单片机基础

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 CentralProcessingUnit 随机存储器RAM RandomAccessMemory 只读存储器 ReadOnlyMemory 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 SingleChipComputer 简称单片机 也可称为微控制器MCU MicrocontrollerUnit 主要有Intel公司的MCS 48 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MCS 48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IntelMCS 48系列1978 高档8位单片机IntelMCS 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IntelMCS 96系列8098 8096 80C198 80C19632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MCS 51系列 在Intel公司将MCS 51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MCS 51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MCS 51系列单片机中的8051是其中最基础的单片机型号 MCS 51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 18051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P0P1P2P3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 28051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1 64KB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RAM2 特殊功能寄存器SFR 特殊存储单元 复位入口 0000H中断入口 0003H 0023H 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 READONLYMEMORY 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 RandomAccessMemory 只读存储器ROM ReadOnlyMemory RAM按生产工艺分 又可以分为双极型RAM和MOSRAM 而MOSRAM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 MOSRAM 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MOSRAM 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FlashROM 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 00H 7FH 的内部数据RAM块和高128个单元 80H 0FFH 的专用寄存器SFR块 1 工作寄存器 00H 1FH R0 R7 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R0 R7 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16 8 128位 位地址为00H 7FH 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2 1列出了位寻址区的位地址 2 位寻址区 20H 2FH 3 用户RAM区 30H 7FH 一般把堆栈放在这里 专用寄存器 A B PSW DPTR SPP0 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 80H FFH 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P0 P3 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4KBFlashROM 其地址均是0000H 0FFFH 其中一组特殊单元是0000H 0002H 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 0003H 000AH 外部中断0中断地址区000BH 0012H 定时器 计数器0中断地址区0013H 001AH 外部中断1中断地址区001BH 0022H 定时器 计数器1中断地址区0023H 002AH 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 4MCS 51单片机引脚 一 引脚功能1 I O口线功能4个8位并行I O接口引脚P0 0 P0 7 P1 0 P1 7 P2 0 P2 7和P3 0 P3 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 0 P0 7 39 32脚 8位漏极开路的三态双向输入 输出口 P1 0 P1 7 1 8脚 8位带有内部上拉电阻的准双向输入 输出口 P2 0 P2 7 21 28脚 8位带有内部上拉电阻的准双向输入 输出口 P3 0 P3 7 10 17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 0 P0 7 39 32脚 8位漏极开路的三态双向输入 输出口 P1 0 P1 7 1 8脚 8位带有内部上拉电阻的准双向输入 输出口 P2 0 P2 7 21 28脚 8位带有内部上拉电阻的准双向输入 输出口 P3 0 P3 7 10 17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 MCS 51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