单片机原理及应用

《单片机原理及应用》教学课件

单片机原理及应用

主讲教师：余水宝　　　　 [email protected]


有关本课程学习的几点建议：

本课程是一门实践性、应用性很强的学科仅仅听懂还不够 ,重在培养动手能力

硬件 / 软件同样重要、不可偏废硬件是骨架，软件是灵魂

本课程的前期基础课程是数字电路与微机原理这方面知识掌握得不够好的请自己补上

预习、听课、复习、作业、实验环环都重要用科学的方法学习

《单片机原理及应用》教学课件单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域


　典型单片机有 MCS-51 、 MSP430 、 EM78 、 PIC 、 Moto

rola 、 AVR 等。 MCS-51 为主流产品，性能如表 1.1.1 。 MSP430 为低功耗产品，功能较强，性能如表 1.1.2 。 EM78 为低功耗产品，价格较低，性能如表 1.1.3 。 PIC 为低电压、低功耗、大电流 LCD 驱动、低价格产品，

性能如表 1.1.4 。 Motorola 是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种

全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。性能如表 1.1.5 。

AVR 为高速、低功耗产品，支持 ISP 、 IAP ， I/O 口驱动能力较强。性能如表 1.1.6 。

1.1 典型单片机性能概览


1.2 MCS-51 单片机硬件结构及引脚 MCS-51 系列单片机都是以 Intel 公司最早的典型产品

8051 为核心，增加了一定的功能部件后构成的，因此，本章以 8051 为主介绍 MCS-51 系列单片机。

1.2.1 MCS-51 单片机的内部结构　　 MCS-51 单片机的组成： CPU( 进行运算、控制 )、 RA

M( 数据存储器 )、 ROM( 程序存储器）、 I/O 口 (串口、并口）、内部总线和中断系统等。组成框图如下：


内部结构如下：


组成：运算器、控制器。

8051 的 CPU 包含以下功能部件：（ 1 ） 8 位 CPU 。（ 2 ）布尔代数处理器，具有位寻址能力。（ 3 ） 128B 内部 RAM 数据存储器， 21 个专用寄存器。（ 4 ） 4KB 内部掩膜 ROM 程序存储器。（ 5 ） 2 个 16 位可编程定时器 / 计数器。（ 6 ） 32 个（ 4×8 位）双向可独立寻址的 I/O 口。（ 7 ） 1 个全双工 UART （异步串行通信口）。（ 8 ） 5 个中断源、两级中断优先级的中断控制器。（ 9 ）时钟电路，外接晶振和电容可产生 1.2MHz ～ 12 MHz 的时钟频率。（ 10 ）外部程序 / 数据存储器寻址空间均为 64KB 。（ 11 ） 111 条指令，大部分为单字节指令。（ 12 ）单一 +5V 电源供电，双列直插 40 引脚 DIP 封装。

1. 中央处理器（ CPU ）


（ 1 ）运算器组成： 8 位算术逻辑运算单元 ALU （ Arithmetic Logic Uni

t ）、 8 位累加器 A （ Accumulator ）、 8 位寄存器 B 、程序状态字寄存器 PSW （ Program Status Word ）、 8位暂存寄存器 TMP1 和 TMP2 等。

功能：完成算术运算和逻辑运算。（ 2 ）控制器组成：程序计数器 PC （ Program Counter ）、指令寄存器

IR （ Instruction Register ）、指令译码器 ID （ Instruction Decoder ）、堆栈指针 SP 、数据指针 DPTR 、定时控制逻辑和振荡器 OSC 等电路。

功能： CPU 根据 PC 中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在 IR 中， ID 对 IR 中的指令码进行译码，定时控制逻辑在 OSC 配合下对 ID 译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。


MCS-51 系列单片机配置一览表

系列

片内存储器（字节）

定时器计数器

并行I/O

串行I/O

中断源

片内 ROM片内RAM无有 ROM

有EPROM

Intel51

子系列

803180C31

805180C51

(4K 字节 )

875187C51

(4K 字节 )

128字节

2x16 4x8 位 1 5

Intel52

子系列

803280C32

805280C52

(8K 字节 )

875287C52

(8K 字节 )

256字节

3x164x8

位 1 6ATEML89C 系列( 常用型 )

1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（ 20 条引脚 DIP 封装）

128 2 15 1 5

89C51(4K)/89C52(8K)（ 40 条引脚 DIP 封装）

128/256

2/3 32 1 5/6


2. 存储器　 MCS-51 的存储器可分为程序存储器和数据存储器 ,

又有片内和片外之分。（ 1 ）程序存储器一般将只读存储器（ ROM ）用做程序存储器。可寻址空

间为 64KB ，用于存放用户程序、数据和表格等信息。

MCS-51 单片机按程序存储器可分为内部无 ROM型（如 8031 ）和内部有 ROM 型（如 8051 ）两种，连接时引脚有区别。程序存储器结构如右图所示：

EA


（ 2 ）数据存储器一般将随机存储器（ RAM ）用做数据存储器。可寻址空

间为 64KB 。 MCS-51 数据存储器可分为片内和片外两部分。

片外 RAM ：最大范围： 0000H ～ FFFFH， 64KB ；用指令 MOVX 访问。片内 RAM ：最大范围： 00H ～ FFH ， 256B ；用指令 MOV 访问。又分为两部分：低 128B （ 00 ～ 7FH）为真正的 RAM 区，高 128B（ 80 ～ FFH ）为特殊功能寄存器（ SFR ）区。如右图所示。


内部 RAM 的20H ～ 2FH 单元为位寻址区，既可作为一般单元用字节寻址，也可对它们的位进行寻址。位地址为 00H ～ 7FH 。 CPU 能直接寻址这些位（称MCS-51 具有布尔处理功能），位地址分配如右表所示。


3 ．特殊功能寄存器（ SFR ）

MCS-51 有 21 个特殊功能寄存器（也称为专用寄存器），包括算术运算寄存器、指针寄存器、 I/O 口锁存器、定时器 / 计数器、串行口、中断、状态、控制寄存器等，它们被离散地分布在内部 RAM 的 80H ～ FFH 地址单元中（不包括 PC ），共占据了 128 个存储单元，构成了 SFR 存储块。其字节地址可被 8 整除的 SFR 可位寻址。 SFR反映了 MCS-51 单片机的运行状态。特殊功能寄存器分布如右表所示。


（ 2 ）累加器 A （ Accumulator ）累加器 A 是 8 位寄存器，又记做 ACC ，是一个最常用的专

用寄存器。在算术 / 逻辑运算中用于存放操作数或结果。（ 3 ）寄存器 B 寄存器 B 是 8 位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也作通用寄存器用。

（ 1 ）程序计数器 PC （ Program Counter ）程序计数器 PC 在物理上是独立的，它不属于 SFR 存储器块。 PC 是一个 16 位的计数器，专门用于存放 CPU 将要执行的指令地址（即下一条指令的地址），寻址范围为 64KB ， PC有自动加 1 功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。

（ 4 ）工作寄存器内部 RAM 的工作寄存器区 00H ～ 1FH 共 32 个字节被均匀地分成四个组（区），每个组（区）有 8 个寄存器，分别用 R0

～ R7 表示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中， R0 、 R1

还经常用于间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器（ PSW ）第 3 、 4 位设置工作寄存器区。

（ 5 ）程序状态字 PSW （ Program Status Word ）程序状态字 PSW 是 8 位寄存器，用于存放程序运行的状态信息， PSW 中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其定义格式如下页表所示。


其中： Cy：进借位标志； AC ：辅助进借位标志； F0 ：用户标志； RS1 、 RS0 ：工作寄存器组（区）选择（如下表所示）； OV ：溢出标志位，有溢出时置 1 ； P ：奇偶标志位。 A 中有奇数个 1 时置 1 。

《单片机原理及应用》教学课件（ 6 ）数据指针 DPTR （ Data Pointer ）数据指针 DPTR 是 16 位的专用寄存器，即可作为 16 位寄存器使用，也可作为两个独立的 8 位寄存器 DPH （高 8 位）、DPL （低 8 位）使用。 DPTR 主要用作 16 位间址寄存器，访问程序存储器和片外数据寄存器。（ 7 ）堆栈指针 SP （ Stack Pointer ）堆栈是一种数据结构，是内部 RAM 的一段区域。堆栈存取数据的原则是“后进先出”。堆栈指针 SP 是一个 8 位寄存器，用于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部 RAM 中的物理位置。 MCS-51 单片机的堆栈地址向大的方向变化（与微机堆栈地址向小的方向变化相反）。系统复位后， SP初值为 07H ，实际应用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针 SP 进行初始化，一般设置 SP 为 60H 。设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时断点和现场的保护与恢复。

《单片机原理及应用》教学课件（ 8 ） I/O 口专用寄存器（ P0, P1, P2, P3 ） 8051 片内有 4 个 8 位并行 I/O 接口 P0, P1, P2 和 P3 ，在 SFR 中相应有 4 个 I/O 口寄存器 P0, P1, P2 和 P3 。（ 9 ）定时器 / 计数器（ TL0, TH0, TL1 和 TH1 ） MCS-51 单片机中有两个 16 位的定时器 / 计数器 T0 和 T1 ，它们由 4 个 8 位寄存器（ TL0, TH0, TL1 和 TH1 ）组成， 2个 16 位定时器 / 计数器是完全独立的。可以单独对这 4 个寄存器进行寻址，但不能把 T0 和 T1当做 16 位寄存器来使用。（ 10 ）串行数据缓冲器（ SBUF ）串行数据缓冲器 SBUF 用于存放需要发送和接收的数据，它由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器 SBUF 进行的。（ 11 ）其他控制寄存器除上述外，还有 IP, IE, TCON, SCON 和 PCON 等几个寄存器，主要用于中断、定时和串行口的控制，


I/O 接口是 MCS-51 单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力。

8051 内部有 4 个 8 位并行接口 P0, P1, P2, P3 ，有 1个全双工的可编程串行 I/O 接口。

5 ．定时器 / 计数器 8051 内部有两个 16 位可编程序的定时器 / 计数器，均为二进制加 1 计数器，分别命名为 T0 和 T1 。

T0 和 T1均有定时器和计数器两种工作模式。在定时器模式下， T0 和 T1 的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经 12分频后提供。在计数器模式下， T0 和 T1 的计数脉冲可以从 P3.4 和 P3.5 引脚上输入。对 T0 和 T1 的控制由定时器方式选择寄存器 TMOD 和定时器控制寄存器 TCON 完成。

4 ． I/O 接口


6 ．中断系统中断：指 CPU 暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执行中

断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。中断系统：指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。中断源：指能产生中断请求信号的源泉。 8051 可处理 5 个中断源（ 2 个外部， 3 个内部）发出的

中断请求，并可对其进行优先权处理。外部中断的请求信号可以从 P3.2, P3.3 （即和）引脚上输入，有电平或边沿两种触发方式；内部中断源有 3 个， 2 个定时器 /计数器中断源和 1 个串行口中断源。

8051 的中断系统主要由中断允许控制器 IE 和中断优先级控制器 IP 等电路组成。

0INT 1INT


1.2.2 MCS-51 单片机外部引脚

1 ．电源线 GND ：接地引脚。 VCC ：正电源引脚。接＋ 5V 电源。

MCS-51 系列单片机中，各类单片机都是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。 8051 单片机有 40个引脚，分为端口线、电源线和控制线三类。

2 ．端口线 P0 ～ P3 口： 4×8=32条。（ 1 ） P0 口（ P0.0 ～ P0.7 ） 8 位双向三态 I/O 口，可作为外部扩展时的数据总线 / 低 8 位地址总线的分时复用口。又可作为通用 I/O 口，每个引脚可驱动 8 个 TTL 负载。对 EPROM 型芯片（如 8751 ）进行编程和校验时， P0口用于输入 /输出数据。

《单片机原理及应用》教学课件（ 2 ） P1 口（ P1.0 ～ P1.7 ） 8 位准双向 I/O 口，内部具有上拉电阻，可作为通用 I/O 口。每个引脚可驱动 4 个 TTL负载。

（ 3 ） P2 口（ P2.0 ～ P2.7 ） 8 位准双向 I/O 口，内部具有上拉电阻，可作为外部扩展时

的高 8 位地址总线。又可作为通用 I/O 口，每个引脚可驱动4 个 TTL负载。

对 EPROM 型芯片（如 8751 ）进行编程和校验时，用来接收高 8 位地址。

（ 4 ） P3 口（ P3.0 ～ P3.7 ） 8 位准双向 I/O 口，内部具有上拉电阻。它是双功能复

用口，作为通用 I/O 口时，功能与 P1 口相同，常用第二功能。每个引脚可驱动 4 个 TTL负载。作为第二功能使用时，各位的作用如下页表所示。


3 ．控制线（ 1 ） RST/VPD

RST/VPD引脚是复位信号 /备用电源线引脚。当 805

1通电时，在 RST 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。


（ 2 ） ALE/ 地址锁存允许 /编程引脚。当访问外部程序存储器时， ALE 的输出用于

锁存地址的低位字节，以便 P0 口实现地址 / 数据复用。当不访问外部程序存储器时， ALE端将输出一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号。

ALE/ 是复用引脚，其第二功能是对 EPROM 型芯片（如 8751 ）进行编程和校验时，此引脚传送 52ms宽的负脉冲选通信号，程序计数器 PC 的 16 位地址数据将出现在 P0 和 P2 口上，外部程序存储器则把指令码放到 P0 口上，由 CPU 读入并执行。

（ 3 ） /VPP

允许访问片外程序存储器 /编程电源引脚。对于片内无程序存储器的 MCS-51 单片机（如 8031 ），必须接地。片内有程序存储器的 MCS-51 单片机（如 8051 ），必须接高电平。

/VPP是复用引脚，其第二功能是片内 EPROM编程 /校验时的电源线，在编程时， VPP脚需加上 21V 的编程电压。

PROG

PROG

EA

EA

EA

EA


（ 4 ） XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 脚为片内振荡电路的输入端， XTAL2 脚为片内振

荡电路的输出端。 8051 的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在 XTAL1 和 XTAL2 脚外接石英晶体（频率为 1.2 ～ 12MHz ）和振荡电容，振荡电容的值一般取 10 ～ 30pF ，典型值为 30pF ；另外一种是外部时钟方式，即将 XTAL1 接地，外部时钟信号从 XTAL2 脚输入，如下图所示。

PSEN

片外 ROM选通线。在执行访问片外 ROM 的指令 MOVC 时， 8051 自动在引脚产生一个负脉冲，用于对片外 ROM 的选通。其他情况下，该引脚均为高电平封锁状态。

（ 5 ）

PSEN


1.3 MCS-51 单片机的工作方式 MCS-51 系列单片机的工作方式可分为：复位方式、程

序执行方式、单片执行方式、掉电保护方式、节电工作方式和EPROM编程 /校验方式。

1.3.1 复位方式系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，这种工作方式

为复位方式。单片机在开机时都需要复位，以便 CPU及其他功

能部件都处于一种确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 MCS-51 单片机在 RST 引脚产生两个机器周期（即 24

个时钟周期）以上的高电平即可实现复位。


复位电路有两种：上电自动复位和上电 / 按键手动复位，如下图所示。


复位后， 8051 的各特殊功能寄存器的初始状态如下表所示。

《单片机原理及应用》教学课件 1.3.2 程序执行方式程序执行方式是单片机基本工作方式，可分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。

1 ．连续执行工作方式这是所有单片机都需要的一种方式。单片机复位后，

PC值为 0000H，因此单片机复位后立即转到 0000H处执行程序。单片机按照程序事先编排的任务，自动连续地执行下去。

2 ．单步执行工作方式这是用户调试程序的一种工作方式，在单片机开发

系统上有一专用的单步按键（或软件调试环境）。按一次，单片机就执行一条指令（仅仅执行一条），这样就可以逐条检查程序，发现问题进行修改。

单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。


节电工作方式是一种低功耗的工作方式，可分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式。是针对 CHMOS类芯片而设计的， HMOS 型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电保护功能。

1 ． HMOS 单片机的掉电保护当 VCC突然掉电时，单片机通过中断将必须保护的数据送入内

部 RAM ，备用电源 VPD可以维持内部 RAM 中的数据不丢失。 2 ． CHMOS 单片机的节电方式 CHMOS 型单片机是一种低功耗器件，正常工作时电流为

11 ～ 22mA ，空闲状态时为 1.7 ～ 5mA ，掉电方式为 5 ～ 50A 。因此， CHMOS 型单片机特别适用于低功耗应用场合，它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制寄存器 PCON 中相应的位来控制。

1.3.3 节电方式

《单片机原理及应用》教学课件（ 1 ）电源控制寄存器 PCON

PCON 各位的定义如下表所示。

IDL ：空闲方式控制位，该位为 1 时，单片机进入空闲待机工作方式，此时耗电甚微。PD ：掉电方式控制位，为 1 时，单片机进入掉电工作方式。当 IDL 、 PD 同时为 1 ，则进入掉电工作方式，同时为 0，则工作在正常运行状态。GF0, GF1 ：通用标志位，描述中断是来自正常运行还是来自空闲方式，用户可通过指令设定它们的状态。SMOD ：为串行口波特率倍率控制位，用于串行通信。


（ 2 ）空闲工作方式将 IDL 位置为 1 （用指令 MOV PCON,

#01H ），则进入空闲工作方式，其内部控制电路如右图所示。此时， CPU 进入空闲待机状态，中断系统、串行口、定时器 /计数器，仍有时钟信号，仍继续工作。

退出空闲状态有两种方法：一是中断退出，二是硬件复位退出。

（ 3 ）掉电工作方式将 PD置为 1 （用指令 MOV PCON, #02H ），可使单片机进入掉电工作方式。此时振荡器停振，只有片内的 RAM 和 SFR 中的数据保持不变，而包括中断系统在内的全部电路都将处于停止工作状态。退出掉电工作方式，只能采用硬件复位的方法。欲使 8051 从掉电方式退出后继续执行掉电前的程序，则必须在掉电前预先把 SFR 中的内容保存到片内 RAM 中，并在掉电方式退出后恢复SFR掉电前的内容。


1.4 单片机的时序时序： CPU 在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。时序是用定时单位来描述的， MCS-51 的时序单位有四个，分

别是时钟周期（节拍）、状态、机器周期和指令周期。

1.4.1 MCS-51 的时序单位

1. 时钟周期：又称为振荡周期、节拍（用 P表示），定义为单片机提供时钟信号的振荡源（ OSC ）的周期。它是时序中的最小单位。2. 状态（用 S 表示）：单片机振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的状态。一个状态有两个节拍，前半周期对应的节拍定义为 P1，后半周期对应的节拍定义为 P2。


3. 机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。 MCS-51 中规定一个机器周期包含 12个时钟周期，即有 6个状态，分别表示为 S1～ S6。

若晶振为 6MHz，则机器周期为 2μs，若晶振为 12MHz，则机器周期为 1μs。

4. 指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它是时序中的最大单位。一个指令周期通常含有 1 ～ 4 个机器周期。指令所包含的机器周期数决定了指令的运算速度，机器周期数越少的指令，其执行速度越快。

以机器周期为单位，指令可分为单周期、双周期和四周期指令。


1.4.2 MCS-51 指令的取指 / 执行时序指令的集合称为程序，执行程序的过程就是执行指令的过程。单片机执行任何一条指令时都可以分为取指阶段和执行阶段。在取指阶段， CPU 从程序存储器中取出指令操作码，送指令寄存器，再经指令译码器译码，产生一系列控制信号，完成本指令规定的操作。

单周期和双周期指令的取指时序图如下页图所示。

ALE 信号是用于锁存低 8 位地址的选通信号，每出现一次该信号，单片机即进行一次读指令操作。当指令为多字节或多周期指令时，只有第一个 ALE 信号进行读指令操作，其余的 ALE 信号为无效操作（或读操作数操作）。


1.4.3 访问片外 ROM/RAM 指令的时序1 ．外部程序存储器读时序从外部程序存储器读取指令，必须有两个信号进行控制：

ALE 信号和信号（外部 ROM 读选通脉冲）。 PSEN


2 ．外部数据存储器读时序第一个机器周期是取指周期，是从 ROM 中读取指令数据，第二个机

器周期才开始读取外部数据存储器 RAM 中的内容。有三个信号进行控制： ALE 信号、信号（外部 ROM 读选通脉冲）和信号（外部 RAM 读选通脉冲）。

RDPSEN


作业与练习：1.1 1.2

1.4 1.6

1.7 1.11

1.16 1.17

单片机原理及应用

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