稱CPU，是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制工作。按其功能，中央處理器包括運(yùn)算器和控制器兩部分電路。前者用于實(shí)現(xiàn)算術(shù)和邏輯運(yùn)算，后者保證單片機(jī)各部分能自動而協(xié)調(diào)的工作。程序存儲器（ROM是只讀存儲器的英文縮寫）用于存放程序和原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲器（RAM是隨機(jī)存取存儲器的英文縮寫）用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。輸入輸出接口（I/O）是單片機(jī)與外界交換數(shù)據(jù)的通道。需要單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)、單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)和控制命令都得通過I/O接口與外部設(shè)備交換。

?幾個基本概念PROM：稱之為可編程只讀存儲器。它只能寫入一次，不允許修改或再次寫入。EPROM：稱之為可擦可編程只讀存儲器。用紫外線擦除，可多次寫入。EEPROM：稱之與EPROM類似。但只要用電就可擦除。寫入和擦除的速度較慢。FLASH：稱之為閃速存儲器，與EEPROM類似，但其讀寫的速度要快得多，集成度也高。MCS—51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖

?MCS-51的信號引腳單片機(jī)的信號引腳是其內(nèi)部功能模塊與外圍器件連接的紐帶。不同廠家生產(chǎn)的不同型號的單片機(jī)，由于工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等原因，芯片的引腳數(shù)目和排列是不同的。MCS—51系列單片機(jī)芯片均為40個引腳,HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插（DIP）方式封裝,其引腳示意及功能分類如下圖所示。CMOS工藝制造的低功耗芯片也有采用方型封裝的,但為44個引腳,其中4個引腳是不使用的。

MCS—51系列單片機(jī)引腳及總線結(jié)構(gòu)

(a)管腳圖；(b)引腳功能分類

??信號引腳介紹1.主電源引腳Vcc和VssVCC（40腳）:接+5V電源正端;VSS（20腳）:接+5V電源地端。2.外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）:接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部,它是一個反相放大器的輸入端,這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí),對于HMOS單片機(jī),該引腳接地;對于CHMOS單片機(jī),該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。

XTAL2（18腳）:接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部,接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí),對于HMOS單片機(jī),該引腳作為外部振蕩信號的輸入端;對于CHMOS芯片,該引腳懸空不接。3.控制信號或與其它電源復(fù)用引腳控制信號或與其它電源復(fù)用引腳有RST/VPD、、和等4種形式。（1）RST/VPD（9腳）:RST即為RESET,VPD為備用電源,所以該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。

（2）（30腳）:當(dāng)訪問外部存儲器時(shí),ALE（允許地址鎖存信號）以每機(jī)器周期兩次的信號輸出,用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低8位地址。（3）（29腳）:片外程序存儲器讀選通信號輸出端,低電平有效。（4）（31腳）:為訪問外部程序存儲器控制信號,低電平有效。

4.輸入/輸出（I/O）引腳P0口、P1口、P2口及P3口（1）P0口（39腳～32腳）:P0.0～P0.7統(tǒng)稱為P0口。（2）P1口（1腳～8腳）:P1.0～P1.7統(tǒng)稱為P1口,可作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用。（3）P2口（21腳～28腳）:P2.0～P2.7統(tǒng)稱為P2口,一般可作為準(zhǔn)雙向I/O接口。（4）P3口（10腳～17腳）:P3.0～P3.7統(tǒng)稱為P3口。

P3口第2功能表

2.單片機(jī)的內(nèi)部存儲器MCS—51單片機(jī)存儲器分類及配置

MCS—51單片機(jī)存儲器的分類從物理結(jié)構(gòu)上可分為:片內(nèi)、片外程序存儲器（8031和8032沒有片內(nèi)程序存儲器）與片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲器4個部分;從尋址空間分布可分為:程序存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器3大部分;從功能上可分為:程序存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、特殊功能寄存器、位地址空間和外部數(shù)據(jù)存儲器5大部分。?內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器

低128單元（00H~7FH）

高128單元（80H~FFH）工作寄存器區(qū)位尋址區(qū)用戶RAM區(qū)專用寄存器區(qū)1）工作寄存器區(qū)內(nèi)部RAM塊的00H～1FH區(qū),共分4個組,每組有8個工作寄存器R0～R7,共32個內(nèi)部RAM單元。寄存器和RAM地址的對應(yīng)關(guān)系下表所示。工作寄存器共有4組，但在任一時(shí)刻CPU只使用1組，其它各組不工作。當(dāng)前寄存器工作組由程序狀態(tài)字PSW中的PSW.3（RS0）和PSW.4（RS1）兩位來決定。CPU通過軟件修改PSW中RS0和RS1兩位的狀態(tài),就可任選一個工作寄存器工作,這個特點(diǎn)使MCS—51單片機(jī)具有快速現(xiàn)場保護(hù)功能,對于提高程序的效率和響應(yīng)中斷的速度是很有利的。若程序中并不要4個工作寄存器組,那么剩下的工作寄存器組所對應(yīng)的單元也可以作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用。

工作寄存器組的選擇表2）位尋址區(qū)

20H～2FH單元為位尋址區(qū),這16個單元（共計(jì)128位）的每1位都有一個8位表示的位地址,位地址范圍為00H～7FH,如下表所示。位尋址區(qū)的每1位都可當(dāng)作軟件觸發(fā)器,由程序直接進(jìn)行位處理。通?？梢园迅鞣N程序狀態(tài)標(biāo)志,位控制變量存于位尋址區(qū)內(nèi)。同樣,位尋址的RAM單元也可以按字節(jié)操作作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用。

內(nèi)部RAM中位地址表3）用戶RAM區(qū)

30H～7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū),也即用戶RAM區(qū),共80個單元。MCS—52子系列片內(nèi)RAM有256個單元,前兩個的單元數(shù)與地址都和MCS—51子系列一致。用戶RAM區(qū)從30H～FFH,共208個單元。??高128單元

專用寄存器區(qū)，單元地址為80H～FFH，專用于控制、管理單片機(jī)內(nèi)算術(shù)邏輯部件、并行I/O口鎖存器、串行口數(shù)據(jù)緩沖器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作。專用寄存器介紹程序寄存器PC

其內(nèi)容為將要執(zhí)行的指令地址。具有自動加1功能，但它不可尋址。累加器A

功能：存放操作數(shù)；存放運(yùn)算的中間結(jié)果；做數(shù)據(jù)傳送的中轉(zhuǎn)站；做變址寄存器使用。B寄存器主要用于乘除運(yùn)算，也可作為一般數(shù)據(jù)寄存器使用。程序狀態(tài)字PSW

用于寄存指令執(zhí)行的狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)指針DPTR位序D7D6D5D4D3D2D1D0位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OV/PCY:進(jìn)位標(biāo)志位存放算術(shù)運(yùn)算的進(jìn)位標(biāo)志；在位操作中作累加器使用。AC:輔助進(jìn)位標(biāo)志位在加減運(yùn)算中，當(dāng)有低4位進(jìn)位或借位時(shí)，AC由硬件置位，否則AC位被清零。F0:用戶標(biāo)志位用戶根據(jù)需要用軟件方法置位或復(fù)位。RS1和RS0:寄存器組選擇位OV:溢出標(biāo)志位P:奇偶標(biāo)志位累加器中1的個數(shù)為偶數(shù)，P=0；否則P=1。

特殊功能寄存器名稱、標(biāo)識符、地址一覽表

?堆棧操作在程序?qū)嶋H運(yùn)行中，往往需要一個后進(jìn)先出的RAM區(qū),在子程序調(diào)用、中斷服務(wù)處理等場合用以保護(hù)CPU的現(xiàn)場,這種后進(jìn)先出的緩沖區(qū)稱為堆棧。MCS—51單片機(jī)堆棧區(qū)不是固定的,原則上可設(shè)在內(nèi)部RAM的任意區(qū)域內(nèi),但為了避開工作寄存器區(qū)和位尋址區(qū),一般設(shè)在30H以后的范圍內(nèi),

棧頂?shù)奈恢糜蓪ｉT設(shè)置的堆棧指針寄存器SP（8位）指出。MCS—51單片機(jī)的堆棧屬向上生長型,如下圖所示。

MCS—51單片機(jī)堆棧?程序存儲器

1）程序存儲器的編址計(jì)算機(jī)的工作是按照事先編制好的程序命令一條條循序執(zhí)行的,程序存儲器就是用來存放這些已編好的程序和表格常數(shù),它由只讀存儲器ROM或EPROM組成。

2）程序運(yùn)行的入口地址實(shí)際應(yīng)用時(shí),程序存儲器的容量由用戶根據(jù)需要擴(kuò)展，而程序地址空間原則上也可由用戶任意安排。但程序最初運(yùn)行的入口地址，MCS—51單片機(jī)是固定的，用戶不能更改。程序存儲器中有復(fù)位和中斷源共7個固定的入口地址見下表。

MCS—51單片機(jī)復(fù)位、中斷入口地址3.并行輸入/輸出接口P0口

1）P0口結(jié)構(gòu)

P0口是一個三態(tài)雙向口，可作為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口,也可作為通用I/O接口。其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。鎖存器起輸出鎖存作用；場效應(yīng)管（FET）V1、V2組成輸出驅(qū)動器，以增大帶負(fù)載能力；三態(tài)門1是引腳輸入緩沖器；三態(tài)門2是用于讀鎖存器端口；與門3、倒相器4及模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)構(gòu)成輸出控制電路。

2）地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用功能當(dāng)P0口作為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線時(shí),可分為兩種情況：一種是從P0口輸出地址或數(shù)據(jù),另一種是從P0口輸入數(shù)據(jù)。在訪問片外存儲器需從P0輸出地址或數(shù)據(jù)信號時(shí),控制信號應(yīng)為高電平1,使轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX把反向器4的輸出端與V1接通,同時(shí)把與門3打開。3）I/O接口功能當(dāng)P0口作為通用I/O接口使用，在CPU向端口輸出數(shù)據(jù)時(shí)，對應(yīng)的控制信號為0，轉(zhuǎn)換開關(guān)把輸出級與鎖存器端接通，同時(shí)因與門3輸出為0使V2截止，此時(shí)，輸出級是漏極開路電路。當(dāng)P0口作為通用I/O接口時(shí)，要注意兩點(diǎn)：第一，在輸出數(shù)據(jù)時(shí)，由于V2截止，輸出級是漏極開路電路，要使“1”信號正常輸出，必須外接上拉電阻。

第二，P0口作為通用I/O使用時(shí)是真正雙向口。P1口

P1口為準(zhǔn)雙向口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。它在結(jié)構(gòu)上與P0口的區(qū)別在于輸出驅(qū)動部分，其輸出驅(qū)動部分由場效應(yīng)管V1與內(nèi)部上拉電阻組成。當(dāng)其某位輸出高電平時(shí)，可以提供拉電流負(fù)載，不必象P0口那樣需要外接電阻。從功能上來看P1只有一種功能（對MCS—51子系列），即通用輸入輸出I/O接口，具有輸入、輸出、端口操作3種工作方式，每1位口線能獨(dú)立地用作輸入或輸出線。

P1口的結(jié)構(gòu)原理圖

P2口

P2口也是一準(zhǔn)雙向口,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。它具有通用I/O接口或高8位地址總線輸出兩種功能，所以輸出驅(qū)動結(jié)構(gòu)比P1口輸出驅(qū)動結(jié)構(gòu)多了一個輸出模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX和反相器3。

當(dāng)作為準(zhǔn)雙向通用I/O接口使用時(shí)，控制信號使轉(zhuǎn)換開關(guān)接向左側(cè)，鎖存器Q端經(jīng)反相器3接V1，其工作原理與P1相同，也具有輸入、輸出、端口操作三種工作方式，負(fù)載能力也與P1口相同。P2口的結(jié)構(gòu)原理圖P3口

P3口的1位結(jié)構(gòu)如下圖所示。它的輸出驅(qū)動由與非門3、V1組成，比P0、P1、P2口結(jié)構(gòu)多了一個緩沖器4。P3口除了可作為通用準(zhǔn)雙向I/O接口外，每1根線還具有第2功能。當(dāng)P3口作為通用I/O接口時(shí)，第2功能輸出線為高電平，使與非門3的輸出取決于口鎖存器的狀態(tài)。在這種情況下，P3口仍是1個準(zhǔn)雙向口，它的工作方式、負(fù)載能力均與P1、P2口相同。當(dāng)P3口作為第2功能（各引腳功能見下表）使用時(shí)，其鎖存器Q端必須為高電平，使P3口的口線狀態(tài)取決于第2功能輸出線的狀態(tài)。

P3口的結(jié)構(gòu)原理圖

4.單片機(jī)時(shí)鐘電路與時(shí)序時(shí)鐘電路單片機(jī)的振蕩電路如圖2-11所示。振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號，在二分頻的基礎(chǔ)上再三分頻產(chǎn)生ALE信號，在二分頻的基礎(chǔ)上再六分頻得到機(jī)器周期信號。CPU時(shí)序計(jì)算機(jī)在執(zhí)行指令時(shí)，通常將一條指令分解為若干基本的微操作，這些微操作所對應(yīng)的脈沖信號在時(shí)間上的先后次序稱為計(jì)算機(jī)的時(shí)序。為便于理解時(shí)序，先介紹幾個常用名詞。

振蕩周期：為單片機(jī)提供定時(shí)信號的振蕩源的周期（晶振周期或外加振蕩源周期）。其定義為拍節(jié)，用P表示。

狀態(tài)周期：時(shí)鐘信號的周期定義為狀態(tài)，用S表示。

2個振蕩周期為1個狀態(tài)周期

機(jī)器周期：1個機(jī)器周期含6個狀態(tài)周期，用S1、S2、…、

S6表示,共有12個節(jié)拍。例如:外接晶振為12MHz時(shí),MCS—51單片機(jī)的4個時(shí)間周期的具體值為:

振蕩周期=1/12μs;

狀態(tài)周期=1/6μs;

機(jī)器周期=1μs;

指令周期=1～4μs。指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，它是最大的時(shí)序定時(shí)單位。MCS—51單片機(jī)的CPU取指令和執(zhí)行指令的時(shí)序如下圖所示。MCS—51單片機(jī)CPU取指/執(zhí)行時(shí)序

單周期指令的執(zhí)行從S1P2開始，在S1P2期間讀入操作碼并把它鎖存到指令寄存器中。雙字節(jié)指令，則在同一機(jī)器周期的S4期間讀出第2個字節(jié)。對于單字節(jié)指令在S4處仍有一次讀操作，但這