單片機(jī)第二講課件

1、西京學(xué)院工程技術(shù)系電子信息教研室單片機(jī)原理與應(yīng)用課程單片機(jī)原理與應(yīng)用1第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用 2.1 單片機(jī)分類及內(nèi)部組成 1.51系列單片機(jī)的分類51系列單片機(jī)有一下兩種分類方法： （1）按芯片的半導(dǎo)體制造工藝劃分，可以分為HMOS工藝性單片機(jī)和CHMOS工藝性單片機(jī)兩種。HMOS工藝性單片機(jī)包括8051、8751、8052、8032；CHMOS工藝性單片機(jī)80C51、83C51、87C51、80C31、80C32和80C52。這兩類器件在功能上是完全兼容的，但采用CHMOS工藝制造的芯片具有低功耗的特點(diǎn)，它所消耗的電流比HMOS器件消耗的電流小的多。另2第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用外，CHM

2、OS器件比HMOS器件多了兩種節(jié)電的工作方式（掉電方式和待機(jī)方式），常用于構(gòu)成低功耗的應(yīng)用系統(tǒng)。按片內(nèi)不同容量的存儲(chǔ)器配置劃分，可以分為51子系列和52子系列單片機(jī)。51子系列單片機(jī)最后一位數(shù)字以“1”作為標(biāo)志，片內(nèi)帶有4KB ROM/EPROM、128B RAM、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和5個(gè)中斷源等；52子系列單片機(jī)最后一位數(shù)字以“2”作為標(biāo)志，片內(nèi)帶有8KB ROM/EPROM、256B RAM、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和6個(gè)中斷源等。3第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用外，CHMOS器件比HMOS器件多了兩種節(jié)電的工作方式（掉電方式和待機(jī)方式），常用于構(gòu)成低功耗的應(yīng)用系統(tǒng)。（2）按片內(nèi)不同容量的

3、存儲(chǔ)器配置劃分，可以分為51子系列和52子系列單片機(jī)。51子系列單片機(jī)最后一位數(shù)字以“1”作為標(biāo)志，片內(nèi)帶有4KB ROM/EPROM、128B RAM、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和5個(gè)中斷源等；52子系列單片機(jī)最后一位數(shù)字以“2”作為標(biāo)志，片內(nèi)帶有8KB ROM/EPROM、256B RAM、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和6個(gè)中斷源等。4第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用2. 51單片機(jī)的兼容性MCS-51系列單片機(jī)以優(yōu)異的性價(jià)比使它從面世以來(lái)就獲得了廣大用戶的認(rèn)可，Intel公司把這種單片機(jī)的內(nèi)核，即8051內(nèi)核，以出售或互換專利的方式授權(quán)給一些公司，如Atmel、Philips等。這些公司在保持與805

4、1單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上，改造了8051單片機(jī)的許多性能。例如，80C51單片機(jī)就是在8051的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的更低功耗的單片機(jī)，兩者外形完全相同，其指令系統(tǒng)、引腳信號(hào)、總線等也都完全相同,其指令系統(tǒng)、引腳信號(hào)、總線等也都完全一致。也就是說(shuō)，5第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用7第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用MCS-51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。下面介紹各個(gè)組成部分的基本功能。8第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用常所說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是指前128個(gè)單元，簡(jiǎn)稱內(nèi)部RAM。（3）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（4K ROM）MCS-51共有4KB 的掩膜ROM，用于存放程序或原始數(shù)據(jù),因此成為程序存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱內(nèi)部ROM。（4）定時(shí)/計(jì)數(shù)器MC

5、S-51共有兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。（5）可編程I/O口MCS-51共有4個(gè)8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），通過(guò)10第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用編寫(xiě)程序可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出，從而實(shí)現(xiàn)接收外部信號(hào)或輸出控制信號(hào)。（6）串行接口MCS-51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強(qiáng)，既可以作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可以作為同步移位器使用。（7）中斷控制系統(tǒng) 當(dāng)CPU執(zhí)行正常的程序時(shí)，如果收到一個(gè)中斷請(qǐng)求（如11第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用定時(shí)時(shí)間到，需要鳴笛報(bào)警），中斷控制系統(tǒng)馬上

6、會(huì)讓CPU停止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行程序存儲(chǔ)器ROM中特定的某段程序，執(zhí)行完成該段程序后再繼續(xù)執(zhí)行先前中斷的程序。MCS-51單片機(jī)共有5個(gè)中斷源，即兩個(gè)外中斷源、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷源和一個(gè)串行中斷源。（8）時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)送給單片機(jī)內(nèi)部各電路，以控制這些電路，使它們有節(jié)拍地工作。時(shí)鐘信號(hào)頻率越高，內(nèi)部電路工作速度越快。12第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用14第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用2.工作過(guò)程下面以上圖搶答器的單片機(jī)控制電路為例，介紹單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的工作過(guò)程。當(dāng)按下?lián)尨疰IS后，按鈕接地，發(fā)光二極管VD1亮。同時(shí),單片機(jī)輸入低電平，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸后，馬上輸出控制信號(hào)（這里為低

7、電平），該信號(hào)經(jīng)過(guò)R2送到驅(qū)動(dòng)三極管的基極，三極管導(dǎo)通，有電流通過(guò)蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)聲。一旦松開(kāi)搶答鍵，單片機(jī)輸入信號(hào)為高電平，經(jīng)過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，馬上輸出高電平，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。15第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用2.3 單片機(jī)I/O口的使用實(shí)例4：用單片機(jī)控制一個(gè)燈閃爍 本實(shí)例通用單片機(jī)控制一個(gè)燈（發(fā)光二極管）閃爍的實(shí)例來(lái)介紹單片機(jī)的工作頻率電路圖如下圖所示。 （1）實(shí)現(xiàn)方法 P1.0輸出低電平，使VD1正向偏置，就會(huì)點(diǎn)亮發(fā)光二極管LED；P1.0輸出高電平時(shí)，LED就熄滅。如果P1.0輸出電平在高低電平之間不停轉(zhuǎn)換，則LED會(huì)產(chǎn)生閃爍。也就是說(shuō)先點(diǎn)亮LED一段時(shí)間之后，再熄滅LED等，再

8、延時(shí)一段時(shí)間后點(diǎn)亮LED等，如此反復(fù)。17第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用18第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用 （2）程序設(shè)計(jì) 19第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用 （3）軟件仿真 啟動(dòng)軟件仿真后，將示波器輸入端A連接在P1.0引腳上，觀察輸出電平的變化。 為了研究單片機(jī)工作頻率對(duì)閃爍速度的影響，將單片機(jī)的晶振改為“2MHz”后啟動(dòng)仿真，可以看到閃爍頻率變慢。 （4）延時(shí)程序分析 為什么單片機(jī)時(shí)鐘頻率（工作頻率）的改變會(huì)引起燈閃爍速度的變化？弄清楚這個(gè)問(wèn)題很重要。 單片機(jī)需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)送給內(nèi)部各電路，才能使它們20第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用有節(jié)奏的工作。時(shí)鐘信號(hào)的21第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用2.3 單片機(jī)I/O口的使

9、用實(shí)例5：將P1口狀態(tài)送入P0、P2和P3口 本實(shí)例通過(guò)一個(gè)將P1口狀態(tài)送入P0、P2和P3口的實(shí)例，介紹單片機(jī)的輸入/輸出的基本結(jié)構(gòu)和使用方法。本例采用的電路原理圖如圖3.1所示.要求當(dāng)按下按鍵S時(shí)，發(fā)光二極管VD0VD3均被點(diǎn)亮；松開(kāi)按鍵S時(shí)，VD0VD3均被熄滅。 （1）實(shí)現(xiàn)方法 利用單片機(jī)工作速度快的特點(diǎn)，通過(guò)編程設(shè)置一個(gè)無(wú)限循環(huán)，讓單片機(jī)不停地把P1口的電平狀態(tài)送到P0、P2和P3口。在按下按鍵S時(shí)，P1.7引腳的燈被點(diǎn)亮的瞬間，P0.7引腳、P2.7引腳和P3.7引腳的三個(gè)燈也接著被點(diǎn)亮。22第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用 （2）程序設(shè)計(jì) 24第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用 （3）實(shí)例演示 實(shí)

10、例1表明，單片機(jī)的P0口、P1口、P2口和P3口具有輸入/輸出（I/O）功能。雖然P1.7引腳電平在編程時(shí)被置為高電平（P1=0 xff），但是當(dāng)按下按鍵S時(shí)，該引腳接地，電平也被強(qiáng)制變?yōu)榈碗娖健４藭r(shí)，低電平“0”通過(guò)P1.7引腳被輸入到單片機(jī)，可見(jiàn)P1口具有輸入功能。在按下按鍵S時(shí)，不僅 P1.7引腳LED點(diǎn)亮，而且P0.7引腳LED也被點(diǎn)亮，這表明P1口的狀態(tài)被送到了P0口，所以P1口還具有輸出功能。同樣的,P0、P2和P3口也有類似的輸入/輸出功能。251、P0口作為普通I/O口輸出時(shí)CPU發(fā)出控制電平“0”封鎖“與”門(mén)，將輸出上拉場(chǎng)效應(yīng)管T1截止，同時(shí)使多路開(kāi)關(guān)MUX把鎖存器與輸出D

11、QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳27驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管T2柵極接通。故內(nèi)部總線與P0口同相。由于輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)是漏極開(kāi)路電路，若驅(qū)動(dòng)NMOS或其它拉流負(fù)載時(shí)，需要外接上拉電阻。P0的輸出級(jí)可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳28 輸入時(shí)-分讀引腳或讀鎖存器讀引腳：由傳送指令(MOV)實(shí)現(xiàn)； 下面一個(gè)緩沖器用于讀端口引腳數(shù)據(jù)，當(dāng)執(zhí)行一條由端口輸入的指令時(shí)，讀脈沖把該三態(tài)緩沖器打開(kāi)，這樣端口引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)緩沖器讀入到內(nèi)部總線。D QCLK QMUXP0.n讀

12、鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳29D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳 輸入時(shí)-分讀引腳或讀鎖存器讀鎖存器：有些指令 如：ANL P0，A稱為“讀-改-寫(xiě)” 指令，需要讀鎖存器。 上面一個(gè)緩沖器用于讀端口鎖存器數(shù)據(jù)。30*原因：如果此時(shí)該端口的負(fù)載恰是一個(gè)晶體管基極，且原端口輸出值為1，那么導(dǎo)通了的PN結(jié)會(huì)把端口引腳高電平拉低；若此時(shí)直接讀端口引腳信號(hào)，將會(huì)把原輸出的“1”電平誤讀為“0”電平?，F(xiàn)采用讀輸出鎖存器代替讀引腳，圖中，上面的三態(tài)緩沖器就為讀鎖存器Q端信號(hào)而設(shè)，讀輸出鎖存器可避免上述可能

13、發(fā)生的錯(cuò)誤。*D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳31P0口必須接上拉電阻；在讀信號(hào)之前數(shù)據(jù)之前，先要向相應(yīng)的鎖存器做寫(xiě)1操作的I/O口稱為準(zhǔn)雙向口；三態(tài)輸入緩沖器的作用：（ANL P0，A）32D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳準(zhǔn)雙向口： 從圖中可以看出，在讀入端口數(shù)據(jù)時(shí)，由于輸出驅(qū)動(dòng)FET并接在引腳上，如果T2導(dǎo)通，就會(huì)將輸入的高電平拉成低電平，產(chǎn)生誤讀。所以在端口進(jìn)行輸入操作前，應(yīng)先向端口鎖存器寫(xiě)“1”，使T2截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，變?yōu)楦咦杩馆斎?。這就是所謂的準(zhǔn)

14、雙向口。 33D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳準(zhǔn)雙向口： 從圖中可以看出，在讀入端口數(shù)據(jù)時(shí)，由于輸出驅(qū)動(dòng)FET并接在引腳上，如果T2導(dǎo)通，就會(huì)將輸入的高電平拉成低電平，產(chǎn)生誤讀。所以在端口進(jìn)行輸入操作前，應(yīng)先向端口鎖存器寫(xiě)“1”，使T2截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，變?yōu)楦咦杩馆斎?。這就是所謂的準(zhǔn)雙向口。 34 CPU發(fā)出控制電平“1”，打開(kāi)“與”門(mén)，又使多路開(kāi)關(guān)MUX把CPU的地址/數(shù)據(jù)總線與T2柵極反相接通，輸出地址或數(shù)據(jù)。由圖上可以看出，上下兩個(gè)FET處于反相，構(gòu)成了推拉式的輸出電路，其負(fù)載能力大大增強(qiáng)。D QCLK QMUXP0

15、.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳2、P0作為地址/數(shù)據(jù)總線35 P0引腳輸出地址/輸入數(shù)據(jù) 輸入信號(hào)是從引腳通過(guò)輸入緩沖器進(jìn)入內(nèi)部總線。 此時(shí)，CPU自動(dòng)使MUX向下，并向P0口寫(xiě)“1”，“讀引腳”控制信號(hào)有效，下面的緩沖器打開(kāi)，外部數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部總線。2、P0作為地址/數(shù)據(jù)總線-真正的雙向口D QCLK QMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳36二、P2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.P2口作為普通I/O口D QCLK QMUXP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳CPU發(fā)出控制電平“0” ，使多路

16、開(kāi)關(guān)MUX倒向鎖存器輸出Q端，構(gòu)成一個(gè)準(zhǔn)雙向口。其功能與P1相同。37 2.P2口作為地址總線 在系統(tǒng)擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器且容量超過(guò)256B (用MOVX DPTR指令)時(shí)，CPU發(fā)出控制電平“1”，使多路開(kāi)關(guān)MUX倒內(nèi)部地址線。此時(shí)，P2輸出高8位地址。D QCLK QMUXP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳38三、P1口、P3口的內(nèi)部結(jié)構(gòu) P1口的一位的結(jié)構(gòu) 它由一個(gè)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)電路組成-準(zhǔn)雙向口。D QCLK QP1.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳VCCRTP1口引腳39P3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)D QCLK QP3.n讀鎖存

17、器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能作為通用I/O口與P1口類似-準(zhǔn)雙向口(W=1)W40P3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)D QCLK QP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能P3第二功能(Q=1)此時(shí)引腳部分輸入(Q=1、W=1) ,部分輸出(Q=1、W輸出) 。W41P3第二功能各引腳功能定義：P3.0：RXD串行口輸入P3.1：TXD串行口輸出P3.2：INT0外部中斷0輸入P3.3：INT1外部中斷1輸入P3.4：T0定時(shí)器0外部輸入P3.5：T1定時(shí)器1外部輸入P3.6：WR外部寫(xiě)控制P3.7：RD外部讀控制42綜上所述：當(dāng)P

18、0作為I/O口使用時(shí)，特別是作為輸出時(shí)，輸出級(jí)屬于開(kāi)漏電路，必須外接上拉電阻才會(huì)有高電平輸出；如果作為輸入，必須先向相應(yīng)的鎖存器寫(xiě)“1”，才不會(huì)影響輸入電平。當(dāng)CPU內(nèi)部控制信號(hào)為“1”時(shí)，P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用，這時(shí)，P0口就無(wú)法再作為I/O口使用了。43P1、P2 和P3 口為準(zhǔn)雙向口, 在內(nèi)部差別不大, 但使用功能有所不同。 P1口是用戶專用 8 位準(zhǔn)雙向I/O口, 具有通用輸入/輸出功能, 每一位都能獨(dú)立地設(shè)定為輸入或輸出。當(dāng)有輸出方式變?yōu)檩斎敕绞綍r(shí), 該位的鎖存器必須寫(xiě)入“1”, 然后才能進(jìn)入輸入操作。 P2口是 8 位準(zhǔn)雙向I/O口。外接I/O設(shè)備時(shí), 可作為擴(kuò)展系統(tǒng)的地址總

19、線, 輸出高8位地址, 與P0 口一起組成 16 位地址總線。 對(duì)于 8031 而言, P2 口一般只作為地址總線使用, 而不作為I/O線直接與外部設(shè)備相連。 44實(shí)例2：使用P3口流水點(diǎn)亮8位LED 本實(shí)例通過(guò)使用P3口控制其外接8位LED流水點(diǎn)亮，來(lái)介紹單片機(jī)I/O使用方法。本例采用的電路圖如圖3.2所示。 1.實(shí)現(xiàn)方法 通過(guò)循環(huán)執(zhí)行以下操作來(lái)實(shí)現(xiàn)流水點(diǎn)亮8位LED。 （1）先點(diǎn)亮P3.0引腳LED,利用延時(shí)程序延時(shí)一段時(shí)間。 （2）接著點(diǎn)亮P3.1引腳LED,利用延時(shí)程序延時(shí)一段時(shí)間。 依照同樣的方法點(diǎn)亮其他引腳的LED。452 程序設(shè)計(jì) 46第2章 單片機(jī)原理及應(yīng)用3.5 MCS-51

20、單片機(jī)存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu) MCS-51單片機(jī)有兩種存儲(chǔ)器，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。程序存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)編入的程序；而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來(lái)存放單片機(jī)工作時(shí)用到的一些臨時(shí)數(shù)據(jù)。 從物理地址空間來(lái)看，MCS-51有四個(gè)存儲(chǔ)地址空間，即片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器，以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。3.5.1 程序存儲(chǔ)器 對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程時(shí)，一般現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中用軟件編寫(xiě)程序，再通過(guò)編程器將編好的程序?qū)懭氤绦虼鎯?chǔ)器。 MCS-51單片機(jī)在一般情況下使用內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng)內(nèi)47部存儲(chǔ)空間不夠時(shí)需要使用外部程序存儲(chǔ)器。程序存儲(chǔ)器受EA端外接電平的控制。 當(dāng)EA=0（接地）時(shí)，單片機(jī)只能使用外部程序存儲(chǔ)器 當(dāng)EA=1（接+5V電源）時(shí)，單片機(jī)先使用內(nèi)部程序存 儲(chǔ)器，容量不夠時(shí)自動(dòng)使用外部程序存儲(chǔ)器。 89C51系列單片機(jī)內(nèi)部有4KB程序存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)單元的地址編號(hào)是0000H0FFFH，當(dāng)擴(kuò)展外接60KB程序存儲(chǔ)器時(shí)，外部程序存儲(chǔ)器的地址編碼是1000HFFFFH。 MCS-51單片機(jī)上電復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H,因此系統(tǒng)從00