单片机试验讲义(改)

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1、第一章第一章 单片机结构及工作原理单片机结构及工作原理单片微型计算机（Single-chip Microcomputer）或称微控制器（Microcontroller）是为了 适应工业现场的实时控制而设计的芯片。具有集成度高、功能强、体积小、应用灵活、可 靠性高等特点，在工业自动化、过程控制、智能仪器仪表、通信系统等众多领域得到了广 泛的应用。 什么是单片机呢？所谓单片机是指：在一块硅片上集成了中央处理单元 CPU、随机存 储器 RAM、程序存储器 ROM 或 EPROM、定时器/计数器及串行和并行 I/O 接口，也就是 集成在一块芯片上的微机。1.1 单片机分类单片机分类单片机以所处理的数据

2、位数来分，有 8 位单片机（MCS-51） 、16 位单片机（MCS-96） 、 32 位单片机等。本实验主要用 MCS-51 系列 8 位单片机。MCS-51 系列单片机主要有三个 基本型号：8051 片内有 4KROM； 8751 片内有 4KEPROM； 8031 片内无 ROM 和 EPROM； 由此可知，这三种型号的单片机区别仅在于片内程序存储器不同，其他性能结构是一 致的。1.2 MCS-51 系列单片机内部结构系列单片机内部结构一 硬件结构 MCS-51 系列单片机的基本结构如图 1-1 所示。 由图可知，MCS-51 系列单片机主要由以下几部分组成： （1）8 位中央处理器 C

3、PU； （2）片内 4K 字节的程序存储器 ROM 或 EPROM（8031 无 ROM/EPROM） ； （3）片内 128 字节的数据存储器 RAM； （4）21 个特殊功能寄存器 SFR； （5）4 个 8 位并行 I/O 口； （6）两个 16 位定时器/计数器 T0、T1； （7）2 个优先级的 5 个中断源结构； （8）一个全双工的通过编程工作在异步方式的串行接口； （9）片内振荡器和时钟电路。（10） 布尔处理器 （11） 64KB 外部数据存储器地址空间。 （12） 64KB 外部程序存储器地址空间。二 硬件结构简介 1 中央处理器 CPU中央处理器 CPU 主要由算术逻辑运算

4、部件、布尔处理器、控制器和工作寄存器等组成。 运算器：运算器主要用来实现数据的传送、数据的算术逻辑运算和位变量处理。 它主要包括算术运算部件 ALU、累加器 ACC、B 寄存器、暂存器、程序状态字 PSW、十进制调整电路及布尔处理器等。 控制器: 控制器是控制计算机系统各种操作的部件,它包括时钟发生器、定时控制 逻辑、复位电路、指令寄存器 IR、指令译码器、程序计数器 PC、程序地址寄存器、振荡器及定时CPU4KROM(EPROM)(8031 无)特殊功能寄存器及128B 数据存储器定时器/计数器 T0、T1计数脉冲输入T0 T1并行 I/O 接口串行接口中断系统中断输入INT0 INT1TX

5、D RXDP0 P1 P2 P3图 1-1数据指针 DPTR、堆栈指针等.2 存储器单片机存储器分为程序存储器 ROM 和数据存储器 RAM。ROM 用来存放指令的机器 码、表格、常数等；RAM 用来存放运算的中间结果和采集的数据等。51 系列单片机 P0、P2 口作为 16 位地址总线，可在片外分别扩展 64K8 位 EPROM 和 64K8 位 RAM。共计 264K 存储器。从逻辑的角度看，存储器地址空间可分为三类：片内外统一编址 0000HFFFFH 的 64K 字节的 ROM 空间，采用 16 位地址。 片外 64K 字节 RAM 地址空间。地址也从 0000HFFFFH，采用 16

6、 位地址。 片内 256 字节 RAM 地址空间，采用 8 位地址。这 256 字节被分成两个区域： 00H7FH 地址是真正的 RAM 区，CPU 可以读、写各种数据。而 80HFFH 地址是 专门用作特殊功能寄存器的区域，共安排了 21 个 8 位特殊功能寄存器 SFR。 MCS-51 系列单片机存储器结构如图 1-2 所示。由图 1-2 可见，上述三个存储器地址空间有重叠区，为区别这三个不同的逻辑空间， MCS-51 的指令系统设计了三种不同的数据传送类指令操作码加以区别： （1）CPU 访问片内外 64K 地址空间 ROM 用 MOVC 指令； （2）CPU 访问片外 64K 地址空间

7、 RAM 用 MOVX 指令； （3）CPU 访问片内 RAM 的 256 个字节地址空间用 MOV 指令。21 个 SFR128 字节RAMMOV外部RAM 64KMOVX外部ROM 60KMOVC外部ROM 4K(= 0)EA（8031）内部ROM 4K(=1)EA（8051）（8751）FFFFH1000H0FFFH0000H0000H0FFFHFFH80H 7FH00HFFFFH0000H片内 RAM图 1-23定时器/计数器 51 系列弹片机有两个定时器/计数器，即定时器/计数器 0 和 1。它们既可以编程作为 定时器，也可以编程作为计数器使用。若计数计的是内部晶振的驱动时钟，它就是

8、定时器； 若计数计的是输入引脚的脉冲信号，它就是计数器。 定时器和计数器都是加 1 计数的，定时器实际上也是以计数方式工作，只是它对固定 频率的脉冲计数，由于脉冲周期固定，由计数值可以计算出时间。 用于控制和确定各定时器/计数器的功能与操作模式的寄存器有：模式控制寄存器 TMOD；控制寄存器 TCON。 4中断 中断是指当计算机执行正常程序时，由于系统中出现某些需要紧急处理的情况或特殊 请求时，计算机打断当前正在运行的程序，转而对这些紧急情况进行处理，处理完毕后， 计算机返回原来被打断的运行程序继续执行。终端控制方式使 CPU 在平时可以利用充分的 时间去处理主要事件，而当外界有特殊情况需要处

9、理时 CPU 也不会错过，以次提高工作效 率。在编制实时性要求较高的程序时，采用中断方式是非常必要的。 51 系列单片机有 5 个中断源，可分为 2 个优先级，每个中断源的优先级都是可编程的。51 系列单片机的 5 个中断源是： 外部中断请求 0，由输入；0INT 外部中断请求 1，由输入；1INT 片内定时器/计数器 0 溢出中断请求； 片内定时器/计数器 1 溢出中断请求； 片内串行口发送/接受中断请求。 控制中断的寄存器主要有：中断允许寄存器 IE；中断优先级寄存器 IP。关于这两个寄 存器的用法请同学们参考有关的书籍1.3 MCS-51 系列单片机指令系统系列单片机指令系统MCS-51

10、 系列单片机指令系统共有 111 条指令，其中单字节指令 49 条，双字节指令 45 条，三字节指令 17 条。从指令执行的时间看，单机器周期（12 个震荡周期）指令 64 条， 双机器周期（24 个震荡周期）指令 45 条，只有乘、除 2 条指令的执行时间为 4 个机器周 期（48 个震荡周期） 。若晶振为 12MHZ，则指令功能的执行时间分别为 1s，2s，4s。 MCS-51 的硬件结构中有一个布尔处理机，指令系统中相应地设计了一个处理布尔变 量的指令子集。在这一指令子集中，有丰富的位操作指令，这些指令与位操作部件结合在 一起，构成了一个比较完整的位处理器，即布尔处理机。有了位处理器就可

11、以把大量的硬 件组合逻辑用软件来代替，方便地用于各种逻辑控制。具体的指令助记符及含义请同学们参考有关的书籍。1.4 MCS-51 系列单片机的引脚及功能系列单片机的引脚及功能在 MCS-51 系列单片机中，各种型号芯片的引脚功能是互相兼容的，其封装形式一般 是采用双列直插式的，也有采用方形的封装方式的。图 1-3 是双列直插式芯片的引脚图。这 40 条引脚按功能分可分成三大部分： 1 电源及时钟电源及时钟 VSS（20） 电源地线，工作时接地；VCC (40) 电源，外接+5V； XTAL1 (19) 和 XTAL2 (18) 外接晶体引脚。在使用单片机内部振荡电路时，用来外接 石英晶振和微调

12、电容，在使用外部脉冲时，用来输入时钟脉冲。P3.0/RXDP2.7P0.0P0.1P0.3P3.1/TXDP3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.2/INT0P3.3/INT1XTAL2XTAL1 VSSVCCP0.2P0.4P0.5P0.6P0.7/VPP EAALE/PROGPSENP2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0123456789101112131415161718192040393837363534333231302928272625242322218051875

13、18031图 1-32 控制或与其它电源复用引脚控制或与其它电源复用引脚RST/VPD (9) 此脚有两个功能： 第一功能是上电复位信号输入线。当 RST 引脚上出现两个机器周期的高电平时将使单 片机复位。 第二功能是备用电源输入端。当主电源发生故障时，VPD将为 RAM 提供备用电源，保 证 RAM 信息不丢。(29) 外部程序存储器 ROM 的读选通信号。在 CPU 访问外部程序存储器时， PSEN = 0 的有效信号自动生成。 Error! No bookmark name given.PSENALE/(30) 此引脚有两个功能：PROG 第一功能是外部地址低 8 位锁存有效信号输出端。

14、在 CPU 访问外部存储器时，ALE 的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的频率周期性 地出现正脉冲信号，此频率为震荡频率的 1/6。因此，它可作为对外输出的脉冲，或用于定 时的目的。第二功能是对 8751 片内 EPROM 编程时的编程脉冲输入端。PROG/VPP（31） 此引脚也是双功能脚。EA 第一功能是片外 ROM 选择信号输入端。当= 0 时，CPU 从片外 ROM 读取指令；EA 当= 1 时，CPU 从片内 ROM 读取指令。EA 第二功能 VPP是对片内有 EPROM 的 8751 来说，此引脚接 21V 的编程电源 VPP。 3 I/O 口线

15、口线 P0 口口 8 位三态双向口。 在单片机外扩存储器或 I/O 接口时，作为地址总线低 8 位 A7A0和数据总线 D7D0。P0 口能驱动 8 个 TTL 门电路，但在驱动 MOS 电路时若作为地址/数据总线使用可 以直接驱动而不必外加上拉电阻。对 8031 单片机来讲，P0 口只能做地址/数据复用总线， 而对于有内部 ROM 的单片机，P0 口可作通用 I/O 端口，此时在驱动 NMOS 电路时要外接 上拉电阻。 P1 口口 8 位准双向并行 I/O 口。 P1 口能驱动 4 个 TTL 门电路。并且不需外加电阻就能驱动 MOS 电路。 P2 口口 8 位准双向口。 作为地址总线高 8

16、 位 A15A8，与 P0 一起形成 16 位地址总线。驱动能力同 P1、P2 口 也能做通用 I/O 端口使用。 P3 口口 8 位准双向口。 P3 口是一个多用途端口，除可作通用 I/O 端口外，它的每条引脚还有第二功能，这些 功能见表 1-1。其驱动能力同 P1。P3 口的第二功能 表 1-1口线第二功能标记第二功能注释P3.0RXD串行数据输入端P3.1TXD串行数据输出端P3.2INT0 外部中断 0 请求输入端 P3.3INT1 外部中断 1 请求输入端P3.4T0 定时器/计数器 0 的外部输入端P3.5T1 定时器/计数器 1 的外部输入端P3.6WR 外部数据存储器写选通端P3.7RD外部数据存储器读选通端第二章第二章 伟福仿真器简介伟福仿真器简介2.1 功能简介功能简介伟福仿真器是南京伟福实业有限公司推出的单片机开