《单片机概述》PPT课件.ppt

单片机概述,单片机，即集成在一块芯片上的计算机，集成了中央处理器CPU（Central Processing Unit）、随机存储器RAM（Random Access Memory）、只读存储器（Read Only Memory）、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件。,单片微型计算机（Single Chip Computer），简称单片机，也可称为微控制器MCU（Micro controller Unit）。,主要有Intel公司的MCS48，51，96系列单片机；Motorola公司的MC6801，6805系列单片机；Zilog公司的Z8系列单片机；近年有Atmel公司的AT89系列单片机和Microchip公司的PIC系列单片机等。,单片机发展概况,各种系列的单片机由于其内部功能、单元组成及指令系统的不尽相同，形成了各具特色的系列产品。其中Intel公司生产的MCS系列单片机目前仍占主导地位。,从1976年9月Intel公司推出MCS48系列单片机以来，世界上的一些著名的器件公司都纷纷推出各自系列的单片机产品。,1976-1978 初级8位单片机 Intel MCS-48 系列 1978- 高档8位单片机 Intel MCS-51系列： -51子系列：8031/8051/8751 -52子系列：8032/8052/8752 低功耗型80C31高性能型80C252廉价型89C2051/1051,Intel 单片机,1983- 16位单片机 Intel MCS-96 系列 8098/8096、80C198/80C196 32位单片机 80960,51系列单片机分类,51系列单片机源于Intel公司的MCS51系列，在Intel公司将MCS51系列单片机实行技术开放政策之后，许多公司，如Philips、Dallas、Siemens、Atmel、华邦、LG等都以MCS51中的基础结构8051为基核推出了许多各具特色、具有优异性能的单片机。这样，把这些厂家以8051为基核推出的各种型号的兼容型单片机统称为51系列单片机。Intel公司MCS51系列单片机中的8051是其中最基础的单片机型号。,MCS51系列,AT89系列,其它公司的51系列单片机,MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系,MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称.,这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。,INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。以后我们将用89C51来完成一系列的实验。,第二章 MCS-51单片机的组成及工作原理,2-1 8051单片机基本组成,1中央处理器（CPU） 中央处理器（CPU）是单片机的核心，完成运算和控制功能，MCS-51单片机的CPU能处理8位二进制数或代码。,2、内部数据存贮器（内部RAM） 8051共有256个RAM，其中128个被占有寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只有128个单元，简称内部RAM,3、内部程序存贮器（内部ROM） 8051共有4K掩膜ROM，用于存放程序，原始数据，表格。称程序存贮器，简称内部ROM,4、定时器/计数器 8051共有2个16位定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以定时或计数结果对计算机进行控制。,5、并行I/O口 8051共有8个I / O口P0 P1P2 P3以实现数据的并行输出，输入。,6、串行I/O口 MCS-51的一个全双工的串行口，以实现单片机与其它设备之间的串行数据传输。该 口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。,7、中断控制系统 8051共有5个中断源，外中断2个，定时器/计数中断2 个，串行中断1 个。分为高级和低级两个级别。,8、时钟电路 MCS-51内部有时钟，但晶振和微调电容需外接。系统允许最高频率为12MHZ,2-2 8051的内部数据存储器,普林斯顿结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。 哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址。,物理上4个存储器地址空间： 片内/片外程序存储器空间 片内/片外数据存储器空间 逻辑上3个存储器地址空间： 64KB 程序存储器 256B 片内数据存储器 64KB 片外数据存储器,MCS-51程序存储器配置,(一)8051程序存储器 64KB 程序存储器空间 EA不同电平，选择片内或片外低位存储单元,(二)8051数据存储器 164KB片外数据存储器空间(与扩展I/O接口共用) 2. 256B片内数据存储器: 1) 片内RAM 2) 特殊功能寄存器 SFR,特殊存储单元： 复位入口: 0000H 中断入口: 0003H0023H,为什么称它为只读存储器呢？在特殊的条件下由外部设备对ROM进行写的操作，在单片机正常工作条件下，只能从那面读，不能把数据写进去，所以我们还是把它称为ROM。,一、存储器概述,我们来思考一个问题，当我们在编程器中把一条指令写进单片要内部，然后取下单片机，单片机就可以执行这条指令，那么这条指令一定保存在单片机的某个地方，并且这个地方在单片机掉电后依然可以保持这条指令不会丢失，这是个什么地方呢？,这个地方就是单片机内部的只读存储器即ROM（READ ONLY MEMORY）。,随机读/写存储器RAM可以进行多次信息写入和读出，每次写入后，原来的信息将被新写入的信息所取代。另外，RAM在断电后再通电时，原存的信息全部丢失。它主要用来存放临时的数据和程序。,随机读/写存储器RAM (Random Access Memory),只读存储器ROM (Read Only Memory),RAM按生产工艺分，又可以分为双极型RAM和MOS RAM，而MOS RAM又分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。 （1）双极型RAM：是以晶体管触发器作为基本存储电路，存取速度快，但结构复杂、集成度较低，比较适合用于小容量的高速暂存器。 （2）MOS RAM：是以MOS管作为基本集成元件，具有集成度高，功耗低，位价格便宜等优点，现在微型机一般都采用MOS RAM。 只读存储器ROM的信息一旦写入后，便不能随机修改。在使用时，只能读出信息，而不能写入，且在掉电后ROM中的信息仍然保留。它主要用来存放固定不变的程序和数据。,ROM按生产工艺分，又可以分为以下几种： （1）掩膜ROM：其存储的信息在制造过程中采用一道掩膜工艺生成，一旦出厂，信息就不可改变。 （2）可编程只读存储器 PROM：其存储的信息可由用户通过特殊手段一次性写入，但只能写入一次。 （3）可擦除只读存储器：其存储的信息用户可以多次擦除，并可用专用的编程器重新写入新的信息。可擦除只读存储器又可分为紫外线擦除的EPROM、电擦除的EEPROM和Flash ROM。,二、内部数据存储器,（一）低128个单元片内RAM,8051内部RAM有256个单元，通常在空间上分为两个区；低128个单元（00H7FH）的内部数据RAM块和高128个单元（80H0FFH）的专用寄存器SFR块。,1、工作寄存器（00H1FH） R0R7 (8位)暂存运算数据和中间结果。,4个工作寄存器区，工作寄存器0区3区。每个区均含8个寄存器R0R7 。 用PSW中的两位PSW.4和PSW.3（RS1，RS0位）来切换工作寄存器区，选用一个工作寄存器区进行读写操作。,在任一时刻，CPU只能使用其中一组通用寄存器,共16个单元，计168=128位，位地址为00H7FH。位寻址区既可作为一般的RAM区进行字节操作，也可对单元的每一位进行位操作，因此称为位寻址区，是存储空间的一部分。表21列出了位寻址区的位地址：,2、位寻址区（20H2FH）,3、用户RAM区（30H7FH）,一般把堆栈放在这里,专用寄存器： A、B、PSW、DPTR、SP P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON ,（二）内部RAM高128单元,专用寄存器区（也称为特殊功能寄存器区（SFR）区）,占用字节地址：80HFFH,共有22个专用寄存器 ，程序计数器PC在物理上是独立的，没有地址不属于内部RAM的SFR区 ；其余的21个专用寄存器都属于内部RAM的SFR区,注：带“” 专用寄存器表示可以位操作。,CPU总是按PC的指示读取程序。PC可自动加1。因此CPU执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序调用、中断和复位等操作，PC被强制改写，程序执行顺序也发生改变。 复位时，PC=0000H。,(1)程序计数器PC(16位),(5)数据指针DPTR(16位) 存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。可分成两个8位寄存器DPH、DPL使用。,(2)累加器Acc(8位) 需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过A累加器。,(3)寄存器B(8位) 与A累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄存器。,(4)程序状态字PSW(8位) 存放ALU运算过程的标志状态,CY进（借）位标志位,AC辅助进（借）位标志位,F0：用户标志位,RS1，RS0：寄存器组选择位,OV：溢出标志位,P：奇偶标志位,(6)堆栈指针SP(8位),堆栈是按“先进后出”原则存取数据的存储区。 MCS-51堆栈设在片内RAM区。数据入栈/出栈时，SP自动加1/减 1，其内容始终为栈顶地址。 复位时 SP=07H。,（7）电源控制及波特率选择控制寄存器PCON,PCON为8位寄存器，主要用于控制单片机工作于低功耗方式,（8）并行I/O端口P0P3,（9）串行数据缓冲器SBUF,（10）定时器/计数器的专用寄存器T0和T1,（11）控制类的专用寄存器 IE、IP 、TMOD、TCON 、SCON寄存器是中断系统、定时器/计数器、串行口的控制寄存器，包含有控制位和状态位,（三）专用寄存器的位寻址,有11个专用寄存器（字节地址能被8整除的）可以进行位寻址，即可对这些专用寄存器单元的每一位进行位操作，每一位有固定的位地址。,2-3 内部程序存储器,8051芯内有4KROM掩膜存贮单元，AT89C51芯片内部配置了4KB FlashROM， 其地址均是0000H0FFFH。,其中一组特殊单元是0000H0002H。系统复位后，（PC）=0000H，单片机从0000H单元开始执行程序。如果不是从0000H开始，就要在这三个单元中存放一条无条件转移指令。,0003H000AH：外部中断0中断地址区 000BH0012H：定时器/计数器0中断地址区 0013H001AH：外部中断1中断地址区 001BH0022H：定时器/计数器1中断地址区 0023H002AH：串行中断地址区 通常就要在中断地址区首地址中存放一条无条件转移指令。,内部程序存储器有一些特殊单元,中断源的入口向量地址,2-4 MCS-51单片机引脚,一、引脚功能 1I/O口线功能 4个8位并行 I/O 接口引脚 P0.0P0.7 、P1.0P1.7 、P2.0P2.7和 P3.0P3.7,2控制线 ALE：地址锁存允许信号端 PSEN：外部程序存储器读选通信号端 EA/VPP：程序存储器选择信号端和编程电源输入端,为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线和或I/O 接口外部引脚。,复位是单片机系统的初始化操作,复位电路,RST/VPD(9脚)：复位信号端和后备电源输入端。 RESET:复位信号输入引脚，高电平有效。在该引脚上输入持续2个机器周期以上的高电平时，单片机系统复位。 VPD使用后备电源，可实现掉电保护。,复位后对一些专用寄存器的影响,复位电路： 1）上电复位 2）外部信号复位,/VPP(31脚)：访问程序存贮器选择信号输入线。 当,为低电平时，CPU只能访问外部程序存储器。 当,为高电平时，CPU可访问内部程序存储器（当8051单片机的PC值小于等于0FFFH时），也可访问外部程序存储器（当PC值大于0FFFH时）。,（29脚）：外部程序存储器的读选通输出信号，低电平有效。在读外部程序存储器时CPU会送出有效的低电平信号。,ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号输出端，高电平有效。在访问外部存储器时，该信号将P0口送出的低8位地址锁存到外部地址锁存器中。,主电源及地引脚 VCC（40脚）：电源，正常操作时接+5V电源。 VSS（20脚）：地线。,其它控制引脚,并行输入/输出引脚 P0.0P0.7（3932脚）：8位漏极开路的三态双向输入/输出口。 P1.0P1.7（18脚）：8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。 P2.0P2.7（2128脚）：8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。 P3.0P3.7（1017脚）：8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。,信号引脚第二功能,（2）EPROM存贮器程序固化所需的信号 编程脉冲：30脚（ALE/PROG） 编程电压（25V）：31脚（EA/VPP）。,（3）备用电源引入 备用电源由9脚（RST/VPD）引入的。当电源发生故障，电压下降到下限时，备用电源经此向内部RAM提供电压，保护内部RAM中的信息不丢失。,（1）P3口的第二功能,对于P3口，实际上，都是先按需要选取第二功能，多余的再作为输入输出口使用,1 信息转存 当电源电压出现故障时，立即将有用信息转存到内部RAM中，信息转存是通过中断产生请求，执行中断报务程序，把有用信息送内部RAM中保护起来。因单片机电源都接有滤波电容，掉电后的电能能有效维持电压达几毫秒之久，足以完成掉电中断操作。 2 接通备用电源 信息转存后要维持内部RAM的供电，才能保持信息转存不被破坏，为此要接通备用电源。 3 单片机恢复正常工作后，被保护信息的现场恢复。,掉电保护,MCS-51如掉电，RAM数据将丢失，后果是严重的。,3、 复位引脚： 按图中连好，至于复位是何含义及为何需要复要复位，在下面的功能中介绍。,二、单片机的 最小系统,拿到一块芯片，想要使用它，首先必须要知道怎样连线，下面我们就看一下如何给它连线。,1、 电源： 这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。,2、 振蒎电路： 单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。只要买来晶振，电容，连上就可以了,4、 EA引脚： EA引脚接到正电源端。,至此，一个单片机就接好，通上电，单片机就开始工作了。,P0.0P0.7（3932脚）：8位漏极开路的三态双向输入/输出口。 P1.0P1.7（18脚）：8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。 P2.0P2.7（2128脚）：8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。 P3.0P3.7（1017脚）：8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。,2-5 并行输入/输出接口,一、P0口,可作为一般的I/O口使用，也可作为数据线、地址线使用。,当P0口作为一般的I/O口输出时，由于端口各端线输出电路是漏极开路电路，必须外接上拉电阻才能有高电平输出。,当P0口读引脚状态时，必须使电路中的锁存器写入高电平“1”，使场效应管FET截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚输入的干扰，使P0.状态始终为“0”。,二、P1口,P1口通常作为通用I/O口使用。作为输出口时，由于电路内部已经带上拉电阻，因此无需外接上拉电阻；作为输入口时，也需先向锁存器写入“1”。是一个标准的I/O口。,三、P2口,P2口可作为通用I/O口使用，也可作为高位地址线使用的。,四、P3口,P3口可作为通用I/O口使用，也可作为第二功能需要来用的。,I/O口功能的自动识别。无论是P0、P2口的总线复用功能，还是P3口的第二功能复用，单片机会自动选择，不需要用户通过指令选择。 I/O口的驱动特性。P0口每一个I/O口可驱动8个LSTTL输入，而P1、P2、P3口每一个I/O口可驱动4个LSTTL输入。在使用时应注意口的驱动能力。,五、MCS51系列单片机的并行I/O接口有以下应用特性,P0，P1，P2，P3作为通用双向I/O口使用时，输入操作是读引脚状态；输出操作是对口的锁存器的写入操作，锁存器的状态立即反映到引脚上。,两种读端口的方式。包括端口锁存器的读、改、写操作和读引脚的操作。,在单片机中，有些指令是读端口锁存器的，如一些逻辑运算指令、置位/复位指令、条件转移指令以及将I/O口作为目的地址的操作指