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1、1-1 1-1 单片机最小系统单片机最小系统让单片机动起来！让单片机动起来！1 1项目引入项目引入n n一辆汽车中有上百个单片机控制系统保证着汽车的正常运一辆汽车中有上百个单片机控制系统保证着汽车的正常运行。行。 尾灯系统就是一个最典型、最简单的例子尾灯系统就是一个最典型、最简单的例子2 2课堂任务：课堂任务：n n单片机控制单片机控制8 8个发光二极管点亮个发光二极管点亮3 3 跟我想跟我想n n1 1、单片机、单片机“ “动起来动起来” ”的基本条件有哪些？的基本条件有哪些？n n2 2、如何制作一个单片机最小系统？、如何制作一个单片机最小系统？n n3 3、怎样用、怎样用LEDLED灯检
2、测单片机的输出电平？灯检测单片机的输出电平？4 4 跟我学跟我学5 5第第第第2 2章章章章 AT89C51AT89C51单片机结构和原理单片机结构和原理单片机结构和原理单片机结构和原理n n2.1 AT89C512.1 AT89C51单片机的结构单片机的结构单片机的结构单片机的结构 n n2.2 AT89C512.2 AT89C51单片机引脚及其功能单片机引脚及其功能单片机引脚及其功能单片机引脚及其功能n n2.3 AT89C512.3 AT89C51最小系统最小系统最小系统最小系统 n n习题与思考题习题与思考题习题与思考题习题与思考题 6 62.1 AT89C512.1 AT89C51单
3、片机的结构单片机的结构n n AT89 AT89系列单片机在结构上基本相同，只是在个别系列单片机在结构上基本相同，只是在个别模块和功能上有些区别。模块和功能上有些区别。AT89C51AT89C51单片机的内部结构框图单片机的内部结构框图包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件，各功能部包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件，各功能部件通过片内单一总线连成一个整体，集成在一块芯片上。件通过片内单一总线连成一个整体，集成在一块芯片上。 7 7AT89C51AT89C51内部结构框图内部结构框图8 8AT89C51内部结构内部结构 9 9n n 2.1.1 2.1.1 中央处理器中央处理器(CPU
4、)(CPU)n n CPUCPU是是单单片片机机内内部部的的核核心心部部件件，是是一一个个8 8位位二二进进制制数数的的中中央央处处理理单单元，主要由运算器、控制器和寄存器阵列构成。元，主要由运算器、控制器和寄存器阵列构成。n n 1. 1. 运算器运算器n n 运运算算器器用用来来完完成成算算术术运运算算和和逻逻辑辑运运算算功功能能，它它是是AT89C51AT89C51内内部部处处理理各各种种信信息息的的主主要要部部件件。运运算算器器主主要要由由算算术术逻逻辑辑单单元元(ALU)(ALU)、累累加加器器(ACC)(ACC)、暂存寄存器、暂存寄存器(TMP1(TMP1、TMP2)TMP2)和状
5、态寄存器和状态寄存器(PSW)(PSW)组成。组成。1010n n (1) (1) 算术逻辑单元算术逻辑单元(ALU)(ALU)：AT89C51AT89C51中的中的ALUALU由加法器和一个布尔由加法器和一个布尔处理器组成处理器组成( (图中未具体画出图中未具体画出) )。 n n (2) (2) 累累加加器器(ACC)(ACC)：用用来来存存放放参参与与算算术术运运算算和和逻逻辑辑运运算算的的一一个个操操作作数或运算的结果。数或运算的结果。n n (3) (3) 暂暂存存寄寄存存器器(TMP1(TMP1、TMP2)TMP2)：用用来来存存放放参参与与算算术术运运算算和和逻逻辑辑运运算的另一
6、个操作数，它对用户不开放。算的另一个操作数，它对用户不开放。n n (4) (4) 状态寄存器状态寄存器(PSW)(PSW)：PSWPSW是一个是一个8 8位标志寄存器，用来存放位标志寄存器，用来存放ALUALU操作结果的有关状态。操作结果的有关状态。 1111n n表表2-1 PSW2-1 PSW各位定义表各位定义表位编号PSW7PSW6PSW5PSW4PSW3PSW2PSW1PSW0位定义CYACF0RS1RS0OVP位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H1212n n 进位标志位进位标志位CYCY：表示累加器：表示累加器A A在加减运算过程中其最高位在加减运算过程中其最高
7、位A7A7有无进位或借位。有无进位或借位。 n n 辅助进位位辅助进位位ACAC：表示累加器：表示累加器A A在加减运算时低在加减运算时低4 4位位(A3)(A3)有无向有无向高高4 4位位(A4)(A4)进位或借位。进位或借位。n n 用用户户标标志志位位F0F0：是是用用户户定定义义的的一一个个状状态态标标志志位位，根根据据需需要要可可以以用软件来使它置位或清除。用软件来使它置位或清除。1313n n 寄寄存存器器选选择择位位RS1RS1、RS0RS0：AT89C51AT89C51共共有有四四组组，每每组组八八个个工工作作寄寄存存器器R0R0R7R7。编编程程时时用用于于存存放放数数据据或
8、或地地址址。但但每每组组工工作作寄寄存存器器在在内内部部RAMRAM中中的的物物理理地地址址不不同同。RS1RS1和和RS0RS0的的四四种种状状态态组组合合就就是是用用来来确确定定四四组组工工作作寄寄存存器器的的实实际际物物理理地地址址的的。RS1RS1、RS0RS0状状态态与与工工作作寄寄存存器器R0R0R7R7的的物理地址关系如表物理地址关系如表2-22-2所示。所示。1414n n表表2-2 2-2 工作寄存器组工作寄存器组R0R0R7R7的物理地址的物理地址RS1RS0工作寄存器组号R0R7的物理地址00011011012300H07H08H0FH16H17H18H1FH1515n
9、n 溢溢出出标标志志位位OVOV：当当执执行行算算术术指指令令时时，由由硬硬件件自自动动置置位位或或清清零零，表示累加器表示累加器A A的溢出状态。的溢出状态。n n 奇奇偶偶标标志志位位P P：用用于于指指示示运运算算结结果果中中1 1的的个个数数的的奇奇偶偶性性，若若累累加加器器A A中中1 1的个数为奇数，则的个数为奇数，则P=1P=1；若；若1 1的个数为偶数，则的个数为偶数，则P=0P=0。1616n n 2. 2. 控制器控制器n n 控控制制器器是是单单片片机机内内部部按按一一定定时时序序协协调调工工作作的的控控制制核核心心，是是分分析析和和执执行行指指令令的的部部件件。控控制制
10、器器主主要要由由程程序序计计数数器器PCPC、指指令令寄寄存存器器IRIR、指指令令译译码码器器IDID和定时控制逻辑电路等构成。和定时控制逻辑电路等构成。n n 程序计数器程序计数器PCPC是专门用于存放现行指令的是专门用于存放现行指令的1616位地址的。位地址的。CPUCPU就就是根据是根据PCPC中的地址到中的地址到ROMROM中去读取程序指令码和数据，并送给指令寄中去读取程序指令码和数据，并送给指令寄存器存器IRIR进行分析。进行分析。 1717n n 指指令令寄寄存存器器IRIR用用于于存存放放CPUCPU根根据据PCPC地地址址从从ROMROM中中读读出出的的指指令令操操作作码。码
11、。n n 指指令令译译码码器器IDID是是用用于于分分析析指指令令操操作作的的部部件件，指指令令操操作作码码经经译译码码后后产产生相应于某一特定操作的信号。生相应于某一特定操作的信号。n n 定时控制逻辑中定时部件用来产生脉冲序列和多种节拍脉冲。定时控制逻辑中定时部件用来产生脉冲序列和多种节拍脉冲。 1818n n 3 3寄存器阵列寄存器阵列n n 寄寄存存器器阵阵列列是是单单片片机机内内部部的的临临时时存存储储单单元元或或固固定定用用途途单单元元，包包括括通通用寄存器组和专用寄存器组。用寄存器组和专用寄存器组。n n 通用寄存器组用来存放过渡性的数据和地址，提高通用寄存器组用来存放过渡性的数
12、据和地址，提高CPUCPU的运行速度。的运行速度。n n 专用寄存器组主要用来指示当前要执行指令的内存地址，存放特专用寄存器组主要用来指示当前要执行指令的内存地址，存放特定的操作数，指示指令运行的状态等。定的操作数，指示指令运行的状态等。 1919n n 2.1.2 2.1.2 存储器存储器n n AT89C51AT89C51单单片片机机内内部部有有256256个个字字节节的的RAMRAM数数据据存存储储器器和和4KB4KB的的闪闪存存程程序序存存储储器器(Flash)(Flash)，当当不不够够使使用用时时，可可分分别别扩扩展展为为64 64 KBKB外外部部RAMRAM存存储储器器和和64
13、 64 KBKB外外部部程程序序存存储储器器。它它们们的的逻逻辑辑空空间间是是分分开开的的，并并有有各各自自的的寻寻址址机机构构和和寻寻址址方方式式。这种结构的单片机称为哈佛型结构单片机。这种结构的单片机称为哈佛型结构单片机。n n 程序存储器是可读不可写的，用于存放编好的程序和表格常数。程序存储器是可读不可写的，用于存放编好的程序和表格常数。n n 数数据据存存储储器器是是既既可可读读也也可可写写的的，用用于于存存放放运运算算的的中中间间结结果果，进进行行数数据据暂暂存及数据缓冲等。存及数据缓冲等。2020n n 2.1.3 I/O 2.1.3 I/O端口端口n n AT89C51AT89C
14、51单单片片机机对对外外部部电电路路进进行行控控制制或或交交换换信信息息都都是是通通过过I/OI/O端端口口进进行行的的。单单片片机机的的I/OI/O端端口口分分为为并并行行I/OI/O端端口口和和串串行行I/OI/O端端口口，它它们们的的结结构构和作用并不相同。和作用并不相同。n n 1 1并行并行I/OI/O端口端口n n AT89C51AT89C51有四个有四个8 8位并行位并行I/OI/O端口，分别命名为端口，分别命名为P0P0口、口、P1P1口、口、P2P2口和口和P3P3口，它们都是口，它们都是8 8位准双向口，每次可以并行输入或输出位准双向口，每次可以并行输入或输出8 8位二进制
15、位二进制信息。信息。 2121n n 2 2串行串行I/OI/O端口端口n n AT89C51AT89C51有一个全双工的可编程串行有一个全双工的可编程串行I/OI/O端口，它利用了端口，它利用了P3P3口的口的第二功能，即将第二功能，即将P3.1P3.1引脚作为串行数据的发送线引脚作为串行数据的发送线TXDTXD，将，将P3.0P3.0引脚作为引脚作为串行数据的接收线串行数据的接收线RXDRXD。 2222n n 2.1.4 2.1.4 定时器定时器/ /计数器计数器n n AT89C51AT89C51内内部部有有两两个个1616位位可可编编程程定定时时器器/ /计计数数器器，简简称称为为定
16、定时时器器0(T0)0(T0)和和定定时时器器1(T1)1(T1)，T0T0和和T1T1分分别别由由两两个个8 8位位寄寄存存器器构构成成，其其中中T0T0由由TH0(TH0(高高8 8位位) )和和TL0(TL0(低低8 8位位) )构构成成，T1T1由由TH1(TH1(高高8 8位位) )和和TL1(TL1(低低8 8位位) )构构成成。TH0TH0、TL0TL0、TH1TH1、TL1TL1都是都是SFRSFR中的特殊功能寄存器中的特殊功能寄存器( (见表见表2-4)2-4)。2323n n T0T0和和T1T1在在定定时时器器控控制制寄寄存存器器TCONTCON和和定定时时器器方方式式选
17、选择择寄寄存存器器TMODTMOD的的控控制制下下(TCON(TCON、TMODTMOD为为特特殊殊功功能能寄寄存存器器) )，可可工工作作在在定定时时器器模模式式或或计计数数器器模模式式下下，每每种种模模式式下下又又有有不不同同的的工工作作方方式式。当当定定时时或或计计数数溢溢出时还可申请中断。详细情况参见第出时还可申请中断。详细情况参见第6 6章。章。2424n n 2.1.5 2.1.5 中断系统中断系统n n 单单片片机机中中的的中中断断是是指指CPUCPU暂暂停停正正在在执执行行的的原原程程序序转转而而为为中中断断源源服服务务( (执执行行中中断断服服务务程程序序) )，在在执执行行
18、完完中中断断服服务务程程序序后后再再回回到到原原程程序序继继续续执执行行。中断系统是指能够处理上述中断过程所需要的部分电路。中断系统是指能够处理上述中断过程所需要的部分电路。n n AT89C51AT89C51的中断系统由中断源、中断允许控制器的中断系统由中断源、中断允许控制器IEIE、中断优先级、中断优先级控制器控制器IPIP、定时器控制器、定时器控制器TCON(TCON(中断标志寄存器中断标志寄存器) )等构成，等构成，IEIE、IPIP、TCONTCON均为均为SFRSFR特殊功能寄存器特殊功能寄存器( (见表见表2-2)2-2)。 2525n n 2.1.6 2.1.6 内部总线内部总
19、线n n 总总线线是是用用于于传传送送信信息息的的公公共共途途径径。总总线线可可分分为为数数据据总总线线、地地址址总总线线、控控制制总总线线。单单片片机机内内的的CPUCPU、存存储储器器、I/OI/O接接口口等等单单元元部部件件都都是是通通过过总总线线连连接接到到一一起起的的。采采用用总总线线结结构构可可以以减减少少信信息息传传输输线线的的根根数数，提提高高系系统统可可靠性，增强系统灵活性。靠性，增强系统灵活性。n n AT89C51AT89C51单片机内部总线是单总线结构，即数据总线和地址总线单片机内部总线是单总线结构，即数据总线和地址总线是公用的。是公用的。 26262.2 AT89C5
20、12.2 AT89C51单片机引脚及其功能单片机引脚及其功能n n AT89C51AT89C51有有4040条条引引脚脚，与与其其他他5151系系列列单单片片机机引引脚脚是是兼兼容容的的。这这4040条条引引脚脚可可分分为为I/OI/O端端口口线线、电电源源线线、控控制制线线、外外接接晶晶体体线线四四部部分分。其其封封装装形形式式有有两两种种：双双列列直直插插封封装装(DIP)(DIP)形式和方形封装形式，如图形式和方形封装形式，如图2-22-2所示。所示。2727图2-2AT89C51封装和引脚分配图(a)双列直插式封装；(b)方形封装2828n n 2.2.1 I/O 2.2.1 I/O端
21、口功能端口功能n n 1 1P0P0口口n n P0P0口口有有八八条条端端口口线线，命命名名为为P0.0P0.0P0.7P0.7，其其中中P0.0P0.0为为低低位，位，P0.7P0.7为高位。为高位。2929n n 2. P1 2. P1口口n n P1P1口口有有八八条条端端口口线线，命命名名为为P1.0P1.0P1.7 P1.7 , , 只只作作普普通通的的I/OI/O口口使使用用，其其功功能能与与P0P0口口的的第第一一功功能能相相同同。作作输输出出口口使使用用时时，不不需需外外接接上上拉拉电电阻阻；作作输输入入口口使使用用时时，必必须须先先向向锁存器写入锁存器写入“ “1” 1”
22、。3030n n 3. P2 3. P2口口n n P2P2口口有有八八条条端端口口线线，命命名名为为P2.0P2.0P2.7P2.7，它它有有两两种种使使用用功功能：能：n n一一种种是是当当系系统统不不扩扩展展外外部部存存储储器器时时，作作普普通通I/OI/O口口使使用用，其其功功能能和和原原理理与与P0P0口口第第一一功功能能相相同同，只只是是作作为为输输出出口口时时不不需需外外接接上上拉拉电阻；电阻；n n另另一一种种是是当当系系统统外外扩扩存存储储器器时时，P2P2口口作作系系统统扩扩展展的的地地址址总总线线口口使使用用，输输出出高高8 8位位的的地地址址A A7 7A A1515，
23、与与P0P0口口第第二二功功能能输输出出的的低低8 8位位地址相配合，共同访问外部程序或数据存储器地址相配合，共同访问外部程序或数据存储器(64 KB) (64 KB) 。3131n n 4. P3 4. P3口口n n P3P3口口有有八八条条端端口口线线，命命名名为为P3.0P3.0P3.7P3.7。P3P3口口是是一一个个多多用用途途的的准准双双向向口口。第第一一功功能能是是作作普普通通I/OI/O口口使使用用，其其功功能能和和原原理理与与P1P1口口相相同同。第第二二功功能能是是作作控控制制和和特特殊殊功功能能口口使使用，这时八条端口线所定义的功能各不相同，如表用，这时八条端口线所定义
24、的功能各不相同，如表2-32-3所示。所示。3232n n表表2-3 P32-3 P3口各位的第二功能口各位的第二功能3333n n 5 5I/OI/O口的读写口的读写n n P0P0P3P3口都可作为普通口都可作为普通I/OI/O口来使用。当作为输入口口来使用。当作为输入口使用时，必须先向该口的锁存器中写入使用时，必须先向该口的锁存器中写入“ “1”1”，然后再从读，然后再从读引脚缓冲器中读入引脚状态，这样的读入结果才正确。引脚缓冲器中读入引脚状态，这样的读入结果才正确。 3434n n 2.2.2 2.2.2 电源线电源线n n AT89C51AT89C51单片机的电源线有以下两种：单片机
25、的电源线有以下两种：n n (1) V(1) VCCCC：+5 V+5 V电源线。电源线。 n n (2) V(2) VSSSS：接地线。：接地线。3535n n 2.2.3 2.2.3 外接晶体引脚外接晶体引脚n n AT89C51AT89C51单片机的外接晶体引脚有以下两种：单片机的外接晶体引脚有以下两种：n n (1) (1) XTAL1XTAL1：片片内内振振荡荡器器反反相相放放大大器器的的输输入入端端和和内内部部时时钟钟工工作作的的输输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。 n n (2) (2)
26、XTAL2XTAL2：片片内内振振荡荡器器反反相相放放大大器器的的输输出出端端，接接外外部部石石英英晶晶体体和和微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。3636n n 2.2.4 2.2.4 控制线控制线n n AT89C51AT89C51单片机的控制线有以下几种：单片机的控制线有以下几种： (1) RST(1) RST：复位输入端，高电平有效。：复位输入端，高电平有效。 (2) ALE/ (2) ALE/ ：地址锁存允许：地址锁存允许/ /编程线。编程线。 (3) (3) ：外部程序存储器的读选通线。：外部程序存储器的读选通线。 (4)
27、 /V(4) /VPPPP：片外：片外ROMROM允许访问端允许访问端/ /编程电源端。编程电源端。 37372.3 AT89C512.3 AT89C51最小系统最小系统 2.3.1 2.3.1 振荡器与时钟电路振荡器与时钟电路 单单片片机机内内各各部部件件之之间间有有条条不不紊紊的的协协调调工工作作，其其控控制制信信号号是是在在一一种种基基本本节节拍拍的的指指挥挥下下按按一一定定时时间间顺顺序序发发出出的的，这这些些控控制制信信号号在在时时间间上上的的相相互互关关系系就就是是CPUCPU时时序序。而而产产生生这这种种基基本本节节拍拍的的电电路就是振荡器和时钟电路。路就是振荡器和时钟电路。 3
28、838 引脚引脚XTAL1XTAL1为反相器输入端，为反相器输入端，XTAL2XTAL2为反相器输出端。为反相器输出端。当在放大器两个引脚上外接一个晶体当在放大器两个引脚上外接一个晶体( (或陶瓷振荡器或陶瓷振荡器) )和电容和电容组成的并联谐振电路作为反馈元件时，便构成一个自激振荡组成的并联谐振电路作为反馈元件时，便构成一个自激振荡器。器。 3939图AT89C51内部振荡器电路图4040n n 单单片片机机也也可可采采用用外外部部振振荡荡器器向向内内部部时时钟钟电电路路输输入入一一固固定定频频率率的的时时钟钟源源信信号号。此此时时，外外部部信信号号接接至至XTAL1XTAL1端端，输输入入
29、给给内内部部时时钟钟电路，而电路，而XTAL2XTAL2端浮空即可，如图端浮空即可，如图2-152-15所示。所示。n n 4141图外部时钟电路图4242n n 2.5.2 2.5.2 复位电路复位电路 单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。复位的作用是使中序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。复位的作用是使中央处理器央处理器CPUCPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。并从这个状态开始工作。4343图单片机复
30、位电路图(a)上电复位电路；(b)手动复位电路4444n n 2.5.2 2.5.2 复位电路复位电路 单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。复位的作用是使中序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。复位的作用是使中央处理器央处理器CPUCPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。并从这个状态开始工作。4545 跟我做跟我做1、准备器件2、焊接电路板3、编写简单程序4、建立单片机控制LED的最小系统 4646电路原理图电
31、路原理图4747 跟我总结跟我总结 1、单片机正常工作需要哪些基本电路 2、单片机的工作过程 4848n n1 1、编写实训报告：总结实训过程遇到的问题、解决方法和、编写实训报告：总结实训过程遇到的问题、解决方法和收获收获n n2 2、如果改用、如果改用P0P0口和口和P1P1口来控制口来控制1616只只LEDLED，让，让8 8只只LEDLED交替交替点亮，如何设计点亮，如何设计 课后任务课后任务4949习题与思考题习题与思考题n n2.1 AT89C512.1 AT89C51单片机内部结构由哪几部分组成？单片机内部结构由哪几部分组成？n n2.2 2.2 程序状态字程序状态字PSWPSW各
32、位的定义是什么？各位的定义是什么？n n2.3 2.3 程序计数器程序计数器PCPC的作用是什么？怎样工作？的作用是什么？怎样工作？n n2.4 P02.4 P0P3P3口各有什么功能？口各有什么功能？P0P0口用作普通口用作普通I/OI/O口使用时应注意什么？口使用时应注意什么？n n 5050n n 2.5 AT89C51 2.5 AT89C51单片机只用内部单片机只用内部FlashFlash存储器时，存储器时， 引脚如何处理？引脚如何处理？n n 5151n n 2.6 2.6 AT89C51AT89C51单单片片机机的的外外RAMRAM和和外外ROMROM使使用用相相同同的的地地址址空
33、空间间和和同同一条总线，那么是否会在总线上出现读错和写错现象？为什么？一条总线，那么是否会在总线上出现读错和写错现象？为什么？n n 2.7 2.7 什么是对什么是对I/OI/O口的口的“ “读读修改修改写写” ”操作？操作？n n 2.8 2.8 单单片片机机的的复复位位方方式式有有几几种种？复复位位后后各各寄寄存存器器、片片内内RAMRAM的的状状态态如何？如何？n n 2.9 2.9 如何改变当前工作寄存器组？如何改变当前工作寄存器组？5252n n2.10 2.10 AT89C51AT89C51中中XTAL1XTAL1和和XTAL2XTAL2的的功功能能是是什什么么？采采用用外外部部时钟源时如何处理这两个引脚？时钟源时如何处理这两个引脚？5353
