51单片机系统

MCS-51系列单片机简介概述MCS－51系列单片机的结构与引脚MCS－51系列单片机的存储器配置MCS－51系列单片机的中断与定时本章小结、概述一般结构单片机的分类单片机的主要性能和特点。一般结构单片机是在一块芯片上不仅集成了微型计算机的核心--微处理器CPU、存放数据和程序的存储器（ROM和RAM）、总线，而且包含了微型计算机中的各种接口芯片（中断控制器、定时器/计数器、并行接口和串行接口等），因此相对微型计算机来说，它是一个集成度更高的芯片，可以说，一个单片机芯片就是一台微型计算机。单片机的分类单片机通常分为两大类：一类为通用单片机，其构成相对简单一些，应用范围较广，适应性较强，但应用时常需要进一步开发；另一类为专用单片机，它是针对一定的特殊应用场合而设计的单片机，它的运算速度快，精度高，有专门的16×16位乘法器，完成一次乘法只要200ns，专用单片机的适应性不如通用单片机强。MCS－51系列单片机（一）MCS-51系列单片机是美国Intel公司1980年以后推出的新产品。其性能超过了MCS-48系列单片机。该系列有三种形式，根据片内的程序存储器的不同有以下三种产品型号，8051（片内有4KBROM），8751（片内有4KBEPROM）和8031（片内无ROM和EPROM）。该系列单片机位寻址能力强，具有全双工串行I/O口线，可以很方便地进行远距离通信。特别是8031价格很低，开发容易，目前在各个领域得到了广泛应用。改进型的8052AH，8032AH内的ROM和RAM各增加了一倍（ROM为8KB，RAM为256B），还增加了一个定时/计数器，增加了一个中断源。MCS－51系列单片机（二）除此之外，MCS-51系列还有CMOS型产品，例如：80C51，87C51，80C31BH等。其功能与8051完全兼容，特点是功耗低，抗干扰能强，得到了广泛应用。51单片机的主要资源内部程序存储器ROM(以89C51为例)：4K的存储容量；内部数据存储器RAM：256B(128B的RAM+21B的SFR)；寄存器区：设有4组寄存器，每组有R0-R7八个工作寄存器；8位并行输入输出端口：P0、P1、P2和P3；定时/计数器：2个16位的定时/计数器；串行口：全双工的端口（RXD：接收端，TXD发送端）；中断系统：设有5个中断源；系统扩展能力：可外接64K的ROM和64K的RAM；MCS－51系列单片机的结构与引脚内部结构引脚说明内部结构MCS-51单片机系统内部由8个部件组成，即微处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、I/O口（P0、P1、P2、P3）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器SFR等。(下图是8051的结构框图）MCS-51引脚说明P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0/PSENALE/EA/RSTAD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0A15A14A13A12A11A10A9A8RDWRT1T0INT1INT0TXDRXD地址总线（低8位）数据总线双向I/O端口地址总线（高8位）双向I/O端口双向I/O端口双向I/o端口8051结构框图振荡器及时序CPUROM/EPROMRAM2X16位定时器/计数器可编程全双工串行控制器64KB总线扩展控制控制并行口数据/地址总线串行通信计数器外部时钟源可编程接口外部中断内部中断引脚说明MCS-51系列单片机的封装有两种：a.40脚的双列直插DIP封装；b.44脚的PLCC。44脚的封装有四个NC(空）引脚。对外有40条引脚线，其中2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条复用的引脚，32条I/O引脚。主电源引脚:Vcc(+5V---40脚)和Vss(GND20脚);外接晶体引脚：XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚），只要在这两个引脚之间接入一个晶体振荡器，单片机就可以以此晶体的频率开始工作。常用的晶体频率有0-24MHZ，频率越高，单片机的工作速度就越快，但单片机的功耗就要增加。时钟电路单片机通过外接晶体的引脚XTAL1和XTAL2与8031片内的反相放大器构成振荡电路。内部方式产生时钟信号:利用单片机内部的反相器作振荡电路，利用外接晶体作定时单元（如右图a）.外部方式产生时钟信号（如右图b）所示。通常产生0-20MHz的方波.复用引脚（一）复用引脚：RST/Vpd、ALE/PROG、/PSEN和/EA/VddALE/PROG（30脚）：ALE在每个机器周期内输出两个高脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址。/PSEN（29脚）：外部程序程序存储器的选通信号。当单片机使用外部程序存储时，每个机器周期内该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。注意：在访问外部数据存储器期间，/PSEN信号将不出现。复用引脚（二）/EA/Vdd（31脚）：/EA为外部程序存储器的选择控制端：当此脚加入高电平时，单片机使用内部的程序存储器；当EA加入低电平时，系统只使用外部的程序存储器。但要特别注意：在EA=1时使用单片机内部的程序存储器，此时如果程序计数器PC的值超过0FFFH时，单片机将自动转向外部程序存储器1000H开始的单元。复用引脚（三）RST/Vpd（9脚）：RST即为RESET,Vpd为备用电源。当单片机振荡器开始工作时，在此引脚上只要出现10ms以上的高电平，单片机就实现复位。但为了使系统复位可靠，建议外加一个上电复位电路，延长复位的时间。当Vcc发生故障时，此引脚可以接入备用电源Vpd向单片机内部的RAM供电，以防止RAM中的数据丢失。复位电路（一）MCS-51RSTVccMCS-51RSTVcc1K10ΩtVT延长上电复位时间的电路和RST端上电电压曲线具有手动复位功能的复位电路RC复位电路（二）当振荡器运行时，在RST/VPD引脚上会出现两个周期的高电平将使单片机复位，复位后内部寄存器的状态如右表所示。复位电路在单片机应用系统中是非常重要的。如果复位电路不可靠，可能造成整个系统不能正常工作。并行输入输出端口引脚（一）P0.0-P0.7P0端口线(39-32脚)：输出能力最强的端口，可以带动8个TTL负载。驱动一个MOS负载时，应接一个1K左右的上拉电阻。如果系统使用外接存储器时，该口还作为地址（低八位）总线和数据总线，注意在这种情况下，P0口就不能通用的I/O端口。P1.0-P1.7P1端口线(1–8脚)：负载能力为4个TTL负载。并行输入输出端口引脚（二）P2.0–P2.7P2端口线(21–28脚)：通用I/O端口。除了做通用I/O端口外，当系统使用外接存储器时，该口还作为地址（高八位）总线，在这种情况下，P0口就不能通用的I/O端口。负载能力为4个TTL。P3.0–P3.7P3端口线（10–17脚）：P3口除了做通用的I/O端口外，同时它还有第二功能），负载能力为4个TTL。并行输入输出端口引脚（三）口线定义说明口线定义说明P3.0RXD串行数据输入口P3.4T0计数器０外部输入信号P3.1TXD串行数据输出口P3.5T1计数器１外部输入信号P3.2INT0外部中断０输入口P3.6/WR外部数据存储器写信号P3.3INT1外部中断１输入口P3.7/RD外部数据存储器读信号P3口第二功能表MCS－51系列单片机的存储器配置（一）在MCS-51单片机的内部集成了4K的程序存储器和256B的数据存储器，同时还可以使用片外的程序存储器和数据存储器，其扩展能力都是64K。从物理结构的角度讲，51单片机的存储系统可以分为四个存储空间：既片内ROM，RAM和片外ROM、RAM。从逻辑上讲（即用户编程的角度讲）51单片机的存储系统又可分为三个存储空间。既片内RAM，片外RAM和片内、外的程序存储器ROM。MCS－51系列单片机的存储器配置（二）通常片外数据存储器是根据自己的实际使用情况来配置。最大可配置64KB，如果在使用片内RAM48～128单元就能满足需要的情况下，也可以不配置外部数据存储器。MCS－51系列单片机的存储器配置（三）1.程序存储器是用来存放编好的程序、常数和表格的。2.在MCS-51单片机中，当引脚EA=1时，系统使用片内的4KROM来存储程序。EA=0时，系统使用片外的ROM。3.无论是使用片内还是使用片外的ROM（既EA=1或EA=0），其起始地址都是从0000H单元开始。MCS－51系列单片机的存储器配置（四）4.如果EA=1（使用片内的程序存储器时）：程序从0000H开始执行。注意：在这种情况下，如果程序计数器的指针PC值超过0FFFH（4K）时，单片机就要自动的转向片外的ROM存储器（尽管EA=1），且从片外ROM的1000H单元开始执行程序。但单片机是无法使用片外ROM的0000H-0FFFH这4K单元。MCS－51系列单片机的存储器配置（五）片内、外程序存储器的使用示意图0FFFH0000H0FFFH0000HFFFFH1000HEA=1时，ROM的使用EA=0时ROM的使用片外程序存储器（最大64K）单片机内部程序存储器（4K）MCS－51系列单片机的存储器配置（六）在程序存储器中，有六个单元是具有特定功能。编程者是不能随便使用的。0000H单元：上电时，程序计数器PC所指向的单元0003H单元：外部中断/INT0的入口地址；000BH单元：定时器T0的溢出中断入口地址；0013H单元：外部中断/INT1的入口地址；001BH单元：定时器T1的溢出中断入口地址；0023H单元：串行口接收、传送的中断入口地址。MCS－51系列单片机的中断与定时中断系统定时/计数系统中断系统（一）所谓中断控制，指的是在通常情况下，单片机执行自己的主程序，只有当外设发出中断请求时，单片机才停止执行主程序，而去执行处理中断子程序，在中断子程序结束后，又回到原来执行的主程序。MCS-51单片机共提供5个中断源。其中2个为外部中断请求INT0和INT1；2个为片内定时/计数器溢出中断请求TF0和TF1；1个为片内串行口中断请求TI或RI。中断系统（二）以上的五个中断请求源分别由下面四个专用寄存器的相应位管理与控制：定时器/计数器控制寄存器TCON中断允许寄存器IE中断优先级控制寄存器IP串行口控制寄存器SCON中断系统（三）由于IP寄存器的设定，将5个中断源分为两个级别。中断的发生将遵循下面的3条基本原则：1，低级中断在响应执行中，可以被高级中断所中断，反之则不能。2，一个中断（不论是什么优先级）一旦得到响应，与它同级的中断则不能在中断它。3，当CPU同时收到几个同一级别的中断要求时，CPU响应哪个中断源取决于硬件的查询顺序中断系统（四）在同一优先级里，由查询次序确定的优先级别称为“同级内的优先级”。同级优先级排列如下图所示：中断系统（五）当CPU执行关中断指令（或复位），将屏蔽所有的中断请求，只有当CPU执行开中断指令后，才有可能接受中断申请。通过对中断允许寄存器（IE）编程，可以控制中断源是允许中断（或禁止中断），通过对中断优先级控制寄存器（IP）编程，可以指定中断源的优先级。外部中断在MCS-51引脚上有：INT0、INT1两个外部的中断输入，作为外部事件的触发信号。CPU在每一个机器周期对它们进行一次检测。系统设定了两种触发方式：边沿触发（下降沿）和电平触发（低电平）。具体由TCON中的IT0、IT1位来确定。定时/计数系统（一）MCS－51系列单片机中有2个16位的定时器/计数器T0和T1,它们各自由两个独立的8位专用寄存器组成，即TH0、TL0和TH1、TL1.这四个寄存器可以分别独立编程。T0和T1即可用作定时器，也可以用于对外部事件（脉冲）计数，还可用作串行