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1、单片机原理及应用单片机原理及应用电气工程学院孟 宗138032480529/2/20249/2/20241 1单片机原理及应用课程特点课程特点知识点既分散又连贯，结构和指令系统是基础；与电子线路尤其是数字电子线路关系密切； 本本课课程程以以MCS-51MCS-51单单片片机机为为主主介介绍绍了了单单片片机机的的基基本本原原理理、发发展展过过程程、汇汇编编语语言言及及程程序序设设计计，MCS-51MCS-51单单片片机机内内部部资资源源及及应应用用，单单片片机机的的扩扩展展技技术术、输输入入输输出出通通道道接接口口、交交互互通通道道的的配配置置与与接接口口、单单片片机机应应用用系系统设计。具有完
2、整的、独立的实验教学内容。统设计。具有完整的、独立的实验教学内容。内容简介内容简介内容简介内容简介9/2/20249/2/20242 2学习方法：学习方法：学习方法：学习方法： 1. 1. 充分利用已学过的微机原理的知识，掌握单片机的基本结构充分利用已学过的微机原理的知识，掌握单片机的基本结构充分利用已学过的微机原理的知识，掌握单片机的基本结构充分利用已学过的微机原理的知识，掌握单片机的基本结构与组成原理，进一步掌握计算机中的基本概念、基本常识。与组成原理，进一步掌握计算机中的基本概念、基本常识。与组成原理，进一步掌握计算机中的基本概念、基本常识。与组成原理，进一步掌握计算机中的基本概念、基本
3、常识。 2. 2. 掌握单片机的指令系统与编程方法掌握单片机的指令系统与编程方法掌握单片机的指令系统与编程方法掌握单片机的指令系统与编程方法 3. 3. 掌握单片机的时序，不懂时序，难以充分利用单片机。掌握单片机的时序，不懂时序，难以充分利用单片机。掌握单片机的时序，不懂时序，难以充分利用单片机。掌握单片机的时序，不懂时序，难以充分利用单片机。 4. 4. 掌握单片机硬件电路中通用符号的意义，进一步掌握外围接掌握单片机硬件电路中通用符号的意义，进一步掌握外围接掌握单片机硬件电路中通用符号的意义，进一步掌握外围接掌握单片机硬件电路中通用符号的意义，进一步掌握外围接口电路的典型应用（锁存器、缓冲器
4、、驱动器、定时器口电路的典型应用（锁存器、缓冲器、驱动器、定时器口电路的典型应用（锁存器、缓冲器、驱动器、定时器口电路的典型应用（锁存器、缓冲器、驱动器、定时器/ /计数计数计数计数器、并行接口、串行接口、器、并行接口、串行接口、器、并行接口、串行接口、器、并行接口、串行接口、A/DA/D、D/AD/A、键盘、显示器、打印键盘、显示器、打印键盘、显示器、打印键盘、显示器、打印机等）。机等）。机等）。机等）。 5. 5. 掌握单片机扩展的原理，注意学会主要信号的扩展方法，能掌握单片机扩展的原理，注意学会主要信号的扩展方法，能掌握单片机扩展的原理，注意学会主要信号的扩展方法，能掌握单片机扩展的原理
5、，注意学会主要信号的扩展方法，能够举够举够举够举 一反三。（如：片选、数据总线、地址总线、片内寻址、一反三。（如：片选、数据总线、地址总线、片内寻址、一反三。（如：片选、数据总线、地址总线、片内寻址、一反三。（如：片选、数据总线、地址总线、片内寻址、读读读读/ /写控制线、地址锁存、时钟、复位、中断请求与响应等）。写控制线、地址锁存、时钟、复位、中断请求与响应等）。写控制线、地址锁存、时钟、复位、中断请求与响应等）。写控制线、地址锁存、时钟、复位、中断请求与响应等）。 9/2/20249/2/20243 31.1 1.1 单片机基础单片机基础单片机基础单片机基础1.1.1 1.1.1 电子计算
6、机及其发展历史电子计算机及其发展历史电子计算机及其发展历史电子计算机及其发展历史 第一台电子计算机诞生于第一台电子计算机诞生于第一台电子计算机诞生于第一台电子计算机诞生于19461946年年年年2 2月。月。月。月。19461946年年年年6 6月，冯月，冯月，冯月，冯 诺依曼提出诺依曼提出诺依曼提出诺依曼提出“ “程序存储程序存储程序存储程序存储” ”和和和和“ “二进制运算二进制运算二进制运算二进制运算” ”的的的的思想，构建了计算机由运算器、控制器、存储器和输入思想，构建了计算机由运算器、控制器、存储器和输入思想，构建了计算机由运算器、控制器、存储器和输入思想，构建了计算机由运算器、控制
7、器、存储器和输入/ /输出输出输出输出设备，组成这一计算机的经典结构，如图所示。设备，组成这一计算机的经典结构，如图所示。设备，组成这一计算机的经典结构，如图所示。设备，组成这一计算机的经典结构，如图所示。第第1章章 单片机概述单片机概述9/2/20249/2/20244 4发展经历以下几个阶段：发展经历以下几个阶段：电子管计算机、晶体管计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成集成电路计算机、大规模集成集成电路计算机、大规模集成集成电路计算机、大规模集成电路计算机、超大规模集成电路计算机电路计算机、超大规模集成电路计算机电路计算机、超大规模集成电路计算机电路计算机、超大规
8、模集成电路计算机( (微型计算机微型计算机微型计算机微型计算机) )1.1.2 1.1.2 电子计算机及其发展历史电子计算机及其发展历史电子计算机及其发展历史电子计算机及其发展历史 计算机真正得到广泛应用和普及，还是由于微型计算机的出现。计算机真正得到广泛应用和普及，还是由于微型计算机的出现。计算机真正得到广泛应用和普及，还是由于微型计算机的出现。计算机真正得到广泛应用和普及，还是由于微型计算机的出现。微型计算机组成：由微处理器（或称微型计算机组成：由微处理器（或称微型计算机组成：由微处理器（或称微型计算机组成：由微处理器（或称CPUCPU，中央处理单元，中央处理单元，中央处理单元，中央处理单
9、元) )、存、存、存、存储器加上储器加上储器加上储器加上I/OI/O接口电路组成。接口电路组成。接口电路组成。接口电路组成。各组成部分通过地址总线（各组成部分通过地址总线（各组成部分通过地址总线（各组成部分通过地址总线（ABAB）、数据总线（）、数据总线（）、数据总线（）、数据总线（DBDB）和控制总线）和控制总线）和控制总线）和控制总线（CBCB）相连，）相连，）相连，）相连，再配以系统软件和再配以系统软件和再配以系统软件和再配以系统软件和I/OI/O设备，构成完整的微型计设备，构成完整的微型计设备，构成完整的微型计设备，构成完整的微型计算机系统，简称算机系统，简称算机系统，简称算机系统，简
10、称: :微机，如图所示。微机，如图所示。微机，如图所示。微机，如图所示。9/2/20249/2/20245 51.1.3 什么是单片机什么是单片机 在半导体硅片上集成了微处理器在半导体硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器，存储器(RAM、ROM、EPROM)和各种输入、输出接口。和各种输入、输出接口。单片机单片机SCMC(Single Chip MicroComputer) -属于微型机的一种属于微型机的一种 -具有一般微机的基本组成和功能具有一般微机的基本组成和功能也称为：微控制器也称为：微控制器 MCU(MicroController Unit) 嵌入式控制器嵌入式控制器 EMCU（Em
11、bedded icroController Unit）。）。 我国，习惯使用我国，习惯使用“单片机单片机”这一名称。这一名称。按用途可分为通用型和专用型两大类：按用途可分为通用型和专用型两大类：9/2/20249/2/20246 6（1）通用型）通用型 可开发的内部资源：可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，等功能部件，全部提供给用户，根据需要，设计一个以通用单片机芯片全部提供给用户，根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。为核心的测控系统。（2）专用型）专用型 专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大
12、。性强且数量巨大。 对系统结构的最简化、可靠性和成本最佳化等方面都对系统结构的最简化、可靠性和成本最佳化等方面都作了全面的考虑。作了全面的考虑。 “专用专用”单片机具有十分明显的综合优势。单片机具有十分明显的综合优势。 无论无论“专用专用”单片机在用途上有多么单片机在用途上有多么“专专”，其基本，其基本结构和工作原结构和工作原 理都是以通用单片机为基础。理都是以通用单片机为基础。9/2/20249/2/20247 71.2 单片机的发展历史及发展趋势单片机的发展历史及发展趋势1.2.1 单片机的发展历史单片机的发展历史处理的位数分为：处理的位数分为：1位、位、4位、位、8位、位、16位、位、3
13、2位单片机。位单片机。四个阶段四个阶段:第一阶段第一阶段(1974年年1976年年)：单片机初级阶段。双片的形式，：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较简单。且功能比较简单。第二阶段（第二阶段（1976年年1978年）：低性能单片机阶段。以年）：低性能单片机阶段。以Intel 公司制造的公司制造的MCS-48单片机为代表。单片机为代表。第三阶段第三阶段(1978年现在年现在)：高性能单片机阶段。：高性能单片机阶段。Intel公司的公司的 MCS-51系列、系列、Mortorola公司的公司的6801系列等。系列等。第四阶段第四阶段(1982年现在年现在)：8位单片机巩固发展及位单片机巩固发展
14、及16位单片位单片 机、机、32位单片机推出阶段。位单片机推出阶段。世界各公司也开发了一大批性能优越的单片机世界各公司也开发了一大批性能优越的单片机近年，不少新型单片机涌现，单片机产品丰富多彩的局面。近年，不少新型单片机涌现，单片机产品丰富多彩的局面。9/2/20249/2/20248 8n n1.2.21.2.2微型计算机与单片机微型计算机与单片机微型计算机与单片机微型计算机与单片机计算机巨大中小微多片机（PC）单片机微型机与单片机的基本组成对比微型机与单片机的基本组成对比微型机CPU存储器输入/输出接口9/2/20249/2/20249 9微处理器CPUROMRAMI/O接口外设地址总线A
15、B数据总线DB控制总线CB微型机组成框图9/2/20249/2/20241010时钟OSCCPU各种I/O定时器/计数器程序存储器ROM数据存储器RAM中断MCS-51单片机组成框图9/2/20249/2/20241111 (1)优异的性能价格比。1.2.3 单片机的特点单片机的特点 单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于
16、采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。适合于在恶劣环境下工作。 此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。 (2)集成度高、体积小、有很高的可靠性。 9/2/20249/2/20241212 为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。(3)控制功能强。(4)单片机的系统扩展、系统配置较典型、规 范，容易构成各种规模的应用系统。9/2/20249/2/202413131.2.4单片机的应用1 1单片机应用的特点单片机应用的特点 软硬件结合、多学科
17、交叉；软硬件结合、多学科交叉； 应用现场环境恶劣（应用现场环境恶劣（电磁干扰、电源波动、电磁干扰、电源波动、 冲击振动、高低温湿度等冲击振动、高低温湿度等）；）； 应用领域广泛且意义重大（应用领域广泛且意义重大（硬件软化硬件软化-微控微控 制技术制技术）。）。9/2/20249/2/202414142 2 单片机的应用领域单片机的应用领域在在在工业自动化方面（在工业自动化方面（过程控制、数据采集和测控过程控制、数据采集和测控 技术、机器人技术、机械电子计算机一体化技术技术、机器人技术、机械电子计算机一体化技术）；）；仪器仪表方面（仪器仪表方面（测试仪表和医疗仪器测试仪表和医疗仪器-数字化、智能
18、数字化、智能 化、高精度、小体积、低成本、便于增加显示报警和自诊化、高精度、小体积、低成本、便于增加显示报警和自诊断功能断功能）；）；在家用电器方面（在家用电器方面（冰箱、洗衣机、空调机、微波炉、冰箱、洗衣机、空调机、微波炉、电视机、音像设备等电视机、音像设备等）；）；信息和通信产品方面（信息和通信产品方面（计算机的键盘、打印机、磁计算机的键盘、打印机、磁 盘驱动器；传真机、复印机、电话机、考勤机盘驱动器；传真机、复印机、电话机、考勤机）；）；在军事方面（在军事方面（飞机、大炮、坦克、军舰、导弹、火箭、飞机、大炮、坦克、军舰、导弹、火箭、雷达等雷达等）。）。9/2/20249/2/202415
19、151.3 常用单片机系列介绍常用单片机系列介绍n1、综述 自单片机诞生以来的近30年中，单片机已有70多个系列的近500个机种。国际上较有名、影响较大的公司及他们的产品如下所述： IntelIntel公司的MCS48、MCS51、MCS96系列； MotorolaMotorola公司的6801、6802、6803、6805、68HCll系列产品； ZilogZilog公司的Z8、Super8系列产品； 仙童(Fairchild)公司和Mostek公司的F8、3870系列产品；9/2/20249/2/20241616 NECNEC公司的公司的COMCOM8787系列产品；系列产品； Rockw
20、ellRockwell公司的公司的65006500、65016501系列产品。系列产品。 AtmelAtmel、PHILIPS PHILIPS 、LGLG等等公司的公司的5151兼容机兼容机。 根据近年来国外实地考察，Intel公司的单片机在市场上占有量为67，其中MCS51系列产品又占54。在我们国内虽然上述各公司的产品均有引进，但由于各种原因，至今在我国所应用的单片机仍然是以MCS48、MCS51、MCS96为主流系列。随着这一系列的深入开发，其主流系列的地位会不断巩固下去。因而我们在此主要介绍Intel公司的单片机系列。9/2/20249/2/202417172、MCS-51系列和AT8
21、9系列单片机 MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8951，8032，8052，8752，8952等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。（1） MCS-51系列9/2/20249/2/20241818MCS-51系列单片机分类 资源资源 配置配置子子 系列系列 片内片内ROMROM形式形式 片片 内内 ROM ROM
22、 容容 量量 片片 内内 RAM RAM 容容 量量定时定时/ /计数器计数器中中中中断断断断源源源源 无无ROMROMEPREPROMOME E2 2PROPROM M5151子系列子系列803180318051805187518751 895189514KB 128B128B 2162165 55252子系列子系列803280328052805287528752 895289528KB 256B256B 3163166 69/2/20249/2/2024191980511234567891011121314151617181920403938373635343332313029282726
23、2524232221 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPDRXD/ P3.0TXD/ P3.1INT0/ P3.2INT1/ P3.3 T0/ P3.4 T1/ P3.5 WR/ P3.6 RD/ P3.7 XTAL2 XTAL1 VssVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.09/2/20249/2/20242020单片机问世以来，在我国使用最多的还是单片机问世以来，在我国使用最多的还是单片机问世以来，在我国
24、使用最多的还是单片机问世以来，在我国使用最多的还是IntelIntel公司的及其兼公司的及其兼公司的及其兼公司的及其兼容单片机。容单片机。容单片机。容单片机。 MCS-51MCS-51单片机是最早进入我国的单片机主流单片机是最早进入我国的单片机主流单片机是最早进入我国的单片机主流单片机是最早进入我国的单片机主流产品之一。产品之一。产品之一。产品之一。MCSMCS是是是是IntelIntel公司生产的单片机的系列号，如公司生产的单片机的系列号，如公司生产的单片机的系列号，如公司生产的单片机的系列号，如IntelIntel公司的公司的公司的公司的MCS-48MCS-48、MCS-51MCS-51、
25、MCS-96MCS-96系列单片机。系列单片机。系列单片机。系列单片机。MCS-51MCS-51系列单片机既包括三个基本型系列单片机既包括三个基本型系列单片机既包括三个基本型系列单片机既包括三个基本型80318031、80518051、87518751，也包括对应的低功耗型也包括对应的低功耗型也包括对应的低功耗型也包括对应的低功耗型80C3180C31、80C5180C51、87C5187C51。 9/2/20249/2/20242121（1 1）基本型）基本型）基本型）基本型 典型产品：典型产品：典型产品：典型产品：8031/8051/87518031/8051/8751（2 2）增强型）增
26、强型）增强型）增强型 典型产品：典型产品：典型产品：典型产品：8032/8052/87528032/8052/8752内部内部内部内部RAMRAM增到增到增到增到256256字节，字节，字节，字节，80528052、87528752的内部程序存储器扩展到的内部程序存储器扩展到的内部程序存储器扩展到的内部程序存储器扩展到8KB8KB，1616位定时器位定时器位定时器位定时器/ /计数器增至计数器增至计数器增至计数器增至3 3个。个。个。个。（3 3）低功耗型）低功耗型）低功耗型）低功耗型 典型产品：典型产品：典型产品：典型产品：80C31/87C51/80C5180C31/87C51/80C51
27、。采用。采用。采用。采用CMOSCMOS工艺工艺工艺工艺 适于电池供电或其它要求低功耗的场合。适于电池供电或其它要求低功耗的场合。适于电池供电或其它要求低功耗的场合。适于电池供电或其它要求低功耗的场合。（4 4）专用型）专用型）专用型）专用型 8044/87448044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国，用于总线分布式多机测控系统。美国，用于总线分布式多机测控系统。美国，用于总线分布式多机测控系统。美国CypressCypress公公公公司的司的司的司的EZU SR-2100EZU SR-2100单片机单片机单片机单片机USBUSB接口。接口。接口。接口。9/2/20249/2/20
28、242222 INTEL公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。（2）AT89系列9/2/20249/2/20242323MCS-51和AT89系列单片机配置一览表系列系列片片内存储器（字节）内存储器（字节）定时器定时器计数器计数器并行并行I/OI/O串行串行I/OI/O中中断断源源片内片内ROMROM片内片内RAMRAM无无有有ROMROM有有EPROMEPROMIntelIntel5151子系列子系列8031
29、803180C3180C318051805180C5180C51(4K(4K字节字节) )8751875187C5187C51(4K(4K字节字节) )128128字节字节2x162x164x84x8位位1 15 5IntelIntel5252子系列子系列8032803280C3280C328052805280C5280C52(8K(8K字节字节) )8752875287C5287C52(8K(8K字节字节) )256256字节字节3x163x164x84x8位位1 16 6ATEMLATEML89C89C系列系列( (常用型常用型) )1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)10
30、51(1K)/2051(2K)/4051(4K)（2020条引脚条引脚DIPDIP封装）封装）1281282 215151 15 589C51(4K)/89C52(8K)89C51(4K)/89C52(8K)（4040条引脚条引脚DIPDIP封装）封装）128/128/2562562/32/332321 15/65/69/2/20249/2/20242424 1.4 单片机的开发过程单片机的开发过程 这里所说的开发过程并不是一般书中所说的从任务分析开始，我们假设已设计并制作好硬件，下面就是编写软件的工作。在编写软件之前，首先要确定一些常数、地址，事实上这些常数、地址在设计阶段已被直接或间接地确
31、定下来了。如当某器件的连线设计好后，其地址也就被确定了，当器件的功能被确定下来后，其控制字也就被确定了。然后用文本编缉器编写软件，编写好后，用编译器对源程序文件编译、查错，直到没有语法错误，除了极简单的程序外，一般应用仿真机对软件进行调试，直到程序运行正确为止。9/2/20249/2/20242525运行正确后，就可以写片（将程序固化在EPROM中）。源程序源程序 ORG 0000H LJMP START ORG 040HSTART：MOV SP，#5FH ;设堆栈设堆栈 LOOP：NOP LJMP LOOP ；循环循环 END ；结束结束目标文件目标文件也就是最终写入也就是最终写入EPROM
32、EPROM的文件：的文件：02 00 40 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FFFF FF FF FF FF FF FF FFFF FF FF FF FF FF FF FFFF FF FF FF FF FF FF FFFF FF FF FF FF FF FF FFFF FF FF FF FF FF FF FF 75 81 5F 00 02 00 439/2/20249/2/20242626 仿真是单片机开发过程中非常重要的一个环节，除了一些极简单的任务，一般产品开发过程中都要进行仿真，仿真的主要目的是进行软
33、件调试，当然借助仿真器，也能进行一些硬件排错。一块单片机应用电路板包括单片机部份及为达到使用目的而设计的应用电路，仿真就是利用仿真器来代替应用电路板（称目标机）的单片机部份，对应用电路部份进行测试、调试。 仿真分软件模拟仿真和利用仿真器仿真两类。1.5 仿真、仿真器仿真、仿真器9/2/20249/2/20242727软件模拟仿真 是指用仿真软件来模拟单片机运行情况，一般我们学习指令系统时常用这种方式，它不能进行硬件系统的调试和故障诊断。利用仿真器仿真 利用仿真器以及微机可以进行软硬件系统的调试和故障诊断。在仿真调试过程中，可以以各种运行方式运行程序（断点、单步、跟踪），还可以观察到单片机内部存储器、寄存器等的状态。9/2/20249/2/20242828
