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1、51单片机原理及应用朱方朱方综合楼918sky050607sina第1章 51单片机基础知识1.1 单片机概述1.2 51单片机功能及引脚1.3 51单片机内部结构1.4 51单片机工作方式1.5 51单片机单片机工作时序1.1 单片机概述v单片机 SCMC（Single Chip Micro Computer） 是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算
2、机系统，是典型的嵌入式微控制器。v单片机系统1.1.1 单片机的发展历史v第一阶段（19761978年）：低性能单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表，采用了单片结构，即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。主要用于工业领域。v第二阶段（19781982年）：单片机完善阶段。这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。这类单片机的应用范围较广，并在不断的改进和发展。1.1.1 单片机的发展历史v第三阶段（19821990年）：16位单片机阶段。16位单片机除CPU为16位外
3、，片内RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。例如Intel公司的MCS-96主振频率为12M，片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。v第四阶段（1990年）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。1.1.2 51系列单片机vMCS-51是指美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了很多种类。8051 8052 8952 .v以下是一些典型的51系列单片机：v（1）美国Intel公司MCS-48系列、M
4、CS-51系列和MCS-96系列主要型号见表1.1.1所示；v（2）美国Atmel公司的AT89系列单片机主要型号见表1.1.2所示；v（3）Philips公司51系列单片机主要型号见表1.1.3所示。v这些单片机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同。他们对8051都作了一些功能扩充，更有特点、功能更强、市场竞争力更强。1.1.3 单片机的实际应用单片机的应用范围 测控测控系统系统 智能智能仪表仪表 机电一体机电一体化产品化产品 智能智能接口接口 智能民智能民用产品用产品 1.1.3 单片机的实际应用l l 家用电器领域家用电器领域 国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控制电
5、路，国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭做成单片微机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。 2 2办公自动化领域办公自动化领域 比如一台比如一台PCPC机可能嵌入了机可能嵌入了1010个单片微机，如控制键盘、鼠标、显个单片微机，如控制键盘、鼠标、显示器、示器、CD-ROMCD-ROM、声卡、打印机、软声卡、打印机、软/ /硬盘驱动器、调制解调器等。硬盘驱动器、调制解调器等。 现代办公室中所使用的大量通信、信息产品
6、，如绘图仪、复印机、现代办公室中所使用的大量通信、信息产品，如绘图仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。电话、传真机等，多数都采用了单片微机。 1.1.3 单片机的实际应用3工业自动化领域的在线应用工业自动化领域的在线应用 如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系统。如系统等，许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系统。而
7、其中每一个小系统都是擒拿系统等节点构成的多机网络系统。而其中每一个小系统都是由单片微机进行控制的。由单片微机进行控制的。4. 智能仪器仪表与集成智能传感器领域智能仪器仪表与集成智能传感器领域 应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行“ 更新换更新换代代” ，提供了非常理想的的条件。目前各种变送器、电气测量仪，提供了非常理想的的条件。目前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统，使测量系统表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统，使测量系统具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断具有各种智能化功能，如存储、数据
8、处理、查找、判断、联网和联网和语音功能等语音功能等。1.1.3 单片机的实际应用5 5汽车电子与航空航天电子系统汽车电子与航空航天电子系统 通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等，都要构成冗余的网驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等，都要构成冗余的网络系统。比如一台络系统。比如一台BMW-7BMW-7系列宝马轿车就用了系列宝马轿车就用了6363个单片微机。个单片微机。 单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思
9、想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。1.2 51单片机功能及引脚1.2.1 51 单片机功能综述v8051是51系统单片机中的典型产品，8051单片机主要参数及功能如下：v（1）8 位CPU 2）4KB程序存储器（ROM）v（3）128B
10、的数据存储器（RAM） （4）32条I/O口线v（5）111条指令，大部分为单字节指令 v（6）21个专用寄存器v（7）2个可编程定时/计数器v（8）5个中断源，2个优先级v（9）1 个全双工串行通信口 v（10）外部数据存储器寻址空间为64KBv（11）外部程序存储器寻址空间为64KB v（12）逻辑操作位寻址功能v（13）多种封装形式 v（14）单一+5V电源供电1.2.2 51单片机的封装v51单片机芯片有两种封装(如下） 双列直插式封装及引脚双列直插式封装及引脚 方形封装及引脚方形封装及引脚 1.3 51单片机内部结构1.3.1 51单片机的CPU结构vMCS-51系列的8051单片机
11、内部结构如图 8051单片机内部结构单片机内部结构 单片机内部结构图单片机内部结构图v中央处理器（CPU）主要由算术逻辑单元、控制器部件和寄存器三部分电路组成。CPU是整个单片机的核心部件，实现了运算器和控制器的功能，具体介绍如下：v1. 算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）v2. 定时控制部件定时控制部件v3. 专用寄存器组专用寄存器组 v（1）专用寄存器组包括程序计数器）专用寄存器组包括程序计数器Pcv（2）累加器）累加器Av（3）程序状态字（）程序状态字（PSW）寄存器）寄存器v（4）堆栈指针）堆栈指针SP（Stack Pointer）v（5）数据指针）数据指针DPTR (Data Po
12、inter)v（6）通用寄存器）通用寄存器Bv程序计数器程序计数器PC（Program Counter） PC用于存放CPU下一条要执行的指令地址, 是一个 16 位的专用寄存器, 可寻址范围是0000H0FFFFH共 64 KB。 程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元, 并都有自己的存放地址。 CPU 要执行哪条指令时, 就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。 在顺序执行程序中, 当PC的内容被送到地址总线后, 会自动加 1, 即(PC) (PC)+1, 又指向CPU 下一条要执行的指令地址。 v累加器累加器 A 一个8位二进制寄存器，用来存放操作数和运算结果。使用最频繁的寄存器。
13、mov a,#3 add a,#2v程序状态字PSWCyACF0RS1RS0OV_P D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0Cy (Carry):进位AC (Auxiliary Carry):辅助进位F0 (Flag):用户标志RS1、 RS0：寄存器组选择控制位OV (Overflow) :溢出P (Parity):奇偶标志RS1RS0寄存器组片内RAM地址通用寄存器名称000组00H07HR0R7011组08H0FHR0R7102组10H17HR0R7113组18H1FHR0R7v堆栈指针堆栈指针SP（Stack Pointer） 堆栈操作是在内存RAM区专门开辟出来的按照“先进后
14、出”原则进行数据存取的一种工作方式, 主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回, 它在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回, 进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。SP用来指示堆栈所处的位置, 在进行操作之前, 先用指令给SP赋值, 以规定栈区在RAM区的起始地址（栈底层）。当数据推入栈区后, SP的值也自动随之变化。MCS - 51 系统复位后, SP初始化为07H。 v数据指针寄存器数据指针寄存器DPTR 数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器, 其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器DPT
15、R来处理, 也可作为两个独立的 8 位寄存器DPH和DPL来处理。 DPTR 主要用来存放 16 位地址, 当对 64 KB外部数据存储器空间寻址时, 作为间址寄存器用。在访问程序存储器时, 用作基址寄存器。 movx a，dptr 访问外部数据存储器 movc a，a+dptr 访问程序存储器v通用寄存器通用寄存器 B 专门为乘法和除法而设置的二进制8位寄存器。用来存放乘数和除数，运算后用来存放乘积的高8位或除法的余数。 mul ab 乘法 div ab 除法1.3.2 存储器结构v MCS-51 单片机的存储器特点是将程序存储器和数据存储器分开编址，并有各自的寻址方式和寻址单元。对存储器的
16、划分在物理上分为4个空间，片内ROM、片外ROM、片内RAM和片外RAM，其结构示意图如下： v其中ROM存储器地址空间有片内ROM和片外ROM，其地址范围为0000HFFFFH；片内RAM地址空间的地址范围为00HFFH；片外RAM地址空间的地址范围为0000HFFFFH。单片机的存储器结构图单片机的存储器结构图v1程序存储器程序存储器ROMv程序设计人员编写的程序就存放在程序存储器中。v单片机重新启动后，程序计数器PC的内容为0000H，所以系统将从程序存储器的地址为0000H单元处开始执行程序。但是考虑到中断系统的应用，用户程序一般不是从0000H处开始连续存放，因为接下来的一段程序区要
17、用来存放中断向量表，所以用户不能占用。要求地址分配如下：v0000H 存放转移指令，跳转到主程序。v0003H 外部中断0的中断地址区。v000BH 定时/计数器0中断地址区。v0013H 外部中断1的中断地址区。v001BH 定时/计数器1中断地址区。v0023H 串行通信中断地址区。v用户程序一般从0030H处开始，而在0000H处放置一条跳转指令，这样单片机复位后能从0000H处跳转到用户的主程序。v2片内片内RAMvMCS-51的片内RAM存储器共有256字节，可分为4个区域，分别特殊功能寄存器区、用户区、位寻址区和工作寄存器区。v（1 1）工作寄存器区）工作寄存器区v从00H1FH为
18、4组工作寄存器区，每组占用8个RAM字节，记为R0R7。工作寄存器组的选择由程序状态字PSW中的RS1RS0位确定。v（2 2）位寻址区）位寻址区v从20H2FH为位寻址区，16个字节的128位可以单独操作，可对每一位进行读取或写操作。每一位都有其自身位地址00H7FH与之对应。v（3 3）用户区）用户区v用户区共80个RAM单元，用于存放用户数据或作堆栈区使用，用户区中的存储区按字节进行存取。v3特殊功能寄存器特殊功能寄存器v（1）ALU相关相关SFRv（2）指针相关）指针相关SFRv（3）中断相关）中断相关SFRv（4）端口相关）端口相关SFRv（5）定时器）定时器/计数器相关计数器相关S
19、FRv4片外片外RAMv如果片内如果片内RAM容量太小，不能满足系统需容量太小，不能满足系统需求时可以外接求时可以外接RAM，但外部，但外部RAM大小不能大小不能超过超过64KB，因为，因为8051的寻址范围为的寻址范围为64KB。1.3.3 I/O端口结构vI/O端口是单片机控制外围设备的重要接口，是和外设进行信息交换的主要途径。I/O端口有串行口和并行口之分。并行口一次可以传送一组二进制数据（如8位），而串行口一次只能传送一位二进制数，传送多位数据时要分段发送。 v（1）并行）并行I/O端口端口v8051有4个并行I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3，每个端口都有双向I/O功能，可以从
20、端口读取数据和向端口写入数据。v（2）串行）串行I/O端口端口v8051具有一个全双工的可编程串行口，可以实现位并行数据的串行发送和接收。在使用串行口之前必须对其初始化，即对PCON及SCON寄存器进行设置。1.3.4 定时计数器v8051具有两个16位定时器/计数器T0和T1，分别与2个8位寄存器TL0、TH0及TL1、TH1对应。8051的定时器/计数器可以工作在定时方式和计数方式。v定时方式定时方式 定时方式实现对单片机内部的时钟脉冲或分频后的脉冲进行计数。v计数方式计数方式 实现对外部脉冲的计数。定时器/计数器将在以后的章节中具体讲解。1.3.5 中断系统v8051有5个中断源，有两个
21、中断优先级控制，可实现中断服务嵌套。两个外部中断INT0、INT1，两个定时器中断T0、T1，还有一个串行中断。v中断的控制由中断允许寄存器IE和中断优先级寄存器IP实现。 1.4 51单片机工作方式1.4.1 复位方式v在51单片机中，最常见的复位电路有如图1.4.1所示的上电复位和手动复位电路 MCS-51VCCVCCRESETVSS22F1 kMCS-51VCCVCCRESETVSS22FRESETR1R2200上电复位和手动复位电路上电复位和手动复位电路1.4.2 程序执行方式v连续执行方式连续执行方式 连续执行方式是单片机执行的基本工作方式，所要执行的代码放在程序存储器ROM中（可以
22、是片内或片外），CPU不断地从程序存储器中取指令、分析并执行。v单步执行方式单步执行方式 程序的执行处于外加脉冲（通常用一个按键生产）的控制下，一般利用中断来实现程序的单步执行。1.5 51单片机单片机工作时序1.5.1 时钟电路v根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式可以分为内部时钟和外部时钟方式。v内部振荡方式：MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。v外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内，
23、接XTAL2引脚，XTAL1引脚接地。8 80 05 51 1X XT TA AL L1 1X XT TA AL L2 2C C1 1C C2 28 80 05 51 1X XT TA AL L2 2X XT TA AL L1 1V Vc cc c外外部部时时钟钟输输入入T TT TL L1.5.2 机器周期及指令周期v（1）振荡周期振荡周期也叫时钟周期，指为单片机提供定时信号的振荡源的周期或外部输入时钟的周期。v（2）状态周期状态时间S，它是振荡周期的两倍，它分为P1节拍和P2节拍，通常在P1节拍完成算术逻辑操作，在P2节拍完成内部寄存器之间的传送操作。v（3）机器周期一个机器周期由6个状态
24、组成，如果把一条指令的执行过程分作几个基本操作，则将完成一个基本操作所需的时间称作机器周期。单片机的单周期指令执行时间就为一个机器周期。v（4）指令周期指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。P1P2S1P2振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P21.5.3 指令的执行时序v（1 1）单字节单周期指令）单字节单周期指令v（2 2）双字节单周期）双字节单周期v（3 3）单字节双周期指令）单字节双周期指令1.6小结v本章详细介绍了51系列单片机的发展历史和应用领域，然后介绍了单片机的基本知识，包括单片机的内部结构、引脚功能、中央处理器CPU、存储器的结构、单片机的复位、单片机工作时钟和时序，为读者后续的学习打下基础。