單片機-2章課件

第1章概述主要介紹：單片機的基本概念、發(fā)展概況及趨勢、應(yīng)用范圍、MCS-51系列片機的資源。什么是單片機？在單個芯片中集成了組成一臺計算機所必需的各功能部件：CPU、RAM、ROM、C/T、I/O、INTERRUPTE、A/DC、D/AC、UART等等。INTERRUPT：中斷。如：8259I/O(input/outputport)：I/O口。如：8255、8155C/T(COUNTER/TIMER)：計數(shù)器、定時器。如8253、8254ROM(readonlymemory)：只讀存儲器、程序存儲器。如：2764、27256RAM(randomaccessmemory)：隨機存取存儲器、數(shù)據(jù)存儲器。如：6264、6116CPU（CentralProcessorUnit）：中央處理單元。如：8086/8088A/DC.(AnalogtoDigitalConvert)：A/D轉(zhuǎn)換器。如：0809D/AC.(DigitaltoAnalogConvert)：D/A轉(zhuǎn)換器。如：0832UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter）通用異步串行通訊接口。如8251單片機名字的來由：早期構(gòu)成一臺包含以上部件的計算機最小系統(tǒng)，需要設(shè)計一個400×400線路板，在該線路板上安裝以上各部件。如“Z80”單板計算機，包括Z80CPU、Z80CTC、Z80PIO、8259、8253、AD0809、DA0832等等。在單個2.單片機的發(fā)展過程及趨勢

發(fā)展過程：自上個世紀70年代以來，經(jīng)歷4位機、1位機、8位機、16位機、32位機的過程。發(fā)展趨勢：⑴趨向于功能完善、處理快。例：加快數(shù)據(jù)處理速度：美國ATMEL公司的AVR系列單片機，具有精簡指令的RISC結(jié)構(gòu)，一個時鐘周期執(zhí)行一例：快速數(shù)字信號處理：在航天、航空等領(lǐng)域，為滿足快速處理數(shù)字信號的需要，有美國TI公司生產(chǎn)的TMS320系列DSP——數(shù)字信號處理器（DIGITALSIGNALPROCESSOR）。條指令；具有32個通用工作寄存器，可直接進行數(shù)據(jù)交換。比傳統(tǒng)的單片機的數(shù)據(jù)處理速度快十幾倍到幾十倍。⑵硬件資源進一步加強或擴充：1）擴充程序存儲器：AT89C55將內(nèi)部ROM擴充到20KB；2）嵌入其他功能芯片：WINBOND公司的W78E52嵌入WDT；3）INTEL公司的80C196XX嵌入了8通到的A/DC，一個PWM。

還有專用于處理多任務(wù)的雙CPU單片機；多通訊接口的單片機等等。

4.單片機的主流機型——MCS-51

80年代初，美國INTEL公司在MCS-488位單片機基礎(chǔ)上推出。由于以下幾方面的因素，在國內(nèi)一直處于主流地位：1）

INTEL公司作為世界最大的集成電路、CPU生產(chǎn)廠家，其產(chǎn)品的技術(shù)性能優(yōu)良。2）

較早進入中國市場，擁有最多的用戶。3）性能/價格比高。

主要性能：下表1表1MCS-51系列單片機資源：5.當前單片機市場主流機型——AT89系列單片機

簡介：美國ATMEL公司，F(xiàn)LASH型存儲器生產(chǎn)具有一流水平，購買INTEL公司MCS-51內(nèi)核，將FLASH存儲器與MCS-51單片機集成在單個芯片內(nèi)，構(gòu)成了具有FLASH型程序存儲器的、與MCS-51系列單片機在指令系統(tǒng)及管腳完全兼容的8位單片機。具有掉電、閑置兩種省電工作方式。常見機型及資源、性能見下表2。當前從應(yīng)用情況看，以AT89C52為主流機型。本課主要以AT89C52為例講述其原理及應(yīng)用。第1章概述

1．

8031單片機的片內(nèi)資源，RAM、ROM、I/O、計數(shù)器、中斷源、UART。2．

AT89C52單片機的片內(nèi)資源，RAM、ROM、

I/O、計數(shù)器、中斷源、UART。

第2章MCS-51系列單片機的硬件系統(tǒng)

2.1MCS-51單片機的硬件結(jié)構(gòu)

見圖2.1MCS-51單片機的片內(nèi)結(jié)構(gòu)。MCS－51單片機的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如下圖所示。如果按功能劃分，它由8個部件組成：1．CPU，8位微處理器，內(nèi)含1個1位微處理器C。實現(xiàn)算術(shù)運算與邏輯運算。特殊功能寄存器——SFR：8031：21個；AT89C52：

27個。用于對片內(nèi)各功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個特殊功能的RAM區(qū)。單片機內(nèi)所有硬件資源的使用都是通過訪問SFR實現(xiàn)。7．中斷源：2級5個（2字綴尾的單片機有6個）。

由上可見，MCS－51單片機的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強等特點。特別值得一提的是MCS-51CPU中的位處理器，它實際上是一個完整的1位微計算機，這個一位微計算機有自己的CPU、位寄存器I/O口、和指令集。l位機在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。MCS單片集中8位機和1位機的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術(shù)上的一個突破，這也是MCS-51在設(shè)計上的精美之處。2．2引腳描述及片外總線結(jié)構(gòu)

2.2.1芯片的引腳描述

40個引腳，可分為4組：

1．主電源引腳

Vcc（40腳）：接十5V電壓；Vss（20腳）接地。①RST／VPD（9腳）：

當振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。推薦在此引腳與Vss引腳之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與Vcc引腳之間連接一個約10μF的電容，以保證可靠地復(fù)位。Vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。當VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍（5士0.5V）內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。②ALE／*PROG（30腳）：當訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1／6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。對于EPROM型的單片機（如8751），在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（*PROG）。ALE端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）8個LS型的TTL輸入電路。③/PSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/PSEN同樣可以驅(qū)動（吸收或輸出）8個LS型的TTL輸入。

1)P0口（39腳～32腳）：(1)是雙向8位三態(tài)I／O口;(2)在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LSTTL負載。

D[7:0]/A[7:0]4．輸入／輸出（I／O）引腳P0、P1、P2、P3（共32根）

2)P1口（1腳～8腳）：是8位準雙向I／O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I／O口。P1口能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LSTTL負載。對AT89C52，P1.0引腳的第二功能為T2定時／計數(shù)器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2EX捕捉、重裝觸發(fā)控制端，即T2的外部控制端。對EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址。

4)P3口（10腳～17腳）：(1)

是8位準雙向I/O口，作為第一功能使用時，就作為普通I／O口用，功能和操作方法與P1口相同。3)P2口（21～28)雙向I／O口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴展電路高8位地址總錢送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗證期間，它接收高8位地址。P2可以驅(qū)動（吸收或輸出）電流4個LSTTL負載。

值得強調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。

2.2.2MCS—5l單片機的片外總線結(jié)構(gòu)

鎖存器—74LS373的原理：①地址總線（AB）：地址總線寬度為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節(jié)，16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址（A0～A7）；P2口直接提供高8位地址（A8～A15）。②數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0口提供。

③控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線RESET、ALE、*PSEN、*EA、*WR、*RD構(gòu)成。2．3中央處理器CPU包括運算部件與控制部件。

2.3.1運算部件由ALU、 C、A、B、暫存器、PSW等構(gòu)成。

ALU：實現(xiàn)算術(shù)、邏輯運算，包括：邏輯運算：邏輯與、邏輯或、異或、循環(huán)、求補、清零。算術(shù)運算：加、減、乘、除。

C：與、或、求反、求反與。B：乘、除法運算時的一個專用寄存器。非乘、除時可做一般寄存器用。

A：8位累加器。其進位位C同時作位處理器。

PSW：程序狀態(tài)字：

程序狀態(tài)寄存器PSW，是一個8位可讀寫的寄存器，它的不同位包含了程序狀態(tài)的不同信息，掌握并牢記PSW各位的含義是十分重要的，因為在程序設(shè)計中，經(jīng)常會與PSW的各個位打交道。PSW各位的定義如下：（l）Cy（PSW．7）進位標志位，在執(zhí)行算術(shù)和邏輯指令時，可以被硬件或軟件置位或清除，在位處理器中，它是位累加器。加法：有進位，C=1；無進位，C=0。減法：有借位：C=1；無借位，C=0。（2）AC（PSW．6）輔助進位標志位，當進行加法或減法操作而產(chǎn)生由低4位數(shù)（十進制中的一個數(shù)字）向高4位進位或借位時，AC將被硬件置1，否則就被清除。AC被用于十進位調(diào)整，同DA指令結(jié)合起來用。（3）F0（PSW.5）標志位，它是由用戶使用的一個狀態(tài)標志位，可用軟件來使它置位或清除，也可以靠軟件測試F0以控制程序的流向。編程時，該標志位特別有用。（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW．5）寄存器區(qū)選擇控制位，利用這兩位來選擇4組工作寄存器區(qū)（4組寄存器在單片機內(nèi)的RAM區(qū)中，將在本章稍后介紹），它們與4組工作寄存器區(qū)的對應(yīng)關(guān)系如下：RS1RS000選擇內(nèi)部RAM寄存器地址（00H～07H）01選擇內(nèi)部RAM寄存器地址（08H～0FH）10選擇內(nèi)部RAM寄存器地址（10H～17H）11選擇內(nèi)部RAM寄存器地址（18H～1FH）（5）OV（PSW．2）溢出標志位。當執(zhí)行算術(shù)指令時，由硬件置1或清0，以指示溢出狀態(tài)。各種算術(shù)運算對該位的影響情況較為復(fù)雜，將在第三章詳細說明。

（6）P（PSW．0）奇偶標志位。每個指令周期都由硬件來置位或清除，以表示累加器A中值為1的位數(shù)的奇偶數(shù)。若為奇數(shù)，則P＝1，否則P=0。此標志位對串行口通訊中的數(shù)據(jù)傳輸有重要的意義，常用奇偶檢驗的方法來檢驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?．3．2控制部件

控制部件是單片機的神經(jīng)中樞，以主振頻率為基準（每個主振周期稱為振蕩周期），控制CPU的時序，對指令進行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，它將各個硬件環(huán)節(jié)組織在一起。

控制CPU的時序包含兩方面的意義：1.）CPU內(nèi)部微操作的時序；2.）外部控制信號的時序。若干概念：時鐘周期、狀態(tài)周期、機器周期、指令周期。

時序：一條指令包含若干微操作，各個微操作在時間順序上是嚴格區(qū)分的，實現(xiàn)區(qū)分的方法就是讓每個微操作對應(yīng)不同的時鐘脈沖。微操作與時鐘的對應(yīng)關(guān)系，外部控制信號與時鐘的對應(yīng)關(guān)系為時序。

時鐘周期：晶體振蕩器周期。上圖中的P1、P2。狀態(tài)周期：兩個時鐘周期組成一個狀態(tài)周期。上圖中的S1、S2、S3、S4、S5、S6。機器周期：6個狀態(tài)周期組成一個機器周期。指令周期：執(zhí)行一條指令所花費的時間。MCS51執(zhí)行一條指令花費1~4個機器周期。

CPU的時序如圖2－4所示。每個機器周期（12個振蕩周期）由6個狀態(tài)周期組成，即S1、S2、……S6，而每個狀態(tài)周期由兩個時相P1，P2組成（即為2個主振振蕩周期）。所以一個機器周期可依次表示為S1P1、S1P2、S2P1、S2P2……S6P1、S6P1。一般情況下，算術(shù)邏輯操作發(fā)生在時相P1期間，而內(nèi)部寄存器之間的傳送發(fā)生在時相P2期間，這些內(nèi)部時鐘信號無法從外部觀察，故用XTAL2振蕩信號作參考，而ALE可作為外部工作狀態(tài)指示信號用。在一個機器周期中通常出現(xiàn)兩次ALE信號，即從ROM中取兩次操作碼，讀入指令寄存器，指令周期的執(zhí)行開始于S1P2時刻，而總是結(jié)束于S6P2時刻。MCS-51的指令周期一般只有l(wèi)～2個機器周期，只有乘、除兩條指令占4個機器周期，當用12MHZ晶體作主頻率時，執(zhí)行一條指令的時間，也就是一個指令周期為1μS（這樣的指令約占全部指令的一半）2μS及4μS。主振頻率越高，指令執(zhí)行速度越快。

由上可見，MCS一51單片機的時序比較簡單。對應(yīng)用者來說，當需要精確分析程序中各指令執(zhí)行時間或者是研究單片機與用戶樣機各外設(shè)時序關(guān)系時，才需要分析它。

2.4存儲器的組織

MCS-51單片機具有兩種存儲器：程序存儲器。數(shù)據(jù)存儲器。2.4.1程序存儲器的組織

1.內(nèi)部程序存儲器的組織

不同型號單片機可以有不同容量。如：AT89C51：4K；AT89C52：8K；AT89C55：20K。W78E58：32K。最大可擴展為：64K。當/EA=0時，上電時自動運行外部程序存儲器程序。2.外部程序存儲器的組織

極限情況為：64K。當/EA=1時，上電時自動運行內(nèi)部程序存儲器程序。3.從內(nèi)部程序存儲器運行到外部程序存儲器的情形當運行到內(nèi)部程序存儲器上端時，自動轉(zhuǎn)去外部程序存儲器。4.幾個固定的中斷入口地址5.避免同時使用內(nèi)、外部程序存儲器。

2.4.2數(shù)據(jù)存儲器的組織

1.外部數(shù)據(jù)存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器最大空間為64KB，與內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器在物理上是分開的，有各自的尋址方式。

1）128字節(jié)情形：2）工作寄存器的分布

2.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器

3）位變量的分布

4）256字節(jié)情形80H～FFH僅支持間接尋址方式。

3．特殊功能寄存器SFR（SPECIALFUNCTIONREGISTER）

所有的硬件應(yīng)用都是通過訪問SFR實現(xiàn)。1）分布

注意：SFR與高128字節(jié)RAM（80H～FFH）有不同的物理空間，相同的地址。對二者的訪問依靠尋址方式區(qū)別，前者靠直接尋址；后者靠間接尋址。

2）具有位地址的SFR的分布。3）部分SFR介紹

全部單片機內(nèi)部資源的應(yīng)用都是通過訪問、操作SFR實現(xiàn)。其中I/O口、計數(shù)器/定時器、中斷、串行通訊部分在以后的章節(jié)中詳細介紹。首先介紹A、B、PSW、SP、DPTR及非SFR中的PC。①A累加器，在加、減、乘、除運算中存放被加、被減、被乘、被除數(shù)及結(jié)果。所有的算術(shù)、邏輯運算都通過其進行。

②PC程序計數(shù)器，用以指出運行程序的地址。

⑥D(zhuǎn)PTR數(shù)據(jù)指針，16位。在訪問程序存儲器與外部數(shù)據(jù)存儲器時，用做存放數(shù)據(jù)地址。也可做一般寄存器用。可拆做兩個8位寄存器用，DPH、DPL。

⑤SP堆棧指針，用于指出堆棧頂部RAM地址。堆棧向上生成。堆棧按先進后出、后進先出的方式組織。④PSW程序狀態(tài)字，意義如前述。

③B寄存器，在乘、除運算中指定用做存放第二操作數(shù)，其他場合做一般寄存器用。

4.總結(jié)注意：1.）MCS-51采用哈佛（HARVARD）結(jié)構(gòu)，即外部數(shù)據(jù)存儲空間與地址存儲空間是獨立的，通過不同的控制信號選通數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器。

2）內(nèi)部RAM

高128字節(jié)與SFR位于不同的物理存儲空間，相同的地址，依靠不同的尋址方式區(qū)別。前者支持間接尋址；后者支持直接尋址。3）工作寄存器份四組，通過PSW中的RS0、RS1選擇。5）堆棧按先進后出、后進先出方式組織，向上生成。

4）位地址位于內(nèi)部RAM20H~2FH16字節(jié)。2．5I/O端口

2．5．1I/O口的功能

1．P0、P2口功能：1)普通的I/O口。2）擴展外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，構(gòu)成8位數(shù)據(jù)總線與16位地址總線的低8位。

2．P1口I/O口。對AT89C52，P1.0～T2、P1.1～T2EX。

3.P3口復(fù)用功能：I/O口或第二功能，見表2-3(P18)。

2.5.2I/O口操作要領(lǐng)與結(jié)構(gòu)

1.操作要領(lǐng)

1）P0口做I/O口使用時，必須上掛電阻（10K左右）。

2）P0、P1、P2、P3口做“I”口使用時及P3口做第二功能使用時，輸出鎖存器必須首先“置1”。

2.結(jié)構(gòu)分析

分別P0、P1、P2、P3的結(jié)構(gòu)分析入手，說明上述要領(lǐng)。P0口：P1口：P2口：P3口：

3．I/O口的負載能力P0為8個TTL負載；P1、P2、P3為4個TTL負載。從靜態(tài)與動態(tài)兩個方面說明負載能力問題。2.5.3I/O口的讀操作

在結(jié)構(gòu)分析中可見，有兩類讀指令：讀引腳、讀鎖存器。

讀引腳指令——當某一I/O口或I/O口的某一位為源操作數(shù)時，所執(zhí)行的指令為讀引腳指令。例：MOV A，P1MOV C，P0.2等。

例：ANL P1，AORL P2，#55H

讀鎖存器指令一般用于將I/O內(nèi)容讀出來進行修改，然后再送回該I/O口。所以，有時將讀鎖存器指令稱為：讀—修改—寫指令。讀鎖存器指令——當某一I/O口或I/O口的某一位為目的操作數(shù)時，所執(zhí)行的指令為讀鎖存器指令。

2.6復(fù)位電路與WDT技術(shù)2．6．1復(fù)位后各SFR的狀態(tài)

復(fù)位的意義在于使單片機內(nèi)SFR處于一個確定的狀態(tài)，尤其重要的是要使PC=0000，使程序從頭運行。2．6．2常用上電復(fù)位電路

硬件復(fù)位電路的要求：上電時，在RST引腳產(chǎn)生一個寬度大于兩個機器周期的高電平。

上圖中，R=8.2K、C=10Uf。能保證可靠上電復(fù)位。

關(guān)于其他復(fù)位電路的討論：P22。2.6.3WDT技術(shù)

1．“死機”的概念

程序處于死循環(huán)。

2．WDT的功能

3．WDT的原理

及時發(fā)現(xiàn)“死機”，通過強制復(fù)位，使PC=0，程序從頭運行。4.成品WDT介紹

對WDT復(fù)位操作后，每隔固定的時間間隔（該間隔可預(yù)先選定）產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖。該脈沖接至單片機的復(fù)位引腳。單片機正常運行時，以小于WDT時間間隔的周期對WDT進行復(fù)位操作，則WDT不能產(chǎn)生復(fù)位脈沖。當系統(tǒng)“死機”時，無法周期地對WDT進行復(fù)位操作，WDT經(jīng)過一個時間間隔后產(chǎn)生復(fù)位脈沖，使單片機強制復(fù)位，退出“死機”。

典型WDT——X5045簡介：TIMEINTERVAL：1.4S、600ms、200ms，三檔。編程選定。四項功能：上電復(fù)位、WDT、電壓監(jiān)控、EEPROM（512B）。

5．WDT技術(shù)需要很好的軟件配合

防止局部“死機”技術(shù)；防止系統(tǒng)外特性受“死機”影響技術(shù)；軟件任務(wù)分步記錄，“死機”后接續(xù)運行技術(shù)。

WDT技術(shù)是硬件技術(shù)與軟件技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)。2．7時鐘電路

典型時鐘電路：

CX1、CX2為起振電容，一般為30PF。

其他時鐘電路的討論，P23。