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1、单片机技术应用教程 配套课件 目 录第1章 单片机基础知识第2章 MCS-51单片机硬件与系统扩展第3章 MCS-51单片机指令系统第4章 汇编语言与仿真系统第5章 中断系统及定时计数器第6章 串行接口与通信基础第7章 常用接口及应用实例第8章 综合设计实例第1章单片机基础知识 第1章 单片机基础知识1.1 概 述1.2 单片机系统的组成 1.3 单片机中数的表示及编码1.4 习 题第1章单片机基础知识 1.1.2 单片机及其发展状况 1单片机名称的来源 根据单片机的物理形态和内容，早期的单片机称为Single-Chip Microcomputer。从仙童公司的第一款单片机F-8开始，甚至到M
2、CS-51时期，这些单片机确实准确地体现了Single-Chip Microcomputer的形态和内容。但是，随着单片机发展到MCS-96、新一代80C51、M68HC05等系列单片机时，这些单片机面向对象，突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，如A/D、PWM、WDT等，突破了传统意义的单片机结构，发展成Microcontroller的体系结构，因此，目前国外已经逐步统一称单片机为MCU（Micro Controller Unit）。由于它实行嵌入式应用，因此也称为嵌入式微控制器。第1章单片机基础知识 1.1.3 80C51系列单片机简介 尽管各类单片机很多，但无论从世界范围还
3、是从国内范围来看，使用最为广泛的还是MCS-51型单片机，因此本书也将以MCS-51型系列为主，来介绍单片机的原理及应用。MCS-51型系列单片机共有十几种芯片，表1-1列举了比较典型的几种芯片的型号及主要技术性能指标。 表1-1:第1章单片机基础知识 子系列片内ROM形式ROM容量RAM 容量计数器并行口串行口中断源制造工艺无ROM掩膜ROMEPROM片内片外片内片外51子系列8031805187514KB60KB128B64KB2164815HMOS80C3180C5187C514KB60KB128B64KBCHMOS52子系列8032805287528KB56KB256B64KB3164
4、817HMOS83C25280C25287C2528KB56KB256B64KBCHMOS第1章单片机基础知识 80C51型单片机属于Intel公司的MCS-51系列单片机，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的芯片型号中带有“C”的都为CHMOS工艺，其余的为一般的HMOS工艺。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除具有HMOS高速度、高密度的特点外，还具有CMOS低功耗的优点。比如8051型的功耗为630mW，而80C51的功耗只有120mW。第1章单片机基础知识 目
5、前，Intel公司将80C51型单片机的内核使用权以专利互换或者出售的形式转让给其他的著名IC制造商，如Philips、ATMEL、AMD、Dallas、Siemens、LG、华邦等。这些公司在80C51内核基础上，扩展了针对不同需求的外围电路，如A/D、PWM、WDT，引入使用方便并且价格便宜的Flash ROM等，使80C51的功能更加齐全、针对性更强，巩固并发展了Intel公司单片机的地位，成为当今世界8位单片机的主流。第1章单片机基础知识 1.1.4 单片机的特点及应用领域单片机的主要特点如下：（1）很高的性价比。目前许多单片机的价格只要几元人民币。（2）集成度高，体积小，可靠性好。内
6、部采用总线结构，减少各芯片间的连线。（3）控制能力强。单片机的指令丰富，能满足各种工业控制的要求。（4）低功耗、低电压，一般在3V6V范围内工作，低电压供电的单片机电源下限可达1V2V，1V以下供电的单片机也已诞生，便于生产便携式设备。（5）易扩展。可根据需要进行并行或者串行扩展，形成网络控制系统。第1章单片机基础知识 由于单片机的特点比较突出，因此，在各个应用领域都可以见到它的身影，主要的应用领域有：（1）工业自动化控制。这是最早采用单片机控制的领域之一，如各种测控系统、PLC等。（2）智能化家用电器。用单片机控制来替代传统的电子线路控制是当前家用电器的发展趋势，如空调、洗衣机、电视机等。（
7、3）智能化仪表。采用单片机的智能化仪表，加强了数据处理能力和网络数据传送能力，提高了仪表的档次，如各种探测仪表、自动抄表系统等。（4）办公自动化设备。目前的办公设备中多数都嵌入了单片机系统，如打印机、复印机、扫描仪等。（5）军用航空等尖端领域的应用更加突出。第1章单片机基础知识 1.2 单片机系统的组成 当单片机内部的计算机外围功能单元不能满足对象控制要求的时候，通过系统扩展，在外部并行总线上扩展相应的计算机外围功能单元所构成的系统，称为单片机系统。这个定义强调的是单片机系统的硬件组成，而一个完整的单片机系统应该包括硬件系统和软件系统两大部分，如图1-2所示。图1-2 单片机系统结构框图第1章
8、单片机基础知识 单片机系统的硬件由单片机芯片和外部接口电路及设备组成。而单片机芯片则包括了中央处理器（CPU）、存储器（ROM/RAM）、I/O接口及其他功能单元（定时计数器、中断系统、串行接口）。它们通过AB（地址总线）、DB（数据总线）、CB（控制总线）相互连接，如图1-3所示。1.2.1 单片机系统的硬件组成图1-3 单片机系统的硬件结构图第1章单片机基础知识 1微处理器（CPU） CPU主要由两部分组成：运算器和控制器。（1）运算器:运算器主要完成算术运算和逻辑运算并进行逻辑测试，如零值测试和两个值的比较，通常算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作产生一个判决。运算器主要由以下几部分
9、组成。 累加器A：用来存放参与算术或者逻辑运算的一个操作数和运算结果。 暂存器TMP：用来暂时存放参与算术或者逻辑运算的另一个操作数。该操作数主要来自其他数据寄存器或者内存单元中。第1章单片机基础知识 算术逻辑单元ALU：主要完成把传送到微处理器的数据进行算术和逻辑运算。ALU具有两个主要的输入来源，一个累加器，一个来自数据寄存器，它能够完成这两个数的相加和相减，也能够完成某些逻辑运算。 标志寄存器F：用来存放ALU运算结果的标志位，如进位标志、溢出标志等。 例如：将两个数12H和31H相加，在相加之前，操作数12H存放在累加器A中，31H存放在数据寄存器中，执行两个数相加的控制线发出“加”操
10、作信号，ALU就把两个数相加，所加结果存入累加器A中，覆盖原来累加器A中的内容，执行完后，累加器A中的内容就是43H。第1章单片机基础知识 （2）控制器 控制器主要是协调和控制整个计算机系统的操作，主要由以下几部分组成。 程序计数器PC：为了能够保证程序能够连续地运行下去，CPU必须具备某种手段来确定一条指令的地址，程序计数器就是执行这项工作。当执行程序时，CPU将自动修改PC的内容，使之总是指向下一条指令的存放地址。 指令寄存器IR：保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从程序存储器中取出，然后再传送到指令寄存器。第1章单片机基础知识 指令译码器ID：要执行给定指令的操作，必须
11、给操作码译码，以便确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作。操作码一经译码后就向操作控制器发出具体操作的特定信号。 时序产生器：用来产生脉冲序列和各种节拍脉冲，每个节拍脉冲对应于一种操作，就像是体育老师的口令、交响乐团的指挥一样。 操作控制器：根据指令译码器的信号，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作，比如一次内存读写操作，一次算术逻辑操作，一次输入/输出操作，指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间的数据流向。 相对控制器而言，运算器的动作是接受控制器的命令而动作的，即运算器所进行的所有操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的。第1章单片机基础知识 2总线 总线（BUS）是计算机各
12、部件之间传送信息的公共通道。微机中有内部总线和外部总线两类。内部总线是CPU内部之间的连线，外部总线是指CPU与其他部件之间的连线。外部总线有三种：数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。（1）地址总线（AB）：地址总线宽度根据寻址范围来确定的，当寻址范围是4KB212B时，需要的地址线宽度为12位，由于80C51单片机的寻址范围最多可达64KB，因此地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0A7）；P2口直接提供高8位地址（A8A15）。因地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。（2）数据总
13、线（DB）：由于80C51单片机为8位机，故数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。（3）控制总线（CB）：控制总线随时掌控各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出控制命令。第1章单片机基础知识 3存储器 存储器的主要功能就是用来存放程序代码和数据。（1）存储器的分类 按照存储器的存取功能分，可分为：随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）。它可以随机写入和读出，读写速度快，但是断电后，存储的数据就要丢失。主要用来存放各种处理数据。 只读存储器（Read Only Memory，ROM）。它在一般情况下只能读不能写，当然，在满足一定条件下也可以完成写入操
14、作，否则，读的数据又从何而来呢？它的另外一个特点就是掉电不丢失，能长期保存数据。从写入方式来看，ROM也有很多分类，主要有：掩膜ROM、EPROM、EEPROM、FLASHROM和OTPROM（一次性编程ROM）。第1章单片机基础知识 按照存储器结构分，可分为： 普林斯顿结构。一般微机只有一个地址空间，ROM和RAM可以随意安排在这一地址范围内不同的空间，即ROM和RAM的地址在同一个队列里分配不同的地址空间。CPU访问存储器时，一个地址对应唯一的存储空间，可以是ROM，也可以是RAM，并用同一种指令访问。 哈佛结构。如80C51的存储器结构分程序存储器空间和数据存储器空间，总共有4个物理存储
15、空间，即片内程序存储器空间、片外程序存储器空间、片内数据存储器空间、片外数据存储器空间，并用不同的指令访问程序存储器和数据存储器，这种程序存储器和数据存储器分开的结构就称为哈佛结构。第1章单片机基础知识 （2）存储器的操作 存储器的操作分为读操作和写操作。 例如，将数据存储器30H中的内容03H读出到累加器A中。其步骤如下： CPU将要读存储空间的地址码30H送到地址总线上，选通地址为30H的存储单元。 CPU的控制器发出“读”信号，建立存储器到CPU的数据流向。 存储器将地址为30H的存储单元中的内容03H释放到数据总线上。 CPU将数据总线上的数据03H读入到累加器A中。 注意：读操作不影
16、响原来单元内容，即30H中的内容还是03H，类似计算机操作中的“复制”。第1章单片机基础知识 例如，将数据10H送到地址为40H的内部数据存储单元中。其步骤如下： CPU将要写入的存储空间的地址码40H送到地址总线上，选通地址为40H的存储单元。 将数据10H送到数据总线上。 CPU控制器发出“写”信号，建立CPU到存储器的数据流向。 存储器将数据10H送入到地址为40H的存储单元中。注意：写操作要改变原来单元的内容，类似计算机操作中的“粘贴”，如果40H单元中原来的内容是20H，经过这次写操作后，40H单元中的内容就改为10H。第1章单片机基础知识 （3）堆栈 堆栈就是在单片机RAM中，专门划出一个区域用来临时存放一些重要数据码或者地址码。对于堆栈，应主要掌握以下几点。 栈底地址：用来确定堆栈的深度，一般可在程序初始化部分通过对堆栈指针SP 的赋值来确定，如MOV SP,#60H，就是将堆栈的栈底设定为60H（深度为32B）。 堆栈指针：用来指出当前栈顶的存储单元的地址。 堆栈原则：堆栈操作遵循“先进后出”的原则。第1章单片机基础知识 如图1-4是一堆栈的结构图。通过这个图可以了解以
