51单片机教程

第1章单片机系统概述主讲：朱兆优本章学习要点：(1)单片机和嵌入式系统的概念，单片机与PC机的区别和联系；(2)单片机的发展历程、趋势和应用领域；(3)单片机的分类、主要特性、主要生产厂家、常用系列和主要芯片型号。第1章单片机概述单片机产生于20世纪70年代。单片机的特点：体积小，重量轻，抗干扰能力强，对运行环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好。单片机已广泛应用在：工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等方面。1、什么是计算机？(CPU、RAM、ROM、I/O)2、什么是单片机？剪裁计算机的功能部件后在一块半导体硅片上集成如下部件的芯片称为单片机：(1)微处理器(CPU)(2)存储器(RAM、ROM或EPROM)(3)各种输入、输出接口1.1什么是单片机3、单片机具有一台计算机的属性。也称为：微控制器MCU(MicroControllerUnit)嵌入式控制器EMCU（EmbeddedicroControllerUnit）在我国，习惯使用“单片机”这一名称。4、单片机的组成结构1.2单片机的发展概况五个阶段:第一阶段(1974年～1976年)：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较简单。第二阶段（1976年～1978年）:低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表。第三阶段(1978年～现在)：高性能单片机阶段。Intel公司的MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。第四阶段(1982年～现在)：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。第五阶段（1990至今）：微控制器的全面发展阶段。Intel公司单片机系列典型产品：MCS-48（8035、8048、8748）MCS-51（8031、8051、8751）MCS-52（8032、8052、8752）MCS-96（8098、8398、8798）注意：这些产品在实际应用中已经淘汰，但其原理尚存，并继续发扬光大。1.3单片机的特点：1．小巧灵活、成本低、易于产品化2．面向控制，完成各种控制任务3．抗干扰能力强，适应温度范围宽4．可以很方便地实现多机和分布式控制1.48位单片机的主要生产厂家和机型（1）美国Intel公司MCS-51系列及其增强型、扩展型系列。（2）中国STC宏晶科技的STC89C系列和STC12xxxx（3）台湾Winbond的W78C52和W78C54系列（4）美国Atmel公司AT89和AT90系列以及PIC系列、MSP430系列、C8051F系列等等。51系列单片机在我国广泛应用；8051单片机品种多、兼容性好、性价比高；51系列的软、硬件设计资料丰富齐全；51系列单片机及其衍生兼容机型仍将是主流产品，是现代工业检测、控制应用的重要机型。MCS-51系列单片机的演绎20世纪80年代后期:Intel公司以专利的形式把8051内核技术转让给厂家。这些厂家生产的兼容单片机，与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺。如：AMTEL、PHILIPS、ANALOGDEVICES、DALLAS公司。不应直接称8051单片机为MCS-51系列单片机。MCS只是特指Intel公司生产的单片机的符号,即MCS-51系列。80C51系列：所有的具有8051指令系统的单片机，带C的是低功耗型。按字长分：4位、8位、16位和32位单片机。在8位单片机家族中，主流产品有：（1）80C51内核（2）Motorola内核（3）PIC内核的单片机。1.58位单片机介绍1、增强型STC单片机STC是2005年推出中国本土的第一款具有全球竞争力的、且与MCS-51兼容的STC单片机。主要产品型号：STC89C51RC、STC89C52RC、STC89C53RCSTC12C5201、STC12C5201AD、TC12C5201PWM1.5.180C51单片机介绍2、NXP增强型单片机Philips公司的P89LPC900系列是采用了增强型80C51内核制造而成的增强高档型单片机。主要产品型号：P89LPC9321、P89LPC936、P89LPC938P89C51、P89C523．AVR高速型单片机是ATMEL公司于1997年由A先生和V先生结合Flash技术，推出全新配置的精简指令集（RISC）8位单片机。主要产品型号有：ATtiny13，ATtiny24、AT90S8535、ATmega8。4．C8051Fxxx系列高速单片机是Cygnal公司推出的、与8051指令集兼容的单片机，弥补了8051系列单片机的速度慢、内部资源少的不足。如：C8051F120--4KRAM、128KROM、8个I/O口、12位A/D、100引脚C8051F022--4KRAM、64KROM、8个I/O口、12位A/D、100引脚C8051F023--4KRAM、64KROM、4个I/O口、10位A/D、64引脚5．专用型针对某一种产品或某一种控制应用而专门设计的，设计时已使结构最简，软硬件应用最优，可靠性及应用成本最佳。例如：电子表、电话机、电视机和空调里的就嵌入了一种专用型单片机。1.5.2Motorola内核的单片机Motorola公司是世界上最大的单片机厂商之一。1、MC68HC05采用HCMOS工艺制造，是一种高性能、低功耗的8位单片机。2、MC68HC08系列单片机是在MC68HC05的基础上进行改进后的8位单片机。1.5.3PIC内核的单片机PIC系列单片机是美国Microchip微芯公司的制造的另一款8位单片机。特点：1、采用RISC指令集2、33条指令，指令最短执行时间160ns3、指令系统和开发工具与8051系列不同。主要有：PIC16C5X、PIC16CXX、PIC17CXX和PIC18CXXX系列1.5.4其他公司8位单片机1、MDT20xx系列单片机2、日本TOSHIBA的4位机、8位机3、Zilog公司的单片机Z84、EPSON公司的单片机5、NS公司的COP8单片机6、先锋Chipcon公司推出了全新概念的新一代ZigBee无线单片机CC2430/CC24317、富士通单片机MB89P935C。等等1.616位和32位单片机系列介绍1.6.116位单片机是高性能单片机。主要有：1、凌阳16位单片机2、TI公司的MSP430C系列（极低功耗的单片机）3、PIC18CXXX系列单片机。1.6.232位单片机32位单片机又称嵌入式处理器，是面向特定应用，隐藏于应用系统或电子产品内部的专用计算机。主要有：Philips公司的LPC2220系列SAMSUNG公司的S3C44B0X系列IBM公司的PowerPC系列MIPS公司的MIPS系列Sun公司的SparcARM公司的ARM系列嵌入式处理器。1.7单片机的发展趋势1．改进CPU结构2．低电压、低功耗CMOS化3．改善存储器性能4．改进I/O口性能5．外围电路内装化6．主流与多品种共存7．片内ROM中固化应用软件和系统软件1.8单片机的应用单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。使用温度：民品：0°C—+70°C工业品：-40°C—+85°C军品：-65°C—+125°C。在下述的各个领域广泛的应用：1、测控系统2、智能仪器仪表3．消费类电子产品4．机电一体化产品5．武器装备6．终端及外部设备智能接口7．通信技术8．多机分布式系统1.9单片机技术主要网站介绍STC单片机（）周立功单片机（）C51BBS论坛（）中国电子网（）嵌入式公社（）电子技术应用（）单片机爱好者（）超简单单片机学习网（）中源单片机（单片机的体系结构主讲朱兆优本章学习要点：(1)8051单片机特点、内部结构及片内各组成部件的功能作用；(2)8051单片机引脚名称、功能和控制信号、三总线的组成；(3)单片机的存储结构，程序存储器、数据存储器、特殊功能寄存器的编址和地址空间分配，单片机堆栈的特点、程序状态字PSW各位的含义；(4)单片机工作时序、时钟电路、复位电路工作原理；机器周期、指令周期的计算方法；I/O的结构功能特点，单片机的工作模式。2.18051单片机内部结构八大功能部件：（1）微处理器（8位CPU）（2）程序存储器（ROM、EPROM或Flash等）（3）数据存储器（RAM、E2PROM）（4）四个8位并行可编程I/O端口（P0、P1、P2、P3）（5）一个串行口（UART）（6）两个16位定时器/计数器（T0/T1）（7）中断系统（含５～8个中断源、2个优先级）（8）特殊功能寄存器（SFR）还包含：时钟振荡器、总线控制器和供电电源此外，有的还有其它功能部件，如：A/D、D/APWM、PCAWDTSPI、I2C、ISP、IAP8051单片机内部结构图2.28051单片机芯片引脚功能单片机芯片双列直插封装方式引脚图2.28051单片机芯片引脚功能单片机芯片方形封装方式引脚图2.28051单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能1．主电源引脚（1）GND接地（2）VCC正常操作时为十5V电源。2．时钟电路引脚（1）XTAL1：（2）XTAL2：3．控制线与电源复用引脚（1）RST/VPD：RST是复位信号，高电平有效。VPD为第二功能，即备用电源输入端。（2）ALE/PROG：ALE为地址锁存允许信号输出引脚。PROG为编程信号，第二功能，低电平有效。（3）PSEN：片外ROM选通信号输出端，低电平有效。（4）EA／VPP：EA为内部和外部ROM控制端当EA＝1时，从内ROM开始访问当EA＝0时，只访问外部ROMVPP是编程电源输入端4．并行输入/输出引脚（1）P0口：P0.0～P0.7统称为P0口（2）P1口：P1.0～P1.7统称为P1口（3）P2口：P2.0～P2.7统称为P2口（4）P3口：P3.0～P3.7统称为P3口P3口每一位可用作第二功能，而且P3口的每一条引脚都可以独立设置为第一功能的I/O口功能和第二功能。2.38051中央处理器单片机的CPU是完整的1位微计算机。这个1位微计算机包含CPU、位寄存器、I/O口和指令集。CPU内部包含：1、运算器2、控制器3、存储器。2.3.1运算器运算器包含：1.算术逻辑运算单元ALU---算术运算、逻辑运算2.累加器A---相当于数据加工厂3.位处理器---位运算4.BCD码修正电路---十进制数的运算处理5.PSW---记录程序运行状态2.3.2控制器单片机的指挥部件，主要任务是识别指令，控制各功能部件，保证各部分有序工作。主要包括指令寄存器、指令译码器、程序计数器、程序地址寄存器、条件转移逻辑电路、时序控制逻辑电路。1、指令、指令译码及控制器指令---就是完成某项操作的命令。指令译码---对指令进行解析和翻译控制器---发出相应的控制信息，指挥运算器和存储器协同完成指令所要求的操作。例如：下面是单片机的一条指令：0010010100110000(A)+(30H)该指令是加法指令,指令占2字节2、指令集和指令助记符指令译码器所能解析系统在设计时规定的。为直观表达，用指令助记符表示。例如，上面的加法指令的助记符为：ADDA，30H3、程序及程序计数器PC什么叫计算机程序：为完成一个完整的运算任务，按照执行步骤用计算机指令编写的指令集合。执行程序指示：地址由PC指示。执行程序时，在计算机控制器的控制下，取指令装置会按PC的指向从存储器中读出第一条指令并译码，执行指令所要求的操作。2.3.3程序执行过程执行程序线路实际