《单片机应用技术》第2章

第2章单片机的结构原理与简单应用教学目的了解单片机的内部结构与主要型号。掌握单片机引脚信号功能定义。掌握单片机的存储器空间分配及各I/O口的特点。掌握单片机的复位电路、时钟电路及指令时序。利用单片机的I/O口实现循环灯的控制。学习重点和难点单片机的结构特点。存储器配置与空间的分布。程序状态寄存器(PSW)。单片机的指令时序。第2章单片机的结构原理与简单应用2.1单片机的结构与原理2.2单片机的存储器2.3单片机的输入/输出端口2.4时钟电路2.5复位电路2.6常用单片机功能简介本章小结习题2.1单片机的结构与原理2.1.18051单片机的基本组成2.1.28051单片机的内部结构2.1.38051单片机的引脚及功能2.1.4单片机的工作原理2.1.18051单片机的基本组成MCS-51是美国Intel公司的8位高档单片机系列，也是我国目前应用最为广泛的一种单片机系列。8051/80C51是整个MCS-51系列单片机的核心，该系列其他型号的单片机都是在这一内核的基础上发展起来的。MCS-51单片机系列分为51和52子系列，并以芯片型号的末位数字加以标识。其中，51子系列是基本型，而52子系列是增强型。单片机型号带有字母“C”的，表示该单片机采用的是CHMOS工艺，具有低功耗的特点。8051的功耗为630mW，而80C51的功耗只有120mW。MCS-51系列单片机技术参数表子系列片内ROM形式片内ROM片内RAM寻址范围I/O特性中断源无ROMEPROM定时器并行口串行口51子系列8031805187514KB128B2×64KB2×164×81580C3180C5187C514KB128B2×64KB2×164×81552子系列8032805287528KB256B2×64KB3×164×81680C3280C5287C528KB256B2×64KB3×164×8162.1.18051单片机的基本组成8051单片机的结构框图如下图所示，可以看出，在一块芯片上集成了一个微型计算机的主要部件，它包括以下几部分：1个8位微处理器(CPU)。1个时钟电路。4KB程序存储器。256B数据存储器。2个16位定时/计数器。64KB扩展总线控制电路。4个8位并行I/O接口P0～P3。1个全双工串行I/O接口。5个中断源，其中包括2个优先级嵌套中断。8051单片机结构框图振荡器和时序OSC程序存储器4KBROM数据存储器256BRAM定时/计数器2个16位8051CPU64KB总线扩展控制器并行I/O接口4个串行I/O接口1个内部总线内中断外中断控制P0P1P2P3串行输出串行输入外部时钟源外部事件计数2.1.28051单片机的内部结构CPU即中央处理器，是单片机的核心部件，是计算机的控制指挥中心。同微型计算机CPU类似，8051内部CPU由运算器和控制器两部分组成。运算器电路以算术逻辑单元(ALU，ArithmeticLogicUnit)为核心，由暂存器1、暂存器2、累加器(ACC，Accumulator)、寄存器B、程序状态寄存器(PSW，ProgramStatusWord)及布尔处理机共同组成。它的主要任务是完成算术运算、逻辑运算、位运算和数据传送等操作，运算结果的状态由程序状态寄存器(PSW)保存。控制器电路包括程序计数器(PC)、PC增1寄存器、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、数据指针(DPTR)、堆栈指针(SP)、缓冲器及定时控制电路等。控制器电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。8051单片机内部结构图RAM地址寄存器寄存器RAM128BRAM程序地址寄存器P0驱动器P2锁存器P2驱动器P1锁存器暂存器2B寄存器4KBROM暂存器1ACCSPP0锁存器PCPC增1缓冲器P3锁存器OSC中断、串行口及定时器PSWALUDPTRP1驱动器P3驱动器XTAL1XTAL2P0.0～P0.7P2.0～P2.7P3.0～P3.7P1.0～P1.7RSTALEVCCVSS定时控制指令译码器指令寄存器PSENEA2.1.38051单片机的引脚及功能MCS-51单片机的封装形式有两种，一种是双列直插式(DIP)封装，另一种是方形封装。8051的40个引脚可分为：电源引脚2根时钟引脚2根控制引脚4根I/O引脚32根由于8051单片机是高性能的单片机，同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。8051单片机引脚图图2-38051单片机引脚图P1.0XTAL2P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7XTAL1RST/VPDVSSP2.0P0.0P1.1134567821080519111314151617181219204038373635343339313230282726252423292221RXD/P3.0TXD/P3.1T0/P3.4T1/P3.5VCCPSENALE/PROGEA/VPPINT0/P3.2INT1/P3.3WR/P3.6RD/P3.7178051VCCVSSRST/VPDXTAL1XTAL2EA/VPPPSENALE/PROGP3口P2口P1口P0口DIP引脚图逻辑符号8051引脚的功能描述（一）电源引脚(2根)VCC(40脚)：电源端，接+5V电源。VSS(20脚)：接地端。时钟引脚(2根)XTAL1(19脚)：接外部晶振和微调电容的一端。采用外部时钟电路时，对HMOS型工艺的单片机，此引脚应接地；对CHMOS型而言，此引脚应接外部时钟的输入端。XTAL2(18脚)：接外部晶振和微调电容的另一端。使用外部时钟时，对HMOS型工艺的单片机，此引脚应接外部时钟的输入端；对CHMOS型而言，此引脚悬空。8051引脚的功能描述（二）控制引脚(4根)RST/VPD(9脚)：复位信号/备用电源输入引脚。当RST引脚保持两个机器周期的高电平后，就可以使8051完成复位操作。该引脚的第二功能是VPD，即备用电源的输入端，具有掉电保护功能。若在该引脚接+5V备用电源，在使用中若主电源VCC掉电，可保护片内RAM中的信息不丢失。ALE/PROG(30脚)：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号控制锁存P0口输出的低8位地址，从而实现P0口数据与低位地址的分时复用。当8051上电正常工作后，自动在ALE端输出频率为fosc/6的脉冲序列(fosc代表振荡器的频率)。该引脚的第二功能PROG是对8751内部4KBEPROM编程写入时，作为编程脉冲的输入端。EA/VPP(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端/编程电压输入端。当EA接高电平时，CPU执行片内ROM指令，但当PC值超过0FFFH时，将自动转去执行片外ROM指令；当EA接低电平时，CPU只执行片外ROM指令。对于8031，由于其无片内ROM，故其EA必须接低电平。该引脚的第二功能VPP是对8751片内EPROM编程写入时，作为21V编程电压的输入端。PSEN(29脚)：片外ROM读选通信号端。在读片外ROM时，PSEN有效，为低电平，以实现对片外ROM的读操作。8051引脚的功能描述（三）I/O引脚(4×8=32根)P0.0～P0.7(39～32脚)：P0口的8位双向I/O口线。P0口即可作地址/数据总线使用，又可作通用的I/O口使用。当CPU访问片外存储器时，P0口分时先作低8位地址总线，后作双向数据总线，此时，P0口就不能再作I/O口使用了。P1.0～P1.7(1～8脚)：P1口的8位准双向I/O口线。P1口作为通用的I/O口使用。P2.0～P2.7(21～28脚)：P2口的8位准双向I/O口线。P2口即可作为通用的I/O口使用，也可作为片外存储器的高8位地址总线，与P0口配合，组成16位片外存储器单元地址。P3.0～P3.7(10～17脚)：P3口的8位准双向I/O口线。P3口除了作为通用的I/O口使用之外，每个引脚还具有第二功能。2.1.4单片机的工作原理单片机执行程序的过程，就是逐条执行指令的过程。单片机每执行一条指令都可分为三个阶段，即取指令——分析指令——执行指令。取指令的任务是根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出下一条要执行的指令，送到指令寄存器。分析指令的任务是将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。接下来，就是执行指令。单片机中的程序一般事先都已通过写入器(编程器)固化在片内或片外程序存储器中，因而一开机即可执行指令。2.2单片机的存储器2.2.1程序存储器ROM2.2.2数据存储器RAM2.2.3数据存储器数据读写应用实例8051的存储器结构8051的存储器结构与常见的微型计算机的配置方式不同，它把程序存储器和数据存储器分开，有各自的寻址系统、控制信号和功能。8051的存储器在物理结构上分为片内数据存储器、片内程序存储器、片外数据存储器和片外程序存储器4个存储空间。但从用户使用的角度看，8051的存储器分为3个逻辑空间。存储空间分布图片内外统一寻址的64KB程序存储器空间，地址范围为0000H～FFFFH。64KB的片外数据存储器空间，地址范围也为0000H～FFFFH。256B的片内数据存储器空间，地址范围为00H～FFH。0000H7FH00H80HFFH0FFFH0FFFH0000H0000HEA0FFFFHSFRRAMEA1ROM4KBFFFFH64KBROMRAM64KB（I/O）RAM片内存储器1000H片外扩展存储器2.2.1程序存储器ROM程序存储器ROM用来存放程序、常数或表格等。在8051中，其存储空间分布如下：片内有4KB的ROM存储单元，地址为0000H～0FFFH。片外最多可扩至64KB的ROM，地址为1000H～FFFFH。片内外ROM统一编址。当EA引脚接高电平时，CPU将首先访问片内ROM，当指令地址超过0FFFH时，自动转向片外ROM取指令。当EA引脚接低电平时，CPU只访问片外ROM。片外ROM的地址从0000H开始编址。对于8031，由于其片内无ROM，所以使用时必须使EA接低电平，以便能够从片外扩展的EPROM中取指令。2.2.1程序存储器ROM在程序存储器中，以下6个单元具有特殊含义。0000H：单片机复位后的程序入口地址。0003H：外部中断0的中断服务程序入口地址。000BH：定时器0的中断服务程序入口地址。0013H：外部中断1的中断服务程序入口地址。001BH：定时器1的中断服务程序入口地址。0023H：串行口的中断服务程序入口地址。2.2.2数据存储器RAM数据存储器RAM主要用来存放运算的中间结果和数据等。在8051中，其存储空间分布如下：片外RAM最多可扩至64KB存储单元，地址范围为0000H～FFFFH。片内RAM为256B存储单元，地址范围为00H～FFH。片内RAM地址空间共有256B，又分为两个部分：低128B(00H～7FH)为真正的RAM区，如下图所示。高128B(80H～FFH)为特殊功能寄存器(SFR)区，如下表所示。片内RAM地址空间7FH30H2FH7F7E7D7C7B7A79782EH77767574737271702DH6F6E6D6C6B6A69682CH67666564636261602BH5F5E5D5C5B5A59582AH575655545352515029H4F4E4D4C4B4A494828H474645444342414027H3F3E3D3C3B3A393826H373635343332313025H2F2E2D2C2B2A292824H272625242322212023H1F1E1D1C1B1A191822H171615