1、1,第2章 单片机原理与基本应用系统,本章主要内容,2,MCS-51单片机的结构和原理,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。,3,任务一 单灯闪烁,【任务目的】认识89C51单片机芯片，学习WAVE软件的使用方法、学习单片机I/O接口的控制方法。 【任务描述】用单片机的P1.0控制1只LED灯，使其闪烁，变化时间间隔为0.2s。 1电路原理图 单灯闪烁电路原理图如图2-1所示。,4,任务一 单灯闪烁,图2-1 单灯闪烁电路原理图,5,b 编程思路 （1）硬件控制
2、对象是谁？ 编程要用到脚的名字 叫“P1.0”。记住它，类似这样的名字以后还有很多。 （2）用什么语言控制？名字有了，但又怎样让它变“高”或变“低”呢？叫人做事，说一声就可以，这叫发布命令。要单片机做事，也得要向单片机发命令，计算机能听得懂的命令称之为计算机的指令。（3）关键指令要P1.0输出高电平，则指令应为：SETB P1.0；要P1.0输出低电平，则指令应为：CLR P1.0。,让某个引脚输出低电平的指令是： CLR 。 让某个引脚输出高电平的指令是： SETB。,6,2参考程序ORG 0000HLJMP 1000HORG 1000HSTART: CLR P1.0 ; 从P1.0引脚输
3、出低电平LED亮LCALL DELAY ; 延时0.2sSETB P1.0 ; 从P1.0引脚输 出高电平LED灭LCALL DELAY ; 延时0.2sAJMP START ; 重新开始DELAY: MOV R5,#4 ; 延时子程序,延 时时间为0.2S,任务一 单灯闪烁,7,D1: MOV R6,#20D2: MOV R7,123NOPDJNZ R7,$DJNZ R6,D2DJNZ R5,D1RETEND,8,（4）单片机怎么理解你的程序？单片机看不懂SETB、CLR之类的指令，得把指令翻译成计算机能懂的方式，再让计算机去读。计算机能懂什么呢？它只懂一样东西 数字。得把“CLR P1.0
4、”变为：C2H、90H ，至于为什么是这两个数字，这也是由51芯片的设计者INTEL规定的。这样的代码有两种方式可以得到：人工查表和机器编译。,CLR P1.0 C2H、90H,9,（5）编写好的程序放在哪儿？（写片）通过编程器可将“C2H、90H”这样的代码写入到单片机中，然后将单片机放入到应用电路板中方可运行。SUPERPRO L+编程器缓冲区界面如下：,10,通过任务发现的问题,1、单片机芯片有哪些？ 2、单片机芯片怎样才能工作？直接电源行吗？ 3、我们编写的程序放在哪儿？在哪儿运行的？ 4、程序（指令）又是怎么被单片机认识的？ 5、单片机又是通过什么控制外部设备的？,11,1、单片机芯
5、片有哪些？各种类型的单片机芯片介绍。,12,1 常用单片机系列简介,1.1 MCS-51系列（1）MCS-51是Intel公司在1980年生产的一个高性能单片机系列的名称。属于这一系列的单片机有多种，如：,8051/8751/8031；8052/8752/8032；80C51/87C51/80C3180C52/87C52/80C32等 。,13,（2）该系列生产工艺有两种：,CHMOS是CMOS和HMOS的结合，既保持了HMOS高速度和高密度的特点，还具有CMOS的低功耗的特点。在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片，CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。,一
6、是HMOS工艺（高密度短沟道MOS工艺）。二是CHMOS工艺（互补金属氧化物的HMOS工艺）。,14,（3）在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类：,增强型： 8052/8752/8032 80C52/87C52/80C32,基本型： 8051/8751/8031 80C51/87C51/80C31,15,（4）在片内程序存储器的配置上，该系列单片机有三种形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(无片内程序存储器)。如：,80C51有4K字节的掩膜ROM； 87C51有4K字节的EPROM ； 80C31在芯片内无程序存储器。,16,1.2 80C51系列, Intel的：80C3
7、1、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等； ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等； Philips、华邦、Dallas、Siemens等公司的许多产品 。,80C51系列是在MCS-51系列单片机的基础上发展起来的，许多著名厂商以MCS-51系列的8051为基核开发出的大量的CMOS工艺的单片机产品，我们常把其统称为80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要产品有：,17,1.2.1 80C51系列的基本结构,18,1.2.2 80C51系列的应用模式一、总线型单片机应用模式,总线型应用的“三总线”模式 非总线型应用的“多I/O”模式,19,二
8、、非总线型单片机应用模式 非总线型单片机已经将用于外部总线扩展用的I/O口线和控制功能线去掉，从而使单片机的引脚数减少、体积减小。对于不需进行并行外围扩展，装置的体积要求苛刻且程序量不大的系统极其适合。非总线型单片机典型产品如： AT89C2051/AT89C4051。,20,1.3 80C51典型产品资源配置与引脚,1.3.1 80C51典型产品资源配置,21,由表可见： （1）增强型与基本型在以下几点不同：,片内ROM字节数：从4K增加到8K； 片内RAM字节数：从128增加到256； 定时/计数器从2个增加到3个； 中断源由5个增加到6个。,22,（2）片内ROM的配置形式,无ROM（即
9、ROMLess）型，应用时要在片外扩展程序存储器，适用于研制新产品；,片内掩膜ROM（即MaskROM）型，用户程序由芯片生产厂写入，其内容不能更改；, 片内 EPROM型，用户程序通过写入装置按规定的方法多次写入，通过紫外线照射20min左右擦除；, 片内 FlashROM型，闪速存储器,用户程序可以电写入或擦除（当前常用方式），开发过程中修改更容易。, 片内 E2PROM型, 电可擦除的可编程程序存储器；,23,1.3.2 80C51的引脚封装,总线型,非总线型,24,1.3.3 AT89系列单片机性能及结构 该系列单片机是1998年以后出现的80C51系列单片机的一个新的分支，采用了高性
10、能的静态8051为内核来设计，以先进的CMOS工艺制造并带有非易失性的Flash程序存储器，具有32条I/O口线，6输入4优先级的嵌套中断结构，1个串口(用于多机通信、I/O扩展或全双工串行UART)，片内有振荡和时钟电路。 AT89系列单片机的主要特性：是以8051为核心的单片机，89S51/89S52/89S54/89S58是这个系列的主要型号，分别具有4KB/8KB/16KB/32KB的Flash程序存储器，89S51与89S52/89S54/89S58分别具有128B/256B的数据存储器，其存储器寻址范围为64KB ，工作频率为33MHz，计算速度更快，具有ISP（在线更新）功能，集
11、成了看门狗功能等。,25,2、单片机芯片怎样才能工作？直接电源行吗？单片机芯片的结构、管脚功能、单片机最小应用系统。,26,1.4 AT89S51单片机内部结构,（1）一个8位的CPU； （2）一个片内振荡器及时钟电路； （3）4KB的Flash ROM； （4）128B的内部RAM （5）可扩展64KB外部ROM和外部 RAM的控制电路； （6）两个十六位的定时/计数器； （7）26个特殊功能寄存器（双数据 指针）； （8）4个8位的并行口； （9）一个全双工的串行口； （10）5个中断源，两个外部中断， 三个内部中断； （11）内部硬件看门狗电路； （12）一个SPI串行接口，用于芯片 的
12、在线系统编程（ISP）。,27,a、AT89S51的微处理器（CPU）,（1）运算器（算术运算逻辑单元ALU） 累加器ACC ； 寄存器B ； 程序状态字寄存器PSW 。,（2）控制器 程序计数器PC ； 指令寄存器IR ； 指令译码器ID； 定时与控制逻辑电路PLA。,28,b、 AT89S51的片内存储器P17在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间（称为哈佛结构）：, 内部ROM容量4K字节范围是：0000H0FFFH,内部RAM容量128字节范围是：00H7FH,29,c、 AT89S51的I/O口及功能单元,四个8位的并行口，即P0P3。它们均为双向口，既可作为输入，又可作
13、为输出。每个口各有8条I/O线;,有一个全双工的串行口（利用P3口的两个引脚P3.0和P3.1）；,有2个16位的定时/计数器 ；,有1套完善的中断系统,5个中断源。,一个SPI串行接口，用于芯片的在线系统编程（ISP） 。,30,d、 AT89S51(8051)的特殊功能寄存器（SFR）P20,内部有SP，DPTR（可分成DPH、DPL两个8位寄存器），PCON，IE，IP等26(21)个特殊功能寄存器单元，它们同内部RAM的128个字节统一编址，地址范围是80HFFH。这些SFR只用到了80HFFH中的26(21)个字节单元，且这些单元是离散分布的。,31,1.4.1、电源VCC（P40）
14、芯片电源，接+5V。VSS（P20） 接电源地。,AT89S51单片机引脚功能P14,32,1.4.2、时钟 XTAL1（P19）晶体振荡电路的反相器 输入端 XTAL2（P18）晶体振荡电路的反相器 输出端。,使用内部振荡电路时，该引脚外接石英晶体和补偿电容。使用外部振荡输入时从XTAL2输入，此时XTAL1需接地。,33,AT89S51的时钟产生方式(P24),内时钟方式 如图所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。,外时钟方式 如上面左图所示：XTAL1接地， XTAL2接外部振荡器。由于XTAL2端的电平不是TTL电平，故接一个上拉电阻。外部振荡器的频率应低于24/33MHz。
15、如上面右图所示： XTAL1接外部振荡器， XTAL2悬空,34,1. 机器周期和指令周期（1）时钟周期: 也称振荡周期, 是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的振荡脉冲的周期，又称节拍(P1)。 （2）状态周期: 每个状态周期为时钟周期的 2 倍(P1,P2), 是振荡周期经二分频后得到的。（3）机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期(S1S6), 也就是 12 个时钟周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。（4） 指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS - 51 系列单片机中, 有单周期指令、双周期
16、指令 和四周期指令。,单片机工作的时序概念,35,思考题：若采用12MHZ晶振，各周期是多少？,振荡周期1/fosc=1/12MHZ=0.0833us,36,AT89S51的时钟信号,一个机器周期包含12个晶荡周期或6个时钟周期,指令长度13个字节，指令的执行时间称作指令周期 （单、双、四机器周期）,37,AT89S51的典型时序,各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序我们称作时序。,单字节指令 双字节指令,a、单周期指令时序,38,2个机器周期中ALE信号有效4次（即发生了4次读操作码的操作），后3次作无效。,b、单字节双周期指令时序,39,1.4.3 控制控制引脚有4个，
17、先学习其中的两个。（1）RST/VPD（ 9脚）复位/备用电源RST复位功能是单片机正常工作必不可少的，因为复位可以使单片机从程序的开头运行，使单片机按照人们设计的程序运行，在单片机系统上电开始工作，或单片机系统由于外界干扰偏离正常运行，都需要复位。AT89S51单片机是高电平复位，只要在该引脚上一段时间（两个机器周期以上）的高电平，单片机就复位。在正常运行程序时该引脚为低电平。VPD功能是在VCC掉电情况下，该引脚接备用电源，向片内的RAM供电，使RAM中的数据不丢失。,40,a、复位电路(P25) 复位目的是使单片机或系统中的其它部件处于某种确定的初始状态。,上电复位电路 按键与上电复位,
18、41,b、单片机复位后的状态,PC=0000H，所以程序从0000H地址单元开始执行； 启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容 ；,特殊功能寄存器复位后的状态是确定的 ： P0P3=FFH，各口可用于输出，也可用于输入； SP=07H，第一个入栈内容将写入08H单元； IP、IE和PCON的有效位为0，各中断源处于低优先级且均被关断、串行通讯的波特率不加倍； PSW=00H，当前工作寄存器为0组。,42,（2）EA / VPP （31脚）内外ROM选择在通常的应用中EA功能是作为内部和外部ROM的选择端。当EA=1，CPU从芯片内部的ROM中取指令运行，但超过4KB
19、范围的程序，也从外部扩展的ROM中取得。反之当EA=0时，只从芯片外部扩展的ROM中取指令运行。在绝大多数的应用中，4KB空间范围足够存放程序，一般都选择内部ROM，将EA接高电平。VPP功能是在我们要把程序下载到内部ROM中才用到的功能，只有设计制造编程器时考虑，一般情况用不到。,43,（） ALE/PROG （30脚）地址锁存允许/编程脉冲输入信号,当CPU访问片外存储器时，ALE用于锁存P0口输出的低8位地址信息到片外地址锁存器。之后，P0口作地址/数据复用口。,P0口的信息究竟是地址还是数据完全由ALE来判别，ALE高电平期间，P0口出现的是地址信息，ALE下降沿到来时，P0口上的地址
20、信息被锁存，在ALE低电平期间P0口上出现指令和数据信息。对单片机内部程序存储器编程时为输入脚,44,1.4.4 I/O口AT89S51单片机有4个8位的并行口，分别称为P0口、P1口、P2口和P3口，共32个引脚 。单片机就是通过这些口线对外部电路进行控制和检测。,45,3、我们编写的程序放在哪儿？在哪儿运行的？单片机的存储器结构、功能，以及如何使用。,46,2、单片机存储空间配置(P17),存储器就是用来存放数据的地方。它是利用电平的高低来存放数据的。也就是说，它存放的实际上是电平的高、低，而不是我们所习惯认为的1234这样的数字。一个存储器单元就似一个个的小抽屉，一个小抽屉里有八个小格子
21、，每个小格子就是用来存放电荷的，电荷通过与它相连的电线传进来或释放掉。存储器中的每个小抽屉就是一个存放数据的地方，称之为一个“存储单元”。要在一个存储单元中放入数据12，即放入：00001100。可见，只要把第二号和第三号小格子里存满电荷，而其它小格子里的电荷给放掉就行了。,47,AT89S51存储器采用哈佛型结构可以分成两大类：, RAM，CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。, ROM是一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，ROM中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、
22、常数表格等。,48,内部 ROM (4KB)EA=1,外部 ROM (4KB)EA=0,外部 ROM (60KB),内部 RAM 128B,SFR (26个),外部 RAM (64KB),0000H,0000H,0000H,0FFFH,0FFFH,1000H,FFFFH,FFFFH,FFH,00H,7FH,80H,MOVC指令操作,MOV指令操作,MOVX指令操作,ROM地址空间,RAM地址空间,49,2.1 程序存储器（ROM） 8051/ AT89S51 的程序存储器空间，片内ROM/Flash ROM为4KB，地址为0000H0FFFH，片外最多可扩展至64KB的ROM/Flash RO
23、M，地址1000HFFFFH，片内外是统一编址的。当31引脚接高电平时， AT89S51的PC在0000H0FFFH范围内执行片内ROM中的程序；当PC超过0FFFH时，就自动转向片外ROM取指令。当接低电平时， AT89S51片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM/EPROM中取指令. 注：不管是内部的还是外部的ROM，开头的0003H002AH空间地址是中断源的入口地址区，是专用单元，一般情况下用户不能用来存放其它程序。,50,单片机上电复位后，程序计数器指针PC为0000H，故CPU总是从0000H开始执行程序。若用户编写的主程序或初始化程序不从此地址开始，则应在0000H单元内存放
24、一条绝对跳转指令，将PC转向主程序或初始化程序的入口地址。 CPU是根据PC（程序计数器）值从ROM中取指令来执行的。CPU每从ROM中读取一个字节，自动执行（PC）+1PC，即PC指向下一个地址空间，一般情况下CPU是按ROM地址空间顺序从小到大依次执行。只有执行的指令是转移类指令，才根据转移类指令所指示的新地址，调整PC值，然后根据新的PC值从对应的地址空间中取指令来执行。当调用子程序或中断发生时，PC值也会改变。,51,2.2 内部数据存储器（内RAM） P19 AT89S51单片机内部有128B字节划分为三部分：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。,0区,1区,2区,3区,位寻址 区,
25、数据 缓冲 区,工作寄存器区 8位整体操作,位寻址区 8位整体操作、位操作,堆栈与数据缓冲区 8位整体操作,0007H,080FH,1017H,181FH,202FH,位地址,D7,D0,PSW,D7,D0,20H（字节地址）,（R0R7）,307FH,52,在任一时刻只有一个区作为当前的工作寄存器区，相应的空间单元作为工作寄存器使用，表示R0R7。不是当前工作寄存器区的可以作为一般的RAM空间使用。操作方式：8位整体操作。,（1）工作寄存器区,低端32个字节分成4个工作寄存器组，每组8个单元。当前工作寄存器组的机制便于快速现场保护。,PSW的RS1、RS0 决定当前工作寄存器组号 寄存器0组
26、 ：地址00H07H；寄存器1组 ：地址08H0FH； 寄存器2组 ：地址10H17H；寄存器3组 ：地址18H1FH。,53,（2）位寻址区20H2FH共计16个单元为位寻址区，每个单元的8位可进行位操作，有位的置1、清0、取反以及判断等操作等指令 。位地址的范围：007FH。（要注意和内RAM空间单元地址的区别）位寻址区空间单元操作的有两种方法，即可以象其它RAM空间一样进行8位整体操作，也可以通过位地址对这些空间单元的某一位进行操作。,54,位寻址区的位地址映象表(表2-5),55,位寻址区的位地址形式有两种：位地址和位编号。,位地址,D7,D0,20H（字节地址）,如20H单元的8个位
27、 位地址为：00H07H 位编号为：20H.020H.7它们的含义是一致的，都表示20H单元的位地址，在应用中可以互换，位编号更便于记忆。,56,（3）堆栈与数据缓冲区30H7FH共80个字节为数据缓冲区，用于存放数据和中间结果，起到数据缓冲的作用，这些空间数据的操作是8位的整体操作 。,在实际应用中，常需在RAM区设置堆栈。AT89S51的堆栈一般设在30H7FH的范围内。栈顶的位置由SP寄存器指示。复位时SP的初值为07H，在系统初始化时可以重新设置。,57,（3） 特殊功能寄存器（SFR） 单片机的状态字、并行口、串行口、定时器和中断系统的寄存器等，是一些有专门用途的寄存器，称为特殊功能
28、寄存器SFR，离散地分布在80HFFH地址范围内。SFR操作同内部RAM的操作，其中字节地址能被8整除的特殊功能器，它们的每一位也有自己的位地址，也可以进行位操作。字节地址不能被8整除的特殊功能寄存器，只能8位的整体操作。8位整体操作既可以对它们的字节地址操作，也可以对它们的符号（名称）操作。,58,a、与运算器相关的寄存器（3个）,累加器ACC，8位。累加器ACC是单片机最常用的寄存器，许多指令都用到累加器，特别是算术运算都需要用到,用于向ALU提供操作数，许多运算的结果也存放在累加器中,在指令中ACC简写为A ；,寄存器B，8位。主要用于乘、除法运算。也可以作为RAM的一个单元使用；,59
29、,程序状态字寄存器PSW ， PSW反映的程序运行的状态，其结构和含义如下表所示。,Cy进位标志。累加器A在执行加减法运算中，如果最高位有进位或借位，Cy自动置1，否则自动清0 ，用于无符号数运算。另Cy还是位操作累加器，在指令中简写为C。,例：78H+97H（01111000 + 10010111）,60,OV溢出标志。 累加器A在执行加减法运算中，如果最高位和次高位只有一个进位或借位，OV置1，否则清0，用于有符号数的运算。 AC进位标志辅助。累加器A执行加法运算时，低4位向高4位进位时置1，否则清0。BCD码加法运算调整标志。例：57H+3AH（01010111 + 00111010）
30、P奇偶标志。表示累加器A中“1”的个数的奇偶性。如果A中“1”的个数为奇数，则P置1，否则清0 。 例：某运算结果是78H（01111000），显然1的个数为偶数，所以P=0。,61,F0、F1用户标志。与位寻址区的位地址功能相同,由我们（编程人员）决定什么时候用，什么时候不用。 RS1、RS0工作寄存器区选择位。工作寄存器区有4个，每次只有一个区当作工作寄存器用，通过RS1、RS0可以选择它们中的一个。RS1、RS0=000区（00H07H）RS1、RS0=011区（08H0FH）RS1、RS0=102区（10H17H）RS1、RS0=113区（18H1FH）,62,例2-1 设A中有下面的
31、加法运算，分析PSW中有关位的值，及其表示的含义。0 1 1 0 0 1 1 1+ 0 0 1 0 1 0 0 11 0 0 1 0 0 0 0最高位没有向更高位进位，因此Cy=0，表明如果我们把这两个数看作无符号数，它们的和没有超过256。次高位向最高位进位，最高位没有进位，因此OV=1，表明如果我们把这两个数看作有符号数，它们的和超出了范围，显然两个正数相加，不可能得到负数。,63,低4位向高4位进位，AC=1，表明如果把这两个数看作是BCD码表示的数，需要在低4位加6调整才能得到结果仍是BCD码的正确结果。显然看作BCD码，两个分别是67和29，相加后得到96，低4位加6可得96的BCD
32、码。加法运算的结果是放在A中的，8位中共有2个“1”，因此P=0，表明此时累加器中的数据满足偶校验。,64,b、指针类寄存器（3个）,堆栈指针SP，8位。它总是指向栈顶。堆栈操作遵循“后进先出”的原则，入栈操作时，SP先加1，数据再压入SP指向的单元。出栈操作时， 先将SP指向的单元的数据弹出，然后，SP再减1，这时SP指向的单元是新的栈顶。可见，80C51单片机的堆栈区是向地址增大的方向生成的。,65,数据指针DPTR0 (82H、 83H) 、 DPTR1 (84H、 85H) AT89S51单片机内部有两个数据指针（都是16位），但在某一时刻只能使用其中一个作为数据指针DPTR，由辅助寄
33、存器1 （AUXR1 (A2H) ）的DPS (A2H.0)位控制，DPS=0，选择DPTR0的两个8位的寄存器构成数据指针，DPS=1，选择DPTR1的两个8位的寄存器构成数据指针。统一用DPH表示DPTR的高8 位，DPL表示低8位。可以十六位整体操作，也可以分开按8位操作。在实际的应用中DPTR一般用来存放ROM空间或外部RAM空间的地址。,66,c、与口相关的寄存器（7个）,并行I/O口P0、P1、P2、P3，均为8位；,串行口数据缓冲器SBUF；串行口控制寄存器SCON；串行通讯波特率倍增寄存器PCON（一些位还与电源控制相关，所以又称为电源控制寄存器）。,67,d、与中断相关的寄存器（2个）,中断允许控制寄存器IE； 中断优先级控制寄存器IP。,68,e、与定时器/计数器相关的寄存器（6个）,定时/计数器T0的两个8位计数初值寄存器TH0、TL0，它们可以构成16位的计数器，TH0存放高8位，TL0存放低8位； 定时/计数器T1的两个8位计数初值寄存器TH1、TL1，它们可以构成16位的计数器，TH1存放高8位，TL1存放低8位； 定时/计数器的工作方式寄存器TMOD； 定时/计数器的控制寄存器TCON。,
