單片機原理及其接口技術(shù)第1章課件

第1章MCS-51單片機的結(jié)構(gòu)與原理主要內(nèi)容：

典型單片機（MCS-51,MSP430,EM78,PIC,Motorola,AVR）的性能，MCS-51內(nèi)部結(jié)構(gòu)、特點、工作方式、時序和最小應(yīng)用系統(tǒng)。為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、利用單片機解決工程實際問題打下堅實的基礎(chǔ)。重點在于基本概念、組成原理、特點及MCS-51的最小應(yīng)用系統(tǒng)，難點在于時序。

典型單片機有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Motorola、AVR等。MCS-51為主流產(chǎn)品，性能如表1.1.1。MSP430為低功耗產(chǎn)品，功能較強，性能如表1.1.2。EM78為低功耗產(chǎn)品，價格較低，性能如表1.1.3。PIC為低電壓、低功耗、大電流LCD驅(qū)動、低價格產(chǎn)品，性能如表1.1.4。Motorola是世界上最大的單片機生產(chǎn)廠家之一，品種全、選擇余地大、新產(chǎn)品多。其特點是噪聲低，抗干擾能力強，比較適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。性能如表1.1.5。AVR為高速、低功耗產(chǎn)品，支持ISP、IAP，I/O口驅(qū)動能力較強。性能如表1.1.6。1.1典型單片機性能概覽

1.2MCS-51單片機硬件結(jié)構(gòu)及引腳

MCS-51系列單片機都是以Intel公司最早的典型產(chǎn)品8051為核心，增加了一定的功能部件后構(gòu)成的，因此，本章以8051為主介紹MCS-51系列單片機。

1.2.1MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機的組成：

CPU(進行運算、控制)、RAM(數(shù)據(jù)存儲器)、ROM(程序存儲器）、I/O口(串口、并口）、內(nèi)部總線和中斷系統(tǒng)等。組成框圖如下：

組成：運算器、控制器。8051的CPU包含以下功能部件：

（1）8位CPU。（2）布爾代數(shù)處理器，具有位尋址能力。（3）128B內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)存儲器，21個專用寄存器。（4）4KB內(nèi)部掩膜ROM程序存儲器。（5）2個16位可編程定時器/計數(shù)器。（6）32個（4×8位）雙向可獨立尋址的I/O口。（7）1個全雙工UART（異步串行通信口）。（8）5個中斷源、兩級中斷優(yōu)先級的中斷控制器。（9）時鐘電路，外接晶振和電容可產(chǎn)生1.2MHz～12MHz的時鐘頻率。（10）外部程序/數(shù)據(jù)存儲器尋址空間均為64KB。（11）111條指令，大部分為單字節(jié)指令。（12）單一+5V電源供電，雙列直插40引腳DIP封裝。

1.中央處理器（CPU）（1）運算器組成：8位算術(shù)邏輯運算單元ALU（ArithmeticLogicUnit）、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序狀態(tài)字寄存器PSW（ProgramStatusWord）、8位暫存寄存器TMP1和TMP2等。功能：完成算術(shù)運算和邏輯運算。（2）控制器組成：程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）、指令寄存器IR（InstructionRegister）、指令譯碼器ID（InstructionDecoder）、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、定時控制邏輯和振蕩器OSC等電路。功能：CPU根據(jù)PC中的地址將欲執(zhí)行指令的指令碼從存儲器中取出，存放在IR中，ID對IR中的指令碼進行譯碼，定時控制邏輯在OSC配合下對ID譯碼后的信號進行分時，以產(chǎn)生執(zhí)行本條指令所需的全部信號。MCS-51系列單片機配置一覽表系列片內(nèi)存儲器（字節(jié)）定時器計數(shù)器并行I/O串行I/O中斷源片內(nèi)ROM片內(nèi)RAM無有ROM有EPROMIntel51子系列803180C31805180C51(4K字節(jié))875187C51(4K字節(jié))128字節(jié)2x164x8位15Intel52子系列803280C32805280C52(8K字節(jié))875287C52(8K字節(jié))256字節(jié)3x164x8位16ATEML89C系列(常用型)1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（20條引腳DIP封裝）1282151589C51(4K)/89C52(8K)（40條引腳DIP封裝）128/2562/33215/6（2）數(shù)據(jù)存儲器

一般將隨機存儲器（RAM）用做數(shù)據(jù)存儲器?？蓪ぶ房臻g為64KB。MCS-51數(shù)據(jù)存儲器可分為片內(nèi)和片外兩部分。片外RAM：

最大范圍：0000H～FFFFH，64KB；用指令MOVX訪問。片內(nèi)RAM：

最大范圍：00H～FFH，256B；用指令MOV訪問。又分為兩部分：低128B（00～7FH）為真正的RAM區(qū)，高128B（80～FFH）為特殊功能寄存器（SFR）區(qū)。如右圖所示。

內(nèi)部RAM的20H～2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對它們的位進行尋址。位地址為00H～7FH。CPU能直接尋址這些位（稱MCS-51具有布爾處理功能），位地址分配如右表所示。3．特殊功能寄存器

（SFR）

MCS-51有21個特殊功能寄存器（也稱為專用寄存器），包括算術(shù)運算寄存器、指針寄存器、I/O口鎖存器、定時器/計數(shù)器、串行口、中斷、狀態(tài)、控制寄存器等，它們被離散地分布在內(nèi)部RAM的80H～FFH地址單元中（不包括PC），共占據(jù)了128個存儲單元，構(gòu)成了SFR存儲塊。其字節(jié)地址可被8整除的SFR可位尋址。SFR反映了MCS-51單片機的運行狀態(tài)。特殊功能寄存器分布如右表所示。表2-5工作寄存器組選擇控制表（4）工作寄存器

內(nèi)部RAM的工作寄存器區(qū)00H～1FH共32個字節(jié)被均勻地分成四個組（區(qū)），每個組（區(qū)）有8個寄存器，分別用R0～R7表示，稱為工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1還經(jīng)常用于間接尋址的地址指針。在程序中通過程序狀態(tài)字寄存器（PSW）第3、4位設(shè)置工作寄存器區(qū)。（5）程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）

程序狀態(tài)字PSW是8位寄存器，用于存放程序運行的狀態(tài)信息，PSW中各位狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行的過程中自動形成的，但也可以由用戶根據(jù)需要采用傳送指令加以改變。其定義格式如下頁表所示。其中：Cy：進借位標(biāo)志；AC：輔助進借位標(biāo)志；

F0：用戶標(biāo)志；

RS1、RS0：工作寄存器組（區(qū)）選擇（如下表所示）；

OV：溢出標(biāo)志位，有溢出時置1；

P：奇偶標(biāo)志位。A中有奇數(shù)個1時置1。（6）數(shù)據(jù)指針DPTR（DataPointer）

數(shù)據(jù)指針DPTR是16位的專用寄存器，即可作為16位寄存器使用，也可作為兩個獨立的8位寄存器DPH（高8位）、DPL（低8位）使用。DPTR主要用作16位間址寄存器，訪問程序存儲器和片外數(shù)據(jù)寄存器。（7）堆棧指針SP（StackPointer）

堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是內(nèi)部RAM的一段區(qū)域。堆棧存取數(shù)據(jù)的原則是“后進先出”。堆棧指針SP是一個8位寄存器，用于指示堆棧的棧頂，它決定了堆棧在內(nèi)部RAM中的物理位置。MCS-51單片機的堆棧地址向大的方向變化（與微機堆棧地址向小的方向變化相反）。系統(tǒng)復(fù)位后，SP初值為07H，實際應(yīng)用中通常根據(jù)需要在主程序開始處對堆棧指針SP進行初始化，一般設(shè)置SP為60H。設(shè)立堆棧的目的是用于數(shù)據(jù)的暫存，中斷、子程序調(diào)用時斷點和現(xiàn)場的保護與恢復(fù)。

I/O接口是MCS-51單片機對外部實現(xiàn)控制和信息交換的必經(jīng)之路，用于信息傳送過程中的速度匹配和增加它的負(fù)載能力。8051內(nèi)部有4個8位并行接口P0,P1,P2,P3，有1個全雙工的可編程串行I/O接口。

5．定時器/計數(shù)器

8051內(nèi)部有兩個16位可編程序的定時器/計數(shù)器，均為二進制加1計數(shù)器，分別命名為T0和T1。T0和T1均有定時器和計數(shù)器兩種工作模式。在定時器模式下，T0和T1的計數(shù)脈沖可以由單片機時鐘脈沖經(jīng)12分頻后提供。在計數(shù)器模式下，T0和T1的計數(shù)脈沖可以從P3.4和P3.5引腳上輸入。對T0和T1的控制由定時器方式選擇寄存器TMOD和定時器控制寄存器TCON完成。

4．I/O接口6．中斷系統(tǒng)

中斷：指CPU暫停原程序執(zhí)行，轉(zhuǎn)而為外部設(shè)備服務(wù)（執(zhí)行中斷服務(wù)程序），并在服務(wù)完后返回到原程序執(zhí)行的過程。中斷系統(tǒng)：指能夠處理上述中斷過程所需要的硬件電路。

中斷源：指能產(chǎn)生中斷請求信號的源泉。8051可處理5個中斷源（2個外部，3個內(nèi)部）發(fā)出的中斷請求，并可對其進行優(yōu)先權(quán)處理。外部中斷的請求信號可以從P3.2,P3.3（即和）引腳上輸入，有電平或邊沿兩種觸發(fā)方式；內(nèi)部中斷源有3個，2個定時器/計數(shù)器中斷源和1個串行口中斷源。8051的中斷系統(tǒng)主要由中斷允許控制器IE和中斷優(yōu)先級控制器IP等電路組成。1.2.2MCS-51單片機外部引腳

1．電源線

GND：接地引腳。

VCC：正電源引腳。接＋5V電源。

MCS-51系列單片機中，各類單片機都是相互兼容的，只是引腳功能略有差異。8051單片機有40個引腳，分為端口線、電源線和控制線三類。2．端口線

P0～P3口：4×8=32條。（1）P0口（P0.0～P0.7）8位雙向三態(tài)I/O口，可作為外部擴展時的數(shù)據(jù)總線/低8位地址總線的分時復(fù)用口。又可作為通用I/O口，每個引腳可驅(qū)動8個TTL負(fù)載。對EPROM型芯片（如8751）進行編程和校驗時，P0口用于輸入/輸出數(shù)據(jù)。3．控制線

（1）RST/VPD

RST/VPD引腳是復(fù)位信號/備用電源線引腳。當(dāng)8051通電時，在RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。（2）ALE/

地址鎖存允許/編程引腳。當(dāng)訪問外部程序存儲器時，ALE的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，以便P0口實現(xiàn)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。當(dāng)不訪問外部程序存儲器時，ALE端將輸出一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號。ALE/是復(fù)用引腳，其第二功能是對EPROM型芯片（如8751）進行編程和校驗時，此引腳傳送52ms寬的負(fù)脈沖選通信號，程序計數(shù)器PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令碼放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。

（3）/VPP

允許訪問片外程序存儲器/編程電源引腳。對于片內(nèi)無程序存儲器的MCS-51單片機（如8031），必須接地。片內(nèi)有程序存儲器的MCS-51單片機（如8051），必須接高電平。

/VPP是復(fù)用引腳，其第二功能是片內(nèi)EPROM編程/校驗時的電源線，在編程時，VPP腳需加上21V的編程電壓。

（4）XTAL1和XTAL2

XTAL1腳為片內(nèi)振蕩電路的輸入端，XTAL2腳為片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在XTAL1和XTAL2腳外接石英晶體（頻率為1.2～12MHz）和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10～30pF，典型值為30pF；另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入，如下圖所示。

（5）

片外ROM選通線。在執(zhí)行訪問片外ROM的指令MOVC時，8051自動在引腳產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，用于對片外ROM的選通。其他情況下，該引腳均為高電平封鎖狀態(tài)。

復(fù)位電路有兩種：上電自動復(fù)位和上電/按鍵手動復(fù)位，如下圖所示。

復(fù)位后，8051的各特殊功能寄存器的初始狀態(tài)如下表所示。（1）電源控制寄存器PCON

PCON各位的定義如下表所示。IDL：空閑方式控制位，該位為1時，單片機進入空閑待機工作方式。PD：掉電方式控制位，為1時，單片機進入掉電工作方式。

上面的IDL、PD同時為1，則進入掉電工作方式，同時為0，則工作在正常運行狀態(tài)。GF0,GF1：通用標(biāo)志位，描述中斷是來自正常運行還是來自空閑方式，用戶可通過指令設(shè)定它們的狀態(tài)。SMOD：為串行口波特率倍率控制位，用于串行通信。

（2）空閑工作方式

將IDL位置為1（用指令MOVPCON,#01H），則進入空閑工作方式，其內(nèi)部控制電路如右圖所示。此時，CPU進入空閑待機狀態(tài)，中斷系統(tǒng)、串行口、定時器/計數(shù)器，仍有時鐘信號，仍繼續(xù)工作。退出空閑狀態(tài)有兩種方法：一是中斷退出，二是硬件復(fù)位退出。（3）掉電工作方式

將PD置為1（用指令MOVPCON,#02H），可使單片機進入掉電工作方式。此時振蕩器停振，只有片內(nèi)的RAM和SFR中的數(shù)據(jù)保持不變，而包括中斷系統(tǒng)在內(nèi)的全部電路都將處于停止工作狀態(tài)。退出掉電工作方式，只能采用硬件復(fù)位的方法。欲使8051從掉電方式退出后繼續(xù)執(zhí)行掉電前的程序，則必須在掉電前預(yù)先把SFR中的內(nèi)容保存到片內(nèi)RAM中，并在掉電方式退出后恢復(fù)SFR掉電前的內(nèi)容。1.3.4編程和校驗方式

編程和校驗方式用于內(nèi)部含有EPROM的單片機芯片（如8751），一般的單片機開發(fā)系統(tǒng)都提供實現(xiàn)這種方式的設(shè)備和功能。編程的主要操作是將原始程序、數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部EPROM中。

校驗的主要操作是在向片內(nèi)程序存儲器EPROM寫入信息時或?qū)懭胄畔⒑螅蓪⑵瑑?nèi)EPROM的內(nèi)容讀出進行校驗，以保證寫入信息的正確性。

1.4單片機的時序

時序：CPU在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序稱為時序。時序是用定時單位來描述的，MCS-51的時序單位有四個，分別是時鐘周期（節(jié)拍）、狀態(tài)、機器周期和指令周期。

1.4.1MCS-51的時序單位

1.時鐘周期：又稱為振蕩周期、節(jié)拍（用P表示），定義為單片機提供時鐘信號的振蕩源（OSC）的周期。它是時序中的最小單位。2.狀態(tài)（用S表示）：單片機振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后即得到整個單片機工作系統(tǒng)的狀態(tài)。一個狀態(tài)有兩個節(jié)拍，前半周期對應(yīng)的節(jié)拍定義為P1，后半周期對應(yīng)的節(jié)拍定義為P2。3.機器周期：通常將完成一個基本操作所需的時間稱為機器周期。MCS-51中規(guī)定一個機器周期包含12個時鐘周期，即有6個狀態(tài)，分別表示為S1～S6。

若晶振為6MHz，則機器周期為2μs，若晶振為12MHz，則機器周期為1μs。4.指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期。它是時序中的最大單位。一個指令周期通常含有1～4個機器周期。指令所包含的機器周期數(shù)決定了指令的運算速度，機器周期數(shù)越少的指令，其執(zhí)行速度越快。

以機器周期為單位，指令可分為單周期、雙周期和四周期指令。1.4.2MCS-51指令的取指/執(zhí)行時序

指令的集合稱為程序，執(zhí)行程序的過程就是執(zhí)行指令的過程。單片機執(zhí)行任何一條指令時都可以分為取指階段和執(zhí)行階段。在取指階段，CPU從程序存儲器中取出指令操作碼，送指令寄存器，再經(jīng)指令譯碼器譯碼，產(chǎn)生一系列控制信號，完成本指令規(guī)定的操作。單周期和雙周期指令的取指時序圖如下頁圖所示。ALE信號是用于鎖存低8位地址的選通信號，每出現(xiàn)一次該信號，單片機即進行一次讀指令操作。當(dāng)指令為多字節(jié)或多周期指令時，只有第一個ALE信號進行讀指令操作，其余的ALE信號為無效操作（或讀操作數(shù)操作）。1.4.3訪問片外ROM/RAM指令的時序1．外部程序存儲器讀時序

從外部程序存儲器讀取指令，必須有兩個信號進行控制：ALE信號和信號（外部ROM讀選通脈沖）。

2．外部數(shù)據(jù)存儲器讀時序

第一個機器周期是取指周期，是從ROM中讀取指令數(shù)據(jù)，第二個機器周期才開始讀取外部數(shù)據(jù)存儲器RAM中的內(nèi)容。有三個信號進行控制：ALE信號、信號（外部ROM讀選通脈沖）和信號（外部RAM讀選通脈沖）。

1.5C8051F系列片上系統(tǒng)（SOC）簡介

Cygnal的C8051F帶有SOC色彩，集成了嵌入式系統(tǒng)的許多先進技術(shù)。1.5.1概述

Cygnal公司生產(chǎn)的C8051Fxxx系列單片機，與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容。是MCS-51單片機的典型代表，也是目前功能最全、速度最快的8051衍生單片機。C8051F已成為一個完善的、系統(tǒng)級的芯片。到目前為止，Cygnal共提供有41個型號工業(yè)級的C8051F片上系統(tǒng)單片機，其典型芯片性能概覽見教材P32表1.5.1所示。1.5.2基本結(jié)構(gòu)與特點

Cygnal公司的C8051F單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見教材P33圖1.5.1所示。

Cygnal公司的C8051F單片機具有以下特點：

1．高速CIP-51內(nèi)核

以CIP-51（Cygnal公司的專利產(chǎn)品）為內(nèi)核而集成的混合信號片上系統(tǒng)SOC（SystemOnChip）2.豐富的模擬和數(shù)字資源

8路高性能的12位ADC（速度為100kHz）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，2路12位高精度DAC，2路模擬比較器和ADC可編程窗口檢測器；電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器