《單片機(jī)原理與應(yīng)用河南省規(guī)》（鄭二杰） 模塊三 認(rèn)識單片機(jī)的內(nèi)部組成

單片機(jī)原理與應(yīng)用指導(dǎo)老師：xxx01020304認(rèn)識單片機(jī)認(rèn)識數(shù)制和編碼認(rèn)識單片機(jī)的內(nèi)部組成認(rèn)識單片機(jī)的存儲器目錄contents05認(rèn)識時鐘電路和復(fù)位電路06認(rèn)識指令格式和尋址方式07認(rèn)識51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)08091011認(rèn)識三種程序結(jié)構(gòu)認(rèn)識中斷系統(tǒng)認(rèn)識定時/計(jì)數(shù)器認(rèn)識LED數(shù)碼管顯示器目錄contents12認(rèn)識LCD液晶顯示器13認(rèn)識鍵盤接口技術(shù)14認(rèn)識單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)03認(rèn)識單片機(jī)的內(nèi)部組成簽到掃碼下載文旌課堂APP掃碼簽到（202X.X.XXX:XX至202X.X.XXX:XX）簽到方式教師通過“文旌課堂APP”生成簽到二維碼，并設(shè)置簽到時間，學(xué)生通過“文旌課堂APP”掃描“簽到二維碼”進(jìn)行簽到。。模塊導(dǎo)讀自20世紀(jì)70年代，單片機(jī)誕生以來，其發(fā)展速度非常迅猛，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，因此，對單片機(jī)相關(guān)知識的學(xué)習(xí)是非常重要的。本模塊主要介紹單片機(jī)的內(nèi)部組成，通過本模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生將對單片機(jī)有更深入的了解，有助于后續(xù)知識的學(xué)習(xí)。模塊導(dǎo)讀知識目標(biāo)掌握MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳定義及功能。掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程。掌握MCS-51系列單片機(jī)的常用軟件。能力目標(biāo)能夠使用Keil軟件、Proteus軟件進(jìn)行編譯、仿真、調(diào)試。能夠設(shè)計(jì)簡單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。素質(zhì)目標(biāo)加強(qiáng)實(shí)踐練習(xí)，掌握一定的專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)。具備精益求精、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、追求卓越的工匠精神。養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)的意識。模塊實(shí)訓(xùn)——設(shè)計(jì)LED流水燈一、實(shí)訓(xùn)描述夜晚時，在城市的大街小巷，隨處可以看到各式各樣的廣告藝術(shù)燈、霓虹燈和流水燈等，它們變幻著絢爛的色彩和動感的圖案，這些大多是由單片機(jī)控制LED燈來實(shí)現(xiàn)的。請?jiān)O(shè)計(jì)制作8個LED燈的閃爍控制系統(tǒng)。要求每次只亮1個燈，其他燈全滅，從第1個燈開始亮，然后第2個燈亮，依此類推，第8個燈亮過之后，再轉(zhuǎn)到第1個燈，循環(huán)閃爍呈現(xiàn)出流水燈的效果。每個燈亮的時間間隔為1s。二、實(shí)訓(xùn)步驟（詳情參照教材）三、實(shí)訓(xùn)思考（詳情參照教材）點(diǎn)擊此處播放微課實(shí)訓(xùn)解說模塊導(dǎo)航01單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)02單片機(jī)的引腳定義及功能03單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程04MCS-51系列單片機(jī)常用軟件Part01單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3-22單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中央處理器（CPU）：CPU是單片機(jī)的核心部件，包含運(yùn)算器、控制器及寄存器等。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器：簡稱片內(nèi)RAM。51系列單片機(jī)共有256個RAM單元，其中后128個單元被專用寄存器占用，供用戶使用的只有前128個單元。因此，通常所說的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器指的是前128個單元。片內(nèi)程序存儲器：簡稱片內(nèi)ROM。51系列單片機(jī)有4KB的ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格。單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)定時/計(jì)數(shù)器：51系列單片機(jī)共有2個16位的定時/計(jì)數(shù)器，它們主要用來完成定時或計(jì)數(shù)功能。用作定時器時，單片機(jī)通過計(jì)數(shù)內(nèi)部分頻時鐘實(shí)現(xiàn)定時功能；用作計(jì)數(shù)器時，系統(tǒng)對P3.4（T0）或P3.5（T1）端口的低電平脈沖計(jì)數(shù)。并行I/O端口：51系列單片機(jī)共有4個8位的并行I/O端口（P0、P1、P2、P3），這些端口用于完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)串行接口：51系列單片機(jī)有一個可編程的全雙工通信串行接口，可用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行接口既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，又可作為同步移位寄存器使用。它通過RXD（P3.0）引腳接收數(shù)據(jù)，TXD（P3.1）引腳發(fā)送數(shù)據(jù)。中斷系統(tǒng)：51系列單片機(jī)的中斷功能較強(qiáng)，可以滿足不同的應(yīng)用需求。中斷優(yōu)先級有高級和低級之分，系統(tǒng)根據(jù)中斷優(yōu)先級來響應(yīng)不同的中斷請求。時鐘電路：51系列單片機(jī)內(nèi)部有時鐘電路，可為單片機(jī)提供時鐘信號。Part02單片機(jī)的引腳定義及功能單片機(jī)的引腳定義及功能單片機(jī)有DIP封裝、PLCC封裝、TQFP封裝等多種封裝形式，其中比較常見的是DIP封裝，如圖3-23所示。下面以DIP封裝的51系列單片機(jī)為例介紹單片機(jī)的引腳定義及功能。圖3-23DIP封裝的單片機(jī)DIP封裝：雙列直插式封裝。絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路都采用這種封裝形式。采用該封裝形式的單片機(jī)通常有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上。PLCC封裝：表面貼裝型封裝的一種。其引腳從4個側(cè)面引出，外形一般呈正方形，尺寸比DIP封裝小，可靠性高。TQFP封裝：塑封四角扁平封裝。采用該封裝形式的單片機(jī)，引腳之間距離很小，引腳很細(xì)，其引腳數(shù)一般在100個以上，因此這種封裝形式一般用在大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路中。采用該封裝形式的單片機(jī)需要與主板焊接起來。知識連接單片機(jī)的引腳定義及功能如圖3-24所示，51系列單片機(jī)共有40個引腳，引腳的排列順序是從芯片缺口左側(cè)的引腳逆時針數(shù)起，依次為1、2、3、4、…

、40。40個引腳包括2個電源引腳、2個時鐘引腳、4個控制引腳，以及32個8位可編程I/O引腳。圖3-2451系列單片機(jī)引腳排列51系列單片機(jī)是對兼容Intel8051指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱，主要品牌及其產(chǎn)品如下。Intel：80C31、80C32、80C51、80C52、87C51、87C52等。Atmel：89C51、89C52、89C2051、89S51、89S52等。STC：STC89C51、STC90C51、STC11系列、STC15系列等。知識連接2.1電源引腳電源引腳共2個，分別接入電源和地線。VCC電源輸入，接+5V電源。VSS接地線。2.2時鐘引腳時鐘引腳主要用于接入外部時鐘電路，為單片機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供基本的時鐘信號。XTAL1片內(nèi)振蕩電路的輸入端。當(dāng)接外部振蕩器時，此端要接地。XTAL2片內(nèi)振蕩電路的輸出端。當(dāng)接外部振蕩器時，此端用于接外部振蕩信號。2.3控制引腳控制引腳用于提供控制信號，有的引腳還具有復(fù)用功能。RST/VPD復(fù)位/備用電源端。該引腳上連續(xù)出現(xiàn)2個機(jī)器周期的高電平時將復(fù)位單片機(jī)。當(dāng)VCC掉電時，該引腳可接上備用電源，由VPD向片內(nèi)RAM供電，以保持片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。ALE/

地址鎖存允許端。在系統(tǒng)擴(kuò)展時，ALE用于把P0端口輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存，以實(shí)現(xiàn)低8位地址和數(shù)據(jù)的分時傳送。由于ALE引腳周期性地以1/6振蕩器頻率向外輸出正脈沖，因此可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。對片內(nèi)ROM編程時，此引腳可作為編程脈沖輸入端。2.3控制引腳片外程序存儲器讀選通信號輸出端。當(dāng)

有效（低電平）時，可實(shí)現(xiàn)對片外ROM單元的讀操作。/VPP片內(nèi)振蕩電路的輸出端。當(dāng)接外部振蕩器時，此端用于接外部振蕩信號。2.4I/O引腳I/O引腳用于連接外部部件，共有4組，每組8個引腳。P0.0～P0.7P0端口P1.0～P1.7P1端口P2.0～P2.7P2端口P3.0～P3.7P3端口2.4I/O引腳2.4.1P0端口圖3-25P0端口位結(jié)構(gòu)其電路由一個鎖存器（D型觸發(fā)器），兩個三態(tài)門緩沖器（U1和U2），與門、非門和多路開關(guān)MUX組成的輸出控制電路，一對場效應(yīng)管（T1和T2）等組成。2.4I/O引腳2.4.1P0端口P0端口具有兩種功能當(dāng)多路開關(guān)和鎖存器接通時，P0端口可以作為通用I/O端口當(dāng)多路開關(guān)和非門接通時，P0端口可以作為地址/數(shù)據(jù)總線2.4I/O引腳2.4.1P0端口1）P0端口作為通用I/O端口P0端口作為通用I/O端口時，多路開關(guān)的控制信號為0（低電平），T1管截止，多路開關(guān)與鎖存器的端相接。2.4I/O引腳2.4.1P0端口讀引腳：讀引腳中的數(shù)據(jù)時，讀引腳三態(tài)門緩沖器U2打開（即三態(tài)門緩沖器的控制端有效），P0.X上的數(shù)據(jù)經(jīng)三態(tài)門緩沖器U2進(jìn)入內(nèi)部總線（注：此時數(shù)據(jù)并不經(jīng)過鎖存器）。讀鎖存器：讀鎖存器中的數(shù)據(jù)時，讀鎖存器三態(tài)門緩沖器U1打開（即三態(tài)門緩沖器的控制端有效），鎖存器輸出端Q的數(shù)據(jù)經(jīng)三態(tài)門緩沖器U1進(jìn)入內(nèi)部總線。（1）數(shù)據(jù)輸入兩種方式2.4I/O引腳2.4.1P0端口51系列單片機(jī)在對端口P0～P3的輸入操作上，有如下約定：凡屬于“讀-修改-寫”方式的指令，均從鎖存器讀入信號；其他指令則從端口引腳線上讀入信號。提示2.4I/O引腳2.4.1P0端口P0端口作為通用I/O端口時，其數(shù)據(jù)輸出工作過程如下：寫鎖存器信號CP有效，內(nèi)部總線的信號→鎖存器的輸入端D→鎖存器的反向輸出端→多路開關(guān)MUX→T2管（數(shù)據(jù)反相）→P0.X。（2）數(shù)據(jù)輸出當(dāng)P0端口作為數(shù)據(jù)輸出端口使用時，P0是漏極開路輸出，當(dāng)驅(qū)動上接電流負(fù)載時，需要外接上拉電阻。提示2.4I/O引腳2.4.1P0端口2）P0端口作為地址/數(shù)據(jù)總線P0端口作為地址/數(shù)據(jù)總線時，多路開關(guān)的控制信號為1（高電平），與門輸出信號由地址/數(shù)據(jù)線信號決定，多路開關(guān)與反相器的輸出端相連，地址信號經(jīng)非門（數(shù)據(jù)反相）、T2管（數(shù)據(jù)反相）輸出至P0.X。工作過程：P0端口輸出低8位地址信息后，將變?yōu)閿?shù)據(jù)總線，此時控制信號為0，T1管截止，多路開關(guān)轉(zhuǎn)向鎖存器反相輸出端；CPU自動將0FFH（即向D鎖存器寫入一個高電平）寫入P0端口鎖存器，使T2管截止；在讀引腳信號控制下，P0.X上的數(shù)據(jù)通過讀引腳三態(tài)門緩沖器U2送到內(nèi)部總線。2.4I/O引腳2.4.2P1端口P1端口的結(jié)構(gòu)簡單，位結(jié)構(gòu)如圖所示。其與P0端口的主要區(qū)別在于，P1端口沒有非門和多路開關(guān)MUX，并用內(nèi)部上拉電阻代替了P0端口的場效應(yīng)管T1。2.4I/O引腳2.4.2P1端口P1端口僅可作為通用I/O端口，輸出數(shù)據(jù)時，內(nèi)部總線輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存器和場效應(yīng)管后，鎖存在端口線上，所以P1端口是具有輸出鎖存的靜態(tài)口；輸入有讀引腳和讀鎖存器之分，工作過程參照P0端口，這里不再贅述。2.4I/O引腳2.4.3P2端口P2端口位結(jié)構(gòu)如圖所示。由于既有上拉電阻，又有多路開關(guān)MUX，因此P2端口在功能上兼有P0端口和P1端口的特點(diǎn)。2.4I/O引腳2.4.3P2端口P2端口作為通用I/O端口P2端口作為地址總線P2端口作為通用I/O端口時，多路開關(guān)的控制信號為0（低電平），多路開關(guān)與鎖存器的Q端相接，數(shù)據(jù)輸入、輸出工作過程與P0端口作為通用I/O端口時相似。P2端口可以作為地址總線的高8位（AD8～AD15），與P0端口的低8位一起構(gòu)成16位地址總線。P2端口作為地址總線時，多路開關(guān)的控制信號為1（高電平），多路開關(guān)與地址線接通，地址信號經(jīng)非門（數(shù)據(jù)反相）、場效應(yīng)管（數(shù)據(jù)反相）輸出至P2.X。P2端口具有兩種功能2.4I/O引腳2.4.4P3端口P3端口位結(jié)構(gòu)如圖所示。P3端口除了具有通用I/O端口的功能外，還具有第二功能，如外部中斷、計(jì)數(shù)等。2.4I/O引腳2.4.4P3端口1）P3端口作為通用I/O端口當(dāng)P3端口作為通用I/O端口時，第二功能輸出信號為1（高電平），此時，內(nèi)部總線信號經(jīng)鎖存器和場效應(yīng)管輸入/輸出，工作過程與P1端口相同。2.4I/O引腳2.4.4P3端口2）P3端口第二功能端口線第二功能名稱功能描述P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2外部中斷0輸入P3.3外部中斷1輸入P3.4T0定時/計(jì)數(shù)器0外部輸入P3.5T1定時/計(jì)數(shù)器1外部輸入P3.6片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號P3.7片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號表3-1P3端口第二功能表2.4I/O引腳2.4.4P3端口當(dāng)P3端口的某一位作為第二功能輸入時，在輸入通路上增設(shè)了一個緩沖器U3，輸入的第二功能信號可從緩沖器U3的輸出端取得。（1）數(shù)據(jù)輸入當(dāng)P3端口的某一位輸出第二功能信號時，該位鎖存器置“1”，使與非門對第二功能信號的輸出是暢通的，從而實(shí)現(xiàn)第二功能信號的輸出。（2）數(shù)據(jù)輸出在應(yīng)用中，如不設(shè)定P3端口各位的第二功能，則P3端口的幾條端口線自動處于第一功能狀態(tài)，也就是靜態(tài)I/O端口的工作狀態(tài)。通常根據(jù)應(yīng)用的需要，把幾條端口線設(shè)置為第二功能，而另外幾條端口線仍處于第一功能工作狀態(tài)。提示Part03單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程學(xué)習(xí)單片機(jī)的目的就是為了進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，下面將簡要介紹一下單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程，如圖所示。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程1.明確任務(wù)。分析和了解系統(tǒng)的總體要求，并綜合考慮系統(tǒng)使用環(huán)境、可靠性要求、可維護(hù)性及產(chǎn)品的成本等因素，制定出可行的性能指標(biāo)。2．劃分硬、軟件功能。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，有些功能既可由硬件來實(shí)現(xiàn)，也可由軟件來實(shí)現(xiàn)。使用硬件實(shí)現(xiàn)可以提高系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性；使用軟件實(shí)現(xiàn)，可以降低系統(tǒng)成本，簡化硬件結(jié)構(gòu)。因此在總體考慮時，必須綜合分析以上因素，合理地制定硬件和軟件任務(wù)的比例。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程3．確定希望使用的單片機(jī)及其他關(guān)鍵元器件根據(jù)硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，選擇單片機(jī)及其他關(guān)鍵元器件，如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、傳感器、放大器等，這些元器件需要滿足系統(tǒng)精度、速度及可靠性等方面的要求。4．硬件設(shè)計(jì)根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，以及選定的單片機(jī)及關(guān)鍵元器件，利用軟件設(shè)計(jì)出單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的電路原理圖。5．軟件設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定軟件系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)并劃分功能模塊，然后進(jìn)行各模塊的程序設(shè)計(jì)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程6．仿真調(diào)試硬件和軟件設(shè)計(jì)結(jié)束后，需要進(jìn)行兩者的仿真調(diào)試。為避免浪費(fèi)資源，在生成實(shí)際電路板之前，可以利用Keil和Proteus軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，出現(xiàn)問題可以及時修改。7．系統(tǒng)調(diào)試完成系統(tǒng)仿真后，根據(jù)電路原理圖繪制PCB（printedcircuitboard）印刷電路板圖，然后將PCB圖交給相關(guān)廠商生產(chǎn)電路板。拿到電路板后，為便于更換元器件和修改電路，可首先在電路板上焊接所需芯片插座，并利用編程器將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。接下來將單片機(jī)及其他芯片插到相應(yīng)的芯片插座中，接通電源及其他輸入、輸出設(shè)備，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，直至調(diào)試成功。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程8．測試修改、用戶試用經(jīng)測試檢驗(yàn)符合要求后，將系統(tǒng)交給用戶試用，對于出現(xiàn)的實(shí)際問題進(jìn)行修改完善，系統(tǒng)開發(fā)完成。單片機(jī)數(shù)碼管指示燈為了方便起見，單片機(jī)教學(xué)過程中進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)大多在仿真板上進(jìn)行。如圖所示，這塊仿真板可以進(jìn)行流水燈、數(shù)碼管顯示等實(shí)驗(yàn)。Part04MCS-51系列單片機(jī)常用軟件MCS-51系列單片機(jī)常用軟件MCS-51系列單片機(jī)的常用軟件有Keil、Proteus、STC-ISP下載軟件等。進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)時，一般先在Keil軟件中使用匯編語言或C語言編寫程序，程序編譯通過后，生成目標(biāo)文件（hex文件）；然后通過仿真軟件Proteus進(jìn)行仿真、