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1、单 片 机 原 理 及 应 用教 案机电工程学院电气工程系第一章 绪论第一节 单片机单片机即单片机微型计算机，是将计算机主机(CPU、内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微型机。第二节 单片机的历史与现状第一阶段（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，
2、并在不断的改进和发展。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。第三节 单片机的应用领域一、 单片机在仪器仪表中的应用二、 单片机在机电一体化中的应用三、 单片机在智能接口和多机系统中的应用四、
3、 单片机在生活中的应用第二章 硬件结构第一节 MCS-51单片机及其演变特点（1）一个8位微处理器CPU。（2）数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。（3）内部程序存储器ROM。（4）两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用作定时器。（5）四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口，每个端口既可做输入，也可做输出。（6）一个串行端口，用于数据的串行通信。（7）中断控制系统。（8）内部时钟电路。第二节 80C51单片机的基本结构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）805
4、1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4 KB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。在实训中我们已经使用了P1口，通过P1口连接
5、8个发光二极管。第三节 80C51单片机的引脚功能 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P0.0 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。 ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。 PSEN：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元
6、的读操作。 EA：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。 RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。 XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 VSS：地线。 VCC：+5 V电源。 以上是MCS-51单片机芯片40条引脚的定义及简单功能说明，读者可以对照实训电路找到相应引脚，在电路中查看每个引脚的连接使用。
7、P3口线的第二功能。P3的8条口线都定义有第二功能第四节 存储器结构MCS-51单片机的芯片内部有RAM和ROM两类存储器，即所谓的内部RAM和内部ROMMCS-51内部程序存储器MCS-51的程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。8051片内有4 KB的ROM，8751片内有4 KB的EPROM，8031片内无程序存储器。 MCS-51的片外最多能扩展64 KB程序存储器，片内外的ROM是统一编址的。如端保持高电平，8051的程序计数器PC在0000H0FFFH地址范围内 (即前4 KB地址) 是执行片内ROM中的程序，当PC在1000HFFFFH地址范围时，自动执行片外程序存储器中的程序
8、；当保持低电平时，只能寻址外部程序存储器，片外存储器可以从0000H开始编址。MCS-51的程序存储器中有些单元具有特殊功能，使用时应予以注意。 其中一组特殊单元是0000H0002H。系统复位后，(PC)=0000H，单片机从0000H单元开始取指令执行程序。如果程序不从0000H单元开始，应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，以便直接转去执行指定的程序。 还有一组特殊单元是0003H002AH，共40个单元。这40个单元被均匀地分为5段，作为5个中断源的中断地址区。其中：0003H000AH 外部中断0中断地址区000BH0012H 定时/计数器0中断地址区0013H001AH 外部中断
9、1中断地址区001BH0022H 定时/计数器1中断地址区0023H002AH 串行中断地址区中断响应后，按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序，因此在中断地址区中理应存放中断服务程序。但通常情况下，8个单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此通常也是从中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址。MCS-51内部数据存储器内部数据存储器低128单元 8051的内部RAM共有256个单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H7FH）和高128单元（单元地址80HFFH）。如图所示为低128
10、单元的配置图。 寄存器区 8051共有4组寄存器，每组8个寄存单元（各为8），各组都以R0R7作寄存单元编号。寄存器常用于存放操作数中间结果等。由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称之为通用寄存器，有时也叫工作寄存器。4组通用寄存器占据内部RAM的00H1FH单元地址。 在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定。 通用寄存器为CPU提供了就近存储数据的便利，有利于提高单片机的运算速度。此外，使用通用寄存器还能提高程序编制的灵活性，因此，在单片机的应用编程中应充分特殊功能寄
11、存器通用RAM区位寻址区00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位寻址外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外 部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH内部数据存储器（a）外部数据存储器（b）程序存储器（c）工作寄存器区利用这些寄存器，以简化程序设计，提高程序运行速度。 位寻址区 内部RAM的20H2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称之为位寻址区。位寻址区共有16个
12、RAM单元，计128位，地址为00H7FH。MCS-51具有布尔处理机功能，这个位寻址区可以构成布尔处理机的存储空间。这种位寻址能力是MCS-51的一个重要特点。 用户RAM区 在内部RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下80个单元，这就是供用户使用的一般RAM区，其单元地址为30H7FH。对用户RAM区的使用没有任何规定或限制，但在一般应用中常把堆栈开辟在此区中。 内部数据存储器高128单元 内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80HFFH。因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（Special Function Re
13、gister），也可称为特殊功能寄存器。第五节 特殊功能存储器SFR8051共有21个专用寄存器，现把其中部分寄存器简单介绍如下：程序计数器（PCProgram Counter）。在实训中，我们已经知道PC是一个16位的计数器，它的作用是控制程序的执行顺序。其内容为将要执行指令的地址，寻址范围达64 KB。PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行读写，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。因地址不在SFR（专用寄存器）之内，一般不计作专用寄存器。累加器（ACCAccumulator）。累加器为8位寄存器，是最常用的专用
14、寄存器，功能较多，地位重要。它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。MCS-51单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。B寄存器。B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。乘法运算时，B存乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中，除法运算时，B存除数。除法操作后，余数存于B中。此外，B寄存器也可作为一般数据寄存器使用。 程序状态字（PSWProgram Status Word）。程序状态字是一个8位寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。其中有些位的状态是根据程序执行结果，由硬件自动设置的，而有些位的状态则使用软件方法设定。PSW的位状态可以用专门指令进行测试，也可以用指令读出。一些条件转移指令将根据PSW有些位的状态，进行程序转移。PSW的各位定义如下：PSW位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H字节地址 CY ACF0RS1RS0OVF1P除PSW.1位保留未用外，其余各位的定义及使用如下：CY（PSW.7）进位标志位。CY是PSW中最常用的标志位。其功能有二：一是存放算术运算的进位标志，在进行加或减运算时，如果操作结果的最高
