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1、21世纪高职高专规划教材 单片机原理与应用 电子教案 制 作： 金龙国 陈萌中国水利水电出版社第1章 单片机概述 第2章 MCS-51系列单片机结构 第3章 MSC-51指令系统第6章 存储器与存储器扩展第4章 MCS-51汇编语言程序设计第7章 单片机接口技术第5章 MCS-51定时/计数器和中断系统第9章 MCS-51单片机应用系统设计单片机原理及应用第8章 串行口通信技术第1章 单片机概述n本章主要介绍单片机的发展，基本的结构 和特点，单片机的应用模式和领域，单片 机的供应状态等。n单片微型计算机就是将CPU、RAM、ROM 、定时/计数器和多种接口都集成到一块集 成电路芯片上的微型计算
2、机。因此，一块 芯片就构成了一台计算机。它已成为工业 控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日 常生活中最广泛使用的计算机。11 单片机的发展历史n我们可以把单片机的发展历史划分为四阶段：n第一阶段（19761978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。n第二阶段（19781982年）：高性能单片机阶段，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
3、断的改进和发展。n第三阶段（19821990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。n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。n 硬件系统是指构成微机系统的实体和装置，通 常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和 输入设备、输出接口电路和输出设
4、备等组成。n 其中，运算器和控制器一般做在一个集成芯片 上，统称中央处理单元（Central Processing Unit） ，简称CPU，是微机的核心部件。CPU配上存放 程序和数据的存储器、输入/输出（Input/Output， 简称I/O）接口电路以及外部设备即构成微机的硬 件系统。12 单片机的软硬件系统1.2.1 单片机的硬件系统图图1-1 微型计计算机硬件系统组统组 成示意图图n下面把组成计算机的5个基本部件作简单说明。n1) 运算器 n 运算器是计算机的运算部件，用于实现算术和逻辑 运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行。n2) 控制器n 控制器是计算机的指挥控制部件，它控制
5、计算机各 部分自动、协调地工作。运算器和控制器是计算机的核 心部分，常把它们合在一起称之为中央处理器，简称 CPU。n3) 存储器n 存储器是计算机的记忆部件，用于存放程序和数 据。存储器又分为内存储器和外存储器。实训中使 用的EPROM2764便是存贮器。n4) 输入设备n 输入设备用于将程序和数据输入到计算机中，如 键盘等。n5) 输出设备n 输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果， 以用户需要的形式显示或打印出来，如显示器、打 印机等。n 通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起 称之为计算机的外部设备，简称“外设”。n 单片微型计算机是指集成在一个芯片上的 微型计算机，也就是把组成
6、微型计算机的各种 功能部件，包括CPU（Central Processing Unit） 、随机存取存储器RAM（Random Access Memory）、只读存储器ROM（Read-only Memory）、基本输入/输出(Input/Output)接口电 路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯 片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现 微型计算机的基本功能。单片机内部结构示意 图如图1-2所示。图图1-2 单单片机内部结结构示意图图 n 软件系统是微机系统所使用的各种程序的总 称。人们通过它对整机进行控制并与微机系统进 行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任 务。n 软件系统与硬
7、件系统共同构成完整的微机系 统，两者辅相成，缺一不可。n 微型计算机系统组成示意图如图所示。1.2.2 单片机的软件系统微型计计算机系统组统组 成示意图图1.3 MCS-51系列单片机n 尽管各类单片机很多，但无论是从世界 范围或是从全国范围来看，使用最为广泛 的应属MCS-51单片机。n MCS-51单片机系列共有十几种芯片， 如表1-1所示。表1-1 MCS-51系列单单片机分类类表子 系 列片内ROM形式片内 ROM 容量片内 RAM 容量寻址 范围I/O特性中断源无ROMEPROM计数器并行口串行口51 子 系 列8031805187514 KB128 B264 KB216481580
8、C3180C5187C514 KB128 B264 KB216481552 子 系 统8032805287528 KB256 B264 KB316481680C3280C5287C528 KB256 B264 KB3164816n MCS-51系列又分为51和52两个子系列，并 以芯片型号的最末位数字作为标志。其中，51 子系列是基本型，而52子系列则属增强型。52 子系列功能增强的具体方面，从表1-1所列内 容中可以看出：n (1) 片内ROM从4 KB增加到8 KB。n (2) 片内RAM从128 B增加到256 B。n (3) 定时/计数器从2个增加到3个。n (4) 中断源从5个增加到
9、6个。 1.3.1 51子系列和52子系列n MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产 。一种是HMOS工艺，即高速度、高密度、短沟 道MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺，即互补 金属氧化物的HMOS工艺。表1.1中，芯片型号 中带有字母“C”的，为CHMOS芯片，其余均为 一般的HMOS芯片。n CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了 HMOS高速度和高密度的特点之外，还具有 CMOS低功耗的特点。在便携式、手提式或野外 作业仪器设备上，低功耗是非常有意义的，因此 ，在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片 。 1.3.2 单片机芯片半导体工艺n MCS-51单片机片内程序存
10、储器有三种配 置形式，即掩膜ROM、EPROM和无ROM。 这三种配置形式对应三种不同的单片机芯片, 它们各有特点，也各有其适用场合，在使用 时应根据需要进行选择。一般情况下，片内 带掩膜型ROM适用于定型大批量应用产品的 生产；片内带EPROM适合于研制产品样机； 外接EPROM的方式适用于研制新产品。最近 ，Intel公司又推出片内带EEPROM型的单片 机，可以在线写入程序。 1.3.3 片内ROM存储器配置形式第2章 MCS-51单片机结构n 本章主要介绍MCS-51系列的8051的基 本结构、工作原理、存储器结构、P0、P1 、P2、P3四个I/O口的基本工作原理和操 作特点。单片机
11、的各种工作方式、单片机 的时序等。 2.1 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚n MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、 8751。8051内部有4KB ROM，8751内部有4KB EPROM，8031内部无ROM；除此之外，三者的 内部结构及引脚完全相同。因此，以8051为例， 说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。n 8051单片机的基本组成请参见图2-1。下面介 绍各部分的基本情况。2.1.1 8051单片机的基本组成图2-1 MCS-51 单片机结构框图n 1) 中央处理器（CPU）n 中央处理器是单片机的核心，完成运算和控 制功能。MCS-51的CPU能处理8位二进
12、制数或 代码。 n 2) 内部数据存储器（内部RAM）n 8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后 128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用 户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数 据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前 128单元，简称内部RAM。n 3) 内部程序存储器（内部ROM） n 8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序 、原始数据或表格，因此，称之为程序存储 器，简称内部ROM。 n 4) 定时/计数器 n 8051共有两个16位的定时/计数器，以实 现定时或计数功能，并以其定时或计数结果 对计算机进行控制。 n 5) 并行I/O口 n MCS-51共有4个8
13、位的I/O口（P0、P1、 P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。n 6) 串行口 n MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片 机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强 ，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步 移位器使用。 n 7) 中断控制系统 n MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的 需要。8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中 断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两 个优先级别。 n 8) 时钟电路 n MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调 电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系 统允许的晶振频
14、率一般为6 MHz和12 MHz。n MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路 芯片，引脚排列请参见图2-2。 1) 信号引脚介绍 n P0.0 P0.7： P0口8位双向口线。 n P1.0 P1.7 ：P1口8位双向口线。 n P2.0 P2.7 ：P2口8位双向口线。 n P3.0 P3.7 ：P3口8位双向口线。 2.1.2 MCS-51的信号引脚图2-2 MCS-51引脚图表21 P3口的第二功能表2) 信号引脚介绍2.2 8051的内部存储器 图2- 3 片内RAM的配置2.2.1 内部数据存储器低128单元 字节地址位 地 址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H
15、27H26H25H24H23H22H21H20HD7D6D5D4D3D2D1D07FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H77H76H75H74H73H72H71H70H6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H67H66H65H64H63H62H61H60H5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H57H56H55H54H53H52H51H50H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H47H46H45H44H43H42H41H40H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H37H36H35H34H33H32H31H30H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29
16、H28H27H26H25H24H23H22H21H20H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H17H16H15H14H13H12H11H10H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H07H06H05H04H03H02H01H00H图 24 8051内部RAM位地址区表 22 片内RAM位寻址区的位地址表格 22 特殊功能寄存器表符号单元地址名称位地址符号地址* ACCE0H累加器ACC.7ACC.0E7HE0H* BF0H乘法寄存器B.7B.0F7HF0H* PSWD0H程序状态字PSW.7PSW.0D7HD0HSP81H堆栈指针DPL82H数据存储器指针(低8位)DPH83H数据存储器指针(高8位)* IEA8H中断允许控制器IE.7IE.0AFHA8H*
