《單片機原理與應(yīng)用》課件第1章

項目一初識單片機

1.1項目基本技能

1.2項目基本知識1.3技能拓展1.4互動環(huán)節(jié)1.5習(xí)題1.1項目基本技能任務(wù)1初識單片機1．認(rèn)識單片機單片機實際上就是一臺沒有電源的主機，它將CPU、主板、內(nèi)存、硬盤等集成到一個很小的芯片之中，通常稱它為單片微型計算機，簡稱為單片機。單片機就是一塊集成芯片，但這塊芯片能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的功能，而這些功能要依靠編程來靈活實現(xiàn)。單片機的用處很多，種類也很多，世界上很多公司都在做單片機，但型號都不相同，功能也不盡相同。有些單片機功能單一，專門用來實現(xiàn)某一功能，如遙控器使用的單片機；而有些單片機可以通過編寫不同的程序來實現(xiàn)不同的功能，如常見的AVR單片機、PIC單片機、MSP430系列單片機和MCS-51系列單片機。

MCS-51系列單片機是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，距今已有幾十年的歷史。相對于ARM等32位的高性能微處理器，MCS-51系列單片機只是8位的微處理器，因其豐富的技術(shù)資源、很低的學(xué)習(xí)門檻和很高的性價比仍有著廣泛的應(yīng)用前景。

MCS-51系列單片機是指由美國Intel公司生產(chǎn)的一系列單片機的總稱，現(xiàn)在一般指51內(nèi)核單片機的總稱，簡稱51單片機。全世界有很多公司生產(chǎn)51內(nèi)核單片機，盡管功能強弱不同，都稱為51派生產(chǎn)品，本書介紹的單片機就是以MCS-51為內(nèi)核的單片機。下面簡要介紹幾種51單片機的主流產(chǎn)品。

1)?Intel公司80系列單片機

51單片機的創(chuàng)始者Intel公司生產(chǎn)的80系列單片機主要包括51和52兩個子系列，其中，51子系列是基本型，52子系列屬增強型。80系列單片機中，帶字母C的為CHMOS工藝，如80C51、80C52；不帶C的為HMOS工藝，如8051、8052。

Intel公司80系列單片機系列芯片的技術(shù)指標(biāo)如表1-1所示。

80系列單片機是51單片機的早期產(chǎn)品，目前市場上已經(jīng)很難見到它們的蹤跡。表1-1Intel公司80系列單片機系列芯片的技術(shù)指標(biāo)

2)?Atmel公司AT89系列單片機

Atmel公司主要推出了AT89C和AT89S兩大系列產(chǎn)品，其中，AT89C系列為早期產(chǎn)品，常用型號及其主要技術(shù)指標(biāo)如表1-2所示；AT89S系列為新型產(chǎn)品，常用型號及其主要技術(shù)指標(biāo)如表1-3所示。表1-2常用AT89C系列單片機的型號及其主要技術(shù)指標(biāo)表1-3常用AT89S系列單片機的型號及其主要技術(shù)指標(biāo)

AT89C系列單片機屬常規(guī)類型，只能用通用編程器進行編輯，不能進行下載編程；AT89S系列單片機是Atmel公司的新型產(chǎn)品，其主要特點是具有ISP功能，也就是說，對AT89S芯片進行編程時，不需要將芯片從目標(biāo)板上取下，只需用一根下載線即可對AT89S單片機進行下載編程。

3)?STC公司STC89系列單片機

STC公司生產(chǎn)的STC89系列單片機是51單片機的派生產(chǎn)品，它在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)51單片機完全兼容。STC89系列單片機具有高速度、低功耗的優(yōu)點，在系統(tǒng)編程(ISP)、應(yīng)用編程(IAP)等方面功能優(yōu)異，大大提高了51單片機的性能，性價比極高。常用的STC89系列單片機型號及其主要技術(shù)指標(biāo)如表1-4所示。表1-4STC89系列單片機型號及其主要技術(shù)指標(biāo)

STC89系列單片機具有ISP/IAP功能，無需專用編程器，也無需將單片機從目標(biāo)板取下，即可通過PC串口對單片機進行編程。

2．51單片機應(yīng)用

51單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇。

1)在智能儀器儀表上的應(yīng)用單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中。它結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，例如精密的測量設(shè)備(功率計、示波器、各種分析儀等)。

2)在工業(yè)控制中的應(yīng)用用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，以及與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。

3)在家用電器中的應(yīng)用現(xiàn)在的家用電器基本上都采用單片機控制，從電飯煲到洗衣機、電冰箱、空調(diào)、彩電、音響視頻器材、電子秤量設(shè)備，無所不在。

4)在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)代單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件。現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機、電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信，再到日常工作中隨處可見的移動電話、集群移動通信、無線電對講機等。

5)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機、各種分析儀、監(jiān)護儀、超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等。

6)在各種大型電路中的模塊化應(yīng)用某些專用單片機用于實現(xiàn)特定功能，以便在各種電路中進行模塊化應(yīng)用。如音樂集成單片機可將音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中(類似于ROM)，由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號(類似于聲卡)。

在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便更換。

7)在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機在汽車電子中的應(yīng)用也非常廣泛，例如汽車發(fā)動機控制器、基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、ABS防抱死系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等。此外，單片機在工商、金融、科研、教育、國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。

任務(wù)2了解單片機開發(fā)系統(tǒng)單片機是指把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。其應(yīng)用系統(tǒng)必須由硬件和軟件兩部分組成，二者相互依賴，缺一不可。硬件是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件在硬件的基礎(chǔ)上，對其資源進行合理調(diào)配和使用，使其按一定順序完成各種時序、運算或動作，從而實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)。單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計人員必須從硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計兩個角度來深入了解單片機，將二者有機結(jié)合起來，才能開發(fā)出具有特定功能的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。

典型的單片機系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境如圖1-1所示，一般先由計算機、通信電纜、仿真器、仿真電纜以及用戶目標(biāo)系統(tǒng)進行仿真調(diào)試，調(diào)試成功之后，通過專用的編程器把程序下載到目標(biāo)系統(tǒng)的CPU，然后再進行脫機調(diào)試。單片機在執(zhí)行程序時人工是無法控制的，為了能調(diào)試程序，檢查硬件及軟件的運行狀態(tài)，需借助單片機仿真器模擬用戶實際的單片機，并且能隨時觀察運行的中間過程，而不改變性能和結(jié)果，從而模擬現(xiàn)場的真實情況；因此需要配備仿真器和專用的編程器，花費比較高。在教學(xué)上，多采用此開發(fā)環(huán)境。圖1-1典型的單片機系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

1．認(rèn)識仿真器、編程器和KeilC51開發(fā)環(huán)境

1)仿真器硬件仿真器是比較專業(yè)的單片機開發(fā)調(diào)試工具，如圖1-2所示，用于開發(fā)調(diào)試單片機程序。比如某程序有100行，代表了10個驅(qū)動硬件的動作，可以將仿真器連接到目標(biāo)板(實驗板)，讓仿真器代替單片機芯片，然后讓編寫的源程序在仿真器內(nèi)部運行，讓這10個動作一個個地執(zhí)行，此時不但能夠看到程序驅(qū)動硬件的直接效果，同時還能在電腦上直接觀察到在執(zhí)行這10個動作的過程中，單片機內(nèi)部的各單元的狀態(tài)，即可以細(xì)致地分析一下整個程序在硬件中的具體工作過程。這樣就可以了解程序中是否有問題存在，能夠幫助開發(fā)人員快速發(fā)現(xiàn)程序的錯誤之處，所以叫做硬件仿真。硬件仿真功能非常強大，能夠極大地提高單片機開發(fā)效率，縮短系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試時間等。圖1-2仿真器

2)編程器編程器也稱燒錄器，實際上是在可編程的集成電路上寫數(shù)據(jù)的工具，如圖1-3所示。編程器主要用于單片機(含嵌入式)/存儲器(含BIOS)之類芯片的編程(或稱刷寫)，在功能上可分專用編程器和通用編程器。專用編程器價格低，適用芯片種類較少，適合于某一種或者某一類專用芯片編程的需要，例如僅適用于51系列單片機的編程器。全功能通用編程器適合多種芯片的編程，但由于設(shè)計麻煩，成本較高，限制了銷量，最終售價極高。圖1-3編程器

3)?KeilC51軟件開發(fā)環(huán)境

KeilC51軟件開發(fā)環(huán)境是目前功能最強、應(yīng)用最廣泛的51單片機集成開發(fā)環(huán)境(IDE)之一，該系統(tǒng)支持C51、ASM及混合編程，適合每個階段的開發(fā)人員，不管是專業(yè)的應(yīng)用工程師，還是剛學(xué)習(xí)嵌入式軟件開發(fā)的學(xué)生。

2．單片機開發(fā)過程單片機的開發(fā)大致有以下幾個步驟。第一步，通過軟件編譯平臺開始編寫試驗程序(源程序)。這就好比寫文章要有筆和紙一樣，最常用的單片機開發(fā)軟件是Keil集成開發(fā)軟件平臺，開發(fā)人員可以在Keil開發(fā)軟件中編寫源程序，比如點亮一個發(fā)光二極管、流水燈控制、驅(qū)動繼電器、數(shù)碼管顯示、DS18B20測溫程序等。源程序既可以用51匯編語言編寫，也可以用C語言編寫，完成源程序編輯后，就可利用Keil將源程序編譯成能夠在單片機內(nèi)部運行的目標(biāo)程序*.HEX(即由0和1構(gòu)成的機器碼)。開發(fā)人員能看懂編寫的*.ASM(或*.C)源程序，但是單片機不能讀懂，單片機只懂由0和1構(gòu)成的機器碼，因此需要把源程序通過Keil編譯器編譯成單片機能運行的*.HEX格式，即單片機目標(biāo)程序文件(機器碼)。

第二步，利用仿真器對源程序進行仿真調(diào)試。仿真的目的是檢查源程序是否有錯誤，看是否能實現(xiàn)預(yù)定的開發(fā)實驗?zāi)繕?biāo)，以幫助快速調(diào)試程序。其實仿真是單片機的一個綜合開發(fā)過程，其中穿插了編輯、編譯、仿真調(diào)試等各項工作，是一個非常重要的過程，使用單片機仿真器，有助于了解單片機的開發(fā)過程。

單片機在體系結(jié)構(gòu)上與PC機是完全相同的，也包括中央處理器，輸入、輸出接口，存儲器等基本單元。它與PC機等設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)也是類似的，因而單片機在軟件開發(fā)的過程中也需要對軟件進行調(diào)試，觀察其中間結(jié)果，排除軟件中存在的問題。但是由于單片機的應(yīng)用場合問題，它不具備標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出裝置，同時受存儲空間限制，也難以容納用于調(diào)試程序的專用軟件，因此要對單片機軟件進行調(diào)試，可以使用單片機仿真器。單片機仿真器具有基本的輸入輸出裝置和支持程序調(diào)試的軟件，使得單片機開發(fā)人員可以通過單片機仿真器輸入和修改程序，觀察程序運行結(jié)果與中間值，同時對與單片機配套的硬件進行檢測與觀察，提高單片機的編程效率和效果。第三步，自制或購買一個單片機編程器(單片機程序燒寫器)，將目標(biāo)程序文件(機器碼)寫入單片機內(nèi)部。編程器的作用是把編譯好的*.HEX格式單片機目標(biāo)文件(機器碼)寫入到單片機內(nèi)部的程序存儲器中，這個設(shè)備的作用就好比給一個沒有記憶的人灌輸記憶。當(dāng)源程序經(jīng)過仿真調(diào)試沒有錯誤后，就可以用編程器將*.HEX目標(biāo)程序燒寫到單片機內(nèi)部。通過程序的寫入，單片機就被灌輸了設(shè)計思想或者是某種控制流程，比如流水燈程序、溫度測試程序、數(shù)據(jù)采集程序等。編程器只是一種寫入工具，而源程序還是要由開發(fā)人員來編寫和創(chuàng)造。

第四步，將燒寫好的單片機插到實驗板上，通電后讓單片機在實驗板上運行程序，就可以看到最終的程序效果。單片機實驗板可以自制或者購買成品，它的作用是驗證最終的硬件驅(qū)動效果，這就好比把一個已經(jīng)灌輸了設(shè)計思想的單片機連上軀體和四肢，檢查這個完整的、已經(jīng)具備了“頭腦?+?思想?+?四肢”的設(shè)備是不是能真的動起來，是否與設(shè)計的程序完全一致？如果不一致就說明給它設(shè)計的“思想”可能存在問題，此時就需要用編程器中的“擦除”操作給單片機“洗腦”，修改程序后再次寫入并查看實驗結(jié)果。如編寫了一個單片機流水燈程序，用什么來驗證它是否可以真正地驅(qū)動發(fā)光二極管“流”起來呢？答案就是使用單片機實驗板。

1.2項目基本知識

知識點1了解51單片機外部引腳

51單片機常用的封裝有DIP-40雙列直插式封裝和PQFP-44貼片封裝，如圖1-4和圖1-5所示，芯片的實物圖如圖1-6和圖1-7所示。圖1-4DIP-40雙列直插式封裝圖1-5PQFP-44貼片封裝

圖1-651單片機DIP-40實物圖圖1-751單片機PQFP-44實物圖

1．信號引腳介紹(以DIP-40雙列直插式封裝為例)

8051引腳介紹如表1-5所示。表1-58051引腳介紹

對控制引腳進行如下說明：

(1)?ALE：系統(tǒng)擴展時，P0口是8位數(shù)據(jù)線和低8位地址線復(fù)用引腳，ALE用于把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低8位地址和數(shù)據(jù)的隔離。由于ALE引腳以晶振1/6固定頻率輸出正脈沖，因此它可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。

(2)?：有效(低電平)時，可實現(xiàn)對外部ROM單元的讀操作。

(3)?：當(dāng)信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；而當(dāng)信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。若不擴展外部程序存儲器，只使用內(nèi)部程序存儲器，該引腳與+5V連接。

(4)?RST：當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機的復(fù)位初始化操作。

(5)?XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，兩引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于連接外部時鐘脈沖信號。在進行單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計時，除電源和地引腳外，以下引腳信號必須連接相應(yīng)電路：

(1)單片機最小系統(tǒng)電路。復(fù)位信號RST一定要連接復(fù)位電路，外接晶體引線端XTAL1和XTAL2必須連接時鐘電路，這兩部分是單片機能夠工作所必需的電路。

(2)引腳。隨著技術(shù)的發(fā)展，單片機芯片內(nèi)部的程序存儲器空間越來越大，因此，用戶程序一般都固化在單片機內(nèi)部程序存儲器中，此時引腳應(yīng)接高電平。

2．信號引腳的第二功能由于工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等原因，芯片的引腳數(shù)目是有限的，為了滿足實際需要，部分信號引腳被賦以雙重功能，即第一功能和第二功能。最常用的是8條P3口線所提供的第二功能，如表1-6所示。表1-6P3口各引腳與第二功能表

對于51單片機其他型號的芯片，P3口引腳的第一功能是相同的，所不同的是引腳的第二功能。需要注意的是，P3口的第二功能信號都是單片機的重要控制信號。因此，在實際使用時，一般先選用第二功能，剩下的才作輸入輸出使用。知識點251單片機內(nèi)部組成

單片機的內(nèi)部組成如圖1-8所示。圖1-8單片機的內(nèi)部組成

51系列單片機芯片除了程序存儲器結(jié)構(gòu)不同外，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，引腳完全兼容。這里以8051為例介紹51系列單片機的內(nèi)部組成及信號引腳。8051單片機的內(nèi)部組成框圖如圖1-9所示。圖1-951單片機的內(nèi)部組成框圖

1．中央處理器CPU(CentralProcessingUnit)中央處理器是單片機的控制核心，完成運算和控制功能，由運算器和控制器組成。運算器包括一個8位算術(shù)邏輯單元(ArithmeticLogicalUnit，簡稱ALU)、8位累加器(Accumulator，簡稱ACC)、8位暫存器、寄存器B和程序狀態(tài)寄存器(ProgramStatusWord，簡稱PSW)等?？刂破靼ǔ绦蛴嫈?shù)器(ProgramCounter，簡稱PC)、指令寄存器(InstructionRegister，簡稱IR)、指令譯碼器(InstructionDecoder，簡稱ID)和控制電路等。2．內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM(RandomAccessMemory)

8051內(nèi)部共有256個RAM單元，其中高128單元被專用寄存器占用，低128單元供用戶使用，可讀可寫，掉電后數(shù)據(jù)丟失，用于暫存中間數(shù)據(jù)。通常所說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指低128單元。

3．內(nèi)部程序存儲器ROM(ReadOnlyMemory)

8051內(nèi)部共有4KB掩膜ROM，只能讀不能寫，掉電后數(shù)據(jù)不會丟失，用于存放程序或程序運行過程中不會改變的原始數(shù)據(jù)，通常稱為程序存儲器。

4．并行I/O(Input/Output)口

8051內(nèi)部有四個8位并行I/O接口(稱為P0、P1、P2和P3)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。

5．串行口

8051內(nèi)部有一個全雙工異步串行口，可以實現(xiàn)單片機與其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)通信。該串行口既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用，擴展外部I/O口。

6．定時/計數(shù)器

8051內(nèi)部有兩個16位的定時/計數(shù)器，可實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。

7．中斷系統(tǒng)

8051內(nèi)部共有五個中斷源，分為高級和低級兩個優(yōu)先級別。

8．時鐘電路

8051內(nèi)部有時鐘電路，只需外接石英晶體和微調(diào)電容即可。晶振頻率通常選擇6MHz、12MHz或11.0592MHz。

單片機在一個芯片內(nèi)包含了微型計算機應(yīng)該具有的基本部件，因此它本身就是一個簡單的微型計算機系統(tǒng)。知識點351單片機的存儲器介紹本知識點以8051為代表來說明51系列單片機存儲器的結(jié)構(gòu)。8051存儲器主要有四個物理存儲空間，即片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器、片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器(程序存儲器合稱為CODE區(qū))，如圖1-10所示。圖1-1051系列單片機存儲器的結(jié)構(gòu)

1．片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器

8051的內(nèi)部RAM共有256個單元，通常把這256個單元按其功能劃分為兩部分：低128單元(單元地址為00H～7FH)和高128單元(單元地址為80H～FFH)。

1)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器低128單元片內(nèi)RAM的低128單元用于存放程序執(zhí)行過程中的各種變量和臨時數(shù)據(jù)，稱為DATA區(qū)，表1-7給出了低128單元的配置情況。表1-7片內(nèi)RAM的低128單元的配置

如表1-7所示，片內(nèi)RAM的低128單元是單片機真正的RAM存儲器，按其用途劃分為工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和用戶RAM區(qū)三個區(qū)域。

(1)工作寄存器區(qū)。8051共有4組、每組包括8個(編號為R0～R7)共計32個寄存器，用來存放操作數(shù)及中間結(jié)果等，稱為通用寄存器或工作寄存器，4組通用寄存器占據(jù)內(nèi)部RAM的00H～1FH單元地址。

在任一時刻，CPU只能使用其中的一組寄存器，并且把正在使用的那組寄存器稱為當(dāng)前寄存器組。當(dāng)前工作寄存器到底是哪一組，由程序狀態(tài)字寄存器PSW中RS1和RS0位的狀態(tài)組合來決定。

(2)位尋址區(qū)。內(nèi)部RAM的20H～2FH單元，既可作為一般RAM單元使用，進行字節(jié)操作，也可以對單元中每一位進行位操作，因此把該區(qū)稱為位尋址區(qū)。位尋址區(qū)共有16個RAM單元，共計128位，相應(yīng)的位地址為00H～7FH。表1-8為片內(nèi)RAM位尋址區(qū)的位地址表，其中MSB表示高位，LSB表示低位。表1-8片內(nèi)RAM位尋址區(qū)的位地址表

(3)用戶RAM區(qū)。在內(nèi)部RAM的低128單元中，除了工作寄存器區(qū)(占32個單元)和位尋址區(qū)(占16個單元)，還剩下的80個單元(單元地址為30H～7FH)是供用戶使用的一般RAM區(qū)。對用戶RAM區(qū)的使用沒有任何規(guī)定或限制，但在一般應(yīng)用中常把堆棧開辟在此區(qū)中。

2)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器高128單元內(nèi)部RAM的高128單元地址為80H～FFH，是供給專用寄存器SFR(SpecialFunctionRegister，也稱為特殊功能寄存器)使用的。表1-9給出了專用寄存器地址表。表1-9專用寄存器地址表

下面對幾個常用的專用寄存器功能進行簡單說明。

(1)程序計數(shù)器PC—ProgramCounter。PC是一個16位的計數(shù)器，其內(nèi)容為下一條將要執(zhí)行指令的地址，尋址范圍為64KB。PC有自動加1功能，從而控制程序的執(zhí)行順序。PC沒有地址，是不可尋址的，因此用戶無法對它進行讀寫操作，但可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。

(2)累加器ACC—Accumulator。累加器為8位寄存器，是最常用的專用寄存器。它既可用于存放操作數(shù)，也可用來存放運算的中間結(jié)果。

(3)程序狀態(tài)字PSW—ProgramStatusWord。程序狀態(tài)字是一個8位寄存器，用于存放程序運行中的各種狀態(tài)信息，其中有些位的狀態(tài)是根據(jù)程序執(zhí)行結(jié)果，由硬件自動設(shè)置的；有些位的狀態(tài)則用軟件方法設(shè)定。PSW的各位定義如表1-10所示。表1-10PSW位定義①?CY(PSW.7)：進位標(biāo)志位。存放算術(shù)運算的進位標(biāo)志，在進行加或減運算時，如果操作結(jié)果最高位有進位或借位，則CY由硬件置“1”，否則被清“0”。②?AC(PSW.6)：輔助進位標(biāo)志位。在進行加或減運算中，若低4位向高4位進位或借位，AC由硬件置“1”，否則被清“0”。

③?F0(PSW.5)：用戶標(biāo)志位。供用戶定義的標(biāo)志位，需要利用軟件方法置位或復(fù)位。④?RS1和RS0(PSW.4和PSW.3)：工作寄存器組選擇位，用于選擇CPU當(dāng)前使用的工作寄存器組。工作寄存器共有四組，其對應(yīng)關(guān)系如表1-11所示。單片機上電或復(fù)位后，RS1RS0=00。表1-11工作寄存器組對應(yīng)關(guān)系

⑤?OV(PSW.2)：溢出標(biāo)志位。在帶符號數(shù)的加減運算中，OV=1表示加減運算超出了累加器A所能表示的帶符號數(shù)的有效范圍(-128～+127)，即產(chǎn)生了溢出，因此運算結(jié)果是錯誤的；OV=0表示運算正確，即無溢出產(chǎn)生。⑥?F1(PSW.1)：保留未使用。⑦?P(PSW.0)：奇偶標(biāo)志位。P標(biāo)志位表明累加器ACC中內(nèi)容的奇偶性，如果ACC中有奇數(shù)個“1”，則P置“1”，否則清“0”。

(4)堆棧指針寄存器SP—StackPointer。先來理解堆棧的含義，就像倉庫里堆貨物，一般是先進去的后出來，而后進去的先出來，這種符合“先進后出，后進先出”存放規(guī)則的現(xiàn)象稱為“堆?！薄Ｔ趩纹瑱C內(nèi)部RAM中構(gòu)造出這樣一個區(qū)域，這個區(qū)域存放數(shù)據(jù)的規(guī)則就符合堆棧中“先進后出，后進先出”的原則。

堆棧共有兩種操作：進棧和出棧。堆棧指針SP為8位特殊功能寄存器，SP的內(nèi)容可指向單片機片內(nèi)00H～7FHRAM的任何單元。系統(tǒng)復(fù)位后，SP的內(nèi)容為07H，即指向片內(nèi)RAM07H單元。以上簡單介紹了四個專用寄存器，其余的專用寄存器(如TCON、TMOD、IE、IP、SCON、PCON、SBUF等)將在以后章節(jié)中陸續(xù)介紹。

2．片外數(shù)據(jù)存儲器

8051單片機最多可擴充64KB的片外數(shù)據(jù)存儲器(片外RAM)。片外數(shù)據(jù)存儲器可以根據(jù)需要進行擴展。當(dāng)需要擴展存儲器時，低8位地址A7～A0和8位數(shù)據(jù)D7～D0由P0口分時傳送，高8位地址A15～A8由P2口傳送。因此，只有在沒有擴展片外存儲器的系統(tǒng)中，P0口和P2口的每一位才可作為雙向I/O端口使用。

3．程序存儲器

51系列單片機的程序存儲器用來存放編好的程序和程序執(zhí)行過程中不會改變的原始數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。圖1-118051程序存儲器結(jié)構(gòu)

8051片內(nèi)有4KB的FEPROM。

51系列單片機片外最多能擴展64KB程序存儲器，片內(nèi)外的ROM是統(tǒng)一編址的。如保持高電平，8051的程序計數(shù)器PC在0000H～0FFFH地址范圍內(nèi)(即前4KB地址)，則執(zhí)行片內(nèi)ROM中的程序；如PC在1000H～FFFFH地址范圍時，則自動執(zhí)行片外程序存儲器中的程序；如保持低電平時，則只能尋址外部程序存儲器，片外存儲器可以從0000H開始編址。

程序存儲器中有一組特殊單元0000H～0002H。系統(tǒng)復(fù)位后，PC=0000H，表示單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。還有一組特殊單元0003H～002AH，共40個單元。這40個單元被均勻地分為五段，作為五個中斷源的中斷程序入口地址區(qū)。其中，

0003H～000AH：外部中斷0中斷地址區(qū)；

000BH～0012H：定時器/計數(shù)器0中斷地址區(qū)；

0013H～001AH：外部中斷1中斷地址區(qū)；

001BH～0022H：定時器/計數(shù)器1中斷地址區(qū)；

0023H～002AH：串行中斷地址區(qū)。1.3技能拓展

任務(wù)3自制單片機程序下載工具隨著單片機的小型化、貼片化和具有ISP、IAP等功能的單片機的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)單片機仿真器和編程器的應(yīng)用范圍已有所縮小，具有在線燒寫功能的單片機成為首選，比如國產(chǎn)的宏晶STC系列51單片機，大部分具有在系統(tǒng)可編程(ISP)特性。ISP的好處是不用購買通用編程器，單片機在用戶系統(tǒng)上即可下載/燒錄用戶程序，且無需將單片機從已生產(chǎn)好的產(chǎn)品上拆下，再用通用編程器將程序代碼燒錄進單片機內(nèi)部。有些程序尚未定型的產(chǎn)品可以一邊生產(chǎn)，一邊完善，加快了產(chǎn)品進入市場的速度，減小了新產(chǎn)品由于軟件缺陷帶來的風(fēng)險。由于可以將程序直接下載到單片機并查看運行結(jié)果，故也可以不用仿真器。

大部分STC系列單片機內(nèi)部固化有ISP系統(tǒng)引導(dǎo)程序，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內(nèi)部，故無需編程器(速度比通用編程器快)。不要用通用編程器編程，否則有可能將單片機內(nèi)部已固化的ISP系統(tǒng)引導(dǎo)程序擦除，造成無法使用STC軟件下載用戶的程序代碼的后果。

下面介紹兩種下載電路，用戶可以按照此電路搭建應(yīng)用電路。第一種普通串口方式：電路中的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片外接四個電容，有電壓泵的作用，可以將輸出電位差拉高，與接口RS232電平相符合。雙機通信也可通過此接口，加長連接距離，如圖1-12所示。制作的下載器(RS-232轉(zhuǎn)換器)如圖1-13所示。圖1-12STC單片機普通串口程序燒寫電路圖1-13RS-232轉(zhuǎn)換器

第二種USB轉(zhuǎn)串口方式：目前的新款電腦基本上去掉了普通串口，采用USB轉(zhuǎn)串口方式，可以很好地解決這個問題，具體可選用性價比很高的PL2303HX芯片實現(xiàn)USB到串口的轉(zhuǎn)換。使用方法是：模塊的一端接電腦的USB接口，另一端TTLTX、RX輸出直接接單片機的P3.0、P3.1接口，安裝芯片的驅(qū)動程序，在電腦上虛擬出一個串口，這個串口跟普通串口一樣使用，如圖1-14所示，下載STC單片機USB轉(zhuǎn)串口程序燒寫，其電路如圖1-15所示。圖1-14USB轉(zhuǎn)串口對應(yīng)的串口號圖1-15STC單片機USB轉(zhuǎn)串口程序燒寫電路

獲得STC提供的ISP下載工具(軟件)的方法是：登錄

網(wǎng)站，從STC半導(dǎo)體專欄下載PC(電腦)端的ISP程序，然后將其自解壓，再安裝即可(執(zhí)行setup.exe)，注意隨時更新軟件；也可以用本書光盤里提供的軟件。

問1：單片機的應(yīng)用方面應(yīng)注重哪幾個方面的學(xué)習(xí)？答：學(xué)習(xí)的過程基本上可分三個階段：第一階段是瀏覽教科書里的硬件部分，了解單片機的硬件結(jié)構(gòu)；第二階段是了解二進制數(shù)、十六進制數(shù)和軟件方面的內(nèi)容；第三階段是做實驗，學(xué)習(xí)掌握單片機的匯編語言指令系統(tǒng)和簡單編程。1.4互動環(huán)節(jié)

問2：為什么說單片機在應(yīng)用方面是一般計算機無法替代的？答：僅從體積方面來說，單片機要比一般計算機小許多，因此，單片機可以做成非常小的、功能比較完善的單片機系統(tǒng)置入其中，以實現(xiàn)各種方式的檢測、監(jiān)視、計算或控制。

問3：單片機在工業(yè)方面有哪些主要應(yīng)用？答：單片機在工業(yè)方面的主要應(yīng)用有工業(yè)過程控制、集散控制、智能控制、智能儀表、智能管理、集中管理、企業(yè)管理、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、局域網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)控制、信息管理、無紙化辦公、無人操作、辦公自動化、機器人、機械手、測試、測量、監(jiān)視、監(jiān)控、分析、判斷、運算等。

問4：什么是ISP和IAP？答：ISP是InSystemProgramming的縮寫，意思是在系統(tǒng)編程，指在電路板上編程并寫入最終用戶代碼，而不需要從電路上取下元器件，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP方式擦除或再編程，這樣，可以減小頻繁插拔芯片所帶來的不便。比如，通過計算機給STC89C51單片機下載程序，或者給AT89S51單片機下載程序，就是利用了ISP技術(shù)。

IAP是InApplicationProgramming的縮寫，意思是在應(yīng)用編程，指單片機可以在系統(tǒng)中獲取新代碼，并對自己重新編程，即可用程序來改變程序。IAP的實現(xiàn)相對要復(fù)雜一些，在實現(xiàn)IAP功能時，單片機的程序存儲器分為兩塊存儲區(qū)，其中一塊被稱為BootROM區(qū)，另一塊稱為用戶程序存儲區(qū)。單片機上電時運行在BootROM區(qū)，如果滿足外部改寫程序的條件，則對用戶