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1、单片机原理及其应用扬州大学 单片机原理接口及其应用 (Principle and Application of Single Chip Microcomputer) 1 单片机原理及其应用扬州大学 第1章 概述 第2章 MCS-51单片机硬件结构 第3章 MCS-51寻址方式和指令系统 第4章 MCS-51汇编程序设计 第5章 中断系统 第6章 定时器/计数器及串行口 第7章 存储器扩展 第8章 接口电路扩展 第9章 应用举例 2 单片机原理及其应用扬州大学 第2章 MCS-51单片机硬件结构 2.1 MCS-51单片机基本结构 2.2 MCS-51的引脚功能 2.3 MCS-51的CPU 2
2、.4 MCS-51的存储器结构 2.5 并行IO口结构 2.6 时钟电路与时序 2.7 复位操作与复位电路 3 单片机原理及其应用扬州大学 2.1 MCS-51单片机基本结构 图2-1 MCS-51单片机基本结构示意图 4 单片机原理及其应用扬州大学 8位CPU； 振荡器和时钟电 路； 4K8K字节的程序存储器ROM或EPROM； 128256字节的数据存储器RAM； 可寻址外部程序存储器和数据存储器各64K字节 ； 21个特殊功能寄存器； 4个并行IO口 1个全双工串行IO口； 23个16位定时计数器； 56个中断源，有2个优先级，同级中断则按优 先 顺序查询 具有较强功能的位处理(布尔)能
3、力。 MCS-51单片机配置 5 单片机原理及其应用扬州大学 介绍图2-1中的各功能部件： 1.CPU（微处理器）：运算器，控制器。含位处理 2.数据存储器（RAM） 片内为128个字节（52子系列的为256个字节） 3.程序存储器（ROM/EPROM） 8031: 无此部件； 8051: 4K字节ROM； 8751: 4K字节EPROM ； 89C51:4K字节闪存。 6 单片机原理及其应用扬州大学 4.中断系统 : 5个中断源，2级优先级 5.定时器/计数器 2个16位定时计数器，有四种工作方式 6.串行口 1个全双工的异步串行口，具有四种工作方式。 7. P1口、P2口、P3口、P0口
4、为4个并行8位I/O口。 8. 特殊功能寄存器（SFR） 共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。 7 单片机原理及其应用扬州大学 2.2 MCS-51的引脚功能 40只引脚双 列直插封装 （DIP） 8 单片机原理及其应用扬州大学 44只引脚方形封装方式（4只引脚没用） 9 单片机原理及其应用扬州大学 40只引脚按功能分为3类： （1）电源及时钟引脚: Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。 （2）控制引脚：/PSEN、/EA 、ALE、RESET（RST）。 （3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的 外部引脚。 10 单片机原理及其应用扬州大学 2.2.1 电源
5、及时钟引脚 1电源引脚 （1）Vcc（40脚）：+5V电源； （2）Vss（20脚）：接地。 2时钟引脚 （1）XTAL1（19脚）：接外接晶振引脚。 如果采用外接时钟振荡器时，此引脚应接地。 （2）XTAL2（18脚）：接外部晶振的另一端。 如果采用外接时钟振荡器时，此引脚接收时钟。 11 单片机原理及其应用扬州大学 2.2.2 控制引脚 提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。 (1) RST/VPD(9脚)： 复位与备用电源。 (2) ALE/PROG（30脚）：第一功能ALE为地址锁存 允许。（可驱动8个LS型TTL负载。） /PROG为本引脚的第二功能。为编程脉冲输入 端。 (3) /
6、PSEN（29脚）：读外部程序存储器的选通信号 。(可以驱动8个LS型TTL负载。) 12 单片机原理及其应用扬州大学 (4) /EA/VPP (31脚) /EA为内外程序存储器选择控制 端。 /EA=0，单片机只访问外部程序存储器。 /EA=1，访问片内程序存储器。但在PC（程序计 数器）值超过0FFFH（对于8051、8751片内程序存储 器的4K字节地址范围）时，将自动转向执行外部程序 存储器的程序。 VPP为本引脚的第二功能。用于施加编程电压（例如+21V或 +12V）。对89C51，加在VPP脚的编程电压为+12V或+5V。 13 单片机原理及其应用扬州大学 2.2.3 I/O口引脚
7、 (1) P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线 （低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS 型TTL负载。 (2) P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负 载。 (3) P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位） 复用，可驱动4个LS型TTL负载。 (4) P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱 动4个LS型TTL负载。 14 单片机原理及其应用扬州大学 要特别注意准双向口与双向三态口的差别: (1)准双向I/O口作输入口使用时，要向该口 先写“1”； (2)准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。 15 单片机原理及其应用扬州大学 2.3 MCS-51的C
8、PU (p11) 由运算器和控制器所构成 2.3.1 运算器 对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。 1算术逻辑运算单元ALU 进行加、减；与、或、异或；循环移位，求 补等运算。 2累加器 A 使用最频繁的寄存器，有时也可写为Acc。 A的作用： （1）是ALU单元的输入之一，又是运算结果的存放 单元。 （2）数据传送大多都通过累加器A。 16 单片机原理及其应用扬州大学 3程序状态字寄存器PSW （1）Cy（C）（PSW.7）： A的高位进位标志。 Cy又是位处理机的位累加器。 （2）Ac(PSW.6)： A的辅助进位标志位，又称半字 节进位标志位。当运算结果从A的D3位产生进位或 借位时Ac
9、1 ，否则Ac0。常用于BCD码运算调 整。 （3）F0（PSW.5）：标志位 用户软件可使用的一个状态标志位。 17 单片机原理及其应用扬州大学 （4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4组工作寄存器 区选择控制位。 RS1 RS0 所选的4组寄存器 0 0 0区（内部RAM地址00H07H） 0 1 1区（内部RAM地址08H0FH） 1 0 2区（内部RAM地址10H17H） 1 1 3区（内部RAM地址18H1FH） 18 单片机原理及其应用扬州大学 （5）OV（PSW.2）：溢出标志位 指示运算是否产生溢出。OV=D7D6 各种算术运算指令对该位的影响情况较复 杂，将在第3章
10、介绍。 （6）PSW.1位: 保留位，未用 （7）P(PSW.0)：奇偶标志位 P=1，A中“1”的个数为奇数 P=0，A中“1”的个数为偶数 19 单片机原理及其应用扬州大学 2.3.2 控制器 控制器任务：识别指令，控制各功能部件，协 调 工作。 指令执行过程： 从程序存储器取指令 送指令寄存器保存 指令译码器对指令译码 译码结果送控制逻辑电路、定时控制逻辑电路 产生各种定时与控制信号，使相应部件执行对 应的操作。 20 单片机原理及其应用扬州大学 1程序计数器PC（Program Counter）(16位) 存放下一条将要执行的指令在程序存储器中的地址。 PC基本工作方式有以下几种： （
11、1）PC自动加1 （2）执行有条件或无条件转移指令时，PC将置入 新地址的数值，从而使程序的流向发生变化。 21 单片机原理及其应用扬州大学 （3）在执行子程序调用或中断调用时，完成下 列操作： PC的现行值保护入栈。 将子程序的入口地址或中断向量的地址送 入PC。 （4）在执行子程序返回或中断返回时，存入堆 栈的断点地址进入PC。 2指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路 22 单片机原理及其应用扬州大学 2.4 MCS-51存储器的结构(p17) 存储器的作用：存放程序和数据 存储器分类：RAM 和 ROM RAM存储器按其制造工艺分： 1) 双极型 RAM ：速度快、功耗大、集成度低、
12、价格贵 。 2) MOS型RAM：集成度高、价格便宜、速度低于双极 型 (1) 静态 RAM （6管） RAM。 (2) 动态 RAM （单管） 只读存储器 ROM 1) 掩膜只读存储器ROM 2) 可编程序只读存储器PROM(OTP) 3) 可擦写的只读存储器EPROM和EEPROM 4) 可擦写只读存储器FLASH ROM 23 单片机原理及其应用扬州大学 哈佛(Harvard)结构：程序与数据存储器空间独立。 存储器空间可划分为5类： 1.程序存储器 8031无内部程序存储器。8051有4K ROM,89C51有 4k FLASH ROM。 2.内部数据存储器 3.特殊功能寄存器（SFR
13、-Special Function Register） 4.位地址空间 211个可寻址位。 5.外部数据存储器 片外可扩展64K字节RAM。 24 单片机原理及其应用扬州大学 2.4.1 程序存储器 存放应用程序和表格之类的固定常数。16位地址 可寻址64k字节的存储器。 分为片内和片外两部分，由/EA引脚上所接的电平 确定。 程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址 5个地址单元具有特殊用途 表2-1 5种中断源的中断入口地址 外中断0 0003H 定时器T0 000BH 外中断1 0013H 定时器T1 001BH 串行口 0023H 25 单片机原理及其应用扬州大学 程序存储器地
14、 址空间 26 单片机原理及其应用扬州大学 2.4.2 内部数据存储器 128个字节地址为00H7FH。 00H1FH：32个单元是4 组通用工作寄存器区。 20H2FH：16个单元可 进行共128位的位寻址。 30H7FH：用户RAM区 ，只能进行字节寻址，用 作数据缓冲区以及堆栈区 。 27 单片机原理及其应用扬州大学 2.4.3 特殊功能寄存器（SFR） CPU对各种功能部件的控制采用特殊功能寄存器 集中控制方式，共21个,占用空间80HFFH。 表2-2(P21)是SFR的名称及其分布。 28 单片机原理及其应用扬州大学 有的SFR可进 行位寻址,其 字节地址的 末位是0H或 8H。
15、29 单片机原理及其应用扬州大学 1堆栈指针SP 指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置。 复位后，SP中的内容为07H。 （1）保护断点 （2）现场保护 （3）其它 堆栈向上生长。 2. 数据指针DPTR 高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器 用DPL表示。 3. I/O端口P0P3 P0P3分别为I/O端口P0P3的锁存器。 30 单片机原理及其应用扬州大学 4.寄存器B 为执行乘法和除法操作设置的。 在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存 器来使用。 5.串行数据缓冲器SBUF 存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物 理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲 器，另一个是
16、接收缓冲器。 6.定时器/计数器 两个16位定时器/计数器T1和T0，各由两个独立 的8位寄存器组成： TH1、TL1、TH0、TL0，只能字 节寻址，不能把T1或T0当作一个16位寄存器来寻 址访问。 31 单片机原理及其应用扬州大学 2.4.4 位地址空间 51单片机内含布尔处理器，即位处理器 。 它包含位累加器（Cy)，位寻址寄存器，位寻 址I/O口, 位寻址内部RAM, 位寻址指令系统。 211个（128个+ 83个）寻址位。 内部RAM的可寻址位是128个(字节地址20H 2FH)见表2-3（P24）。 特殊功能寄存器SFR为83个可寻址位，见表2-4 （P24）。 32 单片机原理及其应用扬州大学 表2-3 33 单片机原理及其应用扬州大学 表2-4 34 单片机原理及其应用扬州大学 2.4.5 外部数据存
