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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,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。 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
2、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 单片机的发展历史,我们可以把单片机的发展历史划分为四阶段： 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。 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
3、改进和发展。 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。 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。,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备等组成。 其中，运算
4、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1-1 微型计算机硬件系统组成示意图,下面把组成计算机的5个基本部件作简单说明。 1) 运算器 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。 2) 控制器 控制器是计算机的指挥控制部件，它控制计算机各部分自动、协调地工作。运算器和控制器是计
5、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。,3) 存储器 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。 4) 输入设备 输入设备用于将程序和数据输入到计算机中，如键盘等。 5) 输出设备 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。 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”。,单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU（Central Processing U
6、nit）、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1-2 单片机内部结构示意图,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。 软件系统与硬件系统共同构成完整的微机系统，两者辅相成，缺一不可。 微型计算机系统组成示意图如图所示。,1.2.2 单片机
7、的软件系统,微型计算机系统组成示意图,1.3 MCS-51系列单片机,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。 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系列单片机分类表,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： (1) 片内ROM从4 KB增加到8 KB。 (2) 片内RAM从128 B增加到256 B。 (3) 定时/计数器从2个增加到3个。 (4) 中
8、断源从5个增加到6个。,1.3.1 51子系列和52子系列,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。 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,MCS-51单片机片内程序存储器有三种
9、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,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。,
10、2.1 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚,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。 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,1) 中央处理器（CPU） 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位二进制数或代码。 2) 内部数据存储器（内部RAM）
11、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。,3) 内部程序存储器（内部ROM） 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。 4) 定时/计数器 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。 5) 并行I/O口 MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。,6) 串行口 MCS-51
12、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。 7) 中断控制系统 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。 8) 时钟电路 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。系统允许的晶振频率一般为6 MHz和12 MHz。,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 P
13、0.0 P0.7： P0口8位双向口线。 P1.0 P1.7 ：P1口8位双向口线。 P2.0 P2.7 ：P2口8位双向口线。 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,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,*：可位寻址的特殊功能寄存器,2.2.2 内部数据存储器高128单元,表 23 MCS-51专用寄存器一览
14、表,图 25 P0口的口线逻辑电路图,2.3.1 P0口,2.3 并行输入/输出口电路结构,2.3.2 P1口,图 26 P1口的口线逻辑电路图,2.3.3 P2口,图 27 P2口的口线逻辑电路图,2.3.4 P3口,图 28 P3口的口线逻辑电路图,2.4.1 时钟电路与时序,基本定时时序关系,24 MCS-51单片机的时序,1.时钟信号的产生,图2-9 时钟振荡电路和图2-10 外部时钟源接法,（1）节拍与状态,图 211 MCS-51的取指/执行时序,（2）机器周期,4. MCS-51指令时序,（3）指令周期,1复位操作,表格 24 各专用寄存器的复位值,2.4.2 单片机的复位电路,
15、2复位信号及其产生,图 212 复位电路逻辑图,3复位方式,图 213 各种复位电路,第3章 MSC-51指令系统,31 MCS-51指令系统概述,3.1.1 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,其中，标号是该语句的符号地址，可根据需要而设置。当汇编程序对汇编语言源程序进行汇编时，再以该指令所在的地址值来代替标号。在编程的过程中，适当的使用标号，使程序便于查询、修改以及转移指令的编程。标号通常用于转移指令所需的转移地址。标号一般由16个字符组成，但第一个字符必须是字母，其余的可以是字母也可以是其他符号或数字。标号和操作码之间用冒号“：”分开。,功能
16、助记符又称为操作码。操作码和操作数（源操作数和目的操作数）是指令的核心部分。操作码使用MCS-51系列单片机所规定的助记符来表示，其功能在于告诉单片机的CPU做何种操作。操作数分为目的操作数和源操作数，采用符号（如寄存器、标号等）或者常量（如立即数、地址值等）表示。操作码和目的操作数之间用空格分隔，而目的操作数和源操作数之间用逗号“，”隔开。在某些指令中可以没有操作数。 注释是对指令的功能或作用的说明，但是注释不是一个指令的必要组成部分，可有可无。注释的主要作用是对程序段或者某条指令在整个程序中的作用进行解释和说明，以帮助阅读、理解和使用源程序。有无注释对源程序并无影响，但是如果使用注释的话，注释部分一定要用分号“；”隔开。,3.1.2 寻址方式,1. 寄存器寻址,2. 直接寻址,4. 立即寻址,3. 寄存器间接寻址,6. 变址寻址,7. 相对寻址,5. 位寻址,MSC-51单片机的指令系统 按照指令的功能，可以把MSC-51的111条指令分成五类： l 数据传送类指令（
