第1章 單片機(jī)的基本原理

單片機(jī)原理及應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李長青2教學(xué)目的了解計(jì)算機(jī)的兩大分類了解單片機(jī)的發(fā)展及分類了解MCS-51系列單片機(jī)的常用機(jī)型了解單片機(jī)的不同封裝理解AT89C52單片機(jī)的原理結(jié)構(gòu)理解特殊功能寄存器的含義和作用主要教學(xué)參考書：李泉溪等編著的單片機(jī)原理及應(yīng)用，謝維成等編著的單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)本次教學(xué)課堂32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)第1章單片機(jī)的基本原理3本章內(nèi)容單片機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用單片機(jī)的分類AT89系列單片機(jī)的基本特性AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89C52單片機(jī)的時(shí)鐘與復(fù)位電路AT89C52單片機(jī)的低功耗工作方式4

引言單片機(jī)全稱為單片微型計(jì)算機(jī)（Single-ChipMicrocomputer），在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(C/T)和多種I/O。從某種意義上講一塊芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。俗話說：麻雀雖小，五臟俱全。單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品智能化和工業(yè)自動(dòng)化上。5單片機(jī)存在于：計(jì)算機(jī)鍵盤（8049）、硬盤控制器、網(wǎng)卡（i960）飯卡讀卡器VCD機(jī)、洗衣機(jī)、電飯煲、微波爐——家用電器商務(wù)通、好譯通、文曲星、PDA手機(jī)——手持設(shè)備存儲(chǔ)示波器、溫控儀、電子秤——智能儀器儀表心電監(jiān)護(hù)儀（Holter）等醫(yī)療儀器智能玩具、游戲機(jī)、電子寵物高級(jí)汽車、飛機(jī)、火車及黑匣子智能大廈——電表水表煤氣POS、ATM、出租車計(jì)價(jià)器6三金工程：金卡（IC卡）、金稅（稅務(wù)）、金橋（即指網(wǎng)絡(luò)）。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用：1、非嵌入式應(yīng)用：通用微機(jī)；2、嵌入式應(yīng)用：微控制器（即單片機(jī)）、微處理器、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）信息家電(IA，InformationAppliance)：機(jī)頂盒嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）：一種以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

最活躍方向：嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)7單片機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)：1、小巧、靈活、成本低、易于產(chǎn)品化2、面向控制3、抗干擾能力強(qiáng)4、方便實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制8單片機(jī)現(xiàn)狀：微機(jī)產(chǎn)量80%1、4位機(jī)NEC公司μPD75XX系列和NS公司COP400INTEL40402、8位機(jī)INTELMCS-51系列（PHILIPS,ATMEL,WINBOND）MOTOROLA68HCHMICROCHIPPIC16XXZILOGZ8NEC公司μPD78XX93、16位機(jī)INTELMCS-96系列NSHPC16040NEC783XXPHILIPSXA系列4、32位機(jī)INTEL386EX，StrongARM，xScaleMOTOROLA68KMX110單片機(jī)的編程規(guī)范化網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS（Real-TimeOperatingSystem）：VxWorks，PSOS，QNX，WindowsCE現(xiàn)場總線技術(shù)FieldBus：LonWorksLocalNetworkCANBusControlAreaNetwork11單片機(jī)的概念在一塊硅片上集成了中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口電路的微型計(jì)算機(jī)即為單片機(jī)（microcontroller）

因?yàn)樗菫榱藢?shí)時(shí)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造，所以又稱為微控制器。一般統(tǒng)稱為微型處理部件MCU（MicroControllerUnit）1213單片機(jī)與微型機(jī)的區(qū)別微型機(jī)由CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口及中斷系統(tǒng)組成，各部分通過總線連接單片機(jī)將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口（并、串）和A/D集成在一塊芯片上，各部分用內(nèi)部總線連接通用計(jì)算機(jī)的缺點(diǎn)（*）：1）系統(tǒng)的軟硬件的應(yīng)用/配置比比較低。2）相對來講可靠性差。3）價(jià)格高。4）體積較大14單片機(jī)的特點(diǎn)1）片內(nèi)存儲(chǔ)容量小2）集成度高3）高可靠性單片機(jī)按工業(yè)級(jí)制造，可靠性>商用品，價(jià)格<軍用品高可靠性原因（*）4）易擴(kuò)展5）控制功能強(qiáng)156）性能價(jià)格比高7）低功耗8）保密性好1.1單片機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用單片機(jī)的發(fā)展歷史單片機(jī)的應(yīng)用17單片機(jī)的發(fā)展歷史單片機(jī)概念由美國仙童（Fairchild）提出。第一階段1974-1976

特點(diǎn)：初級(jí)階段，還需要外接ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O口等，還沒有形成真正意義上的單片機(jī)

第二階段1976-1980特點(diǎn)：初步走向成熟，代表產(chǎn)品為美國Intel公司生產(chǎn)的8048

第三階段1980-1983特點(diǎn)：已成熟，代表產(chǎn)品為美國Intel公司生產(chǎn)的8051第四階段1983-今

特點(diǎn)：百花齊放階段，上千種型號(hào)1.1單片機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

18單片機(jī)的應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域：各種測控系統(tǒng)、數(shù)字采集系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化產(chǎn)品、光機(jī)電一體化產(chǎn)品等等。通信領(lǐng)域：調(diào)制解調(diào)器（MODEM）、程控交換技術(shù)、手機(jī)等等。軍事領(lǐng)域：導(dǎo)彈控制、魚雷制導(dǎo)、各種雷達(dá)系統(tǒng)、智能武器裝備、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)等等。醫(yī)療器械領(lǐng)域：智能血壓計(jì)、B超儀、彩超儀、普通CT儀、核磁共振儀、心電圖儀、腦電圖儀等等。家用電器領(lǐng)域：冰箱、彩電、洗衣機(jī)、縫紉機(jī)、微波爐、空調(diào)機(jī)、摩托車、小汽車等等。1.1單片機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

1.2單片機(jī)的分類通用/專用運(yùn)行位使用域20通用/專用、運(yùn)行位通用/專用通用單片機(jī)專用單片機(jī)運(yùn)行位8位單片機(jī)16位單片機(jī)32位單片機(jī)1.2單片機(jī)的分類21使用域使用域家電類單片機(jī)工控類單片機(jī)通信類單片機(jī)軍工類單片機(jī)1.2單片機(jī)的分類1.3AT89系列單片機(jī)的基本特性標(biāo)準(zhǔn)型AT89系列單片機(jī)的基本特征高檔型AT89系列單片機(jī)的基本特性低檔型AT89系列單片機(jī)的基本特征AT89系列單片機(jī)型號(hào)的編碼說明及封裝形式部分ATMEL單片機(jī)的升級(jí)替代及推薦產(chǎn)品23標(biāo)準(zhǔn)型AT89系列單片機(jī)的基本特征標(biāo)準(zhǔn)型AT89系列單片機(jī)：AT89C51、AT89C52、AT89S51、AT89S52基本特征：1、8051的內(nèi)核2、片內(nèi)有裝程序的閃存，裝數(shù)據(jù)的RAM3、提供豐富的I/O口：32條I/O連接線4、提供定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、外中斷、串行通信等資源5、工作電源的電壓為（5±0.2）V；6、振蕩器最高頻率為24MHz1.3AT89系列單片機(jī)的基本特性24高檔型AT89系列單片機(jī)的基本特性高檔型AT89系列單片機(jī)：AT89C51RC、AT89S8252、AT89S53、AT89C55WD等基本特征：標(biāo)準(zhǔn)型AT89＋資源升級(jí)上述資源升級(jí)有：芯片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器增加到：32KB；芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器增加到：512B；數(shù)據(jù)指針增加到：2個(gè)1.3AT89系列單片機(jī)的基本特性25低檔型AT89系列單片機(jī)的基本特性低檔型AT89系列單片機(jī)：AT89C1051、AT89C2051、AT89C1051U等基本特征：比標(biāo)準(zhǔn)型AT89資源少，比標(biāo)準(zhǔn)型AT89體積小1.3AT89系列單片機(jī)的基本特性26AT89系列單片機(jī)型號(hào)的編碼說明及封裝形式單片機(jī)的常見封裝形式：1、PDIP（PlasticDualInlinePackage）——塑封雙列直插式封裝2、PQFP（PlasticQuadFlatPackage）——塑封方形貼片式封裝1.3AT89系列單片機(jī)的基本特性27AT89系列單片機(jī)型號(hào)的編碼說明及封裝形式單片機(jī)的常見封裝形式：3、TQFP（ThinPlasticGullWingQuadFlatPack）——塑封超薄封裝形式方形貼片式封裝4、PLCC（PlasticJ-LeadedChipCarrie）——塑封方形引腳插入式封裝1.3AT89系列單片機(jī)的基本特性28部分ATMEL單片機(jī)的升級(jí)替代及推薦產(chǎn)品注：①不推薦在新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用，可用替代產(chǎn)品。②新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中建議采用推薦產(chǎn)品。

1.3AT89系列單片機(jī)的基本特性1.4AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89C52單片機(jī)的CPUAT89C52單片機(jī)的存儲(chǔ)器AT89C52單片機(jī)的I/O接口部分和特殊功能部分301.4.1AT89C52單片機(jī)的CPU1.4AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)31單片機(jī)引腳圖32AT89C52單片機(jī)的引腳說明1.輸入/輸出引腳(1)P0口（39~32引腳）P0.0~P0.7總稱為P0口。分時(shí)復(fù)用口，為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。也可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出接口(2)P1口（1~8引腳）P1.0~P1.7總稱為P1口?？勺鳛闇?zhǔn)雙向輸入/輸出接口，對于52子系列，P1.0與P1.1有復(fù)用功能：P1.0可用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端T2，P1.1可用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端T2EX。(3)P2口（21~28引腳）P2.0~P2.7總稱為P2口。為高8位地址總線。也可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出接口使用33AT89C52單片機(jī)的引腳說明(4)P3口（10~17引腳）P3.0~P3.7總稱為P3口?？勺鳛闇?zhǔn)雙向輸入/輸出接口外，每位還有特殊功能(見教材42頁表2.5）2.控制線(1)ALE/PROG(30引腳)：地址鎖存信號(hào)輸出端，在編程期間，作為編程脈沖輸入端(2)/PSEN(29引腳)：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，輸出，低電平有效(3)RST/VPD(9引腳)(4)/EA/VPP(31引腳)3.電源引腳：VCC(31引腳):接+5V電源；VSS(20引腳):接電源地4.外接晶體引腳XTAL1、XTAL2(19、18引腳)34AT89C52單片機(jī)的引腳說明片外總線結(jié)構(gòu)1.地址總線

地址總線寬度16位，P0、P2口構(gòu)成2.數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線寬度8位，P0口構(gòu)成3.控制總線控制總線由第二功能狀態(tài)下的P3口和4條獨(dú)立的控制線RST、EA、ALE、PSEN組成35AT89C52單片機(jī)的CPU由運(yùn)算器和控制器組成1、運(yùn)算器ALU功能：算術(shù)運(yùn)算：加、減、乘、除邏輯運(yùn)算：與、或、異或位操作（布爾）：與、或、取反由加法器和其他邏輯電路組成，兩個(gè)操作數(shù)分別通過暫存器1和暫存器2輸入，運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)送程序狀態(tài)字PSW，該字的內(nèi)容反映了運(yùn)算的情況，通常根據(jù)該字的某位情況，決定程序執(zhí)行的流程轉(zhuǎn)向36CY(PSW.7)：進(jìn)位或借位標(biāo)志，依據(jù)運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)設(shè)置AC(PSW.6)：輔助進(jìn)位或借位標(biāo)志，反映低4位在進(jìn)行加/減運(yùn)算時(shí)有無向高4位進(jìn)位或借位，依據(jù)運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)設(shè)置.F0(PSW.5)：用戶標(biāo)志位，用戶編程設(shè)置。RS1、RS0(PSW.4、PSW.3)：寄存器組選擇位，可編程選擇，選擇范圍有4個(gè)寄存器組，共32位。（R0~R7)OV(PSW.2):溢出標(biāo)志位，依據(jù)有符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)設(shè)置P(PSW.0):偶標(biāo)志位，依據(jù)運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)設(shè)置，運(yùn)算結(jié)果,1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)則P=0，1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)則P=1。（舉例說明）PSW.1：未定義，可供用戶定義使用37例：分析執(zhí)行下面指令后，PSW各位情況MOVA,#67H;67H=01100111BADDA,#58H;58H=01011000B01100111+0101100010111111=0BFH運(yùn)算后PSW：CY=0，AC=0，OV=1，P=1382、控制器控制部件包括：定時(shí)器和控制邏輯、指令寄存器、指令譯碼器、地址數(shù)據(jù)指針DPTR、程序計(jì)數(shù)器PC，堆棧指針SP等單片機(jī)工作過程；以時(shí)鐘振蕩信號(hào)為基準(zhǔn)產(chǎn)生CPU工作的時(shí)序信號(hào)，先從程序存儲(chǔ)器ROM中取指令到指令寄存器，而后在指令譯碼器中進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生執(zhí)行指令所需的各種控制信號(hào)，送到單片機(jī)的各功能部件，協(xié)調(diào)各功能部件之間完成賦予的工作。391）程序計(jì)數(shù)器（PC）16位，存放即將執(zhí)行的指令地址。功能：CPU工作時(shí)可根據(jù)PC內(nèi)容去程序存儲(chǔ)器中到對應(yīng)的地址取指令代碼。可順序遞增或被賦予新的值2）指令寄存器IR：3）指令譯碼器ID：4）數(shù)據(jù)指針DPTR：16位地址寄存器5）定時(shí)與控制部件：產(chǎn)生CPU所需的機(jī)器時(shí)鐘

406）時(shí)序（*）概念：一條指令譯碼產(chǎn)生的一系列微操作信號(hào)在時(shí)間上有嚴(yán)格的先后次序，這種次序就是計(jì)算機(jī)的時(shí)序。a、振蕩周期：1/fOSCb、時(shí)鐘周期：2/fOSCc、機(jī)器周期：12/fOSC=Td、指令周期：1~4T（*）411.4.2AT89C52單片機(jī)的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器特點(diǎn)：程序存儲(chǔ)器分開哈佛型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并普林斯頓型42AT89C52單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)1.4AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器空間結(jié)構(gòu)分布圖431.4.2.1程序存儲(chǔ)器最大64K，放程序和始終要保留的常數(shù)1、程序存儲(chǔ)器分布1）內(nèi)部（芯片本身自帶）：8K2）外部（擴(kuò)展）：64K0000H~1FFFH8K2000H~FFFFH56K3）用PC作為地址指針，通過16位地址總線444）8031芯片本身無內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，8051有4KROM，8751有4KEPROM作為程序存儲(chǔ)器，AT89C52有8KFlash5）內(nèi)外部的低8K空間地址重疊，不能同時(shí)使用/EA=1：內(nèi)部/EA=0：外部使用AT89C52時(shí)，/EA=1，即要接高電平（+5V），當(dāng)PC超過8KB，自動(dòng)轉(zhuǎn)2000H~FFFFH（片外）

8031芯片無內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，其/EA應(yīng)接地（*）45程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器使用時(shí)注意的問題（見教材34頁）1）注意/EA是否接地2）編程時(shí)用戶主程序應(yīng)放在0030H后（之前存放中斷源）例：ORG0000HLJMPminORG0030Hmin：NOPNOPLJMPmin461.4.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器1.4AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.16片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

47數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（可讀寫）放程序運(yùn)行中所需的常數(shù)或變量1、外部64K（movx）：0000H~FFFFH2、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為物理上獨(dú)立且性質(zhì)不同的幾個(gè)區(qū)（256B，mov）48數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)部分2塊：00~7FH：128B，RAM區(qū)80H~FFH：128B，特殊功能寄存器區(qū)（SFR區(qū)）49數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)部RAM（低128B）分為：通用寄存器區(qū)：4組（R0~R7）可位尋址區(qū)：20H~2FH（16個(gè)）用戶RAM50

片內(nèi)RAM區(qū)結(jié)構(gòu)51

1.通用寄存器(R0~R7)區(qū)4個(gè)組0區(qū)00H~07H1區(qū)08H~0FH2區(qū)10H~17H3區(qū)18H~1FH由PSW中的RS1,RS0來決定用哪個(gè)工作區(qū)(00,01,10,11)設(shè)置4個(gè)工作寄存器區(qū)的原因520區(qū)1區(qū)2區(qū)3區(qū)地址R地址R地址R地址R00HR008HR010HR018HR001HR109HR111HR119HR102HR20AHR212HR21AHR203HR30BHR313HR31BHR304HR40CHR414HR41CHR405HR50DHR515HR51DHR506HR60EHR616H