第一章單片機(jī)概述

1、單片機(jī)實(shí)訓(xùn)單片機(jī)實(shí)訓(xùn)主講人：胡祝兵主講人：胡祝兵 王蓉王蓉實(shí)驗(yàn)室：齊曉旭實(shí)驗(yàn)室：齊曉旭時(shí)間：時(shí)間：四周四周 （5*4=20天）天）第一講 單片計(jì)算機(jī)概述 1 1 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程 計(jì)算機(jī)是微電子技術(shù)與計(jì)算數(shù)學(xué)相結(jié)合計(jì)算機(jī)是微電子技術(shù)與計(jì)算數(shù)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。微電子學(xué)的基本元件及其集成的產(chǎn)物。微電子學(xué)的基本元件及其集成電路構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)；計(jì)算數(shù)電路構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)；計(jì)算數(shù)學(xué)的計(jì)算方法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則成為計(jì)算機(jī)學(xué)的計(jì)算方法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則成為計(jì)算機(jī)的軟件基礎(chǔ)。的軟件基礎(chǔ)。 當(dāng)前計(jì)算機(jī)均采用馮當(dāng)前計(jì)算機(jī)均采用馮諾依曼原理，諾依曼原理，即即存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序-執(zhí)行

2、程序執(zhí)行程序的過(guò)程。的過(guò)程。 1.1 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 馮諾依曼計(jì)算機(jī)由存儲(chǔ)器、控制器、計(jì)算器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五部分組成，邏輯框圖如圖1-1所示。 輸入設(shè)備存儲(chǔ)器輸出設(shè)備控制器運(yùn)算器CPU一 運(yùn)算器(Arithmetic and logic unit ) 運(yùn)算器是在控制器的控制下，對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及信息傳遞的部件。運(yùn)算器的功能包括四則運(yùn)算，邏輯運(yùn)算以及傳遞數(shù)據(jù)等。它的基本部件有算術(shù)邏輯部件、累加器和寄存器等。 算術(shù)邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)是運(yùn)算器的中心部件,它完成算術(shù)邏輯運(yùn)算。 ALU累加器暫存器圖1-2 ALU結(jié)構(gòu)圖寄存器 累加器通常

3、存放參與運(yùn)算的第一操作數(shù)，經(jīng)ALU與第二操作數(shù)運(yùn)算的結(jié)果也保存在累加器中。 寄存器(Register)用來(lái)暫存參與運(yùn)算的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及運(yùn)算結(jié)果。它的存取速度比主存要快的多，但寄存器的數(shù)量較少。 二 控制器(Control unit) 控制器是計(jì)算機(jī)的神經(jīng)中樞，它指揮、協(xié)調(diào)各部件的工作?？刂破鳑Q定每個(gè)部件在什么時(shí)間、具體做什么工作。 程序(指令)計(jì)數(shù)器PC(Program Counter)是控制器的一個(gè)重要部件，PC存放當(dāng)前指令的起始地址（存儲(chǔ)器地址）；處理器每取出一條指令，PC就自動(dòng)加1，指向下一條指令的起始地址，因此決定了程序指令的順序執(zhí)行。 隨著集成電路的發(fā)展，將運(yùn)算器、控制器集成在

4、一個(gè)芯片內(nèi)，稱為CPU。 三 存儲(chǔ)器(Memory) 存儲(chǔ)器是用來(lái)存放程序（指令的有序排列）和數(shù)據(jù)的裝置；它具有記憶能力，特點(diǎn)是一次寫入可以多次讀取。 按使用性質(zhì)分為： RAM: 隨機(jī)存儲(chǔ)器，由半導(dǎo)體電路組成，內(nèi)容可以隨時(shí)寫入、讀出，掉電后內(nèi)容丟失； ROM: 只讀存儲(chǔ)器，由半導(dǎo)體電路組成，內(nèi)容由廠家寫入，使用時(shí)只可讀出，不可寫入，掉電后內(nèi)容不丟失。ROM中還有可編程的ROM，具體分為EPROM、EEPROM。 存儲(chǔ)器的指標(biāo)之一是存儲(chǔ)器容量，常用容量單位有：位(Bit) ，字節(jié)(Byte) ，字(Word) 。注意：存儲(chǔ)器有單元地址和單元內(nèi)容之分，它們都用二進(jìn)制數(shù)表示。存儲(chǔ)器的地址用來(lái)區(qū)分各個(gè)

5、不同的存儲(chǔ)單元，如果有N位地址，則它的存儲(chǔ)單元數(shù)為2N；存儲(chǔ)器單元內(nèi)容則表示存放在存儲(chǔ)器中的信息（指令、數(shù)據(jù)）。 四 輸入/輸出設(shè)備 I/O設(shè)備是人與計(jì)算機(jī)交換信息的通路，常用設(shè)備有: 鍵盤（Keyboard）、顯示器CRT(Cathode Ray Tube)、打印機(jī)（Printer）、磁盤（Disk）等。輸入設(shè)備存儲(chǔ)器輸出設(shè)備控制器運(yùn)算器CPU1.2 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程 在計(jì)算機(jī)通電正常工作后，就進(jìn)入如下過(guò)程： PC中的指令地址放到地址總線； 從地址指示的存儲(chǔ)器中取出指令，由數(shù)據(jù)總線送CPU； PC中的地址遞增指令字節(jié)數(shù)，即指向下一指令的首地址； CPU分析指令，完成指令功能； 返回注意：計(jì)算

6、機(jī)的工作是周而復(fù)始、無(wú)窮無(wú)盡的，因此在書寫完某種工作程序時(shí)，需要使計(jì)算機(jī)進(jìn)入無(wú)限循環(huán)或迫使CPU停機(jī)。PC中的內(nèi)容放到地址總線取出指令PC內(nèi)容加“1”分析指令，執(zhí)行指令2 單片機(jī)及應(yīng)用 把計(jì)算機(jī)的五個(gè)組成部分：運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入口電路及輸出口電路集成在一個(gè)芯片上形成的芯片級(jí)特殊計(jì)算機(jī)稱為單片計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer）簡(jiǎn)稱單片機(jī)。 單片機(jī)已經(jīng)完全融入應(yīng)用系統(tǒng)中，集成有A/D、PWM、PAC、WDT等專用電路，稱為微控制器（microcontroller） 。 單片機(jī)分為通用型單片機(jī)及專用型單片機(jī)兩大類。我們通常所說(shuō)的單片機(jī)即指通用型單片機(jī)。 單片機(jī)的發(fā)

7、展概況見(jiàn)教學(xué)參考書。2.1 MCS-51系列 單片機(jī) Intel公司的單片機(jī)問(wèn)世早、產(chǎn)品系列齊全、兼容性強(qiáng)，得到了廣泛的應(yīng)用。 MCS-51包括51和52兩個(gè)子系列,51子系列有8031、8051、8751。52子系列有8032、8052。 52子系列的不同在于它多具有定時(shí)/計(jì)數(shù)器2及具有256B的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 MCS-51單片機(jī)程序存儲(chǔ)器配置 存儲(chǔ)器類型單片機(jī)系列 掩模ROMEPROM MCS51 51803180514KB87514KB52803280528KB我們以MCS-51為主進(jìn)行講授。單片機(jī)的引腳圖及邏輯符號(hào) 圖 1-3 引腳圖及邏輯符號(hào)圖 WR/P3.612345678910

8、111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7 RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 VSSVCCP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7EA/VDDALE/PROGPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P

9、2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8803180518751EA/VDDXTAL1XTAL2VCCVSSRST/VPDPSENALE/PROGP0 口地址 和數(shù)據(jù)總線P1 口通用口P3 口地址總線P3口 RXD TXDINT0INT1 T0 T1 WR RD803180518751 51單片機(jī)的硬件特性 集 成 度 高 ： 單 片 機(jī) 包 括 C P U 、 4 K B ROM(8031無(wú))、128B RAM、216位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、48位并行口、全雙工串行口。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，模塊化； 單片機(jī)可靠性高，可工作到1067小時(shí)無(wú)故障；（一年：365*24=8.76*103小時(shí)） 處理

10、功能強(qiáng)、速度快，即使執(zhí)行最長(zhǎng)指令，只需4S(晶振12MHz)； 可靠性較商用品高，價(jià)格較軍用品便宜，屬于工業(yè)品，溫度范圍為-40+85。 2.2 MCS-51的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 時(shí)鐘電路CPU中斷控制INT0 INT1ROMRAM定時(shí)/計(jì)數(shù)器 64KB 總線擴(kuò)展控制器并行接口串行接口T0T1串行口T0 T1圖 1-4 MCS-51 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)方塊圖P2 驅(qū)動(dòng)器RAM 地址寄存器P0 驅(qū)動(dòng)器P0 鎖存器P2 鎖存器 EPROMRAMALU暫存 1暫存 2寄存器 BACCSP指令寄存器 定時(shí)及控制PCON SCON TMODTCON T2CON TH0TL0 TH1 TL1TH2* TL2* RLDHR

11、LDL SBUF I E IP中斷、串行口及定 時(shí)器PSWP1 鎖存器P3 鎖存器P1 驅(qū)動(dòng)器P3 驅(qū)動(dòng)器程序地址 寄存器緩沖器PC 加 1PCDPTRVCCVSSP0.0P0.7P2.0P2.7P1.0P1.7P3.0P3.7振蕩器XTAL1 XTAL2PSENALEEARST圖 1-5 MCS51 總體結(jié)構(gòu)框圖*表示僅 8032/8052 具有l(wèi) 8位算術(shù)/邏輯運(yùn)算部件，累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)寄存器PSW(Program Status Word) 運(yùn)算器主要完成：算術(shù)運(yùn)算(加減乘除、加1、減1、BCD加法的十進(jìn)制調(diào)整)、邏輯運(yùn)算(與、或、異或、清零、求反)、移位操作(左、右移位)

12、等。 布爾處理機(jī)：擁有相應(yīng)的布爾指令子集。大部分的操作均圍繞CY來(lái)完成。能夠完成位的傳送、清零、置位、求反、與、或等邏輯運(yùn)算及判位轉(zhuǎn)移操作等。 控制器：地址指針DPTR、堆棧指針SP、程序計(jì)數(shù)器PC 程序存儲(chǔ)器 :單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器分為片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（8031無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器）和片外程序存儲(chǔ)器兩種。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器:單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有128B（52系列為256B）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ,把寄存器（工作寄存器，棧區(qū)，特殊功能寄存器等）也劃入數(shù)據(jù)寄存器空間，這種結(jié)構(gòu)也有利于提高單片機(jī)的運(yùn)行速度。 并行輸入/輸出口(32條)：分成四組，每組八位口線。 串行輸入/輸出口(2條) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器：定時(shí)/計(jì)數(shù)器為16位增量

13、計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)滿時(shí)溢出產(chǎn)生中斷并將相應(yīng)標(biāo)志位置位。中斷系統(tǒng)：有5個(gè)中斷源、2個(gè)優(yōu)先級(jí)，可實(shí)現(xiàn)慢速設(shè)備與快速CPU的并行運(yùn)行。 時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路由內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器和外接晶振電路兩部分構(gòu)成。 它起到單片機(jī)工作節(jié)拍時(shí)間的控制。2.3 MCS-51引腳功能描述 XTAL1(19腳)：內(nèi)部反向放大器的輸入端，外接外部晶振的一個(gè)引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接收振蕩器信號(hào)。 XTAL2(18腳)：內(nèi)部反向放大器的輸出端，外接外部晶振的一個(gè)引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)懸空。（P8有誤）RST/VPD(9腳)：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 PSEN(29腳)：

14、外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。ALE/PROG(30腳)：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE的輸出用于鎖存P0口輸出的地址低字節(jié)的低8位。EA/VPP(31腳)：當(dāng)EA保持高電平時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)端保持低電平時(shí)，則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。2.4 存儲(chǔ)器地址空間 單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)，將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開，相互獨(dú)立編址，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各有自己的尋址方式和控制方式。一 物理上有四個(gè)存儲(chǔ)器區(qū)域程序存儲(chǔ)器：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(8031無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器) 片外程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 二 邏輯上有三個(gè)存儲(chǔ)器地址空間 片內(nèi)+片外程序存儲(chǔ)器，統(tǒng)一編址。 片內(nèi)隨機(jī)存儲(chǔ)器。 片

15、外隨機(jī)存儲(chǔ)器。訪問(wèn)三個(gè)邏輯地址空間采用不同的指令 訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器使用MOVC指令； 訪問(wèn)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用MOV指令； 訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用MOVX指令；80 內(nèi)部(EA=1)0000H0FFFH0FFFH0000H 外部(EA=0)FF7F00專用寄存器內(nèi)部 RAM外部FFFFH1000HFFFFH0000H程序存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器圖 1-6 MCS-51 存儲(chǔ)器的配置圖三 程序存儲(chǔ)器 地址總線寬度為16位，采用16位程序計(jì)數(shù)器PC給出地址碼，因此其地址空間為0000HFFFFH，共64KB。程序存儲(chǔ)器有七個(gè)存儲(chǔ)單元具有特殊含義，用于特定的程序入口，它們是： 0000H：系統(tǒng)

16、復(fù)位后，PC=0000H，單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。0003H：外部中斷0的入口地址。000BH：定時(shí)器0的溢出中斷入口地址。0013H：外部中斷1的入口地址。001BH：定時(shí)器1的溢出中斷入口地址。0023H：串行口中斷入口地址。002BH：定時(shí)器2溢出中斷入口地址(僅8032、8052有)。四 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（內(nèi)部RAM） 3 區(qū)2 區(qū)1 區(qū)0 區(qū)1FH00H2FH20H位地址：00H7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)堆棧區(qū)工作單元7FH30H只能字節(jié)尋址可位尋址的區(qū)域（16 個(gè)字節(jié) 128 位，也可按字節(jié)尋址）4 組工作寄存器 R0R7（也可以作為 RAM 單元使用，以字節(jié)地址尋址）圖 1-7

17、RAM 空間分配示意圖使用PSW中的RS1、RS0位確定當(dāng)前工作區(qū) 。5特殊功能寄存器SFR(Special Function Register) 1）累加器ACC(Accumulator) （0E0H ）2） B寄存器（0F0H） 3）程序狀態(tài)字PSW(Program Status Word)（0D0H） MSB LSBCYACF0RS1 RS0 OV-PAC(Auxiliary Carry)：輔助進(jìn)位/借位標(biāo)志。當(dāng)?shù)桶胱止?jié)向高半字節(jié)有進(jìn)/借位時(shí)，AC=1，否則AC=0。該標(biāo)志主要用于十進(jìn)制調(diào)整。 F0(Flag 0)：標(biāo)志0，由用戶定義，由軟件置位或清除。 OV(Overflow)：溢出標(biāo)

18、志，由硬件置位或清除。 P(Parity)：奇偶標(biāo)志，若ACC中值為1的位數(shù)為奇數(shù)，則P=1，否則P=0即采用補(bǔ)偶校驗(yàn)，簡(jiǎn)稱偶校驗(yàn)。 4)程序計(jì)數(shù)器PC(Program Counter)（16位）5)堆棧指針SP(Stack Pointer) （81H）6)數(shù)據(jù)指針DPTR（16位 83H,82H）7)并行輸入/輸出端口寄存器(Parallel I/O Port): P0(80H)、P1(90H)、P2(0A0H)、P3(0B0H)。8)串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF(Serial Data Buffer) (99H) 9)串行控制/狀態(tài)寄存器SCON(Serial Control)(98H)10)

19、電源控制寄存器PCON(Power Control)(87H)11)中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP(Interrupt Priority) (0B8H)12)中斷允許寄存器IE(Interrupt Enable) (0A8H)13)定時(shí)器方式寄存器TMOD(Timer Mode) (89H)14)定時(shí)器控制寄存器TCON(Timer Control) (88H)15)計(jì)數(shù)寄存器TH0(8CH)、TL0(8AH)、TH1(8DH)、TL1(8BH)。 6位地址空間 單片機(jī)為布爾處理機(jī)提供221位位地址空間，這些位地址空間位于RAM的20H2FH單元和SFR特殊功能寄存器中。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的20H2FH有

20、16個(gè)單元可按位尋找，共計(jì)128位；占用00H7FH。 SFR地址碼能被8整除的12個(gè)專用寄存器可按位尋址，但是IP.7、IP.6、IE.6三位未定義，共93位可按位尋址。 128+93=221位。 07H00H1FH18H0FH08H17H10H20H21H22H23H24H25H26H27HBANK3BANK2BANK1BANK028H29H2AH2BH2CH2DH2EH2FH0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 0807 06 05 04 03 02 01 007F 7E 7D 7C 7B 7A 79 7877 76 75 74 73 72 71 706F 6E 6D 6C 6B 6

21、A 69 6867 66 65 64 63 62 61 605F 5E 5D 5C 5B 5A 59 5857 56 55 54 53 52 51 504F 4E 4D 4C 4B 4A 49 4847 46 45 44 43 42 41 403F 3E 3D 3C 3B 3A 39 3837 36 35 34 33 32 31 302F 2E 2D 2C 2B 2A 29 2827 26 25 24 23 22 21 201F 1E 1D 1C 1B 1A 19 1817 16 15 14 13 12 11 10BYTE(MSB) (LSB)7外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的最大地址

22、空間為64K，尋址范圍為0000HFFFFH，尋址方式為間接尋址?？捎肦0、R1及DPTR作間址寄存器。P0、P2送地址碼（地址總線），P0接收或發(fā)送數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)總線）。 2.5 振蕩器、時(shí)鐘電路和CPU時(shí)序 1時(shí)鐘的基本概念 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)序是研究指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互關(guān)系。1）時(shí)鐘周期：即振蕩器周期。由振蕩時(shí)鐘產(chǎn)生，是單片機(jī)工作的基礎(chǔ)時(shí)鐘信號(hào)。 2）狀態(tài)周期：一個(gè)狀態(tài)周期包含兩個(gè)時(shí)鐘周期。每個(gè)狀態(tài)周期由兩個(gè)脈沖組成(所謂兩相)，前一個(gè)脈沖叫P1(相位1)，后一個(gè)脈沖叫P2(相位2)。 3）機(jī)器周期：是機(jī)器完成基本操作周期。一個(gè)機(jī)器周期分成六個(gè)狀態(tài)周期，12個(gè)

23、時(shí)鐘周期。4）指令周期：從取指開始到指令執(zhí)行完畢所需要的時(shí)間叫做一個(gè)指令周期。一個(gè)指令周期包含至少一個(gè)機(jī)器周期。指令周期隨指令的不同而不同。 OSC(XTAL2)P1 P2ALE讀操作碼讀第二字節(jié)讀下一個(gè)操作碼(b)雙字節(jié)單周期指令，如 ADDA #data讀操作碼讀下一個(gè)操作碼(丟掉)再讀下一個(gè)操作碼(c)單字節(jié)雙周期指令，如 INC DPTR讀操作碼讀下一個(gè)操作碼(丟掉)再讀下一個(gè)操作碼(a)單字節(jié)單周期指令，如 INC A讀操作碼(MOVX)讀下一個(gè)操作碼(丟掉)再讀下一個(gè)操作碼(d)MOVX(單字節(jié)雙周期)不取指不取指無(wú) ALE地址 數(shù)據(jù)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器圖 1-9 典型指令的取指/執(zhí)行時(shí)序S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2P1 P2P1 P2二 典型指令的取指/執(zhí)行時(shí)序 3振蕩電路（源） MCS-51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大