單片機基礎(chǔ)知識及其基本原理

課程目標掌握：單片微型機的基本工作原理匯編語言程序設(shè)計方法單片微型計算機應(yīng)用單片微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法單片機基礎(chǔ)知識及其基本原理wyx

本講重點：

微處理器、微機和單片機的基本概念、單片機的發(fā)展、常用系列簡介、應(yīng)用。

講授內(nèi)容：本章主要介紹單片機的結(jié)構(gòu)特點、單片機的發(fā)展及常用系列和單片機的應(yīng)用領(lǐng)域等。重點介紹單片機的特點以及在各領(lǐng)域中的應(yīng)用。wyx回

顧：有關(guān)微型計算機的基礎(chǔ)知識

硬件：微處理器，存儲器，總線，I/O接口軟件：系統(tǒng)軟件，應(yīng)用軟件wyx第一節(jié)單片機的特點與發(fā)展概述

一、微處理器、微機和單片機的概念微處理器（Microprocessor）——微型計算機的控制和運算器部分；微型計算機（Microcomputer）——有完整運算及控制功能的計算機，包括微處理器、存儲器、輸入/輸出(I/O)接口電路以及輸入/輸出設(shè)備等；

單片機(singlechipmicrocomputer)——直譯為單片微型計算機，它將CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器、輸入/輸出(I/O)接口電路、中斷、串行通信接口等主要計算機部件集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，組成單片微型計算機簡稱單片機。

單片機的形態(tài)只是一塊芯片，但是它已具有了微型計算機的組成結(jié)構(gòu)和功能。由于單片機的結(jié)構(gòu)特點，在實際應(yīng)用中常常將它完全融入應(yīng)用系統(tǒng)之中，故而也有將單片機稱為嵌入式微控制器(embeddedmicrocon-troller)。

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單片機有2種基本結(jié)構(gòu)形式：一種是在通用微型計算機中廣泛采用的將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合用一個存儲空間的結(jié)構(gòu)，稱為普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)或稱馮·諾依曼結(jié)構(gòu)；另一種是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，分別尋址的結(jié)構(gòu)，稱為哈佛(Har-vard)結(jié)構(gòu)。Intel公司的MCS-51和80C51系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)。目前的單片機以采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開的結(jié)構(gòu)較多。

單片機的中央處理器(CPU)和通用微處理器基本相同，只是增設(shè)了“面向控制”的處理功能。例如：位處理、查表、多種跳轉(zhuǎn)、乘除法運算、狀態(tài)檢測、中斷處理功能等，增強了控制的實用性和靈活性。二、

單片機的一般結(jié)構(gòu)及特點1）存儲結(jié)構(gòu)為哈佛結(jié)構(gòu)，將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開；單片機結(jié)構(gòu)特點小結(jié)：4）面向控制，位處理功能強。3）芯片引腳具有復(fù)用功能；2）片內(nèi)接口電路豐富，由特殊功能寄存器管理；wyxwyx三、單片機的發(fā)展過程概述

單片機作為嵌入式微控制器在工業(yè)測控系統(tǒng)、智能儀器和家用電器中得到廣泛應(yīng)用。雖然單片機的品種很多，但其中最具有代表性的是Intel公司的MCS-51系列單片機,以及其與之兼容的派生系列芯片。Intel8位單片機的發(fā)展經(jīng)歷了以下3代：

第一代：以1976年推出的MCS-48系列為代表。第二代：以MCS-51的8051為代表的單片機，第三代：以80C51系列為代表。一般根據(jù)控制應(yīng)用需要:

又可設(shè)計成通用單片機、專用單片機按內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的寬度:

單片機分為4位、8位、16位及32位等。wyx第二節(jié)常用單片機系列簡介

一、ATMEL單片機

ATMEL公司所生產(chǎn)的ATMEL89系列單片機（簡稱89系列單片機），就是基于Intel公司的MCS-5l系列而研制的，該公司的技術(shù)優(yōu)勢在于Flash存儲器技術(shù)。標準型單片機有：AT89C51，AT89LV51，AT89C52，AT89LV52；低檔型單片機有：AT89C1051和AT89C2051兩種型號。它們的CPU內(nèi)核和AT89C51是相同的，但并行I/O較少；高檔型單片機有：AT89S8252，這是一種可下載的Flash單片機。它和IBM微機通信進行下載程序十分方便。

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二、Philips單片機

Philips公司的的單片機都屬于MCS-51系列兼容的單片機。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看可以劃分為兩大類，8位機與80C51兼容系列和16位機XA系列。Philips公司的的單片機8位機的主要產(chǎn)品型號有P80CXX、P87CXX和P89CXX系列，16位機的主要產(chǎn)品型號有PXACXX、PXAGXX和PXASXX等。三、Maxim-Dallas單片機四、WinBond單片機五、Motorola單片機六、其他公司的單片機

1）NEC單片機；

2）東芝單片機；

3）Epson單片機；

4)PIC單片機——Microchip公司wyx第三節(jié)單片機的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展

一、單片機在智能儀器中的應(yīng)用智能化儀器內(nèi)部基本上都是用單片機進行信息控制與處理。特別是近年來出現(xiàn)的數(shù)字信號處理器DSP是一種速度極高的單片機，它在通信和高速信息處理中起了極大的作用，從而擴展了單片機在智能儀器中的應(yīng)用。二、單片機在過程控制中的應(yīng)用wyx三、單片機與e-Home

在家用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)HNS(homenetworkedsystem)中，對家用電器提出了“個性化”和“社會化”的要求。家用電器的嵌入式結(jié)構(gòu)有單核嵌入和雙核嵌入2種。例如：一般電腦電飯煲，內(nèi)部只有一個單片機，這種控制系統(tǒng)是單核嵌入；對于分體式空調(diào)，室內(nèi)機與室外機中分別有1個單片機，為雙核嵌入結(jié)構(gòu)。

四、單片機與InternetInternet技術(shù)已經(jīng)深入到日常生活和工作中。各類家用電器和智能裝置，它們的“心臟”多是單片機，由于單片機芯片品種達數(shù)百種，其硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)各不相同，不能像PC機那樣通過標準的硬件接口和接口軟件直接接入Internet網(wǎng)絡(luò)。

五、單片機的發(fā)展

1）強化指令功能2）增加各種接口部件3）提高專用程度wyx補充內(nèi)容：計算機系統(tǒng)中的數(shù)制、碼制復(fù)習2、帶符號數(shù)的表示法3、原碼、反碼、補碼特點：⑴8位二進制數(shù)表示原碼、反碼、補碼的范圍

(-127~+127、-127~+127、-128~+127)⑵補碼的運算

在微型計算機中，帶符號數(shù)用補碼表示，減法可用補碼相加來實現(xiàn)，運算結(jié)果為補碼。1、數(shù)制及其互換

數(shù)制基數(shù)字符二進制２０１（B）十進制１００１２３４５６７８９（D）十六進制１６０１２３４５６７８9ＡＢＣＤＥＦ（H）wyxMCS-51單片機的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理主要內(nèi)容：

1.MCS-51單片機組成（結(jié)構(gòu)、引腳功能）

2.并行I/O端口結(jié)構(gòu)

3.儲器組織與操作

4.MCS-51單片機的中斷系統(tǒng)

1）中斷系統(tǒng)概述

2）中斷的處理過程重點理解：1.MCS-51系列單片機存儲器結(jié)構(gòu)特點2.單片機特殊功能寄存器的作用3.不同場合下單片機引腳的復(fù)用功能4

.單片機的位處理功能及其作用wyx一、MCS—51單片微機的硬件組成

1、MCS—51系列單片機的主要特性

1)

8位字長CPU和指令系統(tǒng)。

2)1個片內(nèi)時鐘振蕩器和時鐘電路。

3)64K外部數(shù)據(jù)存儲器的地址空間。

4)64K外部程序存儲器的地址空間。

5)32條雙向且分別可位尋址的I／O口線。

6)128字節(jié)的片內(nèi)RAM(52子系列為256字節(jié))。

7)2個16位定時器／計數(shù)器(52子系列為3個)。

8)具有2個優(yōu)先級的5個中斷源結(jié)構(gòu)(52子系列有6個)。

9)1個全雙工串行口。

10)1個布爾處理器。

第一節(jié)MCS-51單片機的基本組成

wyx2.MCS—51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

時鐘源T0T1P0

P1

P2

P3TXDRXDINT0INT1時鐘電路SFR和RAMROM定時/計數(shù)器CPU串行I/O口中斷系統(tǒng)并行I/O口系統(tǒng)總線圖2—1MCS—51單片機的功能模塊框圖MCS—51單片機的功能模塊框圖如圖所示。MCS-51單片機由8位CPU、只讀存儲器EPROM／ROM、讀寫存儲器RAM、并行I／O口、串行I／O口、定時器／計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器和時鐘電路等部分組成。各部分之間通過內(nèi)部總線相連。wyxMCS—51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖wyx二、MCS—51單片機的引腳功能

40腳分三類：1、電源線和時鐘信號線共4根

VCC，GND——電源和地+5V電源供電，

X1——時鐘振蕩器輸入端，內(nèi)部振蕩器輸入端；

X2——時鐘振蕩器輸出端，內(nèi)部振蕩器輸出端；2、控制線4根RST——復(fù)位信號，晶振工作后2個機器周期的高電平復(fù)位CPU.

ALE——地址鎖存信號訪問外部存儲器時該信號鎖存低8位地址；無RAM時，ALE為晶振6分頻；PSEN——外部程序存儲器讀從程序存儲器中取指令或讀取數(shù)據(jù)時，該信號有效。EA——程序存儲器有效地址，EA=1從內(nèi)部開始執(zhí)行程序；EA=0從外部開始執(zhí)行程序；3、I/O口線32根----MCS-51系列單片機P0、P1、P2、P3共32位，對應(yīng)著芯片的32根引腳。wyx三、振蕩器、時鐘電路及時序

1.時鐘電路

MCS—5l單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是反相放大器的輸入端和輸出端，由這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個自激振蕩器，如圖2—4所示。這種方式形成的時鐘信號稱為內(nèi)部時鐘方式。圖2—5所示，為外部時鐘方式。

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2.有關(guān)單片機CPU的時序1）振蕩周期

——

指為單片機提供定時信號的振蕩源的周期，若為內(nèi)部產(chǎn)生方式時，為石英晶體的振蕩周期。2）時鐘周期

——也稱為狀態(tài)周期，用S表示。時鐘周期是計算機中最基本的時間單位，在一個時鐘周期內(nèi)，CPU完成一個最基本的動作。MCS—51單片機中一個時鐘周期為振蕩周期的2倍。3）機器周期

——完成一個基本操作（例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫等）所需要的時間稱為機器周期。MCS—51的一個機器周期含有6個時鐘周期。4）指令周期

——完成一條指令所需要的時間稱為指令周期。MCS—5l的指令周期含1～4個機器周期不等，其中多數(shù)為單周期指令，還有2周期和4周期指令。4周期指令只有乘、除兩條指令。wyxP1P2S1振蕩周期時鐘周期機器周期機器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2MCS-51單片機各種周期的相互關(guān)系

第二節(jié)并行I/O接口

MCS－5l單片機內(nèi)有四個8位并行I／O端口，為P0、P1、P2和P3。每個端口都是8位準雙向I／O口，共占32根引腳。每個端口都包含一個鎖存器、一個輸出驅(qū)動器和一個輸入緩沖器。

一、并行I/O接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

I／O口的每位鎖存器均由D觸發(fā)器組成，用來鎖存輸出的信息。在CPU的“寫鎖存器”信號驅(qū)動下，將內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)寫入鎖存器中。

P0口某位的結(jié)構(gòu)圖

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當由P0口輸入數(shù)據(jù)時，由于外部輸入信號既加在緩沖輸入端上，又加在驅(qū)動電路的漏極上。如果這時T2是導通的，則引腳上的電位始終被鉗位在0電平上，輸人數(shù)據(jù)不可能正確地讀人。因此，在輸入數(shù)據(jù)時，應(yīng)先把P0口置1，使兩個輸出FET均關(guān)斷，使引腳“浮置”，成為高阻狀態(tài)，這樣才能正確地插人數(shù)據(jù)。這就是所謂的準雙向口。

P1口也是—個準雙向I／O口，與P0口不同的是，沒有多路開關(guān)MUX和控制電路部分。輸出驅(qū)動電路只有一個FET場效應(yīng)管，同時內(nèi)部帶上拉電阻，此電阻與電源相連。P1口可作通用雙向I／O口用，而不必再外接上拉電阻。

P2口在結(jié)構(gòu)上比P0口少了一個輸出轉(zhuǎn)換控制部分，多路開關(guān)MUX的倒向由CPU命令控制，且P2口內(nèi)部接有固定的上拉電阻。

P3口與Pl口的輸出驅(qū)動部分及內(nèi)部上拉電阻相同，但比P1口多了一個第二功能控制部分的邏輯電路〔由一個與非門和一個輸入緩沖器組成〕wyxP3.0(RXD)：串行輸入端。P3.1(TXD)：串行輸出端。P3.2(INTO)：外部中斷0輸入端，低電平有效。P3.3(INT1)：外部中斷1輸入端，低電平有效。P3.4(T0)：定時／計數(shù)器0外部事件計數(shù)輸入端。P3.5(T1)：定時／計數(shù)器1外部事件計數(shù)輸入端。P3.6(WR)：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號，低電平有效。P3.7(RD)：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號，低電平有效。

P3口每位的第二功能：wyxP0～P3的功能及使用時的注意事項

1.在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，這四個端口的每一位都可以作為準雙向通用I／O端口使用。在具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，P2口作為高8位地址線，P0口作為雙向總線，分時作為低8位地址和數(shù)據(jù)的輸入／輸出線。

2.P0口作為通用雙向I／O口用時，必須外接上拉電阻。

3.P3口除了作通用I／O使用外，它的各位還具有第二功能。當P3口某一位用于第二功能作輸出時，則不能再作通用I／O使用。

4.當P0～P4端口用作輸入時，為了避免誤讀，都必須先向?qū)?yīng)的輸出鎖存器寫入“l(fā)”，使FET截止。然后再讀端口引腳。

如：MOVP1,#0FFHMOVA,P1wyx單片機的片外三總線結(jié)構(gòu)wyx

第三節(jié)MCS-51單片機的復(fù)位

MCS—5l的RST／VPD引腳是復(fù)位輸入端，其內(nèi)的施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的S5P2由復(fù)位電路采樣一次。在振蕩器運行時，RST端至少要保持2個機器周期(24個振蕩周期)為高電平，才完成一次復(fù)位。復(fù)位后片內(nèi)各專用寄存器的狀態(tài)如表2—1。寄存器內(nèi)容寄存器內(nèi)容PC00HTMOD00HA00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0～P30FFHSCON00HIP（XXX00000）BSBUF不變IE（0XX00000）BPCON（0XXXXXXX）Bwyx幾種實用的復(fù)位電路

wyxwyx第四節(jié)MCS-51存儲器組織與操作

MCS—51系列單片機其存儲結(jié)構(gòu)特點是：

將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，并有各自的尋址機構(gòu)和尋址方式，這種結(jié)構(gòu)的單片微機稱為哈佛型結(jié)構(gòu)單片微機。在物理上有4個相互獨立的存儲空間：片內(nèi)和片外程序存儲器；片內(nèi)和片外數(shù)據(jù)存儲器。

在邏輯上有三個彼此獨立的地址空間：

1、片內(nèi)外統(tǒng)一編地址的64KB程序存儲器地址間；

2、256字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間；

3、64KB片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間外部ROM內(nèi)部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口)0000H0FFFFH程序存儲器（c）特殊功能寄存器區(qū)00H

30H2FH

0FFH工作寄存器區(qū)位尋址區(qū)20H1FH80H7FH0000H0FFFH內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（a）外部數(shù)據(jù)存儲器（b）一般RAM區(qū)

MCS—5l系列存儲器地址空間分配圖

wyx一、MCS—51程序存儲器地址空間

7個特殊單元：

0000H復(fù)位后,PC=0000H.開始執(zhí)行程序

0003H外部中斷0（INT0）入口

000BH定時器0中斷（TF0）入口

0013H外部中斷1（INT1）入口

001BH定時器1中斷（TF1）入口

0023H串行口中斷TI/RI入口

002BH定時計數(shù)器2溢出或T2EX輸入負跳變（52系列）

程序存儲器用于存放調(diào)試好的應(yīng)用程序和表格常數(shù)。MCS—5l采用16位的程序計數(shù)器PC和l6位的地址總線，64KB片內(nèi)、外的程序存儲器空間連續(xù)、統(tǒng)一。wyx二、MCS—51數(shù)據(jù)存儲器地址空間

數(shù)據(jù)存儲器地址空間由內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器空間組成。內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器空間存在重疊。通過不同指令來區(qū)別

內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送指令：MOV外部數(shù)據(jù)傳送指令：MOVX1、工作寄存器區(qū)（００Ｈ～１ＦＨ）分成4組，每組8個寄存器R0-R72、位尋址區(qū)（20H～2FH）既可進行字節(jié)尋址，又可進行位尋址。這16個單元共有16×8＝128位,對應(yīng)位地址00H-7FH。3、通用存儲區(qū)（30H～7FH）4、外部數(shù)據(jù)存儲器0000H-FFFFH范圍為64K字節(jié)，采用R0、R1或DPTR寄存器間址方式訪問。

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器在物理上又可分成三部分：低128字節(jié)RAM、高128字節(jié)RAM(僅8032／0852才有)和專用寄存器(SFR)。

低128字節(jié)RAM由工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和通用RAM區(qū)組成。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器地址空間8032／0852的高128字節(jié)RAM和專用寄存器(SFR)空間重合，通過不同尋址方式區(qū)別wyx三、特殊功能寄存器地址空間

共有26個專用寄存器SFR，離散地分布在片內(nèi)RAM的高128字節(jié)地址80H～0FFH中。程序計數(shù)器PC不占據(jù)RAM單元，在除PC外的專用寄存器SFR中，有12個專用寄存器既可字節(jié)尋址，又可位尋址（字節(jié)地址為8的整倍數(shù)）。標識符名稱字節(jié)地址*Acc累加器E0H*BB寄存器F0H*PSW程序狀態(tài)字D0HSP堆棧指針81HDPTR數(shù)據(jù)指針(DPH和DPL)82H,83H*P0口080H*P1口190H*P2口2A0H*P3口3B0H*IP中斷優(yōu)先級寄存器B8H*IE中斷控制寄存器A8HTMOD定時器方式寄存器89H*TCON定時器控制寄存器88H標識符名稱字節(jié)地址TH0計數(shù)器0高位8CHTL0計數(shù)器0低位8AHTH1計數(shù)器1高位8DHTL1計數(shù)器1低位8BH*SCON串行口控制98HSBUF串行數(shù)據(jù)緩沖器99HPCON電源控制97H位地址的表示法例：位名稱CY、RS0

寄存器名加序號PSW.7ACC.1

字節(jié)地址加序號20H.3

直接位地址 00Hwyx1.累加器ACC—累加器A在大部分的算術(shù)運算中存放某個操作數(shù)和運算結(jié)果。2.寄存器B—寄存器B主要用于與累加器A配合執(zhí)行乘法和除法指令的操作。3.程序狀態(tài)字