51单片机基础知识解析

第1章51单片机基础知识1.1单片机概述1.251单片机功能及引脚1.351单片机内部结构1.451单片机工作方式1.551单片机单片机工作时序单片机：把各种功能部件包括中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机读写存储器（RAM）、输入/输出（I/O）单元、定时/计数器、中断系统以及串行口等集成在一个芯片上构成的微型计算机。1.1单片机概述1.1.1单片机的发展历史单片机的发展迄今经历了四个阶段：（1）第一阶段（1976-1978）：单片机的探索阶段。（2）第二阶段（1978-1982）：单片机的完善阶段。（3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。（4）第四阶段（1990—）：微控制器的全面发展阶段。1.1.251系列单片机MCS-51是指美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了很多种类。以下是一些典型的51系列单片机：（1）美国Intel公司MCS-48系列、MCS-51系列和MCS-96系列主要型号见表1.1.1所示；（2）美国Atmel公司的AT89系列单片机主要型号见表1.1.2所示；STC89系列；（3）Philips公司51系列单片机主要型号见表1.1.3所示。这些单片机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同。他们对8051都作了一些功能扩充，更有特点、功能更强、市场竞争力更强。1.1.3单片机的实际应用单片机的应用范围测控系统智能仪表机电一体化产品智能接口智能民用产品1.251单片机功能及引脚1.2.151单片机功能综述8051是51系统单片机中的典型产品，8051单片机主要参数及功能如下：（1）8位CPU2）4KB程序存储器（ROM）（3）128B的数据存储器（RAM）（4）32条I/O口线（5）111条指令，大部分为单字节指令（6）21个专用寄存器（7）2个可编程定时/计数器（8）5个中断源，2个优先级（9）1个全双工串行通信口（10）外部数据存储器寻址空间为64KB（11）外部程序存储器寻址空间为64KB（12）逻辑操作位寻址功能（13）多种封装形式（14）单一+5V电源供电1.2.251单片机的封装51单片机芯片有两种封装2.3/0PINT6.3/PWR3.3/1PINT0.1P1.1P2.1P3.1P4.1P5.1P6.1P7.1PPDVRST/0.3/PRXD1.3/PTXD4.3/0PT5.3/1PT7.3/PRD2XTAL1XTALVss1234567891011121314151617181920Vcc0.0P1.0P2.0P3.0P4.0P5.0P6.0P7.0PVppEA/PROGALE/PSEN7.2P6.2P5.2P4.2P3.2P2.2P1.2P0.2P212223242526272829303132333435363738394051单片机1.2.3单片机引脚及功能1-8：P1.0-P1.7输入/输出脚，P1并行口9：RST/Vp复位/备用电源输入，正常工作时，RST输入时间24个时钟周期高电平，完成系统复位10-17：P3.0-P3.7输入/输出脚，P3并行，每个引脚都有第二功能18-19：XTAL1,XTAL2连接外部振荡电路20：GND接地21-28：P2.0-P2.7输入/输出脚，P2并行口29：PSEN*访问外部程序存储器时，负脉冲作为读选通信号OE*30：ALE/PROG*访问外部存储器时ALE锁存地址的低8位，PROG*编程脉冲输入端，访问外部数据存储器时，fALE=1/12fosc，否则fALE=1/6fosc31：EA*/Vpp内、外程序存储器选择信号，EA*=1，访问内部程序存储器，PC0FFFH（4KB）时转入外部程序存储器；EA*=0，只能访问外部程序存储器，Vpp为编程电压32-39：P0.0-P0.7输入/输出脚40：Vcc电源关于P0、P1、P2、P3说明1、不访问外部存储器时，作为四个普通的并行I/O口使用。2、访问外部存储器时，P0、P2输出16位地址，P0输出低8位地址，由ALE锁存；数据通过P0口传送。3、P1口只能作为输入/出口使用。4、P3通常使用第二功能。P3.0RXDP3.4T0P3.1TXDP3.5T1P3.2INT0P3.6WRP3.3INT1P3.7RD1.351单片机内部结构1.3.151单片机的CPU结构MCS-51系列的8051单片机内部结构如图内部总线CPU时钟电路P0P3P2P1TXDRXDINT0INT1并行接口串行接口中断系统定时/计数器RAMROMT0T1通道0驱动器RAMROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器缓冲器PC递增器程序计数器PCDPTR指针GND堆栈指针SPACCPSW通道3锁存器SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑振荡器RSTALEPSENXTAL2XTAL1ALURAM地址锁存器通道2锁存器Vcc21定时和控制逻辑P1.0～P1.7P3.0～P3.7P0.0～P0.7P2.0～P2.7通道0驱动器通道3驱动器通道0锁存器通道1锁存器通道1驱动器+5VTMP2TMP1EA指令寄存器指令译码器中央处理器（CPU）主要由算术逻辑单元、控制器部件和寄存器三部分电路组成。CPU是整个单片机的核心部件，实现了运算器和控制器的功能，具体介绍如下：1.算术逻辑单元（ALU）一个加法器、两个8位暂存器、布尔处理器完成各种算术和逻辑运算2.定时控制部件定时控制逻辑、指令寄存器、振荡器3.专用寄存器组专用寄存器组包括程序计数器PC、累加器A、程序状态字（PSW）寄存器、堆栈指示器SP寄存器、数据指针DPTR和通用寄存器B。（1）程序计数器PC16位，存放下一条要执行指令的地址，指令执行后自动加1。（2）累加器A8位，存放操作数和运算结果，使用最频繁。（3）程序状态字（PSW）8位，存放指令执行后的状态位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0符号CyACF0RS1RS0OV--PCy：进位借位标志AC：辅助进位借位标志F0：用户自定义标志RS1、RS0：寄存器组选择标志51单片机有4个寄存器组，每组有8个工作寄存器R0-R7RS1、RS0寄存器组号R0-R7地址00000H-07H01108H-0FH10210H-17H11318H-1FHOV：溢出标志运算结果超过8位二进制数所能表示数据范围（有符号数：-128--+127）PSW.1：未定义标志P：奇偶标志运算结果中1的个数的奇偶性，奇数P=1，偶数P=0。（4）堆栈指针SP栈顶在内存RAM中的位置，决定堆栈区大小和位置。入栈PUSH，出栈POP。（5）数据指针DPTR(DataPointer)16位，由2个8位寄存器DPH和DPL组成，用来存放访问片内ROM、片外RAM和片外ROM的地址。（6）通用寄存器B8位，专门为乘法和除法指令所用，存放乘数、除数，乘积、余数1.3.2存储器结构MCS-51单片机的存储器特点是将程序存储器和数据存储器分开编址，并有各自的寻址方式和寻址单元。对存储器的划分在物理上分为4个空间，片内ROM、片外ROM、片内RAM和片外RAM，其结构示意图如下：其中ROM存储器地址空间有片内ROM和片外ROM，其地址范围为0000H~FFFFH；片内RAM地址空间的地址范围为00H~FFH；片外RAM地址空间的地址范围为0000H~FFFFH。位寻址区1FH2FH7FHFFH外部ROM内部ROM（EA=1）0FFFHFFFFHFFFFH内部数据存储器（RAM）外部数据存储器（RAM）程序存储器（ROM）工作寄位寻址区(00～7F)存器区(0～3)用户区80H30H20H00H特殊功能寄存器通用ＲＡＭ区0000H1000H0000H外部ROM（EA=0）0FFFH0000H外部RAM(I/O口地址）1．程序存储器ROM程序设计人员编写的程序就存放在程序存储器中。单片机重新启动后，程序计数器PC的内容为0000H，所以系统将从程序存储器的地址为0000H单元处开始执行程序。但是考虑到中断系统的应用，用户程序一般不是从0000H处开始连续存放，因为接下来的一段程序区要用来存放中断向量表，所以用户不能占用。要求地址分配如下：0000H存放转移指令，跳转到主程序。0003H外部中断0的中断地址区。000BH定时/计数器0中断地址区。0013H外部中断1的中断地址区。001BH定时/计数器1中断地址区。0023H串行通信中断地址区。用户程序一般从0030H处开始，而在0000H处放置一条跳转指令，这样单片机复位后能从0000H处跳转到用户的主程序。2．片内RAMMCS-51的片内RAM存储器共有128字节，可分为4个区域，分别特殊功能寄存器区、用户区、位寻址区和工作寄存器区。（1）工作寄存器区从00H—1FH为4组工作寄存器区，每组占用8个RAM字节，记为R0~R7。工作寄存器组的选择由程序状态字PSW中的RS1~RS0位确定。（2）位寻址区（P11表1.3.3）从20H~2FH为位寻址区，16个字节的128位可以单独操作，可对每一位进行读取或写操作。每一位都有其自身位地址00H~7FH与之对应。（3）用户区从30H-7FH，用户区共80个RAM单元，用于存放用户数据或作堆栈区使用，用户区中的存储区按字节进行存取。不能位寻址。特殊功能寄存器（SFR）21个，分布在80H-FFH地址中。（P12表1.3.4）（1）ALU相关SFR累加器A，通用寄存器B，程序状态字PSW（2）指针相关SFR堆栈指针SP，数据指针DPTR（3）中断相关SFR中断允许寄存器IE，中断优先级寄存器IP（4）端口相关SFR并行端口P0、P1、P2、P3，PCON（电源控制及波特率选择寄存器），SCON（串口控制寄存器），SBUF（串行数据缓冲寄存器）（5）定时器/计数器相关SFRTCON（定时器/计数器控制寄存器），TMOD（定时器/计数器工作方式寄存器），TL0、TH0、TL1、TH13．片外RAM如果片内RAM容量太小，不能满足系统需求时可以外接RAM，但外部RAM大小不能超过64KB，因为8051的寻址范围为64KB。1.3.3I/O端口结构I/O端口是单片机控制外围设备的重要接口，是和外设进行信息交换的主要途径。I/O端口有串行口和并行口之分。并行口一次可以传送一组二进制数据（如8位），而串行口一次只能传送一位二进制数，传送多位数据时要分段发送。（1）并行I/O端口8051有4个并行I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3，每个端口都有双向I/O功能，可以从端口读取数据和向端口写入数据。（见片12）（2）串行I/O端口8051具有一个全双工的可编程串行口，可以实现８位并行数据的串行发送和接收。在使用串行口之前必须对其初始化，即对PCON及SCON寄存器进行设置。1.3.4定时／计数器8051具有两个16位定时器/计数器T0和T1，分别与2个8位寄存器TL0、TH0及TL1、TH1对应。8051的定时器/计数器可以工作在定时方式和计数方式。定时方式定时方式实现对单片机内部的时钟脉冲或分频后的脉冲进行计数。计数方式实现对外部脉冲的计数。定时器/计数器将在以后的章节中具体讲解。1.3.5中断系统8051有5个中断源，有两个中断优先级控制，可实现中断服务嵌套。两个外部中断INT0、INT1，两个定时器中断T0、T1，还有一个串行中断。中断的控制由中断允许寄存器IE和中断优先级寄存器IP实现。1.451单片机工作方式1.4.1复位方式在51单片机中，最常见的复位电路有如图1.4.1所示的上电复位和手动复位电路MCS-51VCCVCCRESETVSS22F1kMCS-51VCCVCCRES