第2章单片机基础

1单片微型计算机机原理及其应用张毅坤等编西安电子科技大学（1998/8第1版第7次印刷）2004/01第一稿（自动化0101-04）柴钰2单片微型计算机机原理及其应用课程简介★课程的性质、教育目标及任务性质：本课程是电气工程与自动化专业必修的专业技术基础课；是一门实践性很强的课程。目标与任务是：通过本课程的学习，使学生掌握单片机的工作原理、基本性能和使用单片机构成应用系统的基本方法、设计原理。为后续课程的学习以及今后单片机的应用、系统分析和设计、开发提供必要的技术基础。★教学内容本课程以MCS-51系列单片机为基础，系统介绍单片机结构、组成原理及指令系统，通过实例介绍单片机系统常用接口及扩展电路。★基本要求1、了解单片机的发展概况、系统的设计、开发、研制的过程。了解开发工具的的结构、原理，掌握开发工具的应用。2、掌握单片机的基本结构、常用外设的工作原理及其接口、软件控制方法，一般抗干扰的措施。3、掌握单片机的寻址方式、指令内容以及应用。4、掌握单片机系统的一般设计原则及实际应用系统硬软件的分析方法。5、重视实验课的学习，重视动手能力、分析问题解决问题能力的培养。★教材与参考书教材：《单片微型计算机原理及其应用》张毅坤等编西安电子科技大学出版社参考书：1、《单片机基础》北京航空航天大学出版社李广第编著2、《MCS-51单片机应用系统设计》北京航空航天大学出版社何立民3、《MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用》薛均义等编著西安交通大学出版社1997年8月第二版等有关单片机的书及资料均可。实验指导书：《单片机实验指导书》自编★网站网址：集成网、21IC、INTEL、MOTOROLA等均可★学习方法、手段及成绩以课堂教学为主，实验、自习、作业、答疑为辅。作业(每两周交一次作业)、平时、实验成绩占40%，期中考试10%，期末50%。（每班一份教学进度，各班班长确定答疑时间）3第2章单片机基础2.1概述★计算机是微电子学与计算机数字相结合的产物，微电子学的基本元件及其集成电路构成它的硬件基础，而计算数字的计算方法与数据结构则构成其软件基础。★1945年世界上第一台电子数字计算机ENIAC出现后，先后由电子管，晶闸管，集成电路及超大规模集成电路计算机——微电子技术的进步密切相关。★单片机（SingleChipmicrocontroller）：将数字计算器的四个（运算器，控制器，数据与程序存储器，输入与输出接口）部分都集成在一块晶体芯片上。2.1.1单片机的产生与发展单片机出现的历史并不长,但发展十分迅猛。它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步,自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来,它的发展到目前为止大致可分为5个阶段:第1阶段（1971～1976）:单片机发展的初级阶段。1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004,并配有RAM、ROM和移位寄存器,构成了第一台MCS—4微处理器,而后又推出了8位微处理器Intel8008,以及其它各公司相继推出的8位微处理器。第2阶段（1976～1980）:低性能单片机阶段。以1976年Intel公司推出的MCS—48系列为代表,采用将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构,虽然其寻址范围有限（不大于4KB）,也没有串行I/O,RAM、ROM容量小,中断系统也较简单,但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。第3阶段（1980～1983）:高性能实用性很强的单片机阶段（以MCS—51系列为代表）。这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口,有多级中断处理系统,多个16位定时器/计数器。片内RAM、ROM的容量加大,且寻址范围可达64KB,个别片内还带有A/D转换接口。第4阶段（1983～80年代末）:16位（全功能）单片机阶段。1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS—96系列,由于其采用了最新的制造工艺,使芯片集成度高达12万只晶体管/片。第5阶段（90年代）:（量体裁衣）单片机在集成度、多元化功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。42.1.2单片机的应用由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低,控制功能强及运算速度快等特点,因而在国民经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。按照单片机的特点,其应用可分为单机应用与多机应用。2.1.3单片机系列简介目前世界上单片机生产厂商很多,如:Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、ADM、Zilog、ATMEL等公司,其主流产品有几十个系列,几百个品种。尽管其各具特色,名称各异,其原理大同小异。现以Intel公司的系列产品为例,说明各系列之间的区别。Intel公司从其生产单片机开始,发展到现在,大体上可分为3大系列:MCS—48系列、MCS—51系列、MCS—96系列。该3大系列的性能简介见表2―1。★商用：0～70；工业：40～85；用军用50～125。2.2MCS—51系列单片机基本结构2.2.1MCS—51单片机系列MCS—51系列单片机虽已有10多种产品,但可分为两大系列:MCS—51子系列与MCS—52子系列。MCS—51子系列中主要有8031、8051、8751三种类型。而MCS—52子系列也有3种类型8032、8052、8752。各子系列配置见表2―2所示。2.2.2MCS—51系列单片机内部结构及功能部件MCS—51系列单片机的内部结构框图如图2―1所示。MCS—51系列单片机是。图2―2为按功能划分由8大部分组成的MCS—51系列单片机内部结构简化框图。·一个8位中央处理机CPU。·128个字节（MCS—52子系列为256字节）的片内数据存储器RAM。·4KB（MCS—52子系列为8KB）的片内程序只读存储器ROM或EPROM（8031和8032无）。·18个（MCS—52子系列为21个）特殊功能寄存器SFR。·4个8位并行输入输出I/O接口:P0口、P1口、P2口、P3口（共32线）,用于并行输入或输出数据。·1个串行I/O接口。·2个（MCS—52子系列为3个）16位定时器/计数器。5·1个具有5个（MCS—52子系列为6个或7个）中断源,可编程为2个优先级的中断系统。它可以接收外部中断申请,定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。2.2.3单片机外部引脚说明MCS—51系列单片机芯片均为40个引脚,HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装,其引脚示意及功能分类如图2―3所示。CMOS工艺制造的低功耗芯片也有采用方型封装的,但为44个引脚,其中4个引脚是不使用的。1.主电源引脚Vcc和VssVCC（40脚）:接+5V电源正端;VSS（20脚）:接+5V电源地端。2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）:接外部石英晶体的一端。在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚接地;对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端;对于CHMOS芯片,该引脚悬空不接。3.控制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、和EA/VPP等。（1）RST/VPD（9脚）:RST即为RESET,VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。（2）ALE/PROG(30脚):当访问外部存储器时,ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低8位地址（3）PSEN（29脚）:片外程序存储器读选通信号输出端,低电平有效。（4）EA/VPP（31脚）:为访问外部程序存储器控制信号,低电平有效。4.输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口（1）P0口（39脚～32脚）:P0.0～P0.7统称为P0口。（2）P1口（1脚～8脚）:P1.0～P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。（3）P2口（21脚～28脚）:P2.0～P2.7统称为P2口,一般可作为准双向I/O接口。（4）P3口（10脚～17脚）:P3.0～P3.7统称为P3口。62.3中央处理器CPU中央处理器是单片机内部的核心部件,它决定了单片机的主要功能特性。它由运算部件和控制部件两大部分组成。2.3.1运算部件运算部件是以算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicalUnit)为核心,加上累加器A、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态寄存器PSW及专门用于位操作的布尔处理机组成的（见图2―1）,它能实现数据的算术逻辑运算,位变量处理和数据传送操作。1.算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B算术逻辑单元ALU不仅能完成8位二进制数的加（带进位加）、减（带借位减）、乘、除、加1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算,还能对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、求补、清零等逻辑运算,并具有数据传送,程序转移等功能。累加器ACC简称累加器A,为一个8位寄存器,它是CPU中使用最频繁的寄存器。进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多来自于A,运算结果也常送回A保存。寄存器B是为ALU进行乘除法设置的。2.程序状态字程序状态字寄存器PSW（8位）是一个标志寄存器,它保存指令执行结果的特征信息,以供程序查询和判别。其程序状态字格式及含义如下:进位标志位CY(carry)：有进位或借位时CY置“1”；辅助进位标志AC(assistantcarry)：低四位有进位或借位时AC为1；用户标志位F0：由用户定义；寄存器区选择位RS1、RS0：四组工作寄存器道的选择；溢出标志为OV(overflow)：溢出时OV为“1”。用于带符号运算时结果超出127－128；保留位－：厂家用作它用；奇偶标志P(parity)：A累加器内容的奇偶性，A中结果1的个数是奇时P为“1”。3.布尔处理机布尔处理（即位处理）是MCS—51单片机ALU所具有的一种功能。单片机标志CYACFORS1RS0OV－P位地址PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.07指令系统中的布尔指令集（17条位操作指令）,存储器中的位地址空间,以及借用程序状态标志寄存器PSW中的进位标志CY作为位操作“累加器”,构成了单片机内的布尔处理机。2.3.2控制部件及振荡器控制部件是单片机的神经中枢,它包括定时和控制电路、指令寄存器、译码器以及信息传送控制等部件。单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的,而片内的时钟产生有两种方式:一种是内部时钟方式;一种是外部时钟方式,如图2―4（a）、（b）所示。采用内部时钟方式时,如图2―4（a）所示。片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的片外晶体振荡器（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器,向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率,一般晶体可在1.2～12MHz之间任选,电容C1、C2可在5～30pF之间选择,电容的大小对振荡频率有微小的影响,可起频率微调作用。2.4MCS—51单片机存储器及存储空间2.4.1MCS—51单片机存储器分类及配置MCS—51单片机存储器的分类从物理结构上可分为:片内、片外程序存储器（8031和8032没有片内程序存储器）与片内、片外数据存储器4个部分;从寻址空间分布可分为:程序存储器、内部数据存储器和外部数据存储器3大部分;从功能上可分为:程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间和外部数据存储器5大部分。MCS—51系列单片机存储器的配置除表2―2所示的片内ROM（或EPROM）和RAM外,另外还有128个字