单片机基础知识ppt课件

单片机应用基础 一 单片机概述与结构 6 1单片机的用武之地 单片机体积小 功耗低 价格低廉 速度快 用途广 灵活性强 且具有逻辑判断 定时计数 程序控制等多种功能 特点 6 1单片机的用武之地 单片机被广泛应用于仪器仪表 家用电器 医用设备 航天航空 工农业生产 服务行业 专业设备的智能化管理及过程控制等领域 应用 6 2单片机的基本概念 上个世纪70年代 一些半导体公司开始推出一种集成电路 它包含了计算机的三大组成部分 CPU 存储器和I O接口等部件 由于它是在一个芯片上 形成芯片级的微型计算机 称为单片微型计算机 SingleChipMicrocomputer 简称单片机 6 2单片机的基本概念 单片机系统结构均采用冯 诺依曼提出的 存储程序 思想 即程序和数据都被存放在内存中的工作方式 用二进制代替十进制进行运算和存储程序 人们将计算机要处理的数据和运算方法 步骤 事先按计算机要执行的操作命令和有关原始数据编制成程序 二进制代码 存放在计算机内部的存储器中 计算机在运行时能够自动地 连续地从存储器中取出并执行 不需人工加以干预 6 2单片机的基本概念 最基本的单片机组成 6 2单片机的基本概念 图1 2典型的单片机组成框图 中央处理器 存储器 6 2单片机的基本概念 6 3单片机的发展 单片机能够一次处理的数据的宽度 有1位机 4位机 8位机 16位机 32位机 位数 Intel8位单片机的发展第一代 以1976年推出的MCS 48系列为代表 第二代 以MCS 51的8051为代表的单片机 第三代 以51系列 AVR PIC等为代表 6 3单片机的发展 MCS 51系列单片机中 有两个子系列 51子系列 52子系列 51子系列 8051 8751和8031三个型号 后来经过改进产生了80C51 87C51和80C31三个型号 52子系列 8052 8752和8032三个型号 改进后的型号是80C52 87C52和80C32 6 3单片机的发展 IntelP8051AH实物照片 6 3单片机的发展 51兼容单片机 6 3单片机的发展 51兼容单片机 运算器 实现算术运算或逻辑运算包括 算术逻辑单元ALU 累加器A 暂存寄存器TR 标志寄存器F或PSW 通用寄存器GR 中央处理器CPU运算器和控制器集成在一个芯片上 控制器 中枢部件 控制计算机中的各个部件工作包括 指令寄存器IR 指令译码器ID 程序计数器PC 定时与控制电路 6 4单片机组成 存储器 记忆 由存储单元组成 包括 ROM RAM 总线BUS 在微型计算机各个芯片之间或芯片内部之间传输信息的一组公共通信线 包括 数据总线DB 双向 宽度决定了微机的位数 地址总线AB 单向 决定CPU的寻址范围 控制总线CB 单向 I O接口 数据输入输出 包括 输入接口 输出接口 6 4单片机组成 字长 CPU能并行处理二进制的数据位数8位机 16位机 32位机和64位机 内存容量 存储单元能容纳的二进制数的位数容量单位 1K 210 1024 1M 220 1KK8K 64K 16M 64M 运算速度 CPU处理速度时钟频率 主频 每秒运算次数6MHz 12MHz 24MHz 100MHz 300MHz 内存存取时间 内存读写速度50nS 70nS 200nS 6 5单片机主要技术指标 6 6MCS 51系列单片机 MCS 51系列单片八大机组成部分 图1 4MCS 51系列单片机内部结构简化框 内部结构由运算部件和控制部件组成 是单片机的核心部件 CPU 算术逻辑运算单元ALU 累加器ACC 程序状态字寄存器PSW 堆栈指针SP 寄存器B 程序计数器PC 指令寄存器IR 暂存器等部件 包括 8位中央处理机 CPU 6 6MCS 51系列单片机 图1 4MCS 51系列单片机内部结构简化框 随机存储器 用于存放数据和运算结果 RAM的内容是易失性 掉电后会丢失 128个字节 片内数据存储器RAM 6 6MCS 51系列单片机 图1 4MCS 51系列单片机内部结构简化框 用以存放程序 原数据和表格 4KB 片内程序存储器EPROM或ROM EPROM 存储器编程后 其内容可用紫外线擦除 用户可反复使用 用于开发过程 但价格高 6 6MCS 51系列单片机 图1 4MCS 51系列单片机内部结构简化框 控制寄存器 状态寄存器 数据输入 输出寄存器 18个 特殊功能寄存器 6 6MCS 51系列单片机 图1 4MCS 51系列单片机内部结构简化框 P0口 P1口 P2口 P3口 共32线 用于并行输入 输出寄存器 I O口是单片机的重要资源 是衡量单片机功能的重要指标之一 8位 并行输入 输出接口 6 6MCS 51系列单片机 图1 4MCS 51系列单片机内部结构简化框 16位 T0 T1 52子系列 T0 T1 T2 用于单片机内部精确定时或外部事件进行计算 T0 T1 串行输入 输出接口 I O 定时器 计数器 T C 实行串行通信 6 6MCS 51系列单片机 图1 4MCS 51系列单片机内部结构简化框 中断源 中断源 2个可编程优先级的中断源 可接收外部中断申请 定时器 计数器中断申请和串行口中断申请 6 6MCS 51系列单片机 6 9复位电路 复位是单片机的初始操作 复位的做用是使CPU以及其他功能部件处于一个确定的初始状态 并从这个状态开始工作 复位后 程序计数器PC 0000H 程序执行必须从地址0000H开始 80C51复位电路 6 9复位电路 单片机的复位靠外部电路实现 信号由RESET RST 引脚输入 高电平有效 80C51复位电路 复位分为上电复位和按钮复位方式 上电复位电路如图 a 所示 按键复位有电平方式和脉冲发生 电路如图 b 图 c 所示 二 单片机的结构和原理 1单片机的硬件结构 1 1中央处理器CPU CPU 运算器 控制器 8位的算术逻辑运算单元ALU 8位累加器ACC A 8位程序状态字寄存器PSW 8位寄存器B 布尔处理器 程序计数器PC 16位 指令寄存器IR及指令译码器ID 振荡器和定时电路 1 1 1运算器 8位的ALU 8位累加器ACC A 可对4位 8位 16位数据进行操作 它经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端 与另一个来自暂存器1的运算数进行运算 运算结果又送回ACC 1 1 1运算器 8位程序状态字寄存器 8位寄存器B 指示指令执行后的状态信息供程序查询和判别用 在乘除运算时 用来存放一个操作数也用来存放运算后的一部分结果 如不能做乘除运算时 作为通用寄存器 1 1 1运算器 布尔处理器 2个8位暂存器 专门用于处理位操作的 以PSW中的C为其累加器 ALU的两个入口处 1 1 2控制器 程序计数器PC 16位 由两个8位计数器PCH PCL组成 PC是程序的字节地址计数器 PC内容为将要执行的指令地址 改变PC内容 改变执行的流向 PC可对64KB的ROM直接寻址 也可对8051片内RAM寻址 1 1 2控制器 指令寄存器IR及指令译码器ID 由PC中的内容指定ROM地址取出来的指令经IR送至ID由ID对指令译码产生一定序列的控制信号 以执行指令所规定的操作 1 1 2控制器 振荡器和定时电路 8051单片机片内有振荡电路 只需外接石英晶体和频率微调电容 2个30pF左右 其频率范围为1 2MHz 12MHz 该信号作为8051工作的基本节拍即时间的最小单位 1 2存储器 存储器 程序存储器 ROM 数据存储器 RAM 8051及8751的片内ROM ReadOnlyMemory 容量为4KB 地址从0000H开始 用于存放程序和表格常数 1 2 1程序存储器 ROM 1 2 2数据存储器 RAM 8051 8751 8031RAM RandomAccessMemory 均为128B 地址为00H 7FH 用于存放运算的中间结果 数据暂存以及缓冲等 128B的RAM中有32个字节单元可指定为工作寄存器 片内还有21个特殊功能寄存器 SpecialFunctionRegister SFR 它们同128字节RAM统一编址 地址为80H FFH 1 3存储器 I O接口 P0 8051有四个8位并行I O接口P0 P3 它们都是双向端口 每个端口各有8条I O线 P0 P3口四个锁存器同RAM统一编址 可作为SFR来寻址 P1 P3 P2 2单片机引脚及其功能 MCS 51系列如8051 8751和8031均采用40引脚双列直插封装 DualIn linePackage DIP 方式 因受到引脚数目的限制 有不少引脚具有第二功能 MCS 51单片机引脚如图所示 ALE RST XTAL1 XTAL2 2单片机引脚及其功能 MCS 51单片机40引脚配置图 MCS 51单片机40引脚 可分为端口线 电源线和控制线三类 1 端口线 4 8 32条 P0 0 P0 7 P1 0 P1 7 P2 0 P2 7 P3 0 P3 7 2 电源线 2条 VCC为 5V电源线 VSS接地 3 控制线 6条 作通用I O口使用 传送CPU的输入 输出数据 MCS 51单片机40引脚配置图 1 端口线 4 8 32条 P0 0 P0 7 功能 共有8个引脚 为P0口专用 P0 0最低位 P0 7最高位 访问片外存储器时 先传送低8位地址 然后传送CPU对片外存储器的读 写数据 第一功能 不带片外存储器 第二功能 带片外存储器 2单片机引脚及其功能 第一功能 与P0口的第一功能相同 也用于传送用户的输入 输出数据 MCS 51单片机40引脚配置图 1 端口线 4 8 32条 P1 0 P1 7 功能 8个引脚与P0口类似 P1 0最低位 P1 7最高位 第二功能 对52子系列而言 第二功能为定时器2输入 2单片机引脚及其功能 第一功能 与P0口的第一功能相同 作通用I O口 MCS 51单片机40引脚配置图 1 端口线 4 8 32条 P2 0 P2 7 功能 带内部上拉的双向I O口 第二功能 与P0口的第二功能相配合 用于输出片外存储器的高8位地址 共同选中片外存储器单元 2单片机引脚及其功能 第一功能 与P0口的第一功能相同 作通用I O口 MCS 51单片机40引脚配置图 1 端口线 4 8 32条 P3 0 P3 7 功能 带内部上拉的双向I O口 第二功能 为控制功能 每个引脚并不完全相同 2单片机引脚及其功能 MCS 51单片机40引脚配置图 1 端口线 4 8 32条 P3 0 P3 7 P3口的第二功能 2单片机引脚及其功能 功能 2 电源线 2条 3 控制线 6条 VCC为 5V电源线 VSS接地 地址锁存允许信号 1 与P0口引脚的第二功能配合使用 P0口作为地址 数据复用口 用ALE来判别P0口的信息 2单片机引脚及其功能 MCS 51单片机40引脚配置图 当ALE为高电平期间 P0口出现的是地址信息 ALE下降沿到来时 P0口上的地址信息被锁存 当ALE为低电平期间 P0口上出现指令和数据信息 2 对片内带有4KBEPROM的8751编写固化程序时 PROG作为编程脉冲输入端 1 与P0口配合使用 2单片机引脚及其功能 MCS 51单片机40引脚配置图 功能 内部和外部程序存储器选择信号 先访问片内EPROM ROM 执行内部程序存储器中的指令 但在程序计数器计数超过0FFFH时 即地址大于4KB时 执行片外程序存储器内的程序 只访问外部程序存储器 而不管片内是否有程序存储器 引脚接高电平时 引脚接低电平 接地 时 2单片机引脚及其功能 MCS 51单片机40引脚配置图 功能 片外程序存储器读选通信号 当执行外部程序存储器代码时 每个机器周期被激活两次 访问外部数据存储器时无效 访问内部程序存储器时无效 执行 访问 2单片机引脚及其功能 MCS 51单片机40引脚配置图 功能 复位信号 是单片机复位 备用电源引脚 RST是复位信号输入端 高电平有效 时钟电路工作后 在此引脚上连续出现两个机器周期的高电平 24个时钟振荡周期 就可以完成复位操作 2单片机引脚及其功能 MCS 51单片机40引脚配置图 功能 片内振荡电路输入线 这两个端子用来外接石英晶体和微调电容 即用来连接8051片内的定时反馈回路 2单片机引脚及其功能 3存储器的配置 3 18051存储器分类3 2程序存储器地址空间3 3数据存储器地址空间 3 18051存储器分类 1 物理结构 哈佛结构 8051存储器 程序存储器ROM 数据存储器RAM 片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器 3 18051存储器分类 1 物理结构 哈佛结构 3 18051存储器分类 2 用户角度 1 片内 外统一编址的64K程序存储器地址空间 CPU访问片内 片外ROM指令用MOVC 2 64K的片外数据存储器地址空间 访问片外RAM指令用MOVX 3 256字节的片内数据存储器地址空间 访问片内RAM指令用MOV 上述三个存储空间地址是重叠的 8051的指令系统采用不同的数据传送指令符号 3 2程序存储器地址空间 ROM 1 用途 用于存放编好的程序和表格常数 8051 8751片内ROM EPROM的容量为4KB 地址为0000H 0FFFH 片外最多可扩至64KBROM EPROM 地址为1000H FFFFH 片内外统一编址 2 编址 3 2程序存储器地址空间 ROM 3 寻址方式 当EA 1 时8051的PC在0000 0FFFH范围内执行片内ROM中的程序 当指令地址超过0FFFH后就自动转向片外ROM中取指令 当EA 0 时8051片内ROM不起作用 CPU只能从片外ROM EPROM中取指令 可以从0000H开始寻址 由于8031片内不带ROM 所以使用时必须EA 0 8051从片内ROM和片外ROM取指的速度相同 3 2程序存储器地址空间 ROM 3 寻址方式 程序存储器的保留存储单元 1 0000H 0002H三个单元用作8051上电复位后引导程序的存放单元 因为复位后PC的内容为0000H CPU总是从0000H开始执行程序 将转移指令存放到这三个单元 程序就被引导到指定的程序存储器空间去执行 3 2程序存储器地址空间 ROM 3 寻址方式 2 0003H 002AH单元均分为五段 用作五个中断服务程序的入口 中断入口地址外中断0 INT0 0003H定时器0 T0 000BH外中断1 INT1 0013H定时器1 T1 001BH串行口 RI TI 0023H 3 2程序存储器地址空间 ROM 3 寻址方式 3 2数据存储器地址空间 RAM 1 用途 用于存放运算的中间结果 数据暂存和缓冲 标志位等 2 片外RAM 3 片内RAM 地址0000H FFFFH寻址用MOVX指令 片内RAM地址空间低128字节RAM 00H 7FH 高128字节RAM 80H FFH 特殊功能寄存器SFR区 3 2数据存储器地址空间 RAM 3 片内RAM 3 2数据存储器地址空间 RAM 3 片内RAM 片内RAM地址空间 寻址用指令MOV最大可寻址256个单元 低128B 00H 7FH 真正RAM区 高128B 80H FFH 特殊功能寄存器 SFR 区 地址00H FFH 3 2数据存储器地址空间 RAM 3 片内RAM 低128字节RAM 00H 7FH 1 工作寄存器区 00H 1FH 2 位寻址区 20H 2FH 3 用户RAM区 30H 7FH 3 2数据存储器地址空间 RAM 工作寄存器区 00H 1FH 由四组 32个 工作寄存器组成 每组8个寄存器 R0 R7 共占32个单元 2 通过程序状态寄存器PSW中RS1 RS0两位设定来选择CPU的当前工作寄存器组 复位时 第0组为当前的工作寄存器 3 若不需要四组 则其余可作为一般RAM单元 工作寄存器与内部RAM单元关系 3 2数据存储器地址空间 RAM 工作寄存器区 00H 1FH 3 2数据存储器地址空间 RAM 位寻址区 20H 2FH 位寻址区有16个单元 每个单元8位 共128位 位地址为00H 7FH 可用位寻址方式访问其各位 这些可寻址位 通过执行指令可直接对某一位操作 如置1 清0 判断转移等 位寻址是8051的一个重要特点 位寻址区与位地址 3 2数据存储器地址空间 RAM 位寻址区 20H 2FH 用户RAM区 30H 7FH 用于堆栈和数据缓冲 3 2数据存储器地址空间 RAM 3 片内RAM 高128字节RAM 80H FFH 有21个特殊功能功能寄存器 地址分布在80H FFH的RAM空间 只能用直接寻址方式 有11个具有位寻址能力 11个SFR的字节地址正好能被8整除 3 2数据存储器地址空间 RAM MCS 51系列单片机的特殊功能寄存器表 高128字节RAM 80H FFH 部分特殊功能寄存器介绍 PSW程序状态寄存器 D0H PSW包含了程序执行后的状态信息 供程序查询或判断用 PSW的格式 P OV AC CY RS0 RS1 F0 PSW D0H D7D6D5D4D3D2D1D0 3 2数据存储器地址空间 RAM 堆栈指针SP StackPointer 81H 堆栈在片内RAM中 开辟的一个按 先进后出 的结构方式处理数据的区域 SP的内容可指向片内RAM00H 7FH的任何单元 系统复位时 SP初