软件仿真51系列单片机项目实践资源第1章 单片机硬件系统ppt模板课件资料

第1章 单片机硬件系统 第1章 单片机硬件系统 第1章 单片机硬件系统 1.1 单片机概述 1.2 MCS-51单片机硬件结构及引脚 1.3 存储器 1.4 并行输入输出（I/O）口、时钟电路、复位电 路 1.5 MCS-51单片机的基本工作过程 1.6 MCS-51单片机最小系统 1.7 基本技能训练MCS-51单片机控制信号灯 亮灭 第1章 单片机硬件系统 第1章 单片机硬件系统 单片机是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称，是指把组成微型计算机的各种功 能部件集成在一块芯片上，也就是集成在一块芯片上的计算 机。 构成：CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、 ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行 输出口等）。 而且有一些单片机中除了上述部分外，还集成了其它部 分如A/D，D/A等。 1.1.1 单片机及其应用 1.1 单片机概述 第1章 单片机硬件系统 第1章 单片机硬件系统 单片机可按以下几种情况分类： （1）按CPU处理字的长度分 单片机按CPU处理字的长度可分为：4位单片机、8位单 片机、16位单片机和32位单片机。 （2）按使用范围分 单片机按使用范围可分为通用型单片机和专用型单片 机两大类。 1.单片机的分类 第1章 单片机硬件系统 （1）在智能仪器仪表上的应用 如电压、功率、频率、湿度 、温度、流量、速度、压力等物理量的测量。例如功率计、 示波器等。 （2）在工业控制中的应用 如工厂流水线的智能化管理，电 梯智能化控制、各种报警系统等。 （3）在家用电器中的应用 如电磁炉、洗衣机、电冰箱、 空调机、彩电等。 （4）单片机在医用设备领域中的应用 例如医用呼吸机、 监护仪及病床呼叫系统等等。 还用于工商、科研、教育、通信、国防航空等领域。 2.单片机的应用 第1章 单片机硬件系统 单片机的发展历史可分为三个阶段： 3.单片机的历史及发展概况 第一阶段（19741978）：单芯片微机形成阶段。以Intel 公司1976年推出的MCS-48系列单片机为代表 第二阶段（1978年1982年）：高性能单片机阶段。这 类单片机的典型代表是：Intel公司的MCS-51系列、 Mortomla公司的6805等。 第三阶段（1982年现在）：8位单片机巩固发展及16位 单片机、32位单片机、64位单片机推出阶段。 第1章 单片机硬件系统 MCS-51系列主要产品的功能特性见表1-1。 8051、8751、8031为早期产品；8052、8752、8032为中高档产品； 80C51、87C51、80C31为低功耗产品。 1.1.2 MCS-51单片机 第1章 单片机硬件系统 其它常用单片机 Motorola公司的8位单片机有68HC05系列、68HC08系列和 68HC11系列； 美国Microchip公司推出的PIC系列； 美国ATMEL公司的8位Flash AT89单片机系列。 AT89系列是以MCS-51为内核，与MCS-51系列的软硬件兼容。 AT89系列单片机常用产品特性见表1-2。 第1章 单片机硬件系统 1.数制 数制也称计数制，是指用一组固定的符号和统一的规则来表 示数值的方法。 1.1.3 单片机中的数制与编码 （1）十进制数（D） 人们通常使用的是十进制。它是以10 为基数的计数体制，用后缀D表示十进制数，也可省略。 例如： 705.8=7102+0101+5100+810-1 第1章 单片机硬件系统 （2）二进制数（B） 1011.11B=123+022+121+120+ 12-1+12-2=11.75 二进制数一般有以下特点： 1）有0、1两个数字符号，基数为2，各位的权为2n（n为 整数）。 2）运算规则是加法逢二进一、减法借一为二。 3）用后缀B（Binary）表示二进制数。 例如：二进制数1011.11可如下式展开： 第1章 单片机硬件系统 （3）十六进制数（H） 十六进制中共使用09及AF十六个数字符号，其中A F相当于十进制数的1015。十六进制数一般有以下特点： 1）有09及AF十六个数字符号，基数为16，各位的权为 16n（n为整数）。 2）运算规则是加法逢十六进一、减法借一为十六。 3）用后缀H（Hexadecimal）表示十六进制数。 5D6E.4H=5163+13162+6161+14160+ 416-1=23918.25 例如：十六进制数5D6E.4可如下式展开： 第1章 单片机硬件系统 2.进制转换 （1）非十进制数转换成十进制数 非十进制数转换成十进制 数的方法：按权展开求其和。 【例1.1】将二进制数10110.101B转换成十进制数。 【例1.2】将十六进制数FE.3H转换成十进制数。 解 ： 解 ： 第1章 单片机硬件系统 （2）十进制转换成其它进制 将十进制转换成其他进制分两部分进行，即整数部分和小 数部分。 1）整数部分（基数除法）。 概括为“除N取余法，倒序”。 2）小数部分（基数乘法）。概括为“乘N取整法，顺序”。 第1章 单片机硬件系统 【例1.3】将十进制数28转换为二进制数。 解：转换过程如下： 2| 28 余数为0，即a00 2| 14 余数为0，即a10 2| 7 余数为1，即a21 2| 3 余数为1, 即a31 2| 1 余数为1，即a41 0 商为0，转换结束。 最后结果为28D11100B 第1章 单片机硬件系统 （3）二进制与十六进制相互转换 【例1.4】求110100010111010.110010B等值的十六进制数 。 解：二进制 0110 1000 1011 1010. 1100 1000 十六进制 6 8 B A. C 8 所以110100010111010.110010=68BA.C8H 十六进制转换成二进制的方法正好相反。 第1章 单片机硬件系统 3.二进制的编码 采用二进制代码表示十进制数、字母、符号的方法称为编码 。 （1）计算机中二进制数的单位 1）位（bit）。 2）字节（Byte）。 字节B是比较小的单位，常用的还有KB和MB，它们的关系 是： 1KB=1024B 1MB=1024KB=10241024B 3）字（word）。 第1章 单片机硬件系统 （2）二十进制码（BCD码） 二十进制码是用二进制数给十进制数编码。 最常用的BCD码称为8421BCD码，是将十进制数 中的09都用4位二进码制表示，而十进制数中的 两位及两位以上的数，则采用每一位都用4位二进制 码来表示。 例如，十进制数154用8421BCD码表示就是0001 0101 0100。 第1章 单片机硬件系统 （3）ASCII码 目前国际上普遍采用ASCII码（American Standard Code for Information Interchange），全称为美国标准信息交换 码，ASCII码用7位二进制码表示，固可表示27=128个不同 的字符。 第1章 单片机硬件系统 ASCII码（美国标准信息交换码）表 第1章 单片机硬件系统 1）原码。二进制的最高位用0表示“+”，用1表示“”，其余 数位表示数的大小。例如： +98原=01100010B，-98原=11100010B， +0原=00000000B，-0原=10000000B。 2）反码。正数的反码与原码相同，负数的反码符号位为1 ，其它位等于其绝对值的各位取反。 例如： +98反=01100010B，-98反=10011101B， +0反=00000000B，-0反=11111111B （4）原码、反码和补码 第1章 单片机硬件系统 3）补码。正数的补码与原码相同。负数的补码： 除符号位外，其余位为该数绝对值的原码按位取反 ；然后整个数加1。 +98补=01100010B，-98补=10011110B， +0补=00000000B，-0补=00000000B （4）原码、反码和补码 第1章 单片机硬件系统 MCS-51单片机的片内结构如图1-1所示。 1.2 MCS-51单片机硬件结构及引脚 1.2.1 MCS-51单片机的内部结构 图1-1 MCS-51单片机的片内结构 第1章 单片机硬件系统 单片机的片内结构简要说明： 1中央处理器（CPU） 单片机中有1个8位的微处理器，包括了运算器和控制器两大 部分。 2.数据存储器（RAM） 用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数 据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。 3.程序存储器（ROM） 用来存贮程序、数据、表格等，也叫只读存储器。 第1章 单片机硬件系统 4.中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。 5.定时器/计数器 单片机内部有2个16位的定时器/计数器。 6.串行口 1个全双工的串行口。 7.四个并行I/O口 单片机有四个并行I/O口P0、P1、P2、P3。 8.时钟电路 单片机内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。 第1章 单片机硬件系统 1.2.2 MCS-51单片机的引脚功能 MCS-51单片机都采用40只引脚双列直插封装（DIP）， 如图1-2所示。 图1-2 40只引脚单片机引脚图 第1章 单片机硬件系统 40只引脚按功能可分成3类： 1）电源及时钟引脚：Vcc，Vss；XTAL1，XTAL2。 2）I/O引脚：P0、P1、P2、P3为4个8位I/O口的外部引脚。 3）控制引脚：PSEN、ALE、RESET（即RST）。 第1章 单片机硬件系统 1.3 存储器 1MCS-51存储器的划分 （）从物理结构上划分 MCS-51存储器 有4个存储空间。 1）片内程序存储器。 2）片外程序存储器。 3）片内数据存储器。 4）片外数据存储器。 1.3.1 MCS-51存储器的特点 第1章 单片机硬件系统 （）从用户的角度上划分 MCS-51单片机有三个存储空间 ： 1）片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间。 2）片内256B数据存储器地址空间。 3）片外64KB数据存储器地址空间。 第1章 单片机硬件系统 2MCS-51（8051）存储器结构 MCS-51（8051）存储器结构如图1-3所示。 图1-3 MCS-51（8051）存储器结构 第1章 单片机硬件系统 程序存储器也叫只读存储器，简称ROM，单片机掉电后 ROM内容不会丢失。程序存储器主要用于存放用户程序、数 据和表格等信息。 1.3.2 程序存储器 在程序存储器中，MCS-51单片机定义了6个单元用于特殊用 途： 0000H：系统复位后，PC=0000H。 0003H：外部中断0的入口地址。 000BH：定时器0的溢出中断入口地址。 0013H：外部中断1的入口地址。 001BH：定时器1的溢出中断入口地址。 0023H：串行口中断入口地址。 第1章 单片机硬件系统 1.3.3 数据存储器 数据存储器分为内部数 据存储和外部数据存储 。MCS-51单片机内部 RAM有256个字节的用 户数据存储，片外最多 可扩展64KB的RAM， 构成两个地址空间，访 问片内RAM用“MOV”指 令，访问片外RAM用 “MOVX”指令。 第1章 单片机硬件系统 1.内部数据存储器 MCS-51单片机的内部数据存储器在物理上和逻辑上都分 为两个地址空间，即：数据存储器空间（低128单元00H 7FH）；特殊功能寄存器空间（高128单元80HFFH）。 （1）RAM区（00H7FH） RAM区又分3个区：工作寄存 器区、位地址区与数据缓冲区。 1）工作寄存器区（00H1FH）。 2）位地址区（20H2FH）。 3）数据缓冲区。 第1章 单片机硬件系统 （2）特殊功能寄存 器SFR（80HFFH ） MCS-51单片机 内的特殊功能寄存 器，简记为SFR， 它们离散地分布在 内部RAM高128单 元80HFFH内。 第1章 单片机硬件系统 下面简要其中5个特殊功能寄存器（SFR） 1）累加器ACC，8位。用于向ALU提供操作数，运算结果 存放在累加器中。 2）寄存器B，8位。主要用于乘、除法运算。也可作为RAM 的一个单元使用。 3）程序状态字寄存器PSW，8位。 CY：进（借）位标志。有进（借）位时CY=1，否则CY=0； AC：辅助进（借）位标志； F0：用户标志位。由用户自己定义； RS1、RS0：当前工作寄存器区选择位； OV：溢出标志位。有溢出时OV=1，否则OV=0； P：奇偶标志位。存于ACC中的运算结果有奇数个1时P=1， 否则P=0。 第1章 单片机硬件系统 4）堆栈指针SP，8位。它总是指向栈顶。堆栈操作遵循“ 先进后出”的原则。 2.外部数据存储器 对片外数据存储器采用间接寻址方式，R0、R1和DPTR都可 以做为间接寻址寄存器。 5）数据指针DPTR，16位。用来存放16位的地址。它由 两个8位的寄存器DPH和DPL组成。主要用于间接寻址或变 址寻址，可对片外的64KB范围的RAM或ROM数据进行操作 。 第1章 单片机硬件系统 1.4 并行输入输出（I/O）口、时钟电路、复位电路 1.4.1 并行输入输出（I/O）口 MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口，记作 P0P3，共有32个I/O位，各口的每一位均由锁存器、输 出驱动器和输人缓冲器所组成。 第1章 单片机硬件系统 1.P0口 P0口的字节地址为80H，位地址为80H87H。P0口某一位 的位结构的电路如图1-5所示。 图1-5 P0口某一位的位结构的电路 第1章 单片机硬件系统 2P1口 Pl口的字节地址为90H，位地址为90H97H，P1口某一位 的位结构的电路如图1-6所示。 图1-6 P1口某一位的位结构的电路 第1章 单片机硬件系统 P1口只能作为通用的I/O口使用，在电路结构上与P0有一 些不同，使用时要注意： 1）P1口作为输出口使用时，也能对外提供推拉电流负载， 外电路无需再接上拉电阻。 2）P1口作为输人口使用时，应先向其锁存器先写人“1”，使 输出驱动电路的FET截止。 第1章 单片机硬件系统 3P2口 P2口的字节地址为A0H，位地址为A0HA7H，P2口某一 位的位结构的电路如图1-7所示。 图1-7 P2口某一位的位结构的电路 第1章 单片机硬件系统 4P3口 P3口的字节地址为B0H，位地址为B0HB7H，P3口某一 位的位结构的电路如图1-8所示。 图1-8 P3口某一位的位结构的电路 第1章 单片机硬件系统 P3口的第二功能 第1章 单片机硬件系统 1时钟电路的组成 时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。单片机的时 钟电路如图1-9a所示。 MCS-51单片机也可以使用外部时钟，如图1-9b所示。 a） 外接石英晶体 b） 使用外部时钟 图1-9 时钟电路 1.4.2 时钟电路 第1章 单片机硬件系统 2定时单位 （1）时钟周期 时钟周期也称振荡周期。在MCS-51单片机 中把一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），两个节拍 定义为一个状态周期（用S表示）。 （2）机器周期 机器周期是单片机的基本操作周期，每个机 器周期包含6个状态周期。 （3）指令周期 执行一条指令所需要的时间称为指令周期。 通常，指令周期为14个机器周期。 根据指令周期的长短又可将指令分为单周期指令、双周期指 令、多周期指令。 第1章 单片机硬件系统 1复位对特殊功能寄存器的影响 除PC之外，复位操作还对其它一些特殊功能寄存器有影响， 见表1-7。 1.4.3 复位电路 第1章 单片机硬件系统 2复位电路 MCS-51单片机的复位是由外部复位电路实现的。复位电路 通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自动复位电路如图1-10a所示。 a）上电复位电路 b）手动与上电复位 c）脉冲复位电路 图1-10 单片机复位电路 第1章 单片机硬件系统 单片机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令- 分析指令执行指令。 取指令的任务是：根据程序计数器PC中的值从程序存储 器读出指令，送到指令寄存器。 分析指令