第1章 單片機的基本原理

單片機原理及應(yīng)用計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李長青2教學(xué)目的了解計算機的兩大分類了解單片機的發(fā)展及分類了解MCS-51系列單片機的常用機型了解單片機的不同封裝理解AT89C52單片機的原理結(jié)構(gòu)理解特殊功能寄存器的含義和作用主要教學(xué)參考書：李泉溪等編著的單片機原理及應(yīng)用，謝維成等編著的單片機原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計本次教學(xué)課堂32學(xué)時，實驗16學(xué)時第1章單片機的基本原理3本章內(nèi)容單片機的發(fā)展與應(yīng)用單片機的分類AT89系列單片機的基本特性AT89C52單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89C52單片機的時鐘與復(fù)位電路AT89C52單片機的低功耗工作方式4

引言單片機全稱為單片微型計算機（Single-ChipMicrocomputer），在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器(C/T)和多種I/O。從某種意義上講一塊芯片就是一臺計算機。俗話說：麻雀雖小，五臟俱全。單片機具有體積小、功能強、價格便宜等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品智能化和工業(yè)自動化上。5單片機存在于：計算機鍵盤（8049）、硬盤控制器、網(wǎng)卡（i960）飯卡讀卡器VCD機、洗衣機、電飯煲、微波爐——家用電器商務(wù)通、好譯通、文曲星、PDA手機——手持設(shè)備存儲示波器、溫控儀、電子秤——智能儀器儀表心電監(jiān)護儀（Holter）等醫(yī)療儀器智能玩具、游戲機、電子寵物高級汽車、飛機、火車及黑匣子智能大廈——電表水表煤氣POS、ATM、出租車計價器6三金工程：金卡（IC卡）、金稅（稅務(wù)）、金橋（即指網(wǎng)絡(luò)）。計算機的應(yīng)用：1、非嵌入式應(yīng)用：通用微機；2、嵌入式應(yīng)用：微控制器（即單片機）、微處理器、DSP（數(shù)字信號處理器）信息家電(IA，InformationAppliance)：機頂盒嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）：一種以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴格的專用計算機系統(tǒng)。

最活躍方向：嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)7單片機應(yīng)用特點：1、小巧、靈活、成本低、易于產(chǎn)品化2、面向控制3、抗干擾能力強4、方便實現(xiàn)多機和分布式控制8單片機現(xiàn)狀：微機產(chǎn)量80%1、4位機NEC公司μPD75XX系列和NS公司COP400INTEL40402、8位機INTELMCS-51系列（PHILIPS,ATMEL,WINBOND）MOTOROLA68HCHMICROCHIPPIC16XXZILOGZ8NEC公司μPD78XX93、16位機INTELMCS-96系列NSHPC16040NEC783XXPHILIPSXA系列4、32位機INTEL386EX，StrongARM，xScaleMOTOROLA68KMX110單片機的編程規(guī)范化網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展實時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS（Real-TimeOperatingSystem）：VxWorks，PSOS，QNX，WindowsCE現(xiàn)場總線技術(shù)FieldBus：LonWorksLocalNetworkCANBusControlAreaNetwork11單片機的概念在一塊硅片上集成了中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數(shù)器和多種I/O接口電路的微型計算機即為單片機（microcontroller）

因為它是為了實時控制應(yīng)用而設(shè)計制造，所以又稱為微控制器。一般統(tǒng)稱為微型處理部件MCU（MicroControllerUnit）1213單片機與微型機的區(qū)別微型機由CPU、存儲器、I/O接口及中斷系統(tǒng)組成，各部分通過總線連接單片機將CPU、存儲器、I/O接口（并、串）和A/D集成在一塊芯片上，各部分用內(nèi)部總線連接通用計算機的缺點（*）：1）系統(tǒng)的軟硬件的應(yīng)用/配置比比較低。2）相對來講可靠性差。3）價格高。4）體積較大14單片機的特點1）片內(nèi)存儲容量小2）集成度高3）高可靠性單片機按工業(yè)級制造，可靠性>商用品，價格<軍用品高可靠性原因（*）4）易擴展5）控制功能強156）性能價格比高7）低功耗8）保密性好1.1單片機的發(fā)展與應(yīng)用單片機的發(fā)展歷史單片機的應(yīng)用17單片機的發(fā)展歷史單片機概念由美國仙童（Fairchild）提出。第一階段1974-1976

特點：初級階段，還需要外接ROM、定時/計數(shù)器、I/O口等，還沒有形成真正意義上的單片機

第二階段1976-1980特點：初步走向成熟，代表產(chǎn)品為美國Intel公司生產(chǎn)的8048

第三階段1980-1983特點：已成熟，代表產(chǎn)品為美國Intel公司生產(chǎn)的8051第四階段1983-今

特點：百花齊放階段，上千種型號1.1單片機的發(fā)展與應(yīng)用

18單片機的應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域：各種測控系統(tǒng)、數(shù)字采集系統(tǒng)、工業(yè)機器人、機電一體化產(chǎn)品、光機電一體化產(chǎn)品等等。通信領(lǐng)域：調(diào)制解調(diào)器（MODEM）、程控交換技術(shù)、手機等等。軍事領(lǐng)域：導(dǎo)彈控制、魚雷制導(dǎo)、各種雷達系統(tǒng)、智能武器裝備、航天飛機導(dǎo)航系統(tǒng)等等。醫(yī)療器械領(lǐng)域：智能血壓計、B超儀、彩超儀、普通CT儀、核磁共振儀、心電圖儀、腦電圖儀等等。家用電器領(lǐng)域：冰箱、彩電、洗衣機、縫紉機、微波爐、空調(diào)機、摩托車、小汽車等等。1.1單片機的發(fā)展與應(yīng)用

1.2單片機的分類通用/專用運行位使用域20通用/專用、運行位通用/專用通用單片機專用單片機運行位8位單片機16位單片機32位單片機1.2單片機的分類21使用域使用域家電類單片機工控類單片機通信類單片機軍工類單片機1.2單片機的分類1.3AT89系列單片機的基本特性標準型AT89系列單片機的基本特征高檔型AT89系列單片機的基本特性低檔型AT89系列單片機的基本特征AT89系列單片機型號的編碼說明及封裝形式部分ATMEL單片機的升級替代及推薦產(chǎn)品23標準型AT89系列單片機的基本特征標準型AT89系列單片機：AT89C51、AT89C52、AT89S51、AT89S52基本特征：1、8051的內(nèi)核2、片內(nèi)有裝程序的閃存，裝數(shù)據(jù)的RAM3、提供豐富的I/O口：32條I/O連接線4、提供定時器、計數(shù)器、外中斷、串行通信等資源5、工作電源的電壓為（5±0.2）V；6、振蕩器最高頻率為24MHz1.3AT89系列單片機的基本特性24高檔型AT89系列單片機的基本特性高檔型AT89系列單片機：AT89C51RC、AT89S8252、AT89S53、AT89C55WD等基本特征：標準型AT89＋資源升級上述資源升級有：芯片內(nèi)Flash程序存儲器增加到：32KB；芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器增加到：512B；數(shù)據(jù)指針增加到：2個1.3AT89系列單片機的基本特性25低檔型AT89系列單片機的基本特性低檔型AT89系列單片機：AT89C1051、AT89C2051、AT89C1051U等基本特征：比標準型AT89資源少，比標準型AT89體積小1.3AT89系列單片機的基本特性26AT89系列單片機型號的編碼說明及封裝形式單片機的常見封裝形式：1、PDIP（PlasticDualInlinePackage）——塑封雙列直插式封裝2、PQFP（PlasticQuadFlatPackage）——塑封方形貼片式封裝1.3AT89系列單片機的基本特性27AT89系列單片機型號的編碼說明及封裝形式單片機的常見封裝形式：3、TQFP（ThinPlasticGullWingQuadFlatPack）——塑封超薄封裝形式方形貼片式封裝4、PLCC（PlasticJ-LeadedChipCarrie）——塑封方形引腳插入式封裝1.3AT89系列單片機的基本特性28部分ATMEL單片機的升級替代及推薦產(chǎn)品注：①不推薦在新的產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用，可用替代產(chǎn)品。②新產(chǎn)品設(shè)計中建議采用推薦產(chǎn)品。

1.3AT89系列單片機的基本特性1.4AT89C52單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89C52單片機的CPUAT89C52單片機的存儲器AT89C52單片機的I/O接口部分和特殊功能部分301.4.1AT89C52單片機的CPU1.4AT89C52單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)31單片機引腳圖32AT89C52單片機的引腳說明1.輸入/輸出引腳(1)P0口（39~32引腳）P0.0~P0.7總稱為P0口。分時復(fù)用口，為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。也可作為準雙向輸入/輸出接口(2)P1口（1~8引腳）P1.0~P1.7總稱為P1口?？勺鳛闇孰p向輸入/輸出接口，對于52子系列，P1.0與P1.1有復(fù)用功能：P1.0可用作定時器/計數(shù)器2的計數(shù)脈沖輸入端T2，P1.1可用作定時器/計數(shù)器2的外部控制端T2EX。(3)P2口（21~28引腳）P2.0~P2.7總稱為P2口。為高8位地址總線。也可作為準雙向輸入/輸出接口使用33AT89C52單片機的引腳說明(4)P3口（10~17引腳）P3.0~P3.7總稱為P3口?？勺鳛闇孰p向輸入/輸出接口外，每位還有特殊功能(見教材42頁表2.5）2.控制線(1)ALE/PROG(30引腳)：地址鎖存信號輸出端，在編程期間，作為編程脈沖輸入端(2)/PSEN(29引腳)：片外程序存儲器讀選通信號，輸出，低電平有效(3)RST/VPD(9引腳)(4)/EA/VPP(31引腳)3.電源引腳：VCC(31引腳):接+5V電源；VSS(20引腳):接電源地4.外接晶體引腳XTAL1、XTAL2(19、18引腳)34AT89C52單片機的引腳說明片外總線結(jié)構(gòu)1.地址總線

地址總線寬度16位，P0、P2口構(gòu)成2.數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線寬度8位，P0口構(gòu)成3.控制總線控制總線由第二功能狀態(tài)下的P3口和4條獨立的控制線RST、EA、ALE、PSEN組成35AT89C52單片機的CPU由運算器和控制器組成1、運算器ALU功能：算術(shù)運算：加、減、乘、除邏輯運算：與、或、異或位操作（布爾）：與、或、取反由加法器和其他邏輯電路組成，兩個操作數(shù)分別通過暫存器1和暫存器2輸入，運算結(jié)果的狀態(tài)送程序狀態(tài)字PSW，該字的內(nèi)容反映了運算的情況，通常根據(jù)該字的某位情況，決定程序執(zhí)行的流程轉(zhuǎn)向36CY(PSW.7)：進位或借位標志，依據(jù)運算結(jié)果自動設(shè)置AC(PSW.6)：輔助進位或借位標志，反映低4位在進行加/減運算時有無向高4位進位或借位，依據(jù)運算結(jié)果自動設(shè)置.F0(PSW.5)：用戶標志位，用戶編程設(shè)置。RS1、RS0(PSW.4、PSW.3)：寄存器組選擇位，可編程選擇，選擇范圍有4個寄存器組，共32位。（R0~R7)OV(PSW.2):溢出標志位，依據(jù)有符號數(shù)運算結(jié)果自動設(shè)置P(PSW.0):偶標志位，依據(jù)運算結(jié)果自動設(shè)置，運算結(jié)果,1的個數(shù)為偶數(shù)則P=0，1的個數(shù)為奇數(shù)則P=1。（舉例說明）PSW.1：未定義，可供用戶定義使用37例：分析執(zhí)行下面指令后，PSW各位情況MOVA,#67H;67H=01100111BADDA,#58H;58H=01011000B01100111+0101100010111111=0BFH運算后PSW：CY=0，AC=0，OV=1，P=1382、控制器控制部件包括：定時器和控制邏輯、指令寄存器、指令譯碼器、地址數(shù)據(jù)指針DPTR、程序計數(shù)器PC，堆棧指針SP等單片機工作過程；以時鐘振蕩信號為基準產(chǎn)生CPU工作的時序信號，先從程序存儲器ROM中取指令到指令寄存器，而后在指令譯碼器中進行譯碼，產(chǎn)生執(zhí)行指令所需的各種控制信號，送到單片機的各功能部件，協(xié)調(diào)各功能部件之間完成賦予的工作。391）程序計數(shù)器（PC）16位，存放即將執(zhí)行的指令地址。功能：CPU工作時可根據(jù)PC內(nèi)容去程序存儲器中到對應(yīng)的地址取指令代碼?？身樞蜻f增或被賦予新的值2）指令寄存器IR：3）指令譯碼器ID：4）數(shù)據(jù)指針DPTR：16位地址寄存器5）定時與控制部件：產(chǎn)生CPU所需的機器時鐘

406）時序（*）概念：一條指令譯碼產(chǎn)生的一系列微操作信號在時間上有嚴格的先后次序，這種次序就是計算機的時序。a、振蕩周期：1/fOSCb、時鐘周期：2/fOSCc、機器周期：12/fOSC=Td、指令周期：1~4T（*）411.4.2AT89C52單片機的存儲器存儲器特點：程序存儲器分開哈佛型數(shù)據(jù)存儲器合并普林斯頓型42AT89C52單片機的存儲器結(jié)構(gòu)1.4AT89C52單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存儲器空間結(jié)構(gòu)分布圖431.4.2.1程序存儲器最大64K，放程序和始終要保留的常數(shù)1、程序存儲器分布1）內(nèi)部（芯片本身自帶）：8K2）外部（擴展）：64K0000H~1FFFH8K2000H~FFFFH56K3）用PC作為地址指針，通過16位地址總線444）8031芯片本身無內(nèi)部程序存儲器，8051有4KROM，8751有4KEPROM作為程序存儲器，AT89C52有8KFlash5）內(nèi)外部的低8K空間地址重疊，不能同時使用/EA=1：內(nèi)部/EA=0：外部使用AT89C52時，/EA=1，即要接高電平（+5V），當(dāng)PC超過8KB，自動轉(zhuǎn)2000H~FFFFH（片外）

8031芯片無內(nèi)部程序存儲器，其/EA應(yīng)接地（*）45程序存儲器程序存儲器使用時注意的問題（見教材34頁）1）注意/EA是否接地2）編程時用戶主程序應(yīng)放在0030H后（之前存放中斷源）例：ORG0000HLJMPminORG0030Hmin：NOPNOPLJMPmin461.4.2.2數(shù)據(jù)存儲器1.4AT89C52單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.16片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)

47數(shù)據(jù)存儲器（可讀寫）放程序運行中所需的常數(shù)或變量1、外部64K（movx）：0000H~FFFFH2、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器分為物理上獨立且性質(zhì)不同的幾個區(qū)（256B，mov）48數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)部分2塊：00~7FH：128B，RAM區(qū)80H~FFH：128B，特殊功能寄存器區(qū)（SFR區(qū)）49數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部RAM（低128B）分為：通用寄存器區(qū)：4組（R0~R7）可位尋址區(qū)：20H~2FH（16個）用戶RAM50

片內(nèi)RAM區(qū)結(jié)構(gòu)51

1.通用寄存器(R0~R7)區(qū)4個組0區(qū)00H~07H1區(qū)08H~0FH2區(qū)10H~17H3區(qū)18H~1FH由PSW中的RS1,RS0來決定用哪個工作區(qū)(00,01,10,11)設(shè)置4個工作寄存器區(qū)的原因520區(qū)1區(qū)2區(qū)3區(qū)地址R地址R地址R地址R00HR008HR010HR018HR001HR109HR111HR119HR102HR20AHR212HR21AHR203HR30BHR313HR31BHR304HR40CHR414HR41CHR405HR50DHR515HR51DHR506HR60EHR616H