第1章51单片机基础知识共40页

51单片机原理及应用朱方综合楼918sky050607sina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1.1单片机概述单片机SCMC（SingleChipMicroComputer）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，是典型的嵌入式微控制器。单片机系统1.1.1单片机的发展历史第一阶段（1976~1978年）：低性能单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表，采用了单片结构，即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。主要用于工业领域。第二阶段（1978~1982年）：单片机完善阶段。这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。这类单片机的应用范围较广，并在不断的改进和发展。1.1.1单片机的发展历史第三阶段（1982~1990年）：16位单片机阶段。16位单片机除CPU为16位外，片内RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。例如Intel公司的MCS-96主振频率为12M，片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。第四阶段（1990年~）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。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。805180528952...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；（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1.1.3单片机的实际应用l．家用电器领域国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。2．办公自动化领域比如一台PC机可能嵌入了10个单片微机，如控制键盘、鼠标、显示器、CD-ROM、声卡、打印机、软/硬盘驱动器、调制解调器等。现代办公室中所使用的大量通信、信息产品，如绘图仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。1.1.3单片机的实际应用3．工业自动化领域的在线应用如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系统。而其中每一个小系统都是由单片微机进行控制的。4.智能仪器仪表与集成智能传感器领域应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行“更新换代”，提供了非常理想的的条件。目前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统，使测量系统具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音功能等。1.1.3单片机的实际应用5．汽车电子与航空航天电子系统通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等，都要构成冗余的网络系统。比如一台BMW-7系列宝马轿车就用了63个单片微机。单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。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(如下）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单片机双列直插式封装及引脚方形封装及引脚1.351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RAMROMT0T18051单片机内部结构通道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单片机内部结构图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）2.定时控制部件3.专用寄存器组（1）专用寄存器组包括程序计数器Pc（2）累加器A（3）程序状态字（PSW）寄存器（4）堆栈指针SP（StackPointer）（5）数据指针DPTR(DataPointer)（6）通用寄存器B程序计数器PC（ProgramCounter）PC用于存放CPU下一条要执行的指令地址,是一个16位的专用寄存器,可寻址范围是0000H~0FFFFH共64KB。程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元,并都有自己的存放地址。CPU要执行哪条指令时,就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。在顺序执行程序中,当PC的内容被送到地址总线后,会自动加1,即(PC)←(PC)+1,又指向CPU下一条要执行的指令地址。累加器A一个8位二进制寄存器，用来存放操作数和运算结果。使用最频繁的寄存器。mova,#3adda,#2程序状态字PSWCyACF0RS1RS0OV_PD7D6D5D4D3D2D1D0Cy(Carry):进位AC(AuxiliaryCarry):辅助进位F0(Flag):用户标志RS1、RS0：寄存器组选择控制位OV(Overflow):溢出P(Parity):奇偶标志RS1RS0寄存器组片内RAM地址通用寄存器名称000组00H~07HR0~R7011组08H~0FHR0~R7102组10H~17HR0~R7113组18H~1FHR0~R7堆栈指针SP（StackPointer）堆栈操作是在内存RAM区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一种工作方式,主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回,它在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回,进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。SP用来指示堆栈所处的位置,在进行操作之前,先用指令给SP赋值,以规定栈区在RAM区的起始地址（栈底层）。当数据推入栈区后,SP的值也自动随之变化。MCS-51系统复位后,SP初始化为07H。数据指针寄存器DPTR数据指针DPTR是一个16位的专用寄存器,其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个16位寄存器DPTR来处理,也可作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL来处理。DPTR主要用来存放16位地址,当对64KB外部数据存储器空间寻址时,作为间址寄存器用。在访问程序存储器时,用作基址寄存器。movxa，dptr访问外部数据存储器movca，a+dptr访问程序存储器通用寄存器B专门为乘法和除法而设置的二进制8位寄存器。用来存放乘数和除数，运算后用来存放乘积的高8位或除法的余数。mulab乘法divab除法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。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）单片机的存储器结构图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256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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