讲义15章单片机课件Word格式文档下载.docx

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众多公司在MCS-51内核的基础上推出了功能扩充型的单片机，8位单片机空前繁荣（Atmel、SST、TI、Philip等知名公司均有全系列的8位单片机产品，并不断更新换代）。

16/32位单片机普及（ARM内核为代表），并在中、高端应用中大量使用。

典型代表：

三星公司的S3C44B0X，NXP（原Philips）的LPC2000系列，Intel公司的XScal，Atmel的AT91系列等ARM内核的处理器。

开发环境：

众多公司推出了各种编译及仿真环境。

如FranklinC51、SDCC、KeilC51等。

目前最常用的是KeilC51集成开发环境。

良好的开发工具为单片机应用的普及铺平道路。

1.2.2单片机的发展趋势

1、单片机性能不断提高

✧单片机性能随芯片集成度的不断提高而提高：

主频不断提高；

片上外设不断增加

✧新型单片机不断出现

随着微电子技术的不断进步和发展，单片机将向着高性能、大容量、高集成度等方向发展。

2、新技术不断应用到单片机领域中

将已在微型机、16位/32位单片机等成熟应用的先进技术，下移到单片机上，不断推动单片机技术、性能的发展。

主要特点包括：

✧指令系统采用RISC结构，提高代码执行效率；

✧采用流水线技术取指令，提高运算速度；

✧扩大存储器容量，增加I/O端口等片上外设；

✧针对高级（C）语言设计指令集，提高编译效率和执行速度；

✧增加通信接口，如以太网、I2C、CAN总线等，提高通信能力。

3、向低功耗、宽电压、高速、高可靠性发展

✧功耗可低至μA级；

✧供电电压可宽至1.8V～7V；

✧采用多种芯片监控技术，确保可靠运行；

✧工作温度范围更宽。

4、满足应用系统不断提高的单片化需求

✧集成更多的片上外设；

✧按应用系统需求更细地划分芯片系列；

✧采用多种在线编程技术，方便系统开发。

5、单片机应用网络化需求不断提高

✧提供多种通信接口；

✧互联网应用要求单片机具有接入网络的能力。

1.3单片机的特点及应用场合

13.1单片机的特点

✧性价比高；

✧可靠性高；

✧通信接口丰富，易于扩展多系统通信；

✧开发成本/门槛低。

1.3.2单片机的应用领域

✧工业控制。

单片机可构成各种工业控制系统、数据采集系统等。

如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控制等。

✧仪器仪表。

如智能仪器、医疗器械、数字示波器等。

✧计算机外部设备与智能接口。

如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机、智能终端机等。

✧商用产品。

如自动售货机、电子收款机、电子秤等。

✧家用电器。

如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等。

1.4单片机与嵌入式系统

IEEE关于嵌入式系统的定义：

嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。

国内关于嵌入式系统的定义：

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，以适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

对比上述嵌入式系统的定义，可见单片机应用系统是典型的嵌入式系统！

1.5MCS-51系列单片机

MCS-51单片机主要分为基本型（51）和增强型（52）：

系列

型号

片内存储器容量

片外存储器

寻址范围

I/O端口

引脚数

中断源

定时器/计数器

ROM

RAM

并口

串口

51

子

系

列

8031，80C31

无

128

字节

64KB

32个端口引脚

1个全双工UART

5

2个

16位

8051，80C51

4KBROM

8751，87C51

4KBEPROM

8951，89C51

4KBFlash

52

8032，80C32

256

6

3个

8052，80C52

8KBROM

8752，87C52

8KBEPROM

8952，89C52

8KBFlash

第二章MCS-51单片机的硬件结构及工作原理

2.1单片机的内部结构

8051单片机结构框图

单片机内部结构框图

2.1.1单片机的基本组成

（1）运算器：

用于实现算术和逻辑运算，包括：

✧ALU（算术和逻辑单元）

✧ACC（累加器）

✧PSW（程序状态字）

✧寄存器B

✧暂存器1

✧暂存器2

功能：

a.可对半字节、单字节等数据进行算术运算和逻辑运算。

b.内含布尔处理器，用来处理位操作。

以进位标志位C为累加器，执行置位、复位、取反、0跳转、1跳转等位操作和逻辑与、或操作。

（2）控制器：

用于控制单片机程序运行和协调各部件正常工作的“指挥中心”，包括：

✧PC（程序计数器）

✧PC+1计数器

✧指令寄存器

✧指令译码器

✧时序及控制电路

1）程序计数器PC：

存放即将要执行的指令的16位地址。

寻址范围是0000H~0FFFFH共64KB。

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。

2）控制部件：

CPU执行指令时，

（3）内部数据存储器

内部128字节的RAM（针对MCS-51单片机）；

内部256字节的RAM（针对MCS-52单片机）；

（4）内部程序存储器

早期版本的MCS-51无内部程序存储器；

扩展型MCS-51片内包含容量不等（1K~64K）的程序存储器；

内部程序存储器种类包括ROM、EPROM、Flash等。

EPROM是高电压写入，紫外线擦除；

Flash是低电压写入，电擦除

（5）并行I/O端口

✧MCS-51单片机有四个8位并行I/O端口P0~P3；

✧这些端口既可按字节操作也可按位操作；

✧P0口可复用为数据总线和低8位地址总线；

✧P2口可作为地址总线的高8位；

✧P3口为多功能口，可作为串行口、中断输入及计数器的外部输入/输出。

（6）定时器/计数器

✧51单片机内部有2个16位定时器/计数器T0和T1；

✧52单片机内部增加了一个16位定时器/计数器T2；

（7）串行通信接口

51单片机内部有1个全双工的UART（通用串行收发器），可设置为多种工作模式；

（8）中断控制系统

✧51单片机内部有5个中断源；

✧这些中断源可分为2个中断优先级；

（9）时钟电路

51单片机内部振荡电路配合外部晶振或外部输入的时钟信号，可产生时钟脉冲序列，控制CPU内部逻辑电路运行。

（10）位处理器

除了8位CPU外，MCS-51内部还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的1位字长的计算机；

该位处理器包含完整的1位CPU，位RAM、位寻址寄存器、I/O端口控制和指令集；

从严格的意义上说，51是由8位CPU和1位CPU构成的双CPU单片机。

2.2单片机的封装及引脚功能说明

2.2.1单片机的封装

单片机主要有DIP、PLCC和TQFP三种封装形式，各种封装的具体尺寸、引脚间距等详细信息可参阅芯片的数据手册（Datasheet）。

2.2.2单片机的引脚功能说明

所有引脚号均以DIP40封装为例。

1.电源引脚VCC（40脚）和GND（20脚）

VCC：

供电，目前有多种供电电压以及一些宽电压范围的单片机（2.7~6V）。

最常用的供电电压为+5V。

GND：

地

特别注意：

单片机的供电和电源去耦情况对系统能否正常工作至关重要!

系统供电必须稳定，不能有过大的纹波及干扰信号串入。

解决方法：

在单片机的VCC和GND之间尽量靠近VCC引脚的地方并入2个电容：

大电容起续流作用，防止电路电流的变化引起电源电压的较大波动；

小电容起滤波作用，滤除串入电路的高频信号。

2.外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（第19脚）：

单片机内部晶体振荡电路的反相器的输入端，当采用外部时钟时，该引脚接地。

XTAL2（第18脚）：

单片机内部晶体振荡电路的反相器的输出端，当采用外部时钟时，该引脚接外部振荡源。

3.控制信号引脚

（1）RST/VPD

第9脚，输入信号。

RST为复位信号输入端。

单片机正常工作时RST引脚应保持低电平。

在RST引脚上输入两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，单片机将进入并保持复位状态，直到RST信号重回低电平。

VPD为内部RAM的备用电源输入端。

如果主电源VCC发生断电或电压降到一定值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保证片内RAM中的信息不丢失。

（2）ALE/PROG

第30脚，输出信号。

ALE为地址锁存允许信号。

在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0端口输出的低8位地址信号。

在不访问外部存储器时，ALE也以时钟振荡频率的1/6的固定速率输出，可作为时钟输出；

可驱动8个LSTTL负载。

但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了。

PROG是对8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。

（3）PSEN

第29脚，输出信号。

外部程序存储器（ROM）的读选通信号。

当访问外部ROM时，PSEN产生负脉冲作为外部ROM的选通信号；

在访问外部RAM或片内ROM时，不会产生有效的PSEN信号。

PSEN可驱动8个LSTTL负载。

（4）EA/VPP

第31脚，输入信号。

访问外部程序存储器的控制信号。

EA接地，单片机从外部程序存储器取指令。

EA接高，单片机首先访问内部程序存储器，当访问地址超过内部程序存储器范围时，自动访问外部程序存储器。

该引脚还用于外部编程器对内部程序存储器编程时输入编程电压。

4.多功能I/O口P0～P3

（1）P0端口（P0.0~P0.7）：

第39～32脚，双向信号，多功能端口。

✧8位漏极开路的双向I/O端口；

✧在扩展外部总线时，分时作为低8位地址总线和8位双向数据总线。

✧P0端口可驱动8个LSTTL负载。

（2）P1端口（P1.0~P1.7）：

第1～8脚，双向信号。

✧具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。

✧可驱动4个LSTTL负载。

（3）P2端口（P2.0~P2.7）：

第21～28脚，双向信号，多功能端口。

✧具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口；

✧在扩展外部总线时，用作高8位地址总线。

（4）P3端口（P3.0~P3.7）：

第10～17脚，双向信号，多功能端口。

✧该端口的每一位都可以作为其它功能模块的输入/输出及控制引脚使用，具体定义如下：

P3端口的第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RxD，串行通信数据接收端口

P3.1

TxD，串行通信数据发送端口

P3.2

INT0，外部中断0请求信号，低电平有效或下降沿有效

P3.3

INT1，外部中断1请求信号，低电平有效或下降沿有效

P3.4

T0，定时器/计数器0外部计数信号输入端口

P3.5

T1，定时器/计数器1外部计数信号输入端口

P3.6

WR，外部数据存储器（RAM）写选通信号，低有效

P3.7

RD，外部数据存储器（RAM）读选通信号，低有效

2.3单片机的微处理器

单片机的核心部件是一个8位高性能的微处理器，它是计算机中运算器和控制器的总称，是单片机的指挥中心和执行机构；

在单片机运行过程中，微处理器的作用是产生合适的时序读入和分析每条指令代码，根据每条指令代码的功能要求，指挥并控制单片机的有关部件和器件，具体执行指定的操作；

单片机的微处理器由8位运算器（算术/逻辑运算单元）ALU、布尔处理器、时序和控制部件以及若干寄存器等主要部分组成。

2.3.1运算器

1.算术/逻辑运算部件

算术/逻辑运算部件（ALU）的主要功能是实现8位二进制数的加、减、乘、除四则算术运算和与、或、非、异或等逻辑运算，以及循环、清0、置1、加1、减1等基本操作；

单片机的ALU还具备特有的位处理功能，即可以对单独的一位进行置1、清0、取反以及逻辑与、或和位判断转移等操作，特别适合面向测控领域的应用。

2.累加器A

累加器A是运算、处理时的暂存寄存器，用于提供操作数和存放运算结果。

其他如逻辑运算、移位等操作也都要通过累加器A，所以累加器A是运算器中应用最为频繁的寄存器；

累加器A直接与ALU和内部总线相连，一般的信息传送和交换均需通过累加器A；

由于相当多的运算都要通过累加器，这种形式客观上影响了指令的执行效率。

✧MCS-51对部分操作进行了优化，可将累加器A旁路，将数据信息直接传送到目的单元，节省了累加器A转送的中间环节:

✧由直接寻址或间接寻址方式操作的数据信息可以从片内的任意地址单元直接传送到另一目的地址单元，而不必经过累加器A转送；

✧逻辑等操作也可在寄存器与变量之间直接进行，从而减少了中间环节，加快了传送速度，增强了实时性。

3.寄存器B

寄存器B是进行乘、除算术运算时的辅助寄存器；

✧在进行乘法运算时，累加器A和寄存器B分别存放两个相乘的数据，指令执行后，乘积的高位字节存放在B寄存器中，低位字节存放在累加器A中；

✧在进行除法运算时，被除数存放在累加器A中，除数存放在寄存器B中。

指令执行后，商存放在累加器A中，余数存放在寄存器B中；

✧在不进行乘、除法运算的其他情况下，寄存器B可用做一般的寄存器或中间结果暂存器。

4.程序状态字寄存器PSW

PSW是一个8位的寄存器，它用于寄存当前指令被执行后的相关状态，为下条或以后的指令执行提供状态条件；

许多指令的执行结果将影响PSW中某些状态标志位；

MCS-51单片机PSW的重要特点是可以软件编程，即可通过程序改变PSW中的状态标志。

PSW的结构及各位状态标志的定义如下：

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

Cy

AC

F0

RS1

RS0

OV

－

P

Cy：

进位标志位。

当指令运算结果的最高位产生进位或借位时置位（Cy=1），否则复位（Cy=0）。

除此之外，Cy还在布尔处理器中作为位累加器使用，常用“C”表示。

AC：

辅助进位标志，又称半字节进位标志位。

在进行加法或减法运算中，当一个字节的低4位数向高4位数有进位或借位时，AC将被硬件置位，否则就被清零。

AC常被用于BCD码运算时的十进制调整。

F0：

用户自定义标志。

可由用户通过程序对其置位或复位，具体含义也由用户定义。

RS1，RS0：

工作寄存器区选择控制位。

可由软件置位或清零，共四种组合，每种组合对应一个工作寄存器区。

OV：

溢出标志。

带符号数加减运算：

OV=1表示加减运算的结果超出了目的寄存器A所能表示的带符号数的范围（-128～+127）；

无符号数乘法指令MUL：

当A×

B的结果超过255时，OV=1，否则OV=0。

由于乘法运算的积的高8位放在B内，低8位放在A内，因此，当OV=0时，只要从A中取得乘积即可，否则要从BA寄存器对中取得乘积；

除法指令DIV：

当除数为0时，OV=1，否则OV=0。

P：

奇偶标志位。

该位在每个指令周期期间都由硬件来置位或清零，以表示累加器A中1的位数的奇偶性：

若A中1的位数为奇数，则P置位，否则清0，因此该位是针对累加器A中1的个数的偶校验。

该标志位可用来生成串行通信中的奇偶校验位。

2.3.2控制器

单片机的控制器主要包括：

✧程序计数器（PC）；

✧程序地址寄存器；

✧指令寄存器；

✧指令译码器；

✧条件转移逻辑电路；

✧时序控制逻辑电路。

PC用于存放下一条将要从程序存储器中读取的指令的地址；

指令寄存器是用来存放从程序存储器中读出的指令代码的专用寄存器；

指令寄存器将指令代码输出到指令译码器，由指令译码器对该指令代码进行识别和译码，将译码结果通过时序控制逻辑电路发出对应的定时、控制信号，控制指令的操作执行；

对于运算类指令，还需根据运算结果来更新程序状态字PSW中对应的标志位。

2.3.3振荡器、时钟电路及时序

单片机中程序的执行过程是CPU不断地一条一条的取指令，然后执行指令，是严格按照时序进行的。

时序：

CPU执行指令的一系列动作都是在时序电路控制下一拍一拍进行的，为达到同步协调工作的目的，各操作信号在时间上有着严格的先后次序，这些次序就是CPU的时序。

1.MCS-51的振荡器及时钟电路

MCS-51单片机片内有一个高增益反相放大器，其输入端（XTAL1）和输出端（XTAL2）用于外接石英晶体和微调电容，或输入外部时钟信号，构成振荡器：

单片机是以晶体振荡器的振荡周期为最小时序单位，片内的各种操作都是以晶振周期为时序基准的。

✧振荡周期:

由振荡电路产生的周期，又称节拍（P1、P2）。

✧状态周期（时钟周期）:

为振荡周期的2倍，也称S状态时间。

在状态周期的前半周期P1有效时，通常完成算术逻辑操作；

在后半周期P2有效，一般进行内部寄存器之间的传输。

✧机器周期:

为6个状态周期S1~S6,也就是12个振荡周期。

若单片机采用12MHz的晶体振荡器，则一个机器周期为1μs；

若采用6MHz的晶体振荡器，则一个机器周期为2μs。

通常在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作。

✧指令周期:

CPU完成一条操作指令所需的全部时间。

每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。

MCS-51系统中,有单周期指令、双周期指令和四周期指令。

乘法、除法指令是4周期指令，其余都是单周期指令和双周期指令。

单片机的一个机器周期包含S1P1、S1P2…~S6P6共6个状态，12个时钟周期。

即：

1个机器周期=6个状态周期=12个振荡周期

2.MCS-51指令执行时序

每一条指令的执行都包括取指和执行两个阶段。

在取指阶段，CPU从程序存储器（ROM）中取出指令的操作码及操作数，然后再执行这条指令的逻辑功能；

每出现一个ALE信号，CPU就进行一次取指操作。

MCS-51的指令分为单周期、多周期，指令长度分为单字节、多字节等多种。

其取指、执行过程如图所示：

单字节单周期

双字节单周期

单字节双周期

3.访问外部程序存储器（ROM）时序

单片机读外部程序存储器（不访问外部RAM）的时序：

4.访问外部数据存储器（RAM）时序

单片机读外部数据存储器（RAM）的时序：

2.4单片机的复位

2.4.1单片机的复位功能

在单片机的RST引脚上保持2个机器周期以上的高电平，单片机即复位；

只要RST引脚保持高电平，单片机就循环复位。

当RST从高电平变为低电平后，MCS-51从0000H地址开始执行程序。

单片机内部复位电路如下：

只要RST/VPD引脚输入的高电平不撤除，单片机就一直保持复位状态。

单片机复位完成后，其内部各寄存器恢复到初始状态。

各寄存器复位后的初始值如下页表所示：

寄存器

内容

PC

0000H

TH0

00H

ACC

TL0

B

TH1

PSW

TL1

SP

07H

TH2

DPTR

TL2

P0～P3

0FFH

RLCAP2H

IP

（XX000000）

RLCAP2L

IE

（0X000000）

SCON

TMOD

SBUF

不定

TCON

PCON

（0XXX0000）

T2CON

2.4.2常用的复位电路

（1）分立元件复位电路

缺点：

该复位方法抗干扰性能差，容易将干扰信号串入复位端口，引起单片机的不正常复位，影响系统运行的可靠性。

（2）专用复位集成电路

有多种供电电压及复位门槛电压版本；

MAX811

支持手动复位；

有高低两种电平的复位信号输出；

体积小，可靠性高。

X5045/25045

包含4Kb的E2PROM；

具有看门狗功能。

2.5单片机的存储系统

2.5.1单片机存储系统结构

存储器是组成计算机的三大主要部件之一。

存储器的功能是存储信息，包括程序和数据，存