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1、单片机原理及应用单片机基本结构第1页，本讲稿共37页80518051单片机的特点单片机的特点 8051单片机可分为无ROM型和ROM型两种无ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型芯片为8031）ROM型芯片又分为EPROM型（典型芯片为8751）、FLASH型（典型芯片为89C51）、掩膜ROM型（典型芯片为8051）、一次性可编程ROM（One Time Programming,简称OTP）的芯片（典型芯片为97C51）。第2页，本讲稿共37页 8051单片机的基本组成单片机的基本组成时钟电路时钟电路SFR和和RAM ROMCPU定时定时/计数器计数器并行端口并行端口中断系统中断系
2、统串行端口串行端口系系 统统 总总 线线时钟源时钟源T0 T1P0 P1 P2 P3TXD RXD INT0 INT1第3页，本讲稿共37页（1）一个）一个8位微处理器位微处理器CPU。（2）片内数据存储器）片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器和特殊功能寄存器SFR。（3）片内程序存储器）片内程序存储器ROM。（4）两个定时）两个定时/计数器计数器T0、T1，可用作定时器，也可用以，可用作定时器，也可用以 对外部脉冲进行计对外部脉冲进行计 数。数。（5）四个四个8 8位可编程的并行位可编程的并行I/OI/O端口，每个端口既可作输端口，每个端口既可作输 入，也可作输出。入，也可作输出。（6 6）
3、一个串行端口，用于数据的串行通信。）一个串行端口，用于数据的串行通信。（7 7）中断控制系统。）中断控制系统。（8 8）内部时钟电路。）内部时钟电路。一个一个8051单片机包含下列部件单片机包含下列部件第4页，本讲稿共37页8051单片机内部结构单片机内部结构通道通道0驱动器驱动器通道通道2驱动器驱动器RAM地址地址锁存器锁存器RAM通通道道0锁锁存器存器通通 道道 2锁锁存器存器ROM/EPROMB寄存器寄存器程序地址寄存器程序地址寄存器缓冲器缓冲器PC递增器递增器程序计数器程序计数器PC数据指针数据指针DPTRVCCGNDP1.0P1.7堆栈指针堆栈指针SPACCTMP2PSW通道通道3锁
4、存器锁存器通道通道1锁存器锁存器通道通道1驱动器驱动器通道通道3驱动器驱动器TMP1SCON TMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑中断、串行口和定时器逻辑振荡器振荡器P3.0P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指指令令寄寄存存器器定时定时和和控制控制逻辑逻辑指指令令译译码码器器第5页，本讲稿共37页CPU即中央处理器，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分组成。（1 1）运算器）运算器 运算器以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、暂存寄存器TMP和程序状
5、态字寄存器PSW等所组成。ALU主要用于完成二进制数据的算术和逻辑运算，并通过对运算结果的判断影响程序状态字寄存器PSW中有关位的状态。D7 D0PSWPSW：80518051单片机的单片机的CPUCPUCY ACF0RS1RS0OVP第6页，本讲稿共37页PSWPSW中各位的意义如下：中各位的意义如下：CYCY：进位标志。在进行加法或减法运算时，若运算结果的最高位有进位或借位，CY=1，否则CY=0，在执行位操作指令时，CY作为位累加器。ACAC：辅助进位标志。在进行加法或减法运算时，若低半字节向高半字节有进位或借位，AC=1，否则AC=0，AC还作为BCD码运算调整时的判别位。F0F0：用
6、户标志。RS1RS1和和RS0RS0：工作寄存器组选择，如下表所示。RS1RS0工作寄存器组片内RAM地址00第0组 00H07H 01第1组08H0FH 10第2组10H17H 11第3组18H1FH 第7页，本讲稿共37页OVOV：溢出标志。当两个带符号的单字节数进行运算，结果超出-128+127的范围时，OV=1，表示有溢出，否则OV=0表示无溢出。PSW中的D1位为保留位，对于8051来说没有意义，对于8052来说为用户标志，与F0相同。P P：奇偶校验标志。每条指令指行完毕后，都按照累加器A中“1”的个数来决定P值，当“1”的个数为奇数时，P=1，否则P=0。第8页，本讲稿共37页（
7、2）控制器）控制器 控制器包括程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。程程序序计计数数器器PCPC：当一条指令按PC所指向的地址从程序存储器中取出之后，PC的值会自动增量，即指向下一条指令。堆堆栈栈指指针针SPSP：用来指示堆栈的起始地址。80C51单片机的堆栈位于片内RAM中，而且属于“上长型”堆栈，复位后SP被初始化为07H，使得堆栈实际上由08H单元开始。指指令令译译码码器器：当指令送入指令译码器后，由译码器对该指令进行译码，CPU根据译码器输出的电平信号使定时控制电路产生执行
8、该指令所需要的各种控制信号。数数据据指指针针寄寄存存器器DRTRDRTR：它是一个16位寄存器，由高位字节DPH和低位字节DPL组成，用来存放16位数据存储器的地址，以便对片外64kB的数据RAM区进行读写操作。第9页，本讲稿共37页P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS123456789101112131415161718192080318051875140393837363534333231302928
9、27262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.08051单片机引脚描述单片机引脚描述第10页，本讲稿共37页 电源引脚电源引脚VccVcc和和VssVss Vcc：电源端，接5V。Vss：接地端。时钟电路引脚时钟电路引脚XTAL1XTAL1和和XTAL2XTAL2 XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是 振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该 引脚必须接地。XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它 是振荡器倒相放
10、大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。地址锁存允许地址锁存允许ALEALE 系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的 低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。第11页，本讲稿共37页外部程序存储器读选通信号外部程序存储器读选通信号PSENPSENPSEN是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。程序存储器地址允许输入端程序存储器地址允许输入端EA/VEA/VPPPP 当EA为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当EA为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。复位信号复位信号RSTRST
11、该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。第12页，本讲稿共37页输入输入/输出端口引脚输出端口引脚P P0 0，P P1 1，P P2 2和和P P3 3 P0口（口（P0.0P0.7）：）：该端口为漏极开路的8位准双向口，它为外部低8位地址线和8位数据线复用端口，驱动能力为8个LSTTL负载。P1口（口（P1.0P1.7）：）：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。P2口（口（P2.0P2.7）：）：它为一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。在访问外部程序存储器时，作为高8
12、位地址线。P P3 3口（口（P P3.03.0P P3.73.7）：）：为内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口使用之外，每个引脚都具有第二功能。第13页，本讲稿共37页特殊功能寄存器通用RAM区位寻址区00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器地址外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH内部数据存储器外部数据存储器程序存储器工作寄存器区8051单片机的存储器配置
13、单片机的存储器配置第14页，本讲稿共37页 片内ROM和片外ROM。片内RAM和片外RAM。片外程序存储器ROM地址空间为64kB，片外数据存储器RAM也有64kB的寻址区，在地址上是与ROM重迭的。8051单片机通过不同信号来选通ROM或RAM。当从外部ROM中取指令时，采用选通信号PSEN，而从外部RAM中读写数据时则采用读RD和写WR信号或来选通，因此不会因地址重迭而发生混乱。80518051在物理上有在物理上有4 4个存储器空间个存储器空间第15页，本讲稿共37页片内数据存储器片内数据存储器RAM 片内RAM有256个字节，其中00H7FH地址空间是直接寻址区，该区域内从00H1FH地
14、址为工作寄存器区，安排了4组工作寄存器，每组都为R0R7，在某一时刻，CPU只能使用其中任意一组工作寄存器，由程序状态字PSW中RS0和RS1的状态决定。片内RAM的20H2FH地址单元为位寻址区，其中每个字节的每一位都规定了位地址。每个地址单元除了可进行字节操作之外，还可进行位操作。片内RAM的80HFFH地址空间是特殊功能寄存器SFR区，对于51子系列在该区域内安排了21个特殊功能寄存器，对于52子系列则在该区域内安排了26个特殊功能寄器，同时扩展了128个字节的间接寻址片内RAM，地址也为80FFH，与SFR区地址重迭。第16页，本讲稿共37页片内数据存储器中的位地址片内数据存储器中的位
15、地址第17页，本讲稿共37页特殊功能寄存器地址及功能表特殊功能寄存器地址及功能表第18页，本讲稿共37页 片外数据存储器片外数据存储器RAM 当片内RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其他I/O口扩展外部RAM，其最大容量可达64KB字节。在片内数据存储器中，数据区和扩展的I/O口是统一编址的，使用的指令也完全相同，因此，用户在应用系统设计时，必须合理地进行外部RAM和I/O端口的地址分配，并保证译码的唯一性。第19页，本讲稿共37页程序存储器程序存储器ROM 程序存储器ROM包括片内ROM和片外ROM两个部分。主要用来存放编好的用户程序和表格常数，它以16位的程序计数器PC作为地址
16、指针，寻址空间为64KB。当EA接高电平时，单片机从片内ROM的4kB字节存储器区取指令，当指令地址超过0FFFH后，自动地转向片外ROM取指令。当EA接低电平时，所有的取指操作均对片外程序存储器进 行。第20页，本讲稿共37页8051单片机的单片机的CPU时序时序1 单片机的时钟电路2 振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期3 单片机指令的取指和执行时序 第21页，本讲稿共37页单片机的时钟电路单片机的时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式：1内部振荡方式：8051单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，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
17、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。2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。第22页，本讲稿共37页XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外外部部时时钟钟源源内部振荡方式内部振荡方式 外部振荡方式外部振荡方式第23页，本讲稿共37页P1P2S1振荡周期振荡周期时钟周期时钟周期机器周期机器周期机器周期机器周期指令周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P28051
18、单片机各种周期的相互关系单片机各种周期的相互关系 振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期P2第24页，本讲稿共37页1振荡周期：为单片机提供时钟信号的振 荡源的周期。2时钟周期：振荡源信号经二分频后形成 的时钟脉冲信号，为振荡周期的2倍。3机器周期：完成一个基本操作所需的时 间，通常为12个振荡周期。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。第25页，本讲稿共37页 振荡周期1/12s 时钟周期1/6s 机器周期1s 指令周期14s 8051单片机外接晶振为单片机外接晶振为12MHz时时四个周期的具体值四个周期的
19、具体值第26页，本讲稿共37页复位电路及复位状态复位电路及复位状态1 1复位电路复位电路 单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。8051单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。第27页，本讲稿共37页C122FRSTR11K+5V+5V803180518751（a）上电复位电路）上电复位电路（b）按键复位电路）按键复位电路C122FRSTR2200803180518751R11K上电复位和按键复位电路上电复位和按键复位电路第28页，本讲稿共37页特殊功能寄存器特殊功能寄
20、存器初始状态初始状态特殊功能寄存器特殊功能寄存器初始状态初始状态ACC00HTMOD00HPC0000HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUF不定不定IP00000BSCON00HIE000000BPCON00000B2 2复位状态复位状态第29页，本讲稿共37页8051单片机的并行单片机的并行I/O口口8051单片机有4个双向并行的8位I/O口P0P3。P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路，P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，需要先向口锁存器写入1，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电
21、路。第30页，本讲稿共37页1P0口的结构口的结构VCCP0.X锁存器锁存器读锁存器读锁存器地址地址/数据数据控制控制D读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部总线内部总线QQMUXT2P0.XT1CL第31页，本讲稿共37页2P1口的结构口的结构 VCC P1.X锁存器锁存器读锁存器读锁存器D读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部总线内部总线QQTP1.X内部上拉电阻内部上拉电阻CL第32页，本讲稿共37页3P2口的结构口的结构VCCP2.X锁存器锁存器读锁存器读锁存器地址地址控制控制D读引脚读引脚 写锁存器写锁存器内部总线内部总线QQMUXTP2.X内部上拉电阻内部上拉电阻CL第33页，本讲稿共37页4
22、P3口的结构口的结构VCCP3.X锁存器锁存器读锁存器读锁存器第二输出功能第二输出功能D读引脚读引脚 写锁存器写锁存器内部总线内部总线QQTP3.X内部上拉电阻内部上拉电阻第二输入功能第二输入功能CL第34页，本讲稿共37页P3.2P3.3位线位线引脚引脚第二功能第二功能P3.010RXD（串行输入口）（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）（串行输出口）12INT0（外部中断（外部中断0）13INT1（外部中断（外部中断1）P3.414T0（定时器（定时器0的计数输入）的计数输入）P3.515T1（定时器（定时器1的计数输入）的计数输入）16WR（外部数据存储器写脉冲）（外部数据存储器
23、写脉冲）17RD（外部数据存储器读脉冲）（外部数据存储器读脉冲）P3.7 P3.6P3口的第二功能口的第二功能第35页，本讲稿共37页（1）地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0 A7）；P2口直接提供高8位地址（A8A15）。地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。（2）数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。（3）控制总线（CB）：控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令，主要有PSEN、WR、RD信号。8051单片机的片外总线结构单片机的片外总线结构第36页，本讲稿共37页8051与外部存储器、与外部存储器、I/O端口的连接端口的连接第37页，本讲稿共37页