單片機(jī)及接口技術(shù)：第1章 MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)（含緒論）

1、單片機(jī)及接口技術(shù)本課程學(xué)習(xí)的建議 本課程是一門(mén)實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科 學(xué)懂還不夠,重在應(yīng)用能力硬件/軟件同樣重要、不可偏廢 硬件是身軀，軟件是大腦前期基礎(chǔ)課程：數(shù)字電路與微機(jī)原理 掌握得不夠好，努力補(bǔ)上 預(yù)習(xí)、聽(tīng)課、復(fù)習(xí)、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、交流都重要 用科學(xué)的方法學(xué)習(xí) 本課程考核:閉卷(卷面60平時(shí)40)注意與微機(jī)原理課程異同講授內(nèi)容:緒論, 第1章-第3章,第5章-第9章參考資料: 1,袁濤 ,單片機(jī)原理及其應(yīng)用 ,清華大學(xué)出版社,2012年 2,胡漢才,單片機(jī)原理及接口技術(shù)(第2版),清華大學(xué)出版社,2004年 3,網(wǎng)站單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)(第4版) 緒 論 計(jì)算機(jī)的新分類(lèi) 嵌入式系統(tǒng) 單

2、片機(jī)1.計(jì)算機(jī)的新分類(lèi) 兩類(lèi): 通用計(jì)算機(jī) ，嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī): 專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(嵌入式系統(tǒng))嵌入式系統(tǒng): 簡(jiǎn)單型 : 單片機(jī) 復(fù)雜型 : 單片機(jī)其他2.嵌入式系統(tǒng) 以具體應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可配置、性能要求嚴(yán)格的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。3.單片機(jī)眾多單片機(jī)首選MCS-51系列 (原因：市場(chǎng)占有率高，兼容,功能更新快) 學(xué)習(xí)重點(diǎn):基本型(8XX51) (參見(jiàn)P5 緒表1 MCS-51單片機(jī)系列產(chǎn)品)嵌入式系統(tǒng)的核心部件預(yù)備知識(shí)：元器件實(shí)物圖單片機(jī)芯片AT89C51AT89S51AT89S52AT89C2051液晶字符顯示屏液晶圖形點(diǎn)陣顯示屏紅外遙控用 發(fā)射接受一體管繼電器8

3、8二極管點(diǎn)陣 8段數(shù)碼管能漢字顯示的顯示屏和實(shí)時(shí)時(shí)鐘板電子萬(wàn)年歷單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)(第4版) 第1章 MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)存 儲(chǔ) 器特殊功能寄存器時(shí)鐘電路和復(fù)位電路引腳功能 學(xué)習(xí)內(nèi)容單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)：是將CPU、內(nèi)存和I/O接口等集成在一小塊硅片上的微型機(jī)單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬、軟件開(kāi)發(fā) MCS-51系列產(chǎn)品：普通型（51子系列）8051、8031、8751、89C51、89S51等增強(qiáng)型（52子系列）8052、8032、8752、89C52、89S52等8031片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器增強(qiáng)型的存儲(chǔ)容量為普通型的一倍 1.1 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)

4、構(gòu)1.1.1 概述MCS-51單片機(jī)組成:CPURAMROM定時(shí)/計(jì)數(shù)器I/O口 內(nèi)中斷處理系統(tǒng)等51單片機(jī):泛稱(chēng) 51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-1所示圖1-1(圖中“/” 兩邊分別為基本型和增強(qiáng)型 )P3P1P2 可編程 串行I/O口P0外部中斷基準(zhǔn)頻率源控制 128/256B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 4KB/8KB程序存儲(chǔ)器 2/3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 振蕩器及 定時(shí)電路 CPU 64KB總線(xiàn)擴(kuò)展控制 可編程并行I/O口內(nèi)部中斷計(jì)數(shù)脈沖串行輸出串行輸入1.1.2 CPU （中央處理器）單片機(jī)的核心部件，由運(yùn)算器和控制器等組成 1. 運(yùn)算器 進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算 邏輯運(yùn)算 位操作 操作結(jié)果的狀態(tài)信息送至狀態(tài)寄存器

5、PSW 2.程序計(jì)數(shù)器PC（控制器組成部分） 16位寄存器，存放將要執(zhí)行的指令地址，尋址范圍64KB,自動(dòng)加1, 不可讀/寫(xiě) 3.指令寄存器IR（控制器組成部分） 存放讀取的指令代碼,無(wú)地址,不可讀/寫(xiě)1.2 存 儲(chǔ) 器 存儲(chǔ)器:程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (字節(jié)/單元) 程序存儲(chǔ)器ROM存放程序和始終要保留的常數(shù) (片內(nèi) 片外) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM存放程序運(yùn)行中所需常數(shù)和變量 (片內(nèi) 片外) 存儲(chǔ)器地址空間結(jié)構(gòu):普林斯頓結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu) 普林斯頓結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)器空間，統(tǒng)一編址。(80 x86微機(jī))哈佛結(jié)構(gòu)：程序與數(shù)據(jù)為兩個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)器空間，分開(kāi)編址。 (51單片機(jī))FFFFH0000HFF

6、FFH0000HFFFFH0000HRAMROMROMRAM64KB(64KB)(64KB)圖1-2 微機(jī)存儲(chǔ)器地址結(jié)構(gòu)的兩種形式 （a) 普林斯頓結(jié)構(gòu) (b)哈佛結(jié)構(gòu)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部程序 存儲(chǔ)器內(nèi)部程序 存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器8XX51 (a) EA=1 8XX51存儲(chǔ)器的物理地址（EA=1)0000HFFFFH00H1000H0000HFFFFH0FFFH7FH外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部程序 存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器8XX51(b) EA=0 8XX51存儲(chǔ)器的物理地址（EA=0)FFFFH00H0000H0000HFFFFH7FH51單片機(jī)存儲(chǔ)器空間物理上4個(gè)空間：片內(nèi)/片外程序存儲(chǔ)器片內(nèi)/片外

7、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器邏輯上3個(gè)空間64KB 程序存儲(chǔ)器（片內(nèi)/片外統(tǒng)一編址）128B 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器64KB 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 引腳 EA* 接法決定ROM的00000FFFH 4KB地址范圍是在片內(nèi)或片外問(wèn):8031的EA*正常使用,應(yīng)該接什么電平? 1.2.1 程序存儲(chǔ)器 存放程序、表格、常數(shù) *以 PC 作為地址指針，可尋址64KB *8051/8751/89C51片內(nèi)，分別置4KB程序存儲(chǔ) 器(0000H0FFFH) *8031須外部擴(kuò)展EPROM *51單片機(jī)中64KB內(nèi)、外ROM的地址統(tǒng)一編排 (0000HFFFFH) * 訪(fǎng)問(wèn)ROM使用MOVC指令 程序存儲(chǔ)器的幾個(gè)特殊地址： 地址 用途 0

8、000H 復(fù)位操作后的程序入口 0003H 外部中斷0服務(wù)程序入口 000BH 定時(shí)器0中斷服務(wù)程序入口 0013H 外部中斷1服務(wù)程序入口 001BH 定時(shí)器1中斷服務(wù)程序入口 0023H 串行口中斷服務(wù)程序入口 002BH 定時(shí)器2中斷服務(wù)程序入口 1.2.2 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放隨機(jī)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù) (與擴(kuò)展I/O接口共用)51單片機(jī)外RAM和外I/O口實(shí)行統(tǒng)一編址, 均使用 作選通控制信號(hào) 均使用 MOVX 指令訪(fǎng)問(wèn)最多可擴(kuò)展64KB外部RAM1.2.3 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 內(nèi)部RAM是使用最多的地址空間 RD WR存放隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)通用寄存器區(qū)堆棧區(qū)運(yùn)算操作數(shù)存放區(qū) 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址分配：00

9、H7FH （1）地址 00H1FH為寄存器區(qū)用途： 作通用寄存器R0R7 R0與R1可作間址寄存器使用注意： 使用時(shí)只能選其中一組選組由PSW中RS1和RS0定 RS1 RS0 選寄存器組 0 0 0組 0 1 1組 1 0 2組 1 1 3組 初始化/復(fù)位時(shí)，自動(dòng)選中0組一旦選中一組，其它三組只能作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用（2）20H2FH為位地址區(qū) 共16個(gè)字節(jié)，有128位，位地址范圍為00H7FH，該區(qū)既可位尋址，又可字節(jié)尋址（3）除選中的寄存組以外,均可作為通用 RAM區(qū)/堆棧區(qū) 51單片機(jī)堆棧設(shè)在內(nèi)RAM區(qū)，初始化時(shí)SP指向07H注：51單片機(jī)只有00H7FH單元128字節(jié)的RAM區(qū) 52單

10、片機(jī)還有80HFFH組成的高128字節(jié)RAM區(qū)（共256字節(jié)RAM ） 1.3 特殊功能寄存器 21個(gè)字節(jié)型,英文縮寫(xiě)SFR （Special Fuction Regiters） 1.用途：專(zhuān)用寄存器A 累加器、標(biāo)志寄存器單片機(jī)內(nèi)部各部件專(zhuān)用的控制、狀態(tài)寄存器并行口、串行口映射寄存器2.地址空間：不連續(xù)的分布在80HFFH字節(jié)地址空間字節(jié)地址被8可整除的是可位尋址的寄存器 A累加器，自帶全零標(biāo)志Z(唯一)，A=0則Z=1；A0則Z=0，常用于程序轉(zhuǎn)移的判斷 B寄存器，常用于乘除法運(yùn)算（見(jiàn)第2章） PSW程序狀態(tài)字，即標(biāo)志寄存器，定義見(jiàn)下表 其中 CY：進(jìn)/借位標(biāo)志 反映最高位的進(jìn)位借位情況，

11、CY=1，有進(jìn)/借位 ； CY=0，無(wú)進(jìn)/借位 AC：輔助進(jìn)/借位標(biāo)志 反映高半字節(jié)與低半字節(jié)之間的進(jìn)/借位， AC=1有進(jìn)/借位； AC=0無(wú)進(jìn)/借位 FO：用戶(hù)標(biāo)志位?？捎捎脩?hù)設(shè)定其含義。 RS1，RS0：工作寄存器組選擇位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY AC F0RS1RS0OV P位地址位名稱(chēng) OV：溢出標(biāo)志 反映補(bǔ)碼運(yùn)算的運(yùn)算結(jié)果, 有溢出 OV=1，無(wú)溢出OV=0 -：無(wú)效位 P：奇/偶標(biāo)志 A中運(yùn)算結(jié)果有奇?zhèn)€“1”，P=1；有偶個(gè)“1”，P=0SP堆棧指針 堆棧設(shè)在片內(nèi)RAM； 后進(jìn)先出； 堆棧生成方向與8086相反, 字節(jié)操作 DPTR數(shù)據(jù)指針寄存器(唯

12、一用戶(hù)使用16位寄存器)存放16位地址值，以便間接尋址或變址尋址片外存儲(chǔ)器。DPTR可分成DPL和DPH兩個(gè)8位寄存器P0 P1 P2 P3I/O端口寄存器 四個(gè)并行I/O端口映射入SFR中的寄存器。通過(guò)對(duì)該寄存器的讀/寫(xiě)，可實(shí)現(xiàn)從相應(yīng)I/O端口的輸入/輸出 例如： 指令 MOV P1，A； P1A 指令 MOV A，P3; AP31.4 時(shí)鐘電路與復(fù)位電路內(nèi)部振蕩方式：見(jiàn)圖1-5 XTAL1XTAL2GND8XX51C01C02圖1-5 內(nèi)部振蕩方式1.4.1 時(shí)鐘電路 用來(lái)提供單片機(jī)內(nèi)各種微操作時(shí)間基準(zhǔn)，有內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式 外部振蕩方式：如圖1-6所示外部時(shí)鐘懸空XTAL1XTA

13、L2GND8XX51圖16 外部振蕩方式1.4.2 單片機(jī)時(shí)序單位振蕩周期：晶振的振蕩周期，又稱(chēng)時(shí)鐘周期，為最小的時(shí)序單位 1/fosc 狀態(tài)周期：振蕩頻率經(jīng)二分頻后提供給片內(nèi)CPU的時(shí)鐘信號(hào) 2/fosc 1個(gè)狀態(tài)周期=2個(gè)振蕩周期機(jī)器周期（MC）：計(jì)算機(jī)執(zhí)行一種基本操作的時(shí)間單位 12/fosc 1個(gè)機(jī)器周期=6個(gè)狀態(tài)周期=12個(gè)振蕩周期指令周期 執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間 1個(gè)指令周期=14個(gè)機(jī)器周期 例：?jiǎn)纹瑱C(jī)外接晶振頻率12MHZ時(shí)的各種時(shí)序單位： 振蕩周期=1/fosc=1/12MHz=0.0833 s 狀態(tài)周期=2/fosc=2/12MHz=0.167 s 機(jī)器周期=12/fosc=

14、12/12MHz=1 s 指令周期=(14)機(jī)器周期=14 s 1.4.3 復(fù)位電路復(fù)位：使單片機(jī)從一確定的初始狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行操作：RST出現(xiàn) 5ms以上的高電平，完成復(fù)位操作。不能持續(xù)為高電平復(fù)位操作形式： 上電復(fù)位 開(kāi)關(guān)復(fù)位 RST8XX51RCVCC圖1-7 復(fù)位電路 復(fù)位操作使SFR初始化，不改變片內(nèi)RAM內(nèi)容 幾個(gè)主要SFR復(fù)位狀態(tài)： PC=0000H 復(fù)位后程序從0000H地址單元開(kāi)始執(zhí)行 A=00H 累加器被清零 PSW=00H 選寄存器0組為工作寄存器組 SP=07H堆棧指針指向片內(nèi)RAM07H單元，第一個(gè) 被壓入的數(shù)據(jù)寫(xiě)入08H單元中P0P3=FFH 已向各端口線(xiàn)寫(xiě)入 記住一些

15、SFR復(fù)位后的主要狀態(tài) 其它SFR復(fù)位后的狀態(tài)見(jiàn)教材表1-4 (P24)1.5 引腳功能主要引腳的功能：GND:接地端Vcc:電源端，接+5VXTAL1，XTAL2: 接外部晶體或外部時(shí)鐘RST/VPD：復(fù)位/備用電源51單片機(jī)最常用的40個(gè)引腳封裝，見(jiàn)圖1-8.圖1-8ALE/PROG： ALE 地址鎖存允許， ALE輸出脈沖的頻率為振蕩頻 率的1/6 PROG 對(duì)8751單片機(jī)片內(nèi)EPROM編程時(shí)，編程脈沖由 該引腳引入PSEN ：外ROM選通允許EA/VPP： EA =0，單片機(jī)只訪(fǎng)問(wèn)外部ROM EA =1，單片機(jī)訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)部ROM 在8751單片機(jī)片內(nèi)EPROM編程期間，此引腳引入21V編程電源VPP P0.0P0.7：P0口，數(shù)據(jù)/低8位地址復(fù)用總線(xiàn) 端口 P1.0P1.7：P1口，靜態(tài)通用端口 P2.0P2.7：P2口，高八位地址總線(xiàn)端口 P3.0P3.7：P3口，雙功能靜態(tài)端口 1.6 小 結(jié) 單片機(jī)是集CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等于