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1、51单片机原理及应用,第一讲 单片机结构及原理 第二讲 中断系统 第三讲 定时/计数器 第四讲 串口通信 第五讲 工具软件介绍、流水灯实验,51单片机原理及应用,什么是单片机 单片机能做什么,单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。,单片机能做什么,工业控制 用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自
2、动生产线等 。 智能仪器仪表 提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。,机电一体化产品 机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。 分布式系统的前端模块 在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一
3、系列优点。 家用电器 家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。,1.2 单片机的发展概况,1.2.1 单片机的发展过程,单片机技术发展过程可分为三个主要阶段： 单芯片微机形成阶段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机 。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。,特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。,性能完善提高阶段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8
4、位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。,特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种 。,微控制器化阶段,特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。 “微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。,1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。 芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部
5、件等。,1.2.2 单片机产品近况,ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列； Philips公司的80C51、80C552系列； * 深圳宏晶科技有限公司的 STC89C/S系列 ； ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列； Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；, 80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：,2-1 MCS-51单片机的组成 2-2 MCS-51单片机的引脚及其功能 2-3 MCS-51单片机的存储器配置 2-4 振荡器与时钟电路及CPU时序 2-5 并行I/O端口 2-6 MCS-51单片机
6、基本工作系统的组成,MCS-51单片机结构原理,2-1 MCS-51单片机的组成与结构,8位中央处理单元(CPU) 128B/256B的数据存储器RAM 4KB/8KB的片内ROM/EPROM 4个8位并行I/O口P0-P3 2个定时器/计数器 5个中断源 1个全双工的UART（通用异步接收、发送器） 片内振荡与时钟产生电路,中央处理器(CPU),包含运算器和控制器两部分,（1）8位的ALU：,（2）8位累加器ACC（A）：,（3）8位寄存器B：,（4）8位程序状态寄存器PSW：,（5）布尔处理器：,（6）2个8位暂存器：,运算器,（1）程序计数器(PC),（2）指令寄存器(IR),（3）指令
7、译码器(ID),（4）振荡器及定时与控制电路,控制器,中央处理器(CPU)控制器,由两个8位的计数器(PCL,PCH)组成，PC存储将要执行的下一条指令的地址，16位可容纳的最大数值为65535,为64KB，因此，MCS-51可寻址64KB的程序存储器。改变PC内的值，就可改变程序执行的方向。,16位程序计数器-PC,由PC内容指定的ROM地址单元中取出的指令，经指令寄存器送至指令译码器进行译码，进而CPU产生相应的控制信号，执行指令所规定的操作。,指令存储器及指令译码器,MCS-51片内有振荡器OSC，通过单片机的XTAL1,XTAL2连接片外的石英晶体及两个频率微调电容，产生单片机工作所需
8、要的基本时钟节拍。,振荡器及定时控制电路,1、电源管脚： Vcc,Vss 2、时钟电路管脚： XTAL1,XTAL2 3、控制信号脚： RST/VPD, ALE/PROG PSEN及Vpp/EA 4、I/O管脚 P0,P1,P2,P3,2-2 MCS-51单片机的引脚及其功能,电源管脚,Vcc：电源端，为5V，允许电源有偏差； GND(VSS):地。 注：为了防止电源脉冲对单片机的影响，一般在VCC和GND之间接上一个1uF的电容。,时钟电路管脚,XTAL1：芯片内部反相放大器输入端，使用外部振荡器时需接地。 XTAL2: 芯片内部反相放大器输出端，使用外部振荡时接振荡器输 入的信号。,控制线
9、 ALE/PROG,ALE： 地址锁存信号端，当CPU访问片外扩展存储器时，该信号作为锁存低8位地址的控制信号。 PROG： 当片内有EPROM时，该管脚提供编程写入时的编程脉冲信号输入端。,控制管脚 RST/VPD,RST： 复位信号输入端，高电平有效。保持两个机器周期以上，并变为低电平，单片机开始从0000地址执行，即可完成单片机复位。单片机复位不改变片内RAM的值。 VPD: 备用电源。,+5V,RESET,10uF,控制管脚 PSEN,PSEN： 程序存储器允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，CPU控制该端输出负脉冲作为外部存储器的选通信号，允许CPU读出EPROM中被选中单元中的
10、指令码。该管脚一般连程序存储器的选通信号端(OE)。,控制管脚 EA/Vpp,EA： 外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。程序存储器允许输出信号端。当EA接高时，前4KB或8KB程序在单片机内，当EA接地时，所有程序均在外存储器。 Vpp: 对单片机内程序存储器编程时施加的高电平输入端。,2-3 MCS-51单片机的存储器配置,计算机存储结构： 哈佛结构：程序存储与数据存储分开单片机 冯.诺依曼结构：程序与数据存储在一起通用计算机 单片机的存储器结构（ROMRAM）： ROM：常用于存放程序和需要长时间存放的数据，掉电不丢失; RAM：随时可读可写的存储器，掉电后数据立即丢失。,
11、1、单片机的存储器结构,采用哈佛结构，存在4个物理上相互独立的存储器空间： 片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器,0FFFH,0000H,片内4K ROM,EA引脚=0,EA引脚=1,2、单片机的程序存储器,常用单片机的程序存储器容量：,随着单片机制造技术的发展，现在内部ROM有64KB，RAM达几KB 的都有。在进行单片机应用系统开发时，应注意选择，能不扩展的尽量 不扩展。（片内128B不包含SFR区）,单片机的程序存储器,单片机的程序存储器的应用：,上电复位时，PC=0000;,程序存储器有保留单元：,3、单片机的数据存储器,单片机的数据存储器最大寻址为64KB，
12、地址为：,0000FFFFH,片内为128B的数据存储器，片外为64KB，地址有重叠，靠指令区分,低128B的数据RAM,高128B的特殊寄存器区,单片机的数据存储器,数据存储器中的堆栈：,堆栈用于保护中断时程序的断点地址，以便中断返回时程序的继续执行；,堆栈的特点是先进后出，后进先出；,堆栈的指令是：PUSH（压入）和POP（弹出）,堆栈寄存器叫SP，其内部的数值叫栈底，初始值为07H，一般应进行设置到50H或60H。,MOV SP,#60H,PUSH A,.,PUSH B,07H,60H,61H,7FH,SP,SP,A,SP,B,单片机的数据存储器,低128B的分区：,工作寄存器区，R0-
13、R7，共四组，由PSW中的RS1,RS0决定；,位寻址区20H-2FH，位地址为：00H-7FH；,一般数据存储区；,堆栈区（由用户进行设置，初始值为07H）,高128B的分区：,特殊功能寄存器(SFR):,ACC,B,PSW,P0,P1,P2,P3,IP,IE,TCON,SCON可位寻址(11个) SP,DPTR,TMOD,TH0,TL0,TH1,TL1,SBUF,PCON不可位寻址(共9个),特殊功能寄存器(SFR)的初始值除P0,P1,P2,P3为FFH，SP为07外，其余均为00H。,单片机的特殊功能寄存器(SFR),PSW,PSW（Program State Word）程序状态字；,
14、CY进位位标志位或借位位标志位；,AC半字节进位位标志位或半字节借位标志位；,F0用户标志位；,RS1,RS0工作寄存器组选择位，00-0区，01-1区，10-2区，11-3区；,OV溢出标志位，当进行补码运算时，如有溢出，超出-128127范围时置位；,/未定位位，在52中为F1，用户标志位；,P奇偶标志位，每条指令执行完后，跟踪指示A内的1 的个数，如为奇数， 则P=1,否则为0，常用于校验串行通信中的数据传送是否出错。,2-4 振荡器与时钟电路及CPU时序,1. 振荡器与时钟电路：,单片机内部的增益反向放大器通过XTAL1、XTAL2两个引脚外接的反馈石英晶体元件构成自激振荡器。时钟发生
15、器把振荡器的信号进行二分频，向CPU提供了两相时钟脉冲信号P1和P2。时钟信号的周期称为S,它是振荡周期的2倍，在每个时钟周期S的前半周期，P1有效，后半周期，P2有效。,2-4 振荡器与时钟电路及CPU时序(续),2. 机器周期和指令周期：,单片机的一个机器周期由6个S状态周期组成，即S1-S6,每个状态又持续两个振荡周期，即P1和P2两拍，故一个机器周期包含12个振荡周期，即S1P1,S1P2,S2, P1,S2P2,S6P1,S6P2共12个状态拍。若采用12MHz晶振，则每个机器周期为1us。 单片机的指令长度分为1B、2B和3B三种，按CPU执行每条指令的时间分为单周期指令、双周期指
16、令和四周期指令三种。,每一条指令的执行包括取指、执指两个阶段。在每个机器周期内ALE两次有效，第一次出现在S1P2和S2P1之期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。,2-4 振荡器与时钟电路及CPU时序(续),3. 取指、执指的时序：,2-5 并行输入/输出端口,8051单片机有四个8位的I/O端口，分别称为P0,P1,P2,P3，每个端口均为准双向口，共占32只引脚，每个端口可作为8位的总线使用，也可作为单独的I/O应用。每个端口都包含一个锁存器（即特殊寄存器P0-P3），一个输出驱动器和输入缓冲器。作输出线时数据可以锁存，作输入时可以缓冲。 当有外部扩展的存储器时，P0作为地址的低8位，P2作为高8位组成16位地址总线，而P0复用为8位的数据总线。,2-5 并行输入/输出端口,1、P0口,无外扩存储器时，P0可作为I/O应用。CPU执行传送或改写位内容的指令时，硬件使C=0,开关MUX处于图示位置，P0作为通用I/O口。此时
