1、 单片机原理与应用电子教案 第 1章 单片机概述第 2章 MCS-51系列单片机结构第 3章 MSC-51指令系统第 6章 存储器与存储器扩展第 4章 MCS-51汇编语言程序设计第 7章 单片机接口技术第 5章 MCS-51定时 /计数器和中断系统第 9章 MCS-51单片机应用系统设计单片机原理及应用第 8章 串行口通信技术第 1章 单片机概述n 本章主要介绍单片机的发展，基本的结构和特点，单片机的应用模式和领域，单片机的供应状态等。n 单片微型计算机就是将 CPU、 RAM、 ROM、 定时 /计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此，一块芯片就构成了一台计算机。它已
2、成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。1 1 单片机的发展历史n 我们可以把单片机的发展历史划分为四阶段：n 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。n 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，并在不断的改进和发展。n 第三阶
3、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。n 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。n 硬件系统是指构成微机系统的实体和装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出
4、设备等组成。n 其中，运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（ Central Processing Unit）， 简称 CPU， 是微机的核心部件。 CPU配上存放程序和数据的存储器、输入 /输出（ Input/Output，简称 I/O） 接口电路以及外部设备即构成微机的硬件系统。1 2 单片机的软硬件系统1.2.1 单片机的硬件系统图 1-1 微型 计 算机 硬件 系 统组 成示意 图n 下面把组成计算机的 5个基本部件作简单说明。n 1) 运算器 n 运算器是计算机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行。n 2) 控制器n 控制器是计算机
5、的指挥控制部件，它控制计算机各部分自动、协调地工作。运算器和控制器是计算机的核心部分，常把它们合在一起称之为中央处理器，简称CPU。n 3) 存储器n 存储器是计算机的记忆部件，用于存放程序和数据。存储器又分为内存储器和外存储器。实训中使用的 EPROM2764便是存贮器。n 4) 输入设备n 输入设备用于将程序和数据输入到计算机中，如键盘等。n 5) 输出设备n 输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果，以用户需要的形式显示或打印出来，如显示器、打印机等。n 通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称之为计算机的外部设备，简称 “外设 ”。n 单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机
6、，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括 CPU（ Central Processing Unit）、 随机存取存储器 RAM（ Random Access Memory）、 只读存储器 ROM（ Read-only Memory）、 基本输入 /输出 (Input/Output)接口电路、定时器 /计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机内部结构示意图如图 1-2所示。图 1-2 单 片机内部 结 构示意 图 n 软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称。人们通过它对整机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定
7、的任务。n 软件系统与硬件系统共同构成完整的微机系统，两者辅相成，缺一不可。n 微型计算机系统组成示意图如图所示。1.2.2 单片机的软件系统微型 计 算机系 统组 成示意 图1.3 MCS-51系列单片机n 尽管各类单片机很多，但无论是从世界范围或是从全国范围来看，使用最为广泛的应属 MCS-51单片机。n MCS-51单片机系列共有十几种芯片，如表 1-1所示。表 1-1 MCS-51系列 单 片机分 类 表子系列片内 ROM形式片内ROM容量片内RAM容量寻址范围I/O特性中断源无 ROM EPROM 计数器 并行口 串行口51子系列8031 8051 8751 4 KB 128 B 2
8、64 KB 216 48 1 580C31 80C51 87C51 4 KB 128 B 264 KB 216 48 1 552子系统8032 8052 8752 8 KB 256 B 264 KB 316 48 1 680C32 80C52 87C52 8 KB 256 B 264 KB 316 48 1 6n MCS-51系列又分为 51和 52两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中， 51子系列是基本型，而 52子系列则属增强型。 52子系列功能增强的具体方面，从表 1-1所列内容中可以看出：n (1) 片内 ROM从 4 KB增加到 8 KB。n (2) 片内 RAM从 1
9、28 B增加到 256 B。n (3) 定时 /计数器从 2个增加到 3个。n (4) 中断源从 5个增加到 6个。 1.3.1 51子系列和 52子系列n MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是 HMOS工艺，即高速度、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中，芯片型号中带有字母 “C”的，为 CHMOS芯片，其余均为一般的 HMOS芯片。n CHMOS是 CMOS和 HMOS的结合，除保持了HMOS高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上，低功耗是非常有意义的，因此
10、，在这些产品中必须使用 CHMOS的单片机芯片。 1.3.2 单片机芯片半导体工艺n MCS-51单片机片内程序存储器有三种配置形式，即掩膜 ROM、 EPROM和无 ROM。这三种配置形式对应三种不同的单片机芯片 ,它们各有特点，也各有其适用场合，在使用时应根据需要进行选择。一般情况下，片内带掩膜型 ROM适用于定型大批量应用产品的生产；片内带 EPROM适合于研制产品样机；外接 EPROM的方式适用于研制新产品。最近， Intel公司又推出片内带 EEPROM型的单片机，可以在线写入程序。 1.3.3 片内 ROM存储器配置形式第 2章 MCS-51单片机结构n 本章主要介绍 MCS-51
11、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。 2.1 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚n MCS-51单片机的典型芯片是 8031、 8051、8751。 8051内部有 4KB ROM， 8751内部有 4KB EPROM， 8031内部无 ROM； 除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。因此，以 8051为例，说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。n 8051单片机的基本组成请参见图 2-1。下面介绍各部分的基本情况。2.1.1 8051单片机的基本组成图 2-1 MC
12、S-51 单片机结构框图n 1) 中央处理器（ CPU）n 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。n 2) 内部数据存储器（内部 RAM）n 8051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。n 3) 内部程序存储器（内部 ROM）n 8051共有 4KB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。n 4) 定时 /计数器n 8051
13、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。n 5) 并行 I/O口n 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。n 6) 串行口n MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。n 7) 中断控制系统n MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。 8051共有 5个中断源，即外中断两个，定时 /计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级
14、别。n 8) 时钟电路n MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为 6 MHz和 12 MHz。n 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 2-2。1) 信号引脚介绍n P0.0 P0.7： P0口 8位双向口线。n P1.0 P1.7 ： P1口 8位双向口线。n P2.0 P2.7 ： P2口 8位双向口线。n P3.0 P3.7 ： P3口 8位双向口线。 2.1.2 MCS-51的信号引脚图 2-2 MCS-51引脚图表 21 P3口的第二功能表2) 信号引脚介绍2.2 80
15、51的内部存储器 图 2- 3 片内 RAM的配置2.2.1 内部数据存储器低 128单元 字节地址 位 地 址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20HD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D07FH 7EH 7DH 7CH 7BH 7AH 79H 78H77H 76H 75H 74H 73H 72H 71H 70H6FH 6EH 6DH 6CH 6BH 6AH 69H 68H67H 66H 65H 64H 63H 62H 61H 60H5FH 5EH 5DH 5CH 5BH 5AH 59H 58H57H 56H 55H 54H 53
16、H 52H 51H 50H4FH 4EH 4DH 4CH 4BH 4AH 49H 48H47H 46H 45H 44H 43H 42H 41H 40H3FH 3EH 3DH 3CH 3BH 3AH 39H 38H37H 36H 35H 34H 33H 32H 31H 30H2FH 2EH 2DH 2CH 2BH 2AH 29H 28H27H 26H 25H 24H 23H 22H 21H 20H1FH 1EH 1DH 1CH 1BH 1AH 19H 18H17H 16H 15H 14H 13H 12H 11H 10H0FH 0EH 0DH 0CH 0BH 0AH 09H 08H07H 06H
17、05H 04H 03H 02H 01H 00H图 24 8051内部 RAM位地址区表 22 片 内 RAM位寻址区的 位地址表格 22 特殊功能寄存器表符号 单元地址 名称 位地址符号 地址* ACC E0H 累加器 ACC.7 ACC.0 E7H E0H* B F0H 乘法寄存器 B.7 B.0 F7H F0H* PSW D0H 程序状态字 PSW.7 PSW.0 D7H D0HSP 81H 堆栈指针 DPL 82H 数据存储器指针 (低 8位 ) DPH 83H 数据存储器指针 (高 8位 ) * IE A8H 中断允许控制器 IE.7 IE.0 AFH A8H* IP B8H 中断优先
18、控制器 IP.7 IP.0 BFH B8H* P0 80H 通道 0 P0.7 P0.0 87H 80H* P1 90H 通道 1 P1.7 P1.0 97H 90H* P2 A0H 通道 2 P2.7 P2.0 A7H A0H* P3 B0H 通道 3 P3.7 P3.0 B7H B0HPCON 87H 电源控制及波特率选择 * SCON 98H 串行口控制 SCON.7 SCON.0 9FH 98HSBUF 99H 串行数据缓冲器 * TCON 88H 定时控制 TCON.7 TCON.0 8FH 88HTMOD 89H 定时器方式选择 TL0 8AH 定时器 0低 8位 TL1 8BH 定时器 1低 8位 TH0 8CH 定时器 0高 8位 TH1 8DH 定时器 1高 8位 *：可位寻址的特殊功能寄存器2.2.2 内部数据存储器高 128单元 表 23 MCS-51专用寄存器一览表图 25 P0口的口线逻辑电路图2.3.1 P0口2.3 并行输入 /输出口电路结构
