单片机硬件基础知识

1第二讲：单片机硬件基础本讲重点：MCS-51的基本特性;单片机的引脚与I/O口结构;存储器、堆栈与特殊功能寄存器;低功耗运行方式最小系统设计2MCS-51系列单片机配置一览表系列片内存储器（字节）定时器计数器并行I/O串行I/O中断源片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位16注意：今后将会经常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！ATEML89C系列(常用型)1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（20条引脚DIP封装）1282151589C51(4K)/89C52(8K)（40条引脚DIP封装）128/2562/33215/63MCS-51单片机基本特性8位的CPU，片内有振荡器和时钟电路,工作频率为1～12MHz（Atmel89Cxx为0～24MHz）片内有128/256字节RAM片内有0K/4K/8K字节程序存储器ROM可寻址片外64K字节数据存储器RAM可寻址片外64K字节程序存储器ROM片内18个（21字节）/21个（26字节）特殊功能寄存器（SFR）4个8位的并行I/O口（PIO）1个全双工串行口（SIO/UART）2/3个16位定时器/计数器（TIMER/COUNTER）可处理5/6个中断源，两级中断优先级内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy）MCS-51指令集含111条指令4MSC-51系列单片机内部结构5内部结构框图6单片机的引脚定义从一片集成电路的角度去认识单片机7认识单片机的引脚MCS-51单片机40脚Vcc,GND2XTAL1,XTAL22RESET1EA/Vpp1ALE/PROG1PSEN1P0.0—P0.78P1.0—P1.78P2.0—P2.78P3.0—P3.788单片机的引脚（电源端）Vcc,GND:正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V)不同的单片机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也不同。9单片机的引脚（晶振端）Vcc,GND:正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V)不同的单片机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也不同。XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入/输出端10单片机的引脚（晶振端）Vcc,GND:正电源端与接地端(+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入/输出端15～45pfx21～12MHz（MCS-51）0～24MHz（Atmel-89C）XTAL1XTAL2通常外接一个晶体两个电容（1）内部时钟方式11常见无源晶振外形和种类12单片机的引脚（晶振端）Vcc,GND:正电源端与接地端(+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入/输出端1～12MHz（MCS-51）0～24MHz（Atmel-89C）可以根据情况由XTAL1或XTAL2端接入外部时钟，当一个引脚接时钟时，另一个引脚此时应将接地或悬空：XTAL2/XTAL1XTAL1/XTAL2外部时钟（2）外部时钟方式13单片机的引脚（晶振端）Vcc,GND:正电源端与接地端(+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入/输出端HMOS（高密度沟道MOS）芯片XTAL2端接外部时钟，XTAL1接地，如：8051。XTAL1XTAL2外部时钟（2）外部时钟方式CHMOS（互补金属氧化物HMOS）芯片XTAL1端接外部时钟，XTAL2悬空，如：89C51。XTAL2XTAL1外部时钟14常见有源晶振外形15单片机的引脚（晶振端）Vcc,GND:正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：振荡周期/时钟周期：Tc=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数状态周期：Ts=2个时钟周期(Tc)（很少用到此概念）机器周期：Tm=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc)指令周期:Ti:执行一条指令所需的机器周期(Tm)数牢牢记住：振荡周期=晶振频率fosc的倒数；1个机器周期=12个振荡周期；1个指令周期=1、2、4个机器周期16单片机的引脚（复位端）Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端（正脉冲有效，宽度8ms）17复位使单片机进入某种确定的初始状态：▼PC值归零（0000H）；▼各个SFR被赋予初始值（见P.42）：P0～P3=0FFH，Acc=0，B=0，TH0=0，TL0=0，TH1=0，TL0=0，SP=7，PSW=0……▼退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切程序进程、退出程序的死循环，从头开始。单片机的引脚（复位端）Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端（正脉冲有效，宽度8ms）18PC与SFR复位状态表寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HA00HT2CON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0~P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUFXXHIE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H19单片机的引脚（复位端）A.上电复位B.手动&上电复位Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端（正脉冲有效，宽度8ms）+5V10uF10KVccRSTGND10uF10KVccRSTGND1K+5V20单片机的引脚（复位端）C.同步复位电路Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端（正脉冲有效，宽度8ms）22uF200KVccRSTGND74HC14+5V接低电平复位芯片21D.专用复位芯片应用于可靠性要求较高的嵌入式系统中。22单片机的引脚（EA端）Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端（正脉冲有效，宽度8ms）EA/Vpp:寻址外部ROM控制端/编程电源输入端。低有效，片内无ROM时必须接地；片内有ROM时应当接高电平；对片内ROM编程时编程正电源加到此端。23单片机的引脚（ALE端）Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端（正脉冲有效，宽度8ms）EA/Vpp:寻址外部ROM控制端/编程电源输入端。ALE/PROG:地址锁存允许/编程脉冲输入端。P0口寻址外部低8位地址时接外部锁存器G端；ALE端平时会输出周期正脉冲：ffosc/6；对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入。24单片机的引脚（PSEN端）PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控制端（OE）低有效。25单片机锁存器74LS373P0.0-P0.7ALEPSENP2.0-P2.48D8QOEA8-A12A0-A7D0-D7GEAOECEEPROM单片机的引脚（PSEN端）PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控制端（OE）低有效。26单片机的I/O引脚结构众多功能各异的I/O引脚源于它结构的不同27单片机的引脚（P1口）P1.0—P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。21DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线Vcc引脚P1.X内部上拉电阻2821DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线Vcc引脚P1.X内部上拉电阻输出数据=1时110截止=1单片机的引脚（P1口）P1.0—P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。2921DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线Vcc引脚P1.X内部上拉电阻输出数据=0时001=0导通单片机的引脚（P1口）P1.0—P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。3021DQCK/Q读引脚=1读锁存器写锁存器内部总线Vcc引脚P1.X内部上拉电阻输入数据时，要先对其写“1”110截止单片机的引脚（P1口）P1.0—P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。31简单测控实例原理图32P1.3作输入端口光路通畅，R亮2K光路阻断，R暗400K33JOB3:CLRP1.1;亮绿灯REDO:SETBP1.3;P1.3作输入口必先置1CHECK:JNBP1.3,CHECK;检测通道是否被阻断？LOOP:…………;有入侵者，报警！AJMPREDO;再跳回去检测任务：红外防盗报警P1.3口用于输入状态检测的语句：红外线光路通畅时，P1.3端＝低电平红外线光路阻断时，P1.3端＝高电平34单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。21DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X34Vcc3521DQCK/Q读引脚=1读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X34控制=0时，此脚作输入口（事先必须对它写“1”）00100截止截止=0Vcc单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。3621DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X34控制=0时，此脚作输出口（输出引脚必须加上拉电阻）00100截止截止=0Vcc单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。3721DQCK/Q读引脚=0读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制=1引脚P0.X34控制=1时，此脚作地址/数据复用口：（1）输出地址/数据=0时1011=0导通截止=0Vcc单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。3821DQCK/Q读引脚=0读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制=1引脚P0.X34控制=1时，此脚作地址/数据复用口：（2）输出地址/数据=1时1100=1截止导通=1Vcc单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。3921DQCK/Q读引脚=1读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制=1引脚P0.X34控制=1时，此脚作地址/数据复用口：（3）输入数据时，输入指令将使引脚与内部总线直通Vcc单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。40单片机的引脚（P2口）P2.0—P2.7:双向I/O（内置了上拉电