《单片机应用技术》第2章

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1、第2章 单片机的结构原理与简单应用,教学目的,了解单片机的内部结构与主要型号。 掌握单片机引脚信号功能定义。 掌握单片机的存储器空间分配及各I/O口的特点。 掌握单片机的复位电路、时钟电路及指令时序。 利用单片机的I/O口实现循环灯的控制。,学习重点和难点,单片机的结构特点。 存储器配置与空间的分布。 程序状态寄存器(PSW)。 单片机的指令时序。,第2章 单片机的结构原理与 简单应用,2.1 单片机的结构与原理 2.2 单片机的存储器 2.3 单片机的输入/输出端口 2.4 时钟电路 2.5 复位电路 2.6 常用单片机功能简介 本章小结 习题,2.1 单片机的结构与原理,2.1.1 805

2、1单片机的基本组成 2.1.2 8051单片机的内部结构 2.1.3 8051单片机的引脚及功能 2.1.4 单片机的工作原理,2.1.1 8051单片机的基本组成,MCS-51是美国Intel公司的8位高档单片机系列，也是我国目前应用最为广泛的一种单片机系列。8051/80C51是整个MCS-51系列单片机的核心，该系列其他型号的单片机都是在这一内核的基础上发展起来的。 MCS-51单片机系列分为51和52子系列，并以芯片型号的末位数字加以标识。其中，51子系列是基本型，而52子系列是增强型。 单片机型号带有字母“C”的，表示该单片机采用的是CHMOS工艺，具有低功耗的特点。 8051的功耗

3、为630mW，而80C51的功耗只有120mW。,MCS-51系列单片机技术参数表,2.1.1 8051单片机的基本组成,8051单片机的结构框图如下图所示，可以看出，在一块芯片上集成了一个微型计算机的主要部件，它包括以下几部分： 1个8位微处理器(CPU)。 1个时钟电路。 4KB程序存储器。 256B数据存储器。 2个16位定时/计数器。 64KB扩展总线控制电路。 4个8位并行I/O接口P0P3。 1个全双工串行I/O接口。 5个中断源，其中包括2个优先级嵌套中断。,8051单片机结构框图,2.1.2 8051单片机的内部结构,CPU即中央处理器，是单片机的核心部件，是计算机的控制指挥中

4、心。同微型计算机CPU类似，8051内部CPU由运算器和控制器两部分组成。 运算器电路以算术逻辑单元(ALU，Arithmetic Logic Unit)为核心，由暂存器1、暂存器2、累加器(ACC，Accumulator)、寄存器B、程序状态寄存器(PSW，Program Status Word)及布尔处理机共同组成。它的主要任务是完成算术运算、逻辑运算、位运算和数据传送等操作，运算结果的状态由程序状态寄存器(PSW)保存。 控制器电路包括程序计数器(PC)、PC增1寄存器、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、数据指针(DPTR)、堆栈指针(SP)、缓冲器及定时控制电路等。控制器电路完成

5、指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。,8051 单 片 机 内 部 结 构 图,2.1.3 8051单片机的引脚及功能,MCS-51单片机的封装形式有两种，一种是双列直插式(DIP)封装，另一种是方形封装。 8051的40个引脚可分为： 电源引脚2根 时钟引脚2根 控制引脚4根 I/O引脚32根 由于8051单片机是高性能的单片机，同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。,8051单片机引脚图,DIP引脚图 逻辑符号,8051引脚的功能描述（一）,电源引脚(2根) VCC(40脚)：电源端，接+5V电源。 VSS(20脚)：接地端。 时钟引脚(2根) XTAL1(19脚)：接外

6、部晶振和微调电容的一端。采用外部时钟电路时，对HMOS型工艺的单片机，此引脚应接地；对CHMOS型而言，此引脚应接外部时钟的输入端。 XTAL2(18脚)：接外部晶振和微调电容的另一端。使用外部时钟时，对HMOS型工艺的单片机，此引脚应接外部时钟的输入端；对CHMOS型而言，此引脚悬空。,8051引脚的功能描述 （二）,控制引脚(4根) RST/VPD(9脚)：复位信号/备用电源输入引脚。 当RST引脚保持两个机器周期的高电平后，就可以使8051完成复位操作。该引脚的第二功能是VPD，即备用电源的输入端，具有掉电保护功能。若在该引脚接+5V备用电源，在使用中若主电源VCC掉电，可保护片内RAM

7、中的信息不丢失。 ALE/PROG (30脚)：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号控制锁存P0口输出的低8位地址，从而实现P0口数据与低位地址的分时复用。当8051上电正常工作后，自动在ALE端输出频率为fosc/6的脉冲序列(fosc代表振荡器的频率)。 该引脚的第二功能PROG是对8751内部4KB EPROM编程写入时，作为编程脉冲的输入端。 EA/VPP(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端/编程电压输入端。 当EA接高电平时，CPU执行片内ROM指令，但当PC值超过0FFFH时，将自动转去执行片外ROM指令；当EA接低电平时，CPU只执

8、行片外ROM指令。对于8031，由于其无片内ROM，故其EA必须接低电平。 该引脚的第二功能VPP是对8751片内EPROM编程写入时，作为21V编程电压的输入端。 PSEN(29脚)：片外ROM读选通信号端。 在读片外ROM时，PSEN有效，为低电平，以实现对片外ROM的读操作。,8051引脚的功能描述 （三）,I/O引脚(48=32根) P0.0P0.7(3932脚)：P0口的8位双向I/O口线。 P0口即可作地址/数据总线使用，又可作通用的I/O口使用。当CPU访问片外存储器时，P0口分时先作低8位地址总线，后作双向数据总线，此时，P0口就不能再作I/O口使用了。 P1.0P1.7(18

9、脚)：P1口的8位准双向I/O口线。 P1口作为通用的I/O口使用。 P2.0P2.7(2128脚)：P2口的8位准双向I/O口线。 P2口即可作为通用的I/O口使用，也可作为片外存储器的高8位地址总线，与P0口配合，组成16位片外存储器单元地址。 P3.0P3.7(1017脚)：P3口的8位准双向I/O口线。 P3口除了作为通用的I/O口使用之外，每个引脚还具有第二功能。,2.1.4 单片机的工作原理,单片机执行程序的过程，就是逐条执行指令的过程。单片机每执行一条指令都可分为三个阶段，即取指令分析指令执行指令。 取指令的任务是根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出下一条要执行的指令，送到指

10、令寄存器。分析指令的任务是将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。接下来，就是执行指令。 单片机中的程序一般事先都已通过写入器(编程器)固化在片内或片外程序存储器中，因而一开机即可执行指令。,2.2 单片机的存储器,2.2.1 程序存储器ROM 2.2.2 数据存储器RAM 2.2.3 数据存储器数据读写应用实例,8051的存储器结构,8051的存储器结构与常见的微型计算机的配置方式不同，它把程序存储器和数据存储器分开，有各自的寻址系统、控制信号和功能。 8051的存储器在物理结构上分为片内数据存储器、片内程序存储器、片外数据存储器和片外程

11、序存储器4个存储空间。但从用户使用的角度看，8051的存储器分为3个逻辑空间。,存储空间分布图,片内外统一寻址的64KB程序存储器空间，地址范围为0000HFFFFH。 64KB的片外数据存储器空间，地址范围也为0000HFFFFH。 256B的片内数据存储器空间，地址范围为00HFFH。,2.2.1 程序存储器ROM,程序存储器ROM用来存放程序、常数或表格等。 在8051中，其存储空间分布如下： 片内有4KB的ROM存储单元，地址为0000H0FFFH。 片外最多可扩至64KB的ROM，地址为1000HFFFFH。 片内外ROM统一编址。 当EA引脚接高电平时，CPU将首先访问片内ROM，

12、当指令地址超过0FFFH时，自动转向片外ROM取指令。 当EA引脚接低电平时，CPU只访问片外ROM。片外ROM的地址从0000H开始编址。对于8031，由于其片内无ROM，所以使用时必须使EA接低电平，以便能够从片外扩展的EPROM中取指令。,2.2.1 程序存储器ROM,在程序存储器中，以下6个单元具有特殊含义。 0000H：单片机复位后的程序入口地址。 0003H：外部中断0的中断服务程序入口地址。 000BH：定时器0的中断服务程序入口地址。 0013H：外部中断1的中断服务程序入口地址。 001BH：定时器1的中断服务程序入口地址。 0023H：串行口的中断服务程序入口地址。,2.2

13、.2 数据存储器RAM,数据存储器RAM主要用来存放运算的中间结果和数据等。 在8051中，其存储空间分布如下： 片外RAM最多可扩至64KB存储单元，地址范围为0000HFFFFH。 片内RAM为256B存储单元，地址范围为00HFFH。 片内RAM地址空间共有256B，又分为两个部分： 低128B(00H7FH)为真正的RAM区，如下图所示 。 高128B(80HFFH)为特殊功能寄存器(SFR)区，如下表所示 。,片 内 RAM 地 址 空 间,SFR 中 位 地 址 分 布 表,2.2.3 数据存储器数据读写应用实例 【程序1】 工作寄存器的读写,【程序2】位寻址区的读写,【程序3】一

14、般RAM区和特殊功能寄存器区的读和写,2.3 单片机的输入/输出端口,2.3.1 输入/输出端口结构 2.3.2 输入/输出端口负载能力 2.3.3 P1口输出功能应用实例 2.3.4 P3口输入功能应用实例,2.3.1 输入/输出端口结构,8051单片机有4个8位并行I/O端口，称为P0、P1、P2和P3口，每个端口都各有8条I/O口线，每条I/O口线都能独立地用作输入或输出。 在无片外扩展存储器的系统中，这四个I/O口都可以作为通用I/O口使用。 在有片外扩展存储器的系统中，P2口送出高8位地址，P0口分时送出低8位地址和8位数据。,1. P0口,P0口某一位的结构由一个输出锁存器、两个三

15、态输入缓冲器、一个多路转换开关MUX、一个输出驱动电路(T1和T2)和一个与门及一个非门组成。,(1) P0口用作通用I/O口,MUX与锁存器的Q端接通，与门输出为0，T1截止，输出驱动级就工作在需外接上拉电阻的漏极开路方式。 P0口用作输出口 CPU在执行输出指令时，内部数据总线的数据在“写锁存器”信号的作用下，由D端进入锁存器，取反后出现在Q端，再经过T2反向，则P0.X引脚上的数据就是内部总线的数据。由于T2为漏极开路输出，故此时必须外接上拉电阻。 P0口用作输入口 数据可以读自端口的锁存器，也可以读自端口的引脚，这要看输入操作执行的是“读锁存器”指令还是“读引脚”指令。 方式1：读引脚

16、。CPU在执行“MOV”类输入指令时(如：MOV A , P0)，内部产生的操作信号是“读引脚”。P0.X引脚上的数据经过缓冲器2读入到内部总线。注意，在读引脚时，必须先向电路中的锁存器写入1，使T2截止，P0.X引脚处于悬浮状态，可作为高阻抗输入。 方式2：读锁存器。CPU在执行“读-改-写”类输入指令时(如：ANL P0, A )，内部产生的操作信号是“读锁存器”，锁存器中的数据经过缓冲器1送到内部总线，然后与A的内容进行逻辑“与”，结果送回P0的端口锁存器并出现在引脚。除了MOV类指令外，其他的读口操作指令都属于这种情况。,(2) P0口用作地址/数据总线,MUX将地址/数据线与T2接通，同时与门输出有效。 若地址/数据线为1，则T1导通，T2截止，P0口输出为1；反之T1截止，T2导通，P0口输出为0。 当数据从P0口输入时，读引脚使三态缓冲器2打开，端口上的数据经缓冲器2送到内部总线。,（3）P0口小结, P0口既可作地址/数据总线使用，也