单片机原理及应用(姜志海)教案

单片机原理及应用(姜志海)教案 单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青1第1讲单片机概述授课序号1授课日期xx年9月5日第1周班级光信0901-2课题名称第1章概述授课内容1.1微机基础知识概述1.2单片机概述授课时数2教学目标与目的要求本章主要介绍微机基础知识，单片机的基本概念、发展过程、应用特点和概况。 教学重点微型计算机基础知识，了解单片机的概念以及应用范围难点及突破难点的办法通过课件进行图文并茂的讲解教学环节时间分配类型讲授教学过程及时间分配1.组织教学2分钟2.复习微机基础知识43分钟3.导入新课并讲授新课40分钟4.总结布置习题5分钟教具1.相关教材2.计算机授课内容概要和实施步骤复习步骤一复习原计算机概论相关微型计算机硬件结构引入新课?1.硬件结构运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成名词解释CPU,存储器，ROM,RAM,I/O口，总线（AB,DB,CB）地址总线的计算方法2n方2.微机软件 （1）指令和程序，名词解释?软件是指使用和管理计算机的各种程序（Program），而程序是由一条条指令（Instruction）组成的。 ?1指令?2程序单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青2 （2）机器语言，汇编语言，高级语言 （3）汇编，编译，解释程序112计算机中的数制1.计算机中的数制十进制0123456789101112二进制0000000100100011010001010110011110001001101010111100十六进制0123456789A BC为了区别十进制数、二进制数及十六进制数3种数制，可在数的右下角注明数制，或者在数的后面加一字母。 如B(binary)表示二进制数制；D(decimal)或不带字母表示十进制数制；H(hexadecimal)表示十六进制数制。 2.带符号数的表示原码、反码、补码3.带符号数的溢出及判断1.1.3计算机中常用编码1.英文字符的表示方法ASC码(见P256附录A)如何查表2.BCD码（二进制编码的十进制数）解释压缩、非压缩BCD码表示3.简介汉字编码步骤二导入新课，1.2单片机概述自从20世纪70年代推出单片机以来，作为微型计算机的一个分支，单片机经过30多年的发展，已经在各行各业得到了广泛的应用。 由于单片机具有可靠性高、体积小、干扰能力强、能在恶劣的环境下工作等特点，且有较高的性价比，因此广泛应用于工业控制、仪器仪表智能化、机电一体化、家用电器等领域。 本章主要介绍单片机的基本概念、发展过程、应用特点和概况。 讲授新课单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青3？单片机主要用在什么地方呢？我们平常能够接触到吗？ 一、单片机的应用领域在工业控制、智能仪表、自动化装置、通信系统、信号处理等领域以及家用电器、高级玩具、办公自动化设备等方面均得到广泛的应用。 (1)工业测控对工业设备(如机床、汽车、高档中西餐厨具、锅炉、供水系统、生产自动化、自动报警系统、卫星信号接收等)进行智能测控，大大降低了劳动强度和生产成本，提高了产品质量的稳定性。 (2)智能设备用单片机改造普通仪器、仪表、读卡机等，使其(集测量、处理、控制功能为一体)智能化、微型化，如智能仪器、医疗器械、数字示波器等。 (3)家用电器如高档的洗衣机、空调器、电冰箱、微波炉、彩电、DVD、音响、手机、高档电子玩具等，用单片机做自动控制。 (4)商用产品如自动售货机、电子收款机、电子秤等。 (5)网络与通信的智能接口在大型计算机控制的网络或通信电路与外围设备的接口电路中，用单片机来控制或管理，可大大提高系统的运行速度和接口的管理水平。 如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机等。 ？那单片机为什么能够有这么多用途呢？到底什么是单片机呢？它有些什么特点呢？ 二、单片机的概念单片机是将CPU、存储器(RAM和ROM)、定时/计数器以及I/O接口等主要部件集成在一块芯片上的微型计算机。 单片机是单片微机(Single ChipMicroputer)的简称，但准确反映单片机本质的名称应是微控制器MCU(Micro ControllerUnit)。 目前国外已普遍称之为微控制器。 鉴于它完全作嵌入式应用，故又称为嵌入式微控制器(EmbeddedMicrocontroller)。 三、单片机的特点单片机作为微型计算机的一个分支，与一般的微型计算机没有本质上的区别，同样具有快速、精确、记忆功能和逻辑判断能力等特点。 但单片机是集成在一块芯片上的微型计算机，它与一般的微型计算机相比，在硬件结构和指令设置上均有独到之处，主要特点有 (1)目前大多数单片机采用哈佛(Harvard)结构体系，存储器ROM和RAM是严格区分、相互独立的。 (2)I/O引脚通常是多功能的。 由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。 引脚处于哪种功能可由指令来设置或由机器状态来区分。 (3)有面向控制的指令系统。 为满足控制的需要，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令、I/O接口的逻辑操作以及位处理指令。 所以，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。 (4)外部扩展能力强。 在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青4展，如扩展存储器、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等，可与许多通用的微机接口芯片兼容，系统设计方便灵活。 正因为如此，单片机具有功能强、体积小、成本低、功耗小、配置灵活等特点，使其在工业控制、智能仪表、自动化装置、通信系统、信号处理等领域以及家用电器、高级玩具、办公自动化设备等方面均得到广泛的应用。 ？那么单片机是怎么发展而来的呢？其发展状况又如何呢？ 四、发展概况1第一代单片机探索阶段(19741978年)2第二代单片机完善阶段(19781983年)3第三代微控制器形成阶段4第四代微控制器百花齐放5单片机技术发展方向 （1）CPU的发展8位?16位?32位 （2）片内存储器的发展扩大存储容量；片内EPROM开始E2PROM化；片内程序的保密措施 （3）加强片内输入输出接口功能 （4）单片机在工艺上的提高 （5）相关开发软件的发展？常用的单片机有哪些呢？ 五、常用单片机系列介绍目前世界上单片机生产厂商很多,如:Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、ADM、Zilog等公司,其主流产品有几十个系列,几百个品种。 尽管其各具特色,名称各异,但作为集CPU、RAM、ROM（或EPROM）、I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机,其原理大同小异。 现以Intel公司的系列产品为例,说明各系列之间的区别。 从1976年8位单片微机诞生以来，在单片微机领域中一直是以8位机为主流机型的，预计这种情况还将继续下去。 自1976年Intel公司推出MCS-48系列单片机以来，单片机经过了30年的迅猛发展，有了繁多的系列和五花八门的机种，现介绍几种主要的系列。 18051单片机8051单片机最早由Intel公司推出，其后多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛。 2WINBOND单片机（华邦公司）3LG公司生产的GMS90系列单片机应用于多功能电话、智能传感器、电量表、工业控制、防盗报警装置、各种计费器、单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青5各种IC卡装置、DVD、VCD、CD-ROM。 4MSP430单片机TI的MSP430单片机是最近引进中国的品种。 它在超低功耗方面有突出的表现，经常被电池应用设计师所选用，被业界称为绿色MCU。 5Motorola单片机Motorola是世界上最大的单片机厂商。 Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强。 更适合于工业控制领域及恶劣的环境。 6MicroChip单片机7Atmel公司的AVR单片机8EM78系列OTP型单片机9Zilog单片机 六、MCS-51系列单片机的分类MCS-51系列单片机共有二十多种芯片。 单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青61按片内不同程序存储器的配置来分MCS-51系列单片机按片内不同程序存储器的配置来分，可以分为以下3种类型。 (1)片内带Mask ROM(掩膜ROM)型 8051、80C 51、 8052、80C52。 此类芯片是由半导体厂家在芯片生产过程中，将用户的应用程序代码通过掩膜工艺制作到ROM中。 其应用程序只能委托半导体厂家“写入”，一旦写入后不能修改。 此类单片机适合大批量使用。 (2)片内带EPROM型 8751、87C 51、8752。 此类芯片带有透明窗口，可通过紫外线擦除存储器中的程序代码，应用程序可通过专门的编程器写入到单片机中，需要更改时可擦除重新写入。 此类单片机价格较贵，不宜于大批量使用。 (3)片内无ROM(ROMLess)型 8031、80C 31、8032。 此类芯片的片内没有程序存储器，使用时必须在外部并行扩展程序存储器存储芯片。 此类单片机由于必须在外部并行扩展程序单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青7存储器存储芯片，造成系统电路复杂，目前较少使用。 2按片内不同容量的存储器配置来分按片内不同容量的存储器配置来分，可以分为以下两种类型。 (1)51子系列型芯片型号的最后位数字以1作为标志，51子系列是基本型产品。 片内带有4KB ROM/EPROM( 8031、80C31除外)、128B RAM、2个16位定时器/计数器、5个中断源等。 (2)52子系列型芯片型号的最后位数字以2作为标志，52子系列是增强型产品。 片内带有8KB ROM/EPROM( 8032、80C32除外)、256B RAM、3个16位定时器/计数器、6个中断源等。 3按芯片的半导体制造工艺上的不同来分按芯片的半导体制造工艺上的不同来分，可以分为以下两种类型。 (1)HMOS工艺型 8051、 8751、 8052、8032。 HMOS工艺，即高密度短沟道MOS工艺。 (2)CHMOS工艺型80C 51、83C 51、87C 51、80C 31、80C 32、80C52。 此类芯片型号中都以字母“C”来标识。 此两类器件在功能上是完全兼容的，但采用CHMOS工艺的芯片具有低功耗的特点，常用于构成低功耗的应用系统。 七、AT89系列单片机分类在MCS-51系列单片机8051的基础上，Atmel公司开发的AT89系列单片机自问世以来，以其较低廉的价格和独特的程序存储器快闪存储器(Flash Memory)为用户所青睐。 采用了快闪存储器(Flash Memory)的AT89系列单片机，不但具有一般MCS-51系列单单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青8片机的基本特性(如指令系统兼容，芯片引脚分布相同等)，而且还具有以下一些独特的优点。 (1)片内程序存储器为电擦写型ROM(可重复编程的快闪存储器)。 整体擦除时间仅为10ms，可写入/擦除1000次以上，数据保存10年以上。 (2)两种可选编程模式，即可以用12V电压编程，也可以用VCC电压编程。 (3)宽工作电压范围，VCC为2.76V。 (4)全静态工作，工作频率范围为024MHz，频率范围宽，便于系统功耗控制。 (5)3层可编程的程序存储器上锁加密，使程序和系统更加难以仿制。 总之，AT89系列单片机与MCS-51系列单片机相比，前者和后者有兼容性，但前者的性能价格比等指标更为优越。 ！友情提醒初学单片机时总觉得这也不清楚那也不明白，学了半天还是一头雾水，这一是与现行的教材只讲理论，理论与实验脱离有关，二是对单片机的整个开发过程不知有关。 实际上学习单片机要换一种思路来学，单片机的有些知识你不要问为什么，你照着做就行了。 例如对于每条指令你能问为什么这样吗？不能，这是设计工程师设计时设计的。 要知道单片机种类很多，但不管哪种单片机，厂家都要配套提供编程器（固化程序）、硬件仿真器、开发软件（编译软件）、指令系统，芯片使用说明书，没有这些你很难进行二次开发，除非你是绝对高手，破解芯片。 知道了这些，就懂得了我们所做的工作就是按厂家提供的方法怎样使用好这个芯片、设计好你所需要的电路、按产品所要实现的功能编好程序。 步骤三课堂小结单片机是微型计算机的一个分支，由硬件系统和软件系统构成。 单片机是将CPU、存储器(RAM和ROM)、定时器/计数器以及I/O接口等主要部件集成在一块芯片上的微型计算机。 它具有功能强、体积小、抗干扰能力强、性价比高等特点，可作为常规器件应用于各种智能化系统中。 单片机与一般的微型计算机相比，在硬件结构和指令设置上有以下主要特点。 (1)大多数单片机采用哈佛(Harvard)结构体系，存储器ROM和RAM是严格区分、相互独立的。 小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加速单片机的执行速度，同时程序在只读存储器ROM中运行，不易受外界侵害，可靠性高。 (2)I/O引脚通常是多功能的。 (3)有面向控制的指令系统，如丰富的转移指令、I/O接口的逻辑操作以及位处理指令等。 使单片机具有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。 (4)外部扩展能力强。 如扩展存储器、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等，可与许多通用的微机接口芯片兼容，系统设计方便灵活。 步骤四布置作业课外指导及作业习题P16-1,3,5,6,7,8,9备注单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青9第2章MCS-51系列单片机的内部结构授课序号2授课日期xx年9月7日第1周班级光信0901-2课题名称第2章MCS-51系列单片机的内部结构授课内容MCS-51系列单片机的内部结构和引脚说明授课时数2教学目标与目的要求本章主要介绍MCS-51系列单片机芯片内的硬件结构、性能特性教学重点重点要求掌握MCS-51型单片机的内部结构框图以及8051内部组成部件难点及突破难点的办法通过多媒体，结合有关的图形，以及设计作品实物加以讲解教学环节时间分配类型讲授教学过程及时间分配1.组织教学2分钟2.讲授内容83分钟3.课堂小结5分钟教具 1、多媒体教室，U盘 2、讲义与实验指导、教材 3、教学系统授课主要内容和实施步骤复习以提问的形式复习上一次课的主要内容步骤一:新课引入MCS-51系列单片机产品有8051，8031，8751，80C51，80C31，89C51等型号（前三种为CMOS芯片，后两种为CHMOS芯片）。 它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上有所不同。 8051内部设有4K字节的掩模ROM程序存储器，8031片内没有程序存储器，而8751是将8051片内的ROM换成EPROM。 89C51将EPROM改成了4K的闪速存储器，可擦写1万次以上不坏，本章将对8051单片机的结构作一介绍。 步骤二:新课讲解 一、MCS-51型单片机的内部结构框图8051单片机片内集成了中央处理器(CPU)、4KB程序存储器(ROM)、128B数据存储器(RAM)、128B特殊功能寄存器(SFR)、2个16位的定时器/计数器(T0和T1)、4个8位的并行I/O端口(P 0、P 1、P 2、P3)、1个串行口、中断系统等。 它们是通过片内单一总线连接起来的。 如图所示为8051单片机功能方框图。 单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青10注图中4K （4096）字节的ROM存储器部分用EPROM替换就成为8751；图中去掉ROM部分就成为8031的结构图。 二、8051内部组成部件介绍1中央处理器CPU(8位机)CPU由运算器和控制器组成，是单片机的核心，完成运算和控制操作。 1)运算器ALU运算器是单片机的运算部件，用于实现二进制的算术运算和逻辑运算。 它由图2.2中的ALU(算术运算单元)、累加器ACC、寄存器B、程序状态字PSW、两个暂存器和位处理机等组成。 (1)算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B。 运算器以ALU为核心，它不仅能完成8位二进制的加、减、乘、除、加 1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算，还能对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环移位、求补、清零等逻辑运算，并具有数据传输、程序转移等功能。 累加器(ACC，简称累加器A)为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁的寄存器。 进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多A，运算结果也常送回A保存。 寄存器B是为ALU进行乘除法运算而设置的。 若不作乘除运算时，则可作为通用寄存器使用。 (2)程序状态字程序状态字PSW是一个8位的标志寄存器，它保存指令执行结果的特征信息，以供程序查询和判别。 其各位的定义如下单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青11 (3)布尔处理机（位处理机）它可对直接寻址的位(bit)变量进行位处理，如置位、清零、取反、测试转移以及逻辑“与”、“或”等位操作，使用户在编程时可以利用指令完成原来单凭复杂的硬件逻辑所完成的功能，并可方便地设置标志等。 2)控制器控制器是单片机的神经中枢，它保证单片机各部分能自动而协调地工作。 控制器由定时和控制电路单元、程序计数器PC、PC增量器、指令寄存器、指令译码器、堆栈指针SP和数据指针DPTR等部件组成。 其中，程序计数器PC是一个不可寻址的16位专用寄存器(不属于特殊功能寄存器)，用来存放下一条指令的地址，具有自动加1的功能。 单片机执行指令是在控制器的控制下进行的当CPU执行指令时，根据程序计数器PC中的地址从程序存储器中读出指令，送入指令寄存器中保存，然后送入指令译码器中进行译码，译码结果送到定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到系统的各个部件去进行相应的操作，随后程序计数器中的地址自动加1，以便为CPU取下一个需要执行的指令码做准备。 当下一条指令码取出执行后，PC又自动加1，使指令被一条条地执行。 这就是执行指令的全过程。 2内部程序存储器(ROM)8051单片机内有4KB掩膜ROM，主要用于存放程序、原始数据和表格等内容，因此称为内部程序存储器或片内ROM。 3内部数据存储器(RAM)8051单片机中共有256个RAM单元，但其中后128个单元被特殊功能寄存器(SFR)占用，可供用户用来存放可读取数据的只有前128个单元，通常把这部分单元称为内部数据存储器或片内RAM。 4定时器/计数器8051单片机片内有2个16位的定时器/计数器(T 0、T1)，并能以其定时或计数的结果对系统进行控制。 5并行I/O接口8051单片机片内有4个8位并行I/O接口(P 0、P 1、P 2、P3)。 它们可双向使用，实现数据的并行输入/输出。 6串行通信口8051单片机片内有一个全双工的串行通信口，实现单片机和其他数据设备间的串行数据传送。 该串行通信口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位寄存器使用。 7中断控制系统8051单片机共有5个中断源，即如下所列 (1)2个外部中断源。 单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青12 (2)2个定时器/计数器中断源。 (3)1个串行中断源。 中断优先级分为高、低两级。 三、MCS-51型单片机外部引脚说明双列直插式封装(DIP)的8051单片机有40条引脚，其引脚图及逻辑符号如图2.3所示。 除了DIP封装外，它还有其他封装格式，如TQFP、PLCC等。 使用芯片时，具体的封装格式可查阅有关手册。 这40个引脚按照功能可分成以下几类电源线和外接晶振线（4根）电源、地各1根，XTAL1和XTAL2（2根）端口线（32条）4X8=32控制线（6条）ALE/PROG EA/VPP PSENRST/VPD1.电源及外接晶体引脚 (1)VCC(40脚)接+5V电源正端。 (2)VSS(20脚)接+5V电源地端。 (3)XTAL 1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。 XTAL1(19脚)接外部石英晶体的一端。 在单片机内部，它是一个反相放大器的输入单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青13端，这个放大器构成了片内振荡器。 当采用外接晶体振荡器时，该引脚接地。 XTAL1(18脚)接外部石英晶体的另一端。 在单片机内部，它是一个反相放大器的输出端。 当采用外接晶体振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 2输入/输出(I/O)引脚8051共有4个8位并行I/O端口P 0、P 1、P 2、P3端口，共32个引脚。 P3端口还具有第二功能，用于特殊信号输入/输出和控制信号(属控制总线)。 (1)P0端口通常用作8位数据总线或低8位地址总线的信息传送。 (2)P1端口一般用作通用数据I/O接口使用。 (3)P2端口通常用作高8位地址总线的信息传送。 (4)P3口常用于以第二功能(有8种)的输入/输出的形式。 详解 (1)P0端口(3932脚)P0.0P0.7统称为P0端口，双向8位三态I/O接口。 在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，作为I/O接口使用，可直接连接外部I/O设备。 在接有片外存储器或扩展I/O接口时，P0端口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。 P0端口能驱动8个TTL负载。 (2)P1端口(18脚)P1.0P1.7统称为P1端口，8位准双向I/O接口。 由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O接口。 它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线(作为输入时，端口锁存器必须置1)。 P1端口能驱动4个TTL负载。 (3)P2端口(2128脚)P2.0P2.7统称为P2端口，一般可作为准双向I/O接口使用；在接有片外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256B时，P2端口用作高8位地址总线。 P2端口能驱动4个TTL负载。 (4)P3端口(1017脚)P3.0P3.7统称为P3端口。 除作为准双向I/O接口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3端口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能。 P3端口能驱动4个TTL负载。 P3端口的第二功能见表2-1。 3控制引脚控制引脚包括ALE、PSEN、RESET(即RST)、EA等。 此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。 单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青14 (1)ALE/PROG(30脚)地址锁存有效信号输出端。 ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。 在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存器P0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。 对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲PROG的输入端。 (2)RST/V PD(9脚)RST即为RESET，V PD为备用电源。 该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。 当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。 上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平时必须持续10ms以上才能保证有效复位。 当V CC发生故障或掉电时，此引脚可接备用电源(V PD)，以保持内部RAM中的数据不丢失。 当V CC下降到规定值以下，而V PD在其规定的电压范围内(5V0.5V)时，V PD就向内部RAM提供备用电源。 (3)PSEN(29脚)片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。 当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0端口读回指令或常数。 在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。 (4)EA/VPP(31脚)EA为片外程序存储器选用端。 当EA保持为高电平时，首先访问内部程序存储器，在程序计数器PC值超过片内程序存储器容量(8051单片机为4KB)时，将自动转向执行外部程序存储器中的程序。 当EA保持为低电平时，只访问外部程序存储器，而不管是否有内部程序存储器。 对于片内含有EPROM的机型(如8751)，在EPROM编程期间，此引脚用作21V编程电源VPP的输入端。 步骤三课堂小结本堂课主要介绍了MCS-51型单片机的内部结构框图、8051内部组成部件、MCS-51型单片机外部引脚说明。 重点要求掌握MCS-51型单片机的内部结构框图以及8051内部组成部件，对于外部引脚主要了解引脚的使用条件即可。 课外指导及作业P33:1，2,3,4备注单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青15第3讲MCS-51系列单片机的内部结构授课序号3授课日期xx年9月8日第1周班级光信0901-2课题名称第2章MCS-51型单片机的内部结构授课内容MCS-51型单片机存储器授课时数2教学目标与目的要求掌握MCS-51单片机存储器的构成、外部时钟电路的接线法以及复位电路。 教学重点MCS-51单片机的内部数据存储器的构成难点及突破难点的办法通过多媒体，结合有关的图形加以讲解教学环节时间分配类型讲授教学过程及时间分配1.组织教学2分钟2.复习旧课5分钟3.讲授新课78分钟4.总结5分钟教具1.多媒体素材2.计算机房、投影仪授课主要内容和实施步骤复习以提问的形式复习上一次课的主要内容步骤一引入新课MCS-51的存储器把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统，控制信号和功能。 程序存储器（ROM）用来存放程序和始终要保留的常数，最大64K。 数据存储器（ROM）用来存放程序运行中所需要的常数或变量，最大可扩展到64K。 8051存储器程序存储器（64K）片内EA=1地址范围0000H0FFFH(4K)片外EA=0地址范围1000HFFFFH数据存储器片内（256B）片外单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青16步骤二新课讲解 一、程序存储器程序存储器以程序计数器PC作地址指针（通过16位地址总线可寻址的地址空间为64K字节）。 复位后（可从该示意图看出）程序计数器PC的内容为0000H。 因此，系统从0000H单元开始取指，并执行程序，它是系统执行程序的起始地址。 二、内部数据存储器00H1FH20H2FH30H7FH0组1组2组3组位地址为00H7FH只能按字节寻址的RAM区既可按位也可按字节寻址的16字节(128位)4组工作寄存器每组为R0R7(也可作按字节寻址的RAM用)32字节FFHB8HB0HA8HA0H98H90H88H80HF0HE0HD0HC8H专用寄存器中的可寻址位(93位)80H特殊功能寄存器128255内部数据RAM0127通用RAM区单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青17内部数据存储器是最灵活的地址空间。 其中内部数据RAM128B（字节）。 1.00H-1FH32个单元用作工作寄存器，分为四个区，每区8个单元用R0-R7表示。 使用说明同一程序中，R0-R7不能重复使用，若要重复使用，则必须设定区间。 设定方法是通过PSW的D4，D3位来表示。 若程序中未设定PSW，则出现的R0R7默认为0区。 区号由PSW.4和PSW.3提供PSW.4PSW.300011011设定工作区时，通过CLR和SET两个指令来完成。 例如要设定0区，则方法如下CLR PSW.4;CLR PSW.3;要设定为1区，则CLR PSW.4;SET PSW.3;思考如要设定为2区和3区该如何完成？220H-2F16个单元用作位寻址区。 数据缓冲器位寻址区（00H7FH）工作寄存器区3（R0R7）工作寄存器区2（R0R7）工作寄存器区1（R0R7）工作寄存器区0（R0R7）08H7FH30H2FH20H1FH07H00H10H0FH17H18H?0区?1区?2区?3区单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青18每一位都有一个位地址，位地址范围00H7FH。 表示方法1.直接用位地址表示。 2.字节地址与位数相结合的表示法。 如21H.3位的作用作记号。 例如比较两个数是否相等，“位”作为是否相等的标记号，若相等，“位”值为0，不相等“位”值是1，则最后只要判断这“位”的值是0.还是1就能判断出这两个数是否相等了。 3.30H-7FH一般的缓冲区。 后进先出的缓冲器区,堆栈一般设在该区。 三、SFR（特殊功能寄存器）地址空间为80H-FFH。 51子系列单片机中共定义了21个特殊功能寄存器，它们离散地分布在80HFFH的128个特殊功能寄存器地址空间中，其名称和字节地址见表2-6。 注意这128字节的SFR区中只有21个字节是有定义的，若访问的是这个区中没有定义的单元，则得到的是一个随机数。 有定义的21个单元中，其中有11个特殊功能的寄存器可以位寻址，它们字节地址的低半字节都为0H或8H(即可位寻址的特殊功能寄存器的字节地址具有能被8整除的特征)。 单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青19 四、MCS-51型单片机的时钟电路MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端。 在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。 1内部方式时钟电路2外部方式时钟电路单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青20（a）内部振荡器方式（b）外部振荡器方式按不同工艺制造的单片机芯片外接振荡器时的接法芯片类型接法XTAL1XTAL2CHMOS接外部振荡器脉冲输入端(带上拉电阻)悬浮HMOS接地接外部振荡器脉冲输入端(带上拉电阻)MCS-51的外部时钟源接法中，CPU在执行指令时，各控制信号在时间顺序上的关系称为时序。 这其中有几个周期概念给大家介绍一下。 (1)振荡周期(用T表示)晶体振荡器直接产生振荡信号的周期。 (2)机器周期(用MC表示)完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。 1个机器周期=12个振荡周期。 (3)指令周期(用IC表示)执行一条指令所需的全部时间称为指令周期。 MCS-51单片机的指令周期一般需要 1、 2、4个机器周期。 【例2-1】已知晶振频率分别为6MHz、12MHz，试计算出它们的机器周期和指令周期。 解 (1)当晶振频率为6MHz时振荡周期=1/振荡频率=1/6(s)机器周期=12振荡周期=121/6(s)=2(s)指令周期=(14)机器周期=28(s) (2)当晶振频率为12MHz时振荡周期=1/振荡频率=1/12(s)机器周期=12振荡周期=1(s)指令周期=(14)机器周期=14(s)由此可见，单片机在晶振频率为12MHz时，执行一条指令最多需要14s。 五、MCS-51型单片机的复位电路系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，复位使CPU和其他部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。 单片机的复位电路有两种上电自动复位和按键手动复位。 单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青21MCS-51型单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。 复位的条件是在时钟电路工作以后，当外部电路在RST引脚施加持续2个机器周期(24个振荡周期)以上的高电平时，使系统内部复位。 复位后各特殊功能寄存器的初始状态见表2-7。 注意表中几个特殊的初始值所包含的意义。 (1)P0P3=FFH，表明复位后各并行I/O端口的锁存器已写入“1”，此时不但可用于输出，也可以用于输入。 (2)PSW=00H，表明当前CPU的工作寄存器选为0组。 (3)SP=07H，表明堆栈指针指向片内RAM的07H单元(第一个被压入的内容将写入到08H单元)。 因为复位后工作寄存器选为0组(地址为00H07H)，所以堆栈只能选在07H以上的地址。 (4)程序计数器PC=0000H。 六、最小系统以前一个最小的微机系统就是由三片集成块组成，它们是一块CPU （8031），一块8位3态D锁存器74LS373，一块ROM或RAM.这三样称作老三件，当然有了这三件还是不能工作，还要一个时钟电路和复位电路，由这些才组成了一个完整的最少系统。 单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青22步骤三课堂小结MCS-51系列单片机的存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的存储空间。 8051单片机片内有4KB的程序存储器容量，片内程序存储器容量不够时可外扩，程序存储器容量内、外容量相加最多为64KB。 数据存储器外扩最多为64KB，片内有128字节的片内RAM，其中低32字节用作工作寄存器(工作寄存器0组3组)、20H2FH共16字节是位寻址区，开辟了128个位地址(00H7FH)，其余的是80字节单元的通用数据缓冲区。 片内有21个特殊功能寄存器离散地分布在80HFFH的128个地址空间中。 8051单片机有4个8位的并行I/O端口P0P3，各端口均有端口锁存器。 在无外扩和第二功能的情况下，均可作为通用的数据输入/输出端口用，并且均为准双向端口，即在作输入端口使用时，要先使端口锁存器置“1”。 在有外扩时，P0端口作为分时复用的低8位地址线/数据线，P2端口作为高8位地址线。 P3端口的每一位都有第二功能，只有P1端口是单纯的通用数据输入/输出端口。 复位后，PC内容为0000H；P0P3内容为FFH；SP内容为07H；SBUF内容不定；IP、IE和PCON的有效位为0；其余特殊功能寄存器的状态均为00H。 步骤四布置作业1.MCS-51单片机片内256字节单元的数据存储器可分为几个区？各自的功能是什么？2.MCS-51单片机的4个工作寄存器组是通过哪些位进行选择的？开机复位后，CPU使用的是哪组工作寄存器？若要使用工作寄存器1组，应完成哪些操作？课外指导及作业P33:5,6,7,8,10,11,12备注单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青23第4讲MCS-51系列单片机指令系统的基本概念以及寻址方式授课序号4授课日期xx年9月14日第2周班级光信0901-2课题名称第3章MCS-51系列单片机指令系统的基本概念以及寻址方式授课内容MCS-51系列单片机指令系统的基本概念以及寻址方式授课时数2教学目标与目的要求掌握MCS-51系列单片机的指令系统的基本概念以及寻址方式教学重点MCS-51系列单片机的寻址方式难点及突破难点的办法通过多媒体，结合有关的图形加以讲解教学环节时间分配类型讲授教学过程及时间分配1.组织教学2分钟2.复习旧课5分钟3.讲授新课78分钟4.总结5分钟教具1.多媒体素材2.计算机房、投影仪授课主要内容和实施步骤复习以提问的形式复习上一次课的主要内容步骤一新课引入本章结合实例介绍MCS-51型单片机的寻址方式和指令系统，在熟悉指令系统的基础上，介绍用汇编语言进行程序设计的方法。 步骤二讲授新课 一、几个概念1.指令用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存储器位置的一个二进位串。 简单的说，指令就是计算机能直接识别的由0和1组成的编码。 这种编码也称为机器码或机器语言。 操作码表明指令要执行的做作性质。 指令操作数说明参与操作的数据和数据存放的地址。 单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青242.目标程序由机器码编制的计算机能识别和执行的程序称为目标程序（目的程序）。 3.汇编程序用汇编语言编写的能实现某些功能的程序。 程序是由多条指令组成的。 二、指令格式标号操作码操作数；注释例START:MOV A,#0F0H;立即数F0H?A说明1.标号由用户定义，必须用大写英文字母，可有可无，若有，则代表该指令第一个字节所存放的存储单元的地址，故又称符号地址。 汇编时，把该地址赋值给标号。 2.操作码是指令的功能部分，不能缺省，是便于记忆的助记符。 如MOV是数据传送的助记符，ADD是加的助记符。 3.操作数是指令要操作的数据信息，根据不同的功能，操作数可以有1个，2个，3个或没有操作数。 注意16进制数据的写法，以H结尾，若数据的第一个数是字母，则应在其前加数字0。 4.诠释为了便于阅读（以例为证）用汇编语言指令编写的程序计算机不能直接识别，必须通过汇编程序把它翻译成机器码，这个翻译过程称为汇编。 三、指令分类MCS-51单片机指令系统共有指令111条，分为5大类。 1数据传送类指令29条它分为片内RAM、片外RAM、ROM的传送指令，堆栈操作及数据交换指令。 2算术运算类指令24条它分为加、减、乘、除、加 1、减1及十进制调整指令。 3逻辑运算类指令24条它分为逻辑“与”、“或”、“异或”、“非”及移位指令。 4位操作类指令12条它分为位传送、置位、清零及位逻辑指令。 5控制转移类指令22条它分为无条件转移、条件转移、比较转移、循环转移及子程序调用和返回指令。 四、指令描述符号介绍在具体介绍指令之前，先来对描述指令的一些符号意义进行简单的介绍。 (1)Ri工作寄存器0和工作寄存器1，i= 0、1。 (2)Rn工作寄存器R0R7。 (3)Ri通过寄存器Ri间接寻址的8位片内RAM单元0255。 单片机原理与应用教案华中科技大学武昌分校信息科学与技术系陈青25 (4)direct直接数据单元地址，8位，它可以是片内RAM单元的00H7FH及SFR的80HFFH。 (5)#data立即地址，8位常数。 (6)#data1616位立即数。 (7)addr1616位目标地址。 用于LCALL和LJMP指令，能调用或转移到64KB程序存储器地址空间的任何地方。 (8)addr1111位目标地址。 用于ACALL和AJMP指令，可在下一条指令所在的2KB页面内调用或转移。 (9)rel带符号的8位偏移地址，用于SJMP和所有的条件转移指令。 其范围是相对于下一条指令第1字节地址的-128+127B。 (10)DPTR数据指针，可用作16位的地址寄存器。 (11)bit位地址。 片内RAM中的可寻址位及SFR中的可寻址位。 (12)A累加器ACC。 (13)B通用寄存器，用于MUL和DIV指令中。 (14)Cy进位标志位或布尔处理器中的累加器。 (15)间接寄存器或基址寄存器的前缀，如Ri、A+PC、A+DPTR。 五、寻址方式寻址就是寻找操作数的地址。 绝大多数指令执行时都需要使用操作数，这就存在着到哪里去取操作数的问题。 因为在计算机中只要给出单元地址，就能得到所需要的操作数，因此所谓寻址，其实质就是如何确定操作数的单元地址问题。 MCS-51单片机共有7种寻址方式，即立即寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器