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1、51单片机C语言应用与开发第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识n单片机的全称是单片微型计算机(SCM,Single Chip Microcomputer)。是一种将中央处理器CPU、存储器RAM、ROM、I/O接口电路、定时/计数器、串行通信接口及中断系统等部件集成到一块硅芯片上而构成的相对完整的微型计算机系统。n单片机主要应用于控制领域，因而准确反映单片机本质的称谓应该是微控制器MCUMicro Controller Unit，MCU是单片机领域公认的、最终统一的名词。n本章主要从应用的角度介绍单片机的根本结构、存储
2、器组织和最小系统的根本组成等相关知识，为后面利用单片机开发相关应用系统打下一定的根底。n本章重点本章重点u单片机的硬件组成u单片机多功能I/O口的引脚功能u单片机的体系结构及存储器组织uC51程序设计语言中，根据数据存储器的访问速度和使用频率，将数据存储器划分的四个存储区域u单片机复位的概念、过程和作用u单片机最小系统的组成和典型电路第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识n本章难点本章难点nMCS-51系列单片机系列单片机P0、P2口作总线口使用时口作总线口使用时的特点和工作时序的特点和工作时序nMCS-51系列单片机系列单片机P3口的第二功能及用法口的第二功能及用法n单片机
3、的体系结构及存储器组织单片机的体系结构及存储器组织n本章各章节安排本章各章节安排n1.1 MCS-51系列单片机的根本结构系列单片机的根本结构n1.2 8051单片机的存储器组织单片机的存储器组织n1.3 单片机最小系统单片机最小系统第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.1 MCS-51单片机的根本结构单片机的根本结构lMCS-51系列单片机基于简单的嵌入式控制系统系列单片机基于简单的嵌入式控制系统结构，广泛应用于参军事到自动控制再到结构，广泛应用于参军事到自动控制再到 PC 机机键盘等各种应用系统上，是我国目前应用最广键盘等各种应用系统上，是我国目前应用最广泛的单片机
4、系列。泛的单片机系列。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.1.1 MCS-51单片机的硬件组成及内部结构单片机的硬件组成及内部结构lMCS-51单片机的硬件组成单片机的硬件组成l 1个个8位的位的CPU，用于进行运算和控制，用于进行运算和控制l 1个片内的振荡器及时钟电路个片内的振荡器及时钟电路l 32个个I/O口口4组组8位端口，可单独寻址位端口，可单独寻址l 2个个16位定时计数器位定时计数器l 1个全双工串行通信口个全双工串行通信口l 5个中断源，两级中断优先级嵌套个中断源，两级中断优先级嵌套l 128字节内置字节内置 RAM，可用作存放器和数据缓冲器，可用作存
5、放器和数据缓冲器l 4K字节的内置程序存储器字节的内置程序存储器ROM不同型号单片机的内不同型号单片机的内置置ROM大小可能不同大小可能不同l 可独立寻址可独立寻址64K外部数据存储器和外部数据存储器和64K外部程序存储器外部程序存储器的控制电路的控制电路 第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.1.1 MCS-51单片机的硬件组成及内部结构单片机的硬件组成及内部结构nMCS-51单片机的内部结构单片机的内部结构 图图1-1 MCS-51单片机的内部结构单片机的内部结构第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.1.2 MCS-51单片机的引脚功能单片机
6、的引脚功能 图图1-2 8051单片机的引脚单片机的引脚 第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.1.2 MCS-51单片机的引脚功能单片机的引脚功能l主电源引脚主电源引脚l Vcc40脚：接电源，一般为脚：接电源，一般为+5V电源电源l Vss20脚：接电源地脚：接电源地l外接晶体或外部振荡器引脚外接晶体或外部振荡器引脚 l XTAL119脚：接外部晶振的一个引脚。在单片机内脚：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外部振荡器部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，此引脚应接地。时，此引脚应接地。l XTAL218脚：接外部晶
7、振的另一个引脚。在片内接脚：接外部晶振的另一个引脚。在片内接至反相放大器的输出端和内部时钟电路的输入端。当采至反相放大器的输出端和内部时钟电路的输入端。当采用外部振荡器时，此脚接外部振荡器的输出端。用外部振荡器时，此脚接外部振荡器的输出端。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.1.2 MCS-51单片机的引脚功能单片机的引脚功能l控制信号线控制信号线 lRST/VPD9脚：复位信号输入端，复位脚：复位信号输入端，复位/掉电时内部掉电时内部RAM的备用电源输入端。的备用电源输入端。lALE/30脚：地址锁存允许脚：地址锁存允许/编程脉冲输入。对片内编程脉冲输入。对片内EP
8、ROM编程时，编程脉冲由此脚输入。编程时，编程脉冲由此脚输入。l 29脚：外部程序存储器读选通信号。脚：外部程序存储器读选通信号。l /VPP31脚：访问外部存储器允许脚：访问外部存储器允许/编程电压输入。编程电压输入。接高电平时，访问内部存储器；低电平时，访问外部存接高电平时，访问内部存储器；低电平时，访问外部存储器。对片内储器。对片内EPROM编程时，此脚接编程时，此脚接21V编程电压。编程电压。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.1.2 MCS-51单片机的引脚功能单片机的引脚功能l多功能多功能I/O 口口l P0 口口3239脚脚 双向口三态，既可当作通双向口
9、三态，既可当作通用输入用输入/输出口，也可当作总线使用。用作通用输入输出口，也可当作总线使用。用作通用输入/输出输出口时，可驱动口时，可驱动8个个LSTTL门电路；用作总线时，作为分门电路；用作总线时，作为分时复用的地址时复用的地址/数据总线口，对外部程序或数据存储器进数据总线口，对外部程序或数据存储器进行寻址和读写数据：单片机先送低行寻址和读写数据：单片机先送低8位地址信号到位地址信号到P0口，口，然后发地址锁存信号然后发地址锁存信号ALE，在，在ALE的下降沿将地址信号的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器，最后，通过锁存到地址锁存器，最后，通过P0口完成数据的读写。口完成数据的读写。整个数据
10、的读写过程在单片机的控制下自动完成，不需整个数据的读写过程在单片机的控制下自动完成，不需软件参与。软件参与。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.1.2 MCS-51单片机的引脚功能单片机的引脚功能l多功能多功能I/O 口口l P1 口口18脚脚准双向口三态，可驱动准双向口三态，可驱动4个个LSTTL门电路。用作输入线时，门电路。用作输入线时，P1口锁存器必须由单片口锁存器必须由单片机先写入机先写入“1。P1口的每一位都可编程为输入或输出线。口的每一位都可编程为输入或输出线。l P2 口口2128准双向口三态，可驱动准双向口三态，可驱动4个个LSTTL门电路。既可作为通
11、用输入门电路。既可作为通用输入/输出口，也可作为总输出口，也可作为总线使用。作总线使用时，为地址总线的高线使用。作总线使用时，为地址总线的高8位，与位，与P0口一口一起组成起组成16位地址总线，用于对外部存储器及接口电路进位地址总线，用于对外部存储器及接口电路进行寻址。行寻址。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.1.2 MCS-51单片机的引脚功能单片机的引脚功能l多功能多功能I/O 口口l P3口口1017脚脚准双向口三态，可驱动准双向口三态，可驱动4个个LSTTL门电路。双功能口，作为第一功能使用时，与门电路
12、。双功能口，作为第一功能使用时，与P1口一样；作为第二功能使用时，每一位都有特殊的用途，口一样；作为第二功能使用时，每一位都有特殊的用途，其特殊用途如表其特殊用途如表1-1所示。所示。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.1.2 MCS-51单片机的引脚功能单片机的引脚功能n多功能多功能I/O 口口uP3口的第二功能端口引脚第二功能注 释P3.0RXD串行口数据接收端P3.1TXD串行口数据发送端P3.2/INT0外中断请求0P3.3/INT1外中断请求1P3.4T0定时/计数器0外部计数信号输入P3.5T1定时/计数器1外部计数信号输入P3.6/WR外部RAM写选通信
13、号输出P3.7/RD外部存储器读选通信号输出l1.1.3 MCS-51单片机的单片机的CPUl 由由8位运算器算术位运算器算术/逻辑运算部件逻辑运算部件ALU、布尔、布尔处理器、定时处理器、定时/控制部件和假设干存放器等主要部件组成。控制部件和假设干存放器等主要部件组成。l算术算术/逻辑运算部件逻辑运算部件ALU l由由1个加法器、个加法器、2个个8位暂存器位暂存器TMP1和和TMP2，对用户，对用户不开放和不开放和1个功能强大的布尔处理器组成。个功能强大的布尔处理器组成。l布尔处理机是单片机布尔处理机是单片机CPU中一个独立的位处理机，用于中一个独立的位处理机，用于完成位运算。完成位运算。l
14、定时控制部件定时控制部件 l由定时控制逻辑、指令存放器由定时控制逻辑、指令存放器IR和一个由反向放大器构和一个由反向放大器构成的振荡器成的振荡器OSC等电路组成。等电路组成。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.1.3 MCS-51单片机的单片机的CPUl专用存放器组专用存放器组 l 包括累加器包括累加器A、程序指针计数器、程序指针计数器PC、程序状态字、程序状态字存放器存放器PSW、堆栈指针存放器、堆栈指针存放器SP、数据指针存放器、数据指针存放器DPTR和通用存放器和通用存放器B等。用来指示当前要执行指令的内等。用来指示当前要执行指令的内在地址、存放操作数和指示指令
15、执行后的状态等。在地址、存放操作数和指示指令执行后的状态等。l累加器累加器A l最常用的一个最常用的一个8位专用存放器，专门用来存放操作数或运位专用存放器，专门用来存放操作数或运算结果算结果，记作，记作ACC。l通用存放器通用存放器B l专为乘法和除法而指令设置的存放器，专为乘法和除法而指令设置的存放器，8位存放器。执行位存放器。执行乘法或除法指令前用来存放乘数或除数，运算完成后用乘法或除法指令前用来存放乘数或除数，运算完成后用于存放乘积和高于存放乘积和高8位或除法的余数。位或除法的余数。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根
16、底知识l1.1.3 MCS-51单片机的单片机的CPUl专用存放器组专用存放器组l程序指针计数器程序指针计数器PC l16位程序地址存放器，用来存放下一条将要执行指令的位程序地址存放器，用来存放下一条将要执行指令的首地址。首地址。l程序状态字程序状态字PSW l8位标志存放器，用来存储指令执行后的有关状态，其各位标志存放器，用来存储指令执行后的有关状态，其各标志位的定义为：标志位的定义为：PSW7PSW6PSW5PSW4PSW3PSW2PSW1PSW0CYACF0RS1RS0OVPl1.1.3 MCS-51单片机的单片机的CPUl专用存放器组专用存放器组l数据指针存放器数据指针存放器DPTR
17、l16位专用存放器，主要用于访问单片机外部数据存储器位专用存放器，主要用于访问单片机外部数据存储器或扩展的或扩展的I/O口，也可以用来访问片内或片外程序存储器口，也可以用来访问片内或片外程序存储器中的表格数据。中的表格数据。DPTR由由DPH、DPL两个两个8位专用存放器位专用存放器拼装而成。拼装而成。l堆栈指针存放器堆栈指针存放器SPl8位存放器。复位时，位存放器。复位时，SP=07H。汇编语言中，可以。汇编语言中，可以通过通过MOV指令对指令对SP赋值；而在赋值；而在C51程序设计语言中，堆程序设计语言中，堆栈指针存放器栈指针存放器SP可以做为一个变量，通过赋值语句对其可以做为一个变量，通
18、过赋值语句对其进行赋值。进行赋值。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.2 MCS-51单片机的存储器组织单片机的存储器组织l1.2.1 存储器组织存储器组织n与典型微型计算机的冯.诺依曼体系结构不同，MCS-51单片机的存储系统采用哈佛体系结构，其存储器由逻辑上和物理上都完全分开、各自独立的程序存储器和数据存储器组成，通过不同的地址指针、寻址方式和控制信号进行寻址。n从物理结构上看存在4个相互独立的存储器空间；从逻辑上看，存在三个不同的存储空间。nMCS-51单片机的存储器结构如图1-3所示。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.2.1 存储器
19、组织存储器组织 图图1-3 8051的存储器结构的存储器结构 第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.2.1 存储器组织存储器组织l程序存储器程序存储器l物理上的两个独立的存储空间，逻辑上为一个统一的存物理上的两个独立的存储空间，逻辑上为一个统一的存储空间。储空间。l用来存放可执行程序，也称为代码段。用来存放可执行程序，也称为代码段。l地址指针地址指针PC是一个是一个16位的存放器，可寻址的地址空间为位的存放器，可寻址的地址空间为64K字节。字节。l如果要让单片机执行片内如果要让单片机执行片内ROM/EPROM中的程序，必须中的程序，必须将单片机的将单片机的EA引脚接高电
20、平。引脚接高电平。l单片机读取片外程序存储器中的指令时，以单片机读取片外程序存储器中的指令时，以PC的内容作的内容作为地址，以为地址，以PSEN作为控制信号。作为控制信号。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.2.1 存储器组织存储器组织n数据存储器数据存储器u无论在物理上还是逻辑上，都是两个独立的存储空间。u一个为内部数据存储器，汇编语言中用MOV指令访问，访问速度快；另一个为外部数据存储器，汇编语言中用MOVX指令访问，访问速度慢。u在单片机C51程序设计语言中，根据存储器的访问速度和使用情况，将数据存储器划分为DATA区、BDATA区、IDATA区、XDATA区等
21、四个不同的存储区域。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.2.1 存储器组织存储器组织l数据存储器数据存储器lDATA区区l8051单片机内单片机内128字节的内部字节的内部RAM或或8052单片机内前单片机内前128字节的内部字节的内部RAM。l主要用来存放频繁使用的变量或局部变量等临时数据，主要用来存放频繁使用的变量或局部变量等临时数据，访问速度很快。访问速度很快。lDATA区中还包含中两个子区：一个子区为四组存放器区中还包含中两个子区：一个子区为四组存放器组，每组包含八个存放器，共组，每组包含八个存放器，共32个存放器；另外一个子个存放器；另外一个子区叫做位寻址区
22、区叫做位寻址区BDATA区，有区，有16个字节共个字节共128位位，每一位都可单独寻址，单独作为位变量使用。，每一位都可单独寻址，单独作为位变量使用。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.2.1 存储器组织存储器组织l数据存储器数据存储器lIDATA区区lMCS-51系列的一些单片机如系列的一些单片机如8052，附加有，附加有128字节的内字节的内部部RAM，位于从，位于从0 x80开始的地址空间。开始的地址空间。l地址和特殊功能存放器的地址重叠，只能通过间接寻址地址和特殊功能存放器的地址重叠，只能通过间接寻址来访问。来访问。l访问访问IDATA区的速度比访问区的速度比
23、访问DATA区慢，但比后面介绍区慢，但比后面介绍的的XDATA区快。区快。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.2.1 存储器组织存储器组织l数据存储器数据存储器lXDATA区区 l外部数据区。外部数据区。8051单片机的最后一个存储空间，最大单片机的最后一个存储空间，最大64KB，用，用16位地址寻址。位地址寻址。l包括外部包括外部RAM如如SRAM或一些需要通过总线接口的或一些需要通过总线接口的外围器件。外围器件。l访问访问XDATA区时，必须先对区时，必须先对DPTR初始化，访问速度最初始化，访问速度最慢。慢。l使用使用XDATA区中的数据前，必须先用指令将它们移
24、动到区中的数据前，必须先用指令将它们移动到DATA区或区或IDATA区，当数据处理完之后，再将结果返区，当数据处理完之后，再将结果返回到回到XDATA区。区。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.2.2 特殊功能存放器特殊功能存放器(SFR)lMCS-51系列单片机有系列单片机有21个个SFR8052有有26个，用来管个，用来管理单片机内部的各个功能部件。理单片机内部的各个功能部件。l特殊功能存放器离散地分布在特殊功能存放器离散地分布在0 x800 xFF的地址范围内，的地址范围内，有些反映相关逻辑部件的工作状态，有些那么是相关功有些反映相关逻辑部件的工作状态，有些那么
25、是相关功能单元的控制命令字。能单元的控制命令字。l特殊功能存放均可由单片机按字节地址访问，而其中一特殊功能存放均可由单片机按字节地址访问，而其中一局部但凡字节地址能被局部但凡字节地址能被8整除可按位寻址。整除可按位寻址。l特殊功能存放器的定义及功能见课本表特殊功能存放器的定义及功能见课本表1-2。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.3 单片机最小系统单片机最小系统n单片机最小系统是指使单片机能运行程序、正常工作的最简单电路系统，是保证单片正常启动、开始工作的必须电路，缺一不可。n单片机最小系统一般由单片机、程序存储器、时钟电路和复位电路组成。n由于8051单片机片内有
26、4K的程序存储器，所以其最小系统除了单片机本身外，只需外接时钟电路与复位电路。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.3.1 复位及复位电路复位及复位电路l8051单片机的复位单片机的复位l复位是使复位是使CPU和系统中其他功能部件都处于一个确定的和系统中其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。初始状态，并从这个状态开始工作。l8051单片机在单片机在RST输入端第输入端第9脚出现高电平时开始系脚出现高电平时开始系统的复位和初始化。要实现系统的正常复位，此高电平统的复位和初始化。要实现系统的正常复位，此高电平至少应保持两个机器周期以上。至少应保持两个机
27、器周期以上。l复位的内部操作使复位的内部操作使SP为为0 x07，各端口，各端口P0P3为为0 xFF，特殊功能存放器为，特殊功能存放器为0。lRST变低、复位结束后，从变低、复位结束后，从0 x0000开始执行程序。开始执行程序。l8051单片机通电后并不运行单片机通电后并不运行ROM里的程序，只有正常复里的程序，只有正常复位后，才开始工作，运行程序。位后，才开始工作，运行程序。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.3.1 复位及复位电路复位及复位电路l复位电路复位电路 l单片机的复位分为上电自动复位、按键手动复位及看门单片机的复位分为上电自动复位、按键手动复位及看门
28、狗强制复位等三种方式。狗强制复位等三种方式。l上电复位通常利用电容的充放电来实现。上电复位通常利用电容的充放电来实现。l按键复位那么可分为按键脉冲复位和按键电平复位两种。按键复位那么可分为按键脉冲复位和按键电平复位两种。l看门狗复位那么通过外接看门狗电路或软件看门狗程序看门狗复位那么通过外接看门狗电路或软件看门狗程序实现。实现。l常见的上电复位和按键复位电路如图常见的上电复位和按键复位电路如图1-4所示。所示。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.3.1 复位及复位电路复位及复位电路n复位电路复位电路(a)上电复位 (b)按键脉冲复位 (c)按键电平复位 图图1-4 常
29、见的系统复位电路常见的系统复位电路第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.3.2 时钟电路时钟电路l时钟电路用于产生单片机工作所需的根本时钟信号。时钟电路用于产生单片机工作所需的根本时钟信号。l 8051的时钟信号可由内部振荡器产生，也可由外部电路的时钟信号可由内部振荡器产生，也可由外部电路直接提供。直接提供。l内部振荡器的输入和输出脚分别为内部振荡器的输入和输出脚分别为XTAL1和和XATL2，由，由XTAL2给单片机内部电路提供时钟信号。给单片机内部电路提供时钟信号。l由外部电路提供时钟信号时，外部时钟接入单片机的由外部电路提供时钟信号时，外部时钟接入单片机的XTAL
30、2脚，脚，XTAL1脚接地。脚接地。l两种时钟信号的连接电路如图两种时钟信号的连接电路如图1-5所示。所示。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.3.2 时钟电路时钟电路(a)片内振荡器产生时钟信号 (b)片外电路提供时钟信号 图图1-5 8051单片机的两种时钟电路单片机的两种时钟电路第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识l1.3.3 8051单片机的最小系统单片机的最小系统n8051单片机内部自带4KB程序存储器，故其最小系统除单片机本身外，只需外接时钟电路与复位电路。典型的8051最小系统电路如图1-6所示。第第1章章 MCS-51单片机的根底知识单片机的根底知识图1-6 典型的8051最小系统