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1、单片微型计算机原理 及其应用电子教案赵秀珍 王乃钊 制作中国水利水电出版社 2001 . 8第一章 单片微型计算机概述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 单片机的发展概况n综上所述,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-
2、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,
3、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。12 单片机的结构特点n(1)片内的RAM采用寄存器结构形式,这样可以提 高存取的速度;n(2)在存储器结构上,严格的将程序存储器ROM和 数据存储器RAM在空间上分开;n(3)它的引出管脚一般都设计成多功能的;n(4)增加了一个全双工的串行接口,以扩充I/O口和 外接同步输入和输出设备;n(5)有21个特殊功能寄存器;n (6) 有丰富的指令系统,内部设置了可以位寻址的位 地址空间。 1
4、3 单片机的主要品种及系 列n一、 4位单片机n二、 8位单片机表格 11 MCS-51系列型号型 号制造技术片内程序存储器片内数据存储 器8051AHH MOSROM (4k)128字节8031AHAH MOS无128字节8751HH MOSEPROM(4K)128字节80C51CHMOSROM (4K)128字节80C31CHMOS无128字节8051H MOSROM (8K)256字节8031H MOS无256字节14 单片机的应用n一、 单片机在仪器仪表中的应用n二、 单片机在机电一体化中的应用n三、 单片机在智能接口和多机系统中的 应用n四、 单片机在生活中的应用第 二 章 MCS-
5、51单片机的结 构和原理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。 单片机的各种工作方式、单片机的时序等。 21 MCS-51单片机的结构原 理 n一、 8051单片机的结构图 21 MCS-51单片机的基本结构二、 8051单片机的内部结构和 工作原理n8051单片机的内部结构框图如图 22 所 示,下面分别进行介绍: 图 22 8051的内部结构框图图 23 8051存储器组织结构字节地 址位 地 址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H
6、D7D6D5D4D3D2D1D07FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H77H76H75H74H73H72H71H70H6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H67H66H65H64H63H62H61H60H5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H57H56H55H54H53H52H51H50H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H47H46H45H44H43H42H41H40H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H37H36H35H34H33H32H31H30H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21
7、H20H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H17H16H15H14H13H12H11H10H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H07H06H05H04H03H02H01H00H图 24 8051内部RAM位地址区图 24 8051内部RAM位地址区表格 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
8、允许控制器IE.7IE.0AFHA8H* IPB8H中断优先控制器IP.7IP.0BFHB8H* P080H 通道0P0.7P0.087H80H* P190H 通道1P1.7P1.097H90H* P2A0H 通道2P2.7P2.0A7HA0H* P3B0H 通道3P3.7P3.0B7HB0HPCON87H电源控制及波特率选择* SCON98H串行口控制SCON.7SCON.09FH98HSBUF99H串行数据缓冲器* TCON88H定时控制TCON.7TCON.08FH88HTMOD89H定时器方式选择TL08AH 定时器0低8位TL18BH 定时器1低8位TH08CH 定时器0高8位TH1
9、8DH 定时器1高8位*:可位寻址的特殊功能寄存器图 25 P0口的位结构(1) P0口位的结构(2) P1口位的结构图 26 P1口的位结构图 26 P1口的位结构图 26 P1口的位结构图 26 P1口的位结构图 26 P1口的位结构(3) P2口的位结构图 27 P2口的结构图(4) P3口的位结构图 28 P3口的结构图(4) P3口的位结构 图 28 P3口的结构图表格 23 P3口的第二功能表I/O口第二功能注 释P3.0RXD串行口数据接收端P3.1TXD串行口数据发送端P3.2INT()0外部中断请求0P3.3INT()1外部中断请求1P3.4T0定时/计数器0P3.5T1定时
10、/计数器1P3.6WR()外部RAM写信号P3.7RD()外部RAM读信号一、 时钟周期、机器周期和指令周期 图 2-9 基本定时时序关系22 MCS-51单片机的时序1时钟周期 图 210 MCS-51的取指/执行时序 2机器周期3指令周期 二、 MCS-51单片机指令的取指和执行的时序三、 访问外部ROM和RAM的时序 图 211 访问外部ROM的时序1访问外部ROM的时序 2访问外部RAM的时序 图 212 访问外部RAM的时序 23 MCS-51单片机的时钟和复位电路 一、 时钟电路 图 213 MCS-51时钟接法 1内部振荡器方式 2外部时钟方式 二、 复位电路及复位状态 1内部复
11、位电路 图 214 8051复位电路结构 2外部复位电路 图 215 复位电路3复位状态表格 24 各专用寄存器的复位值专用寄存器复位值PC0000HACC00HB00HPSW00HSP07HDPTR0000HP0P3FFHIPXXX00000BIE0XX00000BTMOD00HTCON00HTH000HTL000HTH100HTL100HSCON00HSBUF不定PCON(CHMOS)0XXX0000B24 MCS-51单片机的低功耗工作方式 一、 电源控制寄存器PCON PCOND7D6D5D4D3D2D1D0SMODGF1GF0FDIDL三、 掉电方式 二、 等待工作方式 第三章 MS
12、C-51 单片机的指令系统 31 指令系统概述一、 机器码指令与汇编语言指令机器码指令: 汇编语言指令: 二、 指令格式 汇编语言格式为:标号: 操作码助记符 目的操作数, 源操作数 ;注释 单字节指令 双字节指令 三字节指令操作码 24H操作数 22HINC A ADD A,#22H MOV 5EH,4FH操作码 04H操作码 85H源操作数 4FH目的操作数 5EH图 3-1 机器码指令格式 32 寻址方式 一、 寄存器寻址二、 直接寻址三、 立即寻址四、 寄存器间接寻址五、 变址寻址 六、 相对寻址 七、 位寻址 33 MSC-51单片机的指令系统按照指令的功能,可以把MSC-51的11
13、1条指令分成五类: l 数据传送类指令(29条) l 算术运算类指令(24条) l 逻辑操作类指令(24条) l 控制转移类指令(17条) l 位操作类指令 (17条)图 3-2 相对寻址过程 第四章 MCS-51单片机的应用程序设计 图 4-1 基本程序结构 41 运算程序一、 多字节数加法1多字节无符号数加法CLR C MOV R0,#40H ;指向加数最低位 MOV R1,#5OH ;指向另一加数最低位 MOV R2,#04H ;字节数作计数初值 LOOP1:MOV A,R0 ;取被加数 ADDC A,R1 ;两数相加,带进位 MOV R0,A INC R0 ;修改地址 INC R1 D
14、JNZ R2,LOOPl ;未加完转LOOP1 JNC LOOP2 ;无进位转LOOP2 MOV R0,#01H LOOP2:DEC R0 RET2多字节有符号数加法 MOV A,R0 ;复制保存地址指针 MOV R2,A MOV A,R MOV R7,A CLR C LOOP1:MOV A,R0 ADDC A,R1 ;相加 MOV R0 ,A INC R0 INC R1 ;地址指针加1 DJNZ R7,LOOP1 JB OV,ERR ;若溢出,转溢出处理 DEC R0 MOV A,R0 JNB E7H,LOOP2 SETB 07H ;和值为负,置位标志 LOOP2:MOV A,R2 ;恢复地
15、址指针 MOV R0,A RET ERR: ;溢出处理 RETSDADD:CLR 07H ;标志位清零图 4-3 多字节有符号数加法程序流程图二、 多字节数减法 MOV R0,#40H ;指向被减数最低位 MOV R1,#5OH ;指向减数最低位 MOV R2,#04H ;字节数 CLR C LOOP1:MOV A,R0 SUBB A,R1 ;完成一个字节的减法运算 MOV R0,A INC R0 INC R1 DJNZ R2,LOOP1 RET三、 多字节十进制数(BCD码)加法 图 4-4 BCD码多字节加法程序流程图BCDADD:MOV 20H,R0MOV 23H,RCLR C LOOP0: MOV A,R0 ;取被加数ADDC A,R1 ;两数相加DA A ;十进制调整MOV R0,AINC R0 ;指针加1INC R1