第一二章單片機概述及芯片硬件結(jié)構(gòu)gai

1單片機原理及應(yīng)用

FoundationandApplicationofMicrocontroller

講授：沈躍博士副教授郵箱：shen@江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院自動化系課程安排理論課:講述基本原理、結(jié)構(gòu)和方法實驗課:根據(jù)實驗指導(dǎo)書的要求獨立完成教材

單片機原理與應(yīng)用趙德安機械工業(yè)出版社參考書:單片微型機原理應(yīng)用與實驗張友德復(fù)旦大學(xué)出版社單片機原理及應(yīng)用徐安北京希望電子出版社單片機原理及應(yīng)用胡漢才清華大學(xué)出版社MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計張毅剛等編STC單片機器件手冊網(wǎng)址：一、什么是單片機？其發(fā)展概況如何？1、單片機的定義：

◆單板機將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片和簡單的I/O設(shè)備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中），就構(gòu)成了一臺單板微型計算機（簡稱單板機）。單板機第一章單片機概述◆單片機在一片半導(dǎo)體硅片上：集成中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘電路及系統(tǒng)總線的微型計算機。具有微型計算機的屬性，因而被稱為單片微型計算機，簡稱單片機。單板機單片機

主要應(yīng)用于測控領(lǐng)域。單片機使用時，通常是處于測控系統(tǒng)的核心地位并嵌入其中，所以國際上通常把單片機稱為嵌入式控制器（EMCU，EmbeddedMicroControllerUnit），或微控制器（MCU，MicroControllerUnit）。我國習慣于使用“單片機”這一名稱。第一章單片機概述5第一章單片機概述1.按照其用途可分為通用型和專用型兩大類。單片機的分類：通用型單片機：其內(nèi)部可開發(fā)的資源（如存儲器、I/O等各種外圍功能部件等）可全部提供給用戶。用戶根據(jù)需要，設(shè)計一個以通用單片機芯片為核心，再配以外圍接口電路及其它外圍設(shè)備，并編寫相應(yīng)的軟件來滿足各種不同需要的測控系統(tǒng)。通常所說的和本書介紹的是指通用型單片機。專用型單片機：專門針對某些產(chǎn)品的特定用途而制作的單片機。（例如：各種家用電器中的控制器等。）2.按照其處理的二進制位數(shù)分為：4位單片機、8位單片機、16位單片機及32位單片機。6第一章單片機概述2、單片機的發(fā)展歷史第一階段（1974年～1976年）：初級階段。因工藝限制，采用雙片的形式,且功能較簡單。1974年12月，仙童公司推出了8位的F8單片機，實際上只包括了8位CPU、64BRAM和2個并行口。第二階段（1976年～1978年）：低性能單片機階段。1976年Intel的MCS-48單片機（8位）極大地促進了單片機的變革和發(fā)展，1977年GI公司推出了PIC1650，但這個階段仍處于低性能階段。第三階段（1978年～1983年）：高性能單片機階段。推出的單片機普遍帶有串行I/O口、多級中斷系統(tǒng)、16位定時器/計數(shù)器，片內(nèi)ROM、RAM容量加大，且尋址范圍可達64KB，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器。

1978年，Zilog公司推出Z8單片機，1980年，Intel公司在MCS-48系列基礎(chǔ)上推出MCS-51系列，Mortorola推出6801單片機。使單片機的性能及應(yīng)用躍上新的臺階。第四階段（1983年～現(xiàn)在）：8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機、32位單片機推出階段。16位典型產(chǎn)品Intel公司的MCS-96系列單片機。而32位單片機除了具有更高的集成度外，其數(shù)據(jù)處理速度比16位單片機提高許多，性能比8位、16位單片機更加優(yōu)越。7第一章單片機概述3、單片機的特點單片機是集成電路技術(shù)與微型計算機技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。由于單片機本身就是一個微型計算機，因此只要在單片機的外部適當增加一些必要的外圍擴展電路，就可以靈活地構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)自動檢測監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等。單片機的優(yōu)點：（1）簡單方便，易于普及。（2）功能齊全，應(yīng)用可靠，抗干擾能力強。（3）發(fā)展迅速，前景廣闊。（4）嵌入容易，用途廣泛，體積小、性價比高，應(yīng)用靈活性強等特點。8第一章單片機概述4、單片機的應(yīng)用工業(yè)檢測與控制：機電一體化技術(shù)將發(fā)揮愈來愈重要的作用（如機器人技術(shù)）。儀器儀表：目前對儀器儀表的自動化和智能化要求越來越高。（如電表）消費類電子產(chǎn)品（如：各種家用電器）通信：（如：各類手機、傳真機、程控電話交換機、信息網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備。）武器裝備：（在現(xiàn)代化的武器裝備中，如飛機、軍艦、坦克、導(dǎo)彈、智能武器裝備、航天飛機導(dǎo)航系統(tǒng)，都有單片機嵌入其中。）各種終端及計算機外設(shè)：（如打印機、硬盤驅(qū)動器、傳真機、復(fù)印機及ATM機等）汽車電子設(shè)備：（如汽車安全系統(tǒng)、智能自動駕駛系統(tǒng)、衛(wèi)星汽車導(dǎo)航系統(tǒng)等。）分布式多機系統(tǒng)：在較復(fù)雜多節(jié)點的測控系統(tǒng)中，常采用分布式多機系統(tǒng)。9第一章單片機概述10第一章單片機概述5、單片機的發(fā)展趨勢單片機的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化，外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。1．CPU的改進（1）增加CPU數(shù)據(jù)總線寬度。（2）采用雙CPU結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)處理能力。2．存儲器的發(fā)展（1）片內(nèi)程序存儲器普遍采用閃爍（Flash）存儲器。可不用外擴展程序存儲器，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前有的單片機片內(nèi)程序存儲器容量可達128KB甚至更多。（2）加大片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲容量，以滿足動態(tài)存儲的需要。3．片內(nèi)I/O的改進（1）增加并行口驅(qū)動能力，以減少外部驅(qū)動芯片。（2）有些單片機設(shè)置了一些特殊的串行I/O功能，為構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供方便條件。（3）引入數(shù)字交叉開關(guān)，改變了以往片內(nèi)外設(shè)與外部I/O引腳的固定對應(yīng)關(guān)系。交叉開關(guān)是一個大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，可通過編程設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行口、中斷系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器等片內(nèi)外設(shè)靈活配置出現(xiàn)在端口I/O引腳。這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用，將內(nèi)部外設(shè)資源分配給端口I/O引腳。11第一章單片機概述

4．低功耗化CMOS化，功耗小，配置有等待狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)等工作方式。消耗電流僅在μA或nA量級，適于電池供電的便攜式、手持式的儀器儀表以及其它消費類電子產(chǎn)品。5．外設(shè)電路內(nèi)裝化

6．編程及仿真的簡單化支持程序的在線編程，也稱在系統(tǒng)編程（ISP—InSystemProgram），只需一條ISP并口下載線，就可以把仿真調(diào)試通過的程序從PC寫入單片機的Flash存儲器內(nèi)，省去編程器。綜上所述，單片機正在向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價格（幾元錢）、外設(shè)電路內(nèi)裝化以及片內(nèi)程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器容量不斷增大的方向發(fā)展。7．實時操作系統(tǒng)的使用51單片機可配置實時操作系統(tǒng)RTX51。RTX51是一個針對8051系列的多任務(wù)內(nèi)核。從本質(zhì)上簡化了對實時事件反應(yīng)速度要求較高的復(fù)雜應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計、編程和調(diào)試。RTX51實時內(nèi)核完全集成到C51編譯器中，使用簡單方便。第一章單片機概述6、MCS-51系列與AT89C5x系列單片機6.1、MCS-51系列單片機Intel公司的MCS-51系列單片機是一款設(shè)計成功、易于掌握得到廣泛使用的機型。MCS-51系列單片機是最早進入我國，并在我國應(yīng)用最為廣泛的單片機機型之一，也是單片機應(yīng)用的主流品種。MCS-51系列單片機基本型增強型:對應(yīng)以上三種型號推出52子系列8032、8052、8752。內(nèi)部RAM

增到256B，8052、8752片內(nèi)程序存儲器擴展到8KB，16位定時器/計數(shù)器增至3個，6個中斷源，串行口通信速率大大提高。

8031：1個8位CPU、128BRAM，21個特殊功能寄存（SFR）、4個8位并行I/O口、1個全雙工串行口，2個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，但片內(nèi)無程序存儲器，需外擴程序存儲器芯片。8051：在8031基礎(chǔ)上集成4KBROM作為程序存儲器8751：片內(nèi)集成4KBEPROM,其內(nèi)容可反復(fù)擦寫修改。第一章單片機概述綜上：MCS-51系列單片機的代表性產(chǎn)品為8051，其他單片機都是在8051的基礎(chǔ)上進行了功能的增減。第一章單片機概述6.2、AT89系列單片機

20世紀80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在高檔CPU芯片的研發(fā)上，逐漸淡出單片機芯片的開發(fā)和生產(chǎn)。因此，Intel公司以專利轉(zhuǎn)讓或技術(shù)交換的形式把8051的內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了許多半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。各種衍生品種統(tǒng)稱為51單片機。第一章單片機概述6.3、STC8051單片機第一章單片機概述STC15F2K60S2系列1T8051單片機第一章單片機概述STC15F2K60S2系列1T8051單片機18第二章MCS-51單片機芯片硬件結(jié)構(gòu)2.1MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)及組成2.1.1MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)框圖MCS-51系列單片機屬于總線結(jié)構(gòu)19202.1.2MCS-51系列單片機組成一個8位CPU包括運算器、控制器以及若干寄存器等部件組成。算術(shù)和邏輯運算，可對半字節(jié)（4位）和單字節(jié)數(shù)據(jù)進行操作；加、減、乘、除、加1、減1、比較等算術(shù)運算；與、或、異或、求補、循環(huán)等邏輯運算；布爾處理器。（1）運算器21PC用來存放即將要執(zhí)行的指令地址，共16位，可對64KROM直接尋址。PC低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。（2）程序計數(shù)器PC指令寄存器存放指令代碼。CPU執(zhí)行指令過程：由程序存儲器（ROM）中讀取指令代碼送入指令寄存器，經(jīng)譯碼器譯碼后由定時與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號，完成指令功能。（3）指令寄存器22時鐘電路：MCS-51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2。有兩種時鐘生成電路，內(nèi)部方式，外部方式。（4）定時與控制部件234k/8k字節(jié)程序存儲器（ROM）51系列4k字節(jié)；52系列8k字節(jié)128/256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器（RAM）51系列128字節(jié)；52系列256字節(jié)2/3個16位定時/計數(shù)器51系列2個16位定時/計數(shù)器；52系列3個24可尋址64k外部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）和64k外部程序存儲器（ROM）32條可編程I/O口線（4個8位并行I/O端口）一個可編程全雙工串行口；五個中斷源、兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)252.1.3MCS-51系列單片機芯片引腳26ALE/（30），ALE：允許地址鎖存信號。（數(shù)據(jù)線、地址線復(fù)用）當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變將P0口上低8位地址送入鎖存器。ALE低電平時，P0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致1）主電源引腳；2）外接晶體或外部振蕩器引腳；XTAL1、XTAL2引腳分布（40腳雙列直插封裝（DIP）方式）3）控制、選通或復(fù)用電源引腳：27非訪問外部存儲器期間，ALE以1/6振蕩頻率輸出，訪問外部存儲器時以1/12振蕩頻率輸出。

為編程脈沖輸入端，對片內(nèi)程序存儲器進行編程時，此腳輸入編程脈沖。RST（9腳）：復(fù)位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平，復(fù)位有效。28

（29腳）：訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效。/Vpp（31腳）：訪問內(nèi)部或外部ROM選擇信號。高電平時()，訪問內(nèi)部ROM（PC指針超過4K，0FFFH時，自動轉(zhuǎn)向外部ROM），保持低電平，則訪問外部ROM。（對于8031，接低電平）29四個8位雙向I/O端口（P0、P1、P2、P3）;每一條I/O線都能獨立地作輸入或輸出。P0口（32—39）低8位地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用或I/O口。P1口（1—8）常用的I/O口。P2口（21—28）常用I/O口或高8位地址線。P3口（10—17）雙功能口。4）I/O口引腳（32個引腳）30信號引腳的第二功能P3口第二功能312-2MCS-51存儲器數(shù)據(jù)存儲器（RAM）--用來存放程序運行中所需要的常數(shù)和變量。當然，全局數(shù)據(jù)也可以放在RAM中。特點：程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）分開，各有各的尋址系統(tǒng)、控制信號和功能。程序存儲器（ROM）--用來存放程序和始終要保留的數(shù)據(jù)。32從物理空間上看：MCS-51單片機有四個存儲器地址空間。片內(nèi)程序存儲器片外程序存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器33程序存儲器映象數(shù)據(jù)存儲器映象8051存儲器映象342.2.1程序存儲器程序存儲器以PC（程序計數(shù)器）作地址指針，可尋址空間為64K（0000H—FFFFH）字節(jié)。8051/8751單片機內(nèi)部分別駐留4K（0000H—0FFFH）字節(jié)ROM/EPROM。8031則沒有片內(nèi)程序存儲器。358031單片機接低電平。51系列單片機64K字節(jié)程序存儲器統(tǒng)一編址。程序從片內(nèi)ROM開始執(zhí)行，當PC值超過片內(nèi)ROM容量時會自動轉(zhuǎn)向外部存儲器空間。程序從外部存儲器開始執(zhí)行。3651系列單片機復(fù)位后PC=0000H，系統(tǒng)從0000H開始執(zhí)行程序。安排一條跳轉(zhuǎn)指令。0003H—0032H單元被保留專用于中斷服務(wù)程序（入口地址）。每個中斷服務(wù)程序只有8個字節(jié)單元存放，顯然不夠，故此8個單元通常放一條跳轉(zhuǎn)指令。指向被實際分配的中斷服務(wù)程序段。3738中斷服務(wù)程序首地址：外部中斷0（） 0003H定時器0溢出中斷 000BH外部中斷1（） 0013H定時器1溢出中斷 001BH串行口中斷 0023H定時器2溢出/T2EX（負跳變） 002BH392-2-2數(shù)據(jù)存儲器MCS-51系列單片機的數(shù)據(jù)存儲器在物理和邏輯上都分為兩個地址空間。00H—7FH（0—127）128字節(jié)RAM區(qū)；80H—FFH（128—255）128字節(jié)專用寄存器區(qū)。40內(nèi)部RAM低128字節(jié)（00H—7FH）四個通用寄存器區(qū)，每個區(qū)有8個工作寄存器R0—R7D4D3=00—0區(qū)；D4D3=01—1區(qū)；D4D3=10—2區(qū)；D4D3=11—3區(qū)根據(jù)程序狀態(tài)字PSW（特殊功能寄存器，地址D0H）中的D4D3位來指示的。通過對PSW的D4D3的修改，便能任意選擇一個工作寄存器區(qū)。寄存器區(qū)41位尋址區(qū)（20H—2FH）16個字節(jié)。16*8=128位，每一位都有一個位地址，范圍為：00H—7FH，位地址區(qū)也可作為一般RAM使用。位尋址區(qū)42用戶RAM區(qū)（數(shù)據(jù)緩沖區(qū)）單元地址：30H~7FH在此區(qū)域中，用戶只能以存儲單元（字節(jié)）形式使用。通常將堆棧建立在此區(qū)域中。43內(nèi)部RAM高128字節(jié)（80H—FFH）專用功能寄存器區(qū)（SFR）2-2-3外部數(shù)據(jù)存儲器以后介紹442-2-3專用功能寄存器（SFR）分布在RAM區(qū)域80H—FFH中，具體執(zhí)行功能：鎖存器、定時器、串行口數(shù)據(jù)緩沖器、各種控制寄存器、狀態(tài)寄存器等。45●累加器ACC（最常用專用寄存器）暫存寄存器，用于提供操作數(shù)和存放運算結(jié)果。直接與內(nèi)部總線相連。一般信息傳遞和交換都要通過ACC。常用專用功能寄存器46●寄存器B乘法指令兩個操作數(shù)分別取自A、B，其結(jié)果放在A、B寄存器隊中；除法指令，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商放A，余數(shù)放B。47●程序狀態(tài)控制字PSWRS1，RS0--選擇工作寄存器區(qū)；CY--高位進位標志，8位運算產(chǎn)生進位或借位；AC--輔助進位標志，半字節(jié)進位標志；OV--溢出標志位，用于帶符號數(shù)運算的溢出。P—奇偶校驗標志位，A寄存器中奇偶性判別?！?”的個數(shù)為偶P=0“1”的個數(shù)位奇P=148●數(shù)據(jù)指針DPTR16位寄存器，DPH，DPL用來訪問外部RAM的地址寄存器，地址范圍64K。●端口P0—P3專用寄存器P0—P3端口名和寄存器名一一對應(yīng)可采用直接尋址方式參與操作。MOVA，P049●串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF存放欲發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù)。雖然用一個緩沖器99H，但卻以兩個獨立的緩沖器出現(xiàn)。一個發(fā)送，一個接收?！穸〞r器/計數(shù)器兩個16為定時/計數(shù)器T0、T1。各有兩個8為獨立寄存器組成，TH0、TL0，TH1、TL1。●其他控制寄存器5051522-3并行I/O端口電路P0口：地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口53鎖存器：數(shù)據(jù)輸出三態(tài)輸入數(shù)據(jù)緩沖器多路轉(zhuǎn)換器MUX，控制電路數(shù)據(jù)輸出時（寫P0口）：由于鎖存器的存在，故P0端口可以直接和外設(shè)相連。內(nèi)部寫脈沖加在D觸發(fā)器CP端，數(shù)據(jù)寫入鎖存器，由端口引腳輸出。作為一般I/O口使用54數(shù)據(jù)輸入時（讀P0口），有兩種情況：讀引腳：讀芯片引腳上的數(shù)據(jù)，“讀引腳”緩沖器打開，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線讀入；MOV指令的讀口操作。讀端口：通過打開讀鎖存器緩沖器讀鎖存器Q端的狀態(tài)，例如語句：ANLP0，A。作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口使用打開控制與門，使得內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)線與驅(qū)動場效應(yīng)管柵極反相接通狀態(tài)。55根據(jù)端口特點，P0，P2口結(jié)構(gòu)基本一致，內(nèi)部有一個多路開關(guān)MUX，根據(jù)CPU控制可作為I/O口，也可作為外部存儲器擴展時用作16位地址總線。P1，P3口結(jié)構(gòu)基本一致，為雙向口。注意，一般地說，P1口多用作I/O或位操作；而P3口多用于第二功能。56P0口：為三態(tài)雙向口，擴展外部存儲器時，它是地址總線和數(shù)據(jù)總線的復(fù)用（低8位）。低8位地址通過ALE信號負跳變將其鎖存在外部鎖存器中。單獨作I/O口用時，由于輸出電路是漏極開路，必須外接上拉電阻。能帶8個LSTTL電路。端口功能57P1口：常用I/O口，每一位都能作為可編程的輸入或輸出線。輸出端無需上拉電阻。P2口：可以作為輸入口或輸出口使用；但一般作為擴展系統(tǒng)的地址總線，輸出高8位地址。與P0口一起組成16位地址總線。P3口：雙功能口。作為第一功能使用同P1口。第二功能如下表：58P3口第二功能592-4振蕩器\時鐘及時序振蕩有兩種方式：外部、內(nèi)部時鐘發(fā)生器：將震蕩頻率2分頻，為芯片提供一個兩相時鐘信號。時序定時單位：（1）拍節(jié)P：振蕩脈沖周期，用P表示；（2）狀態(tài)S：時鐘信號周期，用S表示；60（3）機器周期：MCS-51采用定時方式，因此有固定的機器周期，一個機器周期等于6個狀態(tài)周期，1