单片机原理与应用

单片机原理与应用,第二章 单片机的硬件结构,,自1971年微型计算机问世以来，由于实际应用的需要，微型计算机向两个不同的应用方向发展： 高速度、大容量、高性能的高档计算机 稳定可靠、体积小、价格低的单片机,,2.1 单片机的概念,一、单片机的硬件系统：1、微机系统基本组成： 运算器、控制器、 存储器、 输入设备、输出设备 （CPU） RAM+ROM （I / O） 2、单片机的硬件组成 把组成微型计算机的各功能部件：CPU、RAM、ROM、中断系统、T/C以及I/O等主要微型机部件，集成在一块芯片上。,,2.1 单片机的概念,一、单片机的硬件系统二、单片机的软件系统1、在单片机系统中，使用机器语言2、在单片机开发时，使用机器语言、汇编语言、 高级语言（如C-51、MBISIC-51等）,,2.1 单片机的概念,一、单片机的硬件系统二、单片机的软件系统三、单片机的名称1、单片机是单片微型计算机的简称。2、单片机主要应用于控制领域，它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又称为微控制器（Micro Controller Unit MCU）。3、由于单片机在应用时通常是被控系统的核心并融入其中，即以嵌入的方式工作，为了强调其“嵌入”的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器。,,2.1 单片机的概念,四、单片机的发展 第一阶段（19711974年）：单片机出现。 第二阶段（19741978年）：初级单片机阶段。MCS-48系列 第三阶段（19781983年）：高性能单片机阶段。MCS-51系列 第四阶段（1983年现在）：8位单片机巩固发展及16位、32位 单片机推出阶段。 * 单片机的发展朝多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗方向发展。,,2.1 单片机的概念,四、单片机的发展五、单片机的主流系列1、MC6800系列：Motorola公司产品，8位的CPU，典型产品如MC68HC05芯片。含模拟比较器，可编程的Watchdog等。2、Z-8系列：Zilog公司的产品8位CPU，OTP型，低价格。3、INTEL MCS-51系列：8位的CPU，含布尔处理机，典型产品如8051芯片。,,2.1 单片机的概念,四、单片机的发展五、单片机的主流系列4、 PHILIPS-51系列：除含MCS-51功能外，增加多种外部接口功能，如Watchdog、ADC、高速I/O等5、ATMEL-51系列：除含MCS-51功能外，内有FLASH-ROM。典型产品如89C51芯片。6、华邦-W78C51系列：除含MCS-51功能外，内有FLASH-ROM，容量大。典型产品如W78C51芯片。7、PIC16系列：Microchip公司产品，8位CPU，精简指令系统，Watchdog等功能。典型产品如PIC16C64芯片。,,2.1 单片机的概念,四、单片机的发展五、单片机的主流系列 除PHILIPS-51系列、 ATMEL-51系列、华邦-W78C51系列外，以MCS-51为内核的其它高性能单片机层出不穷，以MCS-51为内核的单片机仍是当今主流之一。,,2.1 单片机的概念,六、51单片机的分类分为51子系列和52子系列1、51子系列的四种芯片（以片内ROM形式分） 8031：无ROM 8051：掩膜ROM 8751：EPROM，紫外线可擦除ROM 8951：EEPROM，电可擦除ROM,,六、51单片机的分类,1、51子系列的四种芯片2、51子系列和52子系列的性能比较,,六、51单片机的分类,1、51子系列的四种芯片2、51子系列和52子系列的性能比较（1）型号比较：末尾数字“1”“2”，即8032、8052（2）51子系列 与 52子系列 的资源配置比较 4KB ROM8KB ROM 128B RAM 256B RAM 2个 T/C 3 T/C：定时器/计数器 5个中断 6个中断,,六、51单片机的分类,1、51子系列的四种芯片2、51子系列和52子系列的性能比较3、51单片机的制造工艺（1）HMOS：高密度短沟道MOS工艺，具有高速、高密度的特点。（2）CHMOS：CMOS和HMOS的结合，高速、高密度和低功耗的特点。 * 型号上的差别：80CXX，如80C31、80C51、87C51、 89C51 * CHMOS单片机增加功能：待机方式、掉电方式,,2.2 80C51单片机的内部结构和信号引脚,一、80C51的内部结构1、8位CPU2、内部RAM256字节，供用户使用的是前128字节3、内部ROM4K字节4、2个16位的加法计数结构的计数器5、并行I/O口四个6、一个全双工的串行口7、5个中断源2级中断优先级的中断控制系统8、时钟电路、布尔处理机、总线,,2.2 80C51单片机的内部结构和信号引脚,一、8051的内部结构二、信号引脚1、四个并行口（共32脚）P0口：双向口，P0.0P0.7P1口：准双向口, P1.0P1.7P2口：准双向口, P2.0P2.7P3口：准双向口, P3.0P3.72、ALE：地址锁存控制信号3、 /PSEN：外部程序存储器读选通信号，由芯片本身控制。,,2.2 MCS-51单片机的内部结构和信号引脚,一、8051的内部结构二、信号引脚4、/EA：访问程序存储器控制信号，由用户硬件控制/EA接低电平：表示对ROM的读操作仅限定在外部。/EA接高电平：表示对ROM的读操作从内部延续到外部。* 注意与/PSEN引脚的不同控制意义,,2.2 MCS-51单片机的内部结构和信号引脚,一、8051的内部结构二、信号引脚1、四个并行口（共32脚）2、ALE：地址锁存控制信号3、 /PSEN：外部程序存储器读选通信号， 4、/EA：访问程序存储器控制信号 5、RST：复位信号6、XTAL1、XTAL2：外部晶体振荡器输入引脚7、Vss和Vcc：地、电源,,2.2 MCS-51单片机的内部结构和信号引脚,一、8051的内部结构二、信号引脚三、信号引脚的第二功能1、P3口的第二功能：除作为一般输入/输出应用外，还有,,2.2 MCS-51单片机的内部结构和信号引脚,一、8051的内部结构二、信号引脚三、信号引脚的第二功能1、P3口的第二功能2、固化EPROM所需信号固化的意义ALE/PROG：地址锁存控制信号/编程脉冲输入EA/VPP：访问程序存储器控制信号/编程电压输入3、备用电源输入RST/VPD：复位/备用电源输入,,2.3 8051单片机的内部存储器,一、内部RAM低128单元（00H7FH）1、寄存器区（00H1FH）：共32个字节，分为四组寄存器组，每组以符号R0R7表示，通过PSW寄存器的RS1、RS0选择寄存器组0 组,0组,,2.3 8051单片机的内部存储器,一、内部RAM的低128单元（00H7FH）1、寄存器区（00H1FH）2、位寻址区（20H2FH）有字节地址，又有位地址 字节地址：20H2FH 位 地 址 ：00H7FH能字节操作，又能位操作是布尔处理机的存储空间3、用户RAM区（30H7FH）,,2.3 8051单片机的内部存储器,一、内部RAM的低128单元（00H7FH）二、内部RAM的高128单元（80HFFH） 离散地分布着一些特殊功能寄存器SFR,,2.3 8051单片机的内部存储器,一、内部RAM的低128单元（00H7FH）二、内部RAM的高128单元（80HFFH）1、专用寄存器SFR介绍（1）PC 程序计数器（Program Counter）不占RAM单元，不可寻址 16位，PC的内容是将要执行的指令的地址取出一条指令，PC的内容自动加1（2）A 累加器 Accumulator地址：E0H，符号为Acc（3）B 寄存器：用于完成乘除运算,,2.3 8051单片机的内部存储器,二、内部RAM的高128单元（80HFFH）1、专用寄存器SFR介绍（4）PSW: 程序状态字（Program State Word）,软件控制：F0、F1 用户通用标志位 RS1、RS0 选择寄存器组 硬件控制：CY、AC、OV、P CY：算术运算的进借位标志；CY=1，表示有进借位。 AC：辅助进位位；一字节中低四位向高四位的有进借位，AC=1 OV：加减、乘、除运算时溢出标志位；CPU判定条件 P ：奇偶标志位，P=1，表示累加器A中含“1”的个数为奇数个,,练 习,例1：将数据34H与50H的和传送到A寄存器，问PSW寄存器的P、OV、AC、CY位的状态。例2：将数据34H与50H的差传送到A寄存器，问PSW寄存器的P、OV、AC、CY位的状态。,,2.3 8051单片机的内部存储器,一、内部RAM的低128单元（00H7FH）二、内部RAM的高128单元（80HFFH）1、专用寄存器SFR介绍（1）PC 程序计数器（Program Counter）（2）A 累加器 Accumulator（3）B 寄存器：用于完成乘除运算（4）PSW: 程序状态字（Program State Word）（5）DPTR：16位的寄存器 高八位：DPH，地址为83H 低八位：DPL，地址为82H,,2.3 8051单片机的内部存储器,一、内部RAM的低128单元（00H7FH）二、内部RAM的高128单元（80HFFH）1、专用寄存器SFR介绍（PC、A、B、PSW、DPTR）2、专用寄存器的寻址直接寻址：使用直接地址或寄存器符号 如访问B寄存器，可使用符号B，或其地址F0H位寻址：仅限于专用寄存器的地址能被8整除的 （见P22表2.3）,,2.3 8051单片机的内部存储器,一、内部RAM的低128单元二、内部RAM的高128单元三、堆栈及其指示器 堆栈是一种数据结构，就是只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。1、堆栈有关术语入栈、出栈栈底、栈顶、堆栈指示器SP（栈顶的地址）2、堆栈的操作规则：后进先出，LIFO3、堆栈的类型向上生长型：随数据入栈，SP增加向下生长型：随数据入栈，SP减少,,2.3 8051单片机的内部存储器,三、堆栈及其指示器4、堆栈的开辟：内部RAM，或外部RAM。5、数据入栈、出栈的步骤向上生长型： 入栈：SP=SP+1，数据写入 出栈：数据从SP单元读出，SP=SP-1向下生长型： 入栈：SP=SP-1，数据写入 出栈：数据读出，SP=SP+16、堆栈的功能和使用功能：保护断点，即PC值 保护现场，即有冲突使用的单元使用：自动方式，如保护断点 指令方式，如保护现场,,2.3 8051单片机的内部存储器,三、堆栈及其指示器1、堆栈有关术语2、堆栈的操作规则3、堆栈的类型4、数据入栈、出栈的步骤5、堆栈的开辟6、堆栈的功能和使用7、MCS-51单片机的堆栈向上生长型，开辟在内部RAM中复位后：SP=07H堆栈的位置是浮动的,,2.3 8051单片机的内部存储器,一、内部RAM的低128单元二、内部RAM的高128单元三、堆栈及其指示器四、内部程序存储器1、51子系列的ROM配置情况2、内部ROM的地址： 0000H0FFFH3、几个特殊单元0000H：复位后的PC值0003H/0013H：外中断0入口地址/外中断1入口地址000BH/001BH：定时器0入口地址/定时器1入口地址0023H：串行口入口地址,,2.4 并行I/O结构,一、并行口的分工P0口：分时送出8位数据和低八位地址、I/O口P1口： I/O口P2口：高八位地址、I/O口P3口：I/O口、第二功能输入二、并行口的负载特性P0口：8个TTL负载，双向口P1P3口：4个TTL负载，准双向口,,2.4 并行I/O结构,三、各并行口结构1、P1口结构D触发器功能:在写入脉冲的作用下，Q=D，/Q=/DMOS管工作特性：当栅极输入高电平时，漏极电位=源极电位=0当栅极输入低电平时，漏极由电阻拉为高电平。即漏极=/栅极。三态门功能：当控制信号有效时，三态门的输出等于其输入。,,2.4 并行I/O结构,三、各并行口结构1、P1口结构写功能：在写入脉冲的作用下，/Q=/D，P1.X=/（/Q）=/（/D）=D。读锁存器： （上三态门） 当读锁存器控制信号有效时，三态门的输出(内部总线某位)等于其输入(Q)读引脚：（下三态门） 当读引脚控制信号有效时，三态门的输出(内部总线某位)等于其输入(P1.X)。,,2.4 并行I/O结构,三、各并行口结构2、P2口结构（了解）高八位地址输出 在控制信号的作用下，MUX打向“地址”端，地址信号通过非门和MOS管两级反相后输出到引脚P2.X。 I/O：内部总线上的数据输入/输出 在控制信号的作用下，MUX打向“Q”，同P1口。有“写、读引脚、读锁存器”功能,,2.4 并行I/O结构,三、各并行口结构3、P3口结构（了解）数据输入/输出输出：“第二功能输出”信号维持1时，在写入脉冲作用下，P3.X=Q=内部总线的数据。输入：读锁存器，同P1口；读引脚，经两级三态门电路到内部总线第二功能输入、输出输出：Q维持高电平， P3.X=“第二功能输出”输入：Q端和“第二功能输出”维持高电平， 在读引脚信号控制下，“第二功能输入可到达内部总线,,2.4 并行I/O结构,三、各并行口结构4、P0口结构（了解）8位数据和低八位地址的输出“控制”信号=1，MUX打向“地址/数据”端，I/O口“控制”信号=1，MUX打向“/Q”端，,,2.5 时钟电路和时序,一、时钟电路及时钟信号1、振荡电路：P30 图2.112、时钟电路：P30 图2.12,,2.5 时钟电路和时序,一、时钟电路及时钟信号二、时序定时单位1、拍节：P（晶体振荡周期），1P= 2、状态：S（时钟信号周期），1S=2P=2 3、机器周期：1个机器周期=6S=12P4、指令周期：执行一条指令所需时间最短指令周期=1个机器周期最长指令周期=4个机器周期（仅乘除指令）,,2.5 时钟电路和时序,一、时钟电路及时钟信号二、时序定时单位三、指令分类1、按指令长度分： 单字节指令：INC A ；04H MUL AB 双字节指令：ADD A,#01H ；24H 01H 三字节指令：MOV 30H,#00H ；75H 30H 00H,,2.5 时钟电路和时序,一、时钟电路及时钟信号二、时序定时单位三、指令分类1、按指令长度分：2、按指令执行时间分：单机器周期指令：如INC A双机器周期指令：如ADD A,#01H 四机器周期指令：如MUL AB,,2.5 时钟电路和时序,一、时钟电路及时钟信号二、时序定时单位三、指令分类1、按指令长度分：2、按指令执行时间分：综合分类单字节单机器周期指令：如INC A双字节单机器周期指令：单字节双机器周期指令：双字节双机器周期指令：三字节双机器周期指令： 见指令表，P50,,2.6 MCS-51单片机的工作方式,一、复位方式1、复位信号的要求：2个机器周期以上的高电平2、复位后单片机的状态