C51单片机教程第1章

MCS-51单片机应用教程,高职高专计算机系列教材,谭浩强主编李叶紫等编著,总目录,第1章MCS-51单片机系统结构第2章单片机的指令系统第3章单片机的中断系统与定时器/计数器第4章单片机的串行通信第5章单片机实用开发步骤第6章程序设计集锦第7章基本I/O口的应用,总目录,第8章MCS-51单片机外部中断的应用第9章定时器/计数器的应用第10章串行口的应用第11章A/D、D/A转换器的应用第12章步进电动机的单片机控制第13章单片机的综合应用第14章单片机系统抗干扰技术,第1章MCS-51单片机系统结构,1.1概述1.2单片机的内部结构1.3单片机的存储器结构1.4单片机并行I/O口1.5单片机的复位电路,1.6单片机的时钟与时序1.7小结习题,介绍单片机内部结构、存储器结构、I/O接口、复位电路以及单片机的时序。通过对本章的学习，读者应掌握和了解以下知识：MCS-51系列单片机的构成及引脚功能MCS-51系列单片机存储器分配形式MCS-51单片机寄存器的概念及功能单片机发展历史及发展趋势,本章学习目标,单片机是大规模集成电路技术发展的产物，它将中央处理器（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入输出接口、定时器/计数器等主要计算机部件集成在一片芯片上，因此单片机被称为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）。目前单片机是计算机家族中重要的一员。单片机配上适当的外围设备和软件，便可构成一个单片机应用系统。单片机具有功能强、体积小、价格低和抗干扰能力强等特点，被广泛应用于工农业生产、国防、科研及日常生活等各个领域。,1.1概述,1974年，美国Fairchild公司研制出世界上第一台由两块集成电路芯片组成的单片微型计算机F8，从此单片机开始迅速发展。从4位机和8位机到现在的16位机和32位机，单片机的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛。,1.1.1单片机的发展历程,单片机的发展历程通常可以分为以下几个阶段：（1）第一代单片机（19741976年）这是单片机发展的起步阶段。在这个时期生产的单片机属4位机型，集成度低。典型的代表产品有Intel公司的4004四位单片机，主要应用于家用电器领域中。（2）第二代单片机（19761978年）这是单片机的发展阶段。这个时代生产的单片机属低、中档8位机型，片内集成有CPU、输入输出接口、定时器和ROM等功能部件，是8位机的早期产品，存储器容量小，性能低，目前已很少应用。典型的产品有Intel公司的MCS-48系列单片机。,（3）第三代单片机（19791982年）这一代单片机的存储容量和寻址范围都有扩大，而且增加了中断源、并行I/O和定时器/计数器个数，集成了全双工串行通信接口电路。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机。（4）第四代单片机（1982年以后）这是16位单片机和8位高性能单片机并行发展的时代。16位单片机的特点是工艺先进、集成度高和内部功能强，代表产品有Intel公司的MCS-96系列等。,随着大规模集成电路及超大规模集成电路的发展，单片机将向着更深层次发展，主要体现在以下几个方面：（1）高集成度一片单片机内部集成的ROM/RAM容量增大，增加了电闪存储器，具有掉电保护功能，并且集成了A/D、D/A转换器、定时器/计数器、系统故障监测和DMA电路等。（2）引脚多功能化随着芯片内部功能的增强和资源的丰富，一脚多用的设计方案日益显示出其重要地位。,1.1.2单片机的发展趋势,（3）高性能这是单片机发展所追求的一个目标，更高的性能将会使单片机应用系统设计变得更加简单、可靠。（4）低功耗这将是未来单片机发展所追求的一个目标，随着单片机集成度的不断提高，由单片机构成的系统体积越来越小，低功耗将是设计单片机产品时首先考虑的指标。,单片机的制造商很多，主要有美国的Intel、Motorola、Zilog公司以及荷兰的Philip公司、德国的Siemens公司、日本的NEC公司等。目前美国的Microchip公司生产的PIC系列单片机已大量应用于市场。在我国，Intel公司的51系列单片机应用非常广泛，特别是在单片机教学中应用非常普遍。Intel公司MCS-51系列单片机的主要性能见表1-1。（见书4页）,1.1.3单片机系列产品介绍,1.单片机的特点（1）可靠性高单片机采用三总线结构，抗干扰能力强，可靠性高。（2）功能强单片机具有判断和处理能力，可以直接对I/O口进行各种操作（输入输出、位操作以及算术逻辑操作等），运算速度高，实时控制功能强。,1.1.4单片机的应用及特点,（3）体积小、功耗低由于单片机包含了运算器等基本功能部件，具有较高的集成度，因此由单片机组成的应用系统结构简单、体积小、功能全。电源单一，功耗低。（4）使用方便由于单片机内部功能强，系统扩展方便，因此应用系统的硬件设计非常简单。,（5）性能价格比较高，易于产品化单片机具有功能强、价格便宜、体积小、插接件少、安装调试简单等特点，使单片机应用系统的性能价格比较高。同时单片机开发工具很多，这些开发工具都具有很强的软硬件调试功能，使单片机的应用开发极为方便，大大缩短了产品研制的周期，并使单片机应用系统易于产品化。,2.单片机的应用单片机的应用概括起来，主要有以下几方面：（1）单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地应用于各种智能仪器仪表中，简化了仪器仪表的硬件结构，增强了控制功能，提高了测量速度和测量精度。（2）单片机在机电一体化中的应用机电一体化产品集机械技术、电子技术、自动化技术和计算机技术于一身，是机械工业发展的方向。将单片机应用于机械行业，发挥它的体积小、可靠性高、功能强和安装方便等优点，提高了机器的自动化和智能化程度，促进了机电一体化的发展。,（3）单片机在实时控制中的应用单片机被广泛地应用于各种实时控制系统中。例如对工业生产过程中温度、湿度、流量和压力等参数的测量和控制等。（4）单片机在分布式测控系统中的应用分布式测控系统的主要特点是系统中有多个处理单元，各自完成特定的任务，可通过网络通信相互联系、协调工作，具有功能强、可靠性高的特点。单片机可作为一个处理单元应用于分布式测控系统中。,（5）单片机在工业过程控制中的应用单片机的I/O口线多，并具有位操作能力，特别适用于工业过程控制。（6）单片机在日常生活中的应用由于单片机价格低廉、体积小、逻辑判断及控制功能强，因此被广泛地应用于日常生活的各个方面，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、立体声音响和家用防盗系统等。,MCS-51单片机内部结构框图如图1-1所示。,1.2单片机的内部结构1.2.1内部结构框图,图1-1单片机内部结构框图,8051系列单片机的基本组成如下：由运算器和控制器组成的8位微处理器（CPU）4KB的片内程序存储器（ROM）128B数据存储器（RAM）21个特殊功能寄存器（SFR）两个16位定时器/计数器T0、T1一个全双工串行通信接口4个8位输入输出接口（P0P3），共32根I/O口线5个中断源，可编程为两个优先级内部时钟电路,MCS-51内部各部分的功能简述如下：1.微处理器（CPU）微处理器又称CPU，是计算机的运算控制中心，由运算器和控制器及中断控制电路等几部分组成。CPU字长有4位、8位、16位和32位之分，字长越长运算速度越快，数据处理能力也越强。MCS-51单片机的CPU字长为8位。,（1）运算器运算器以算术逻辑运算单元ALU为核心，包括累加器A、状态字寄存器PSW、B寄存器等部件。算术逻辑单元（ALU）在控制器的作用下，进行各种算术运算和逻辑运算。如加法、减法、加1、减1等操作。（2）控制器控制器包括程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、振荡器、定时电路及控制电路等部件，能根据不同的指令产生相应的操作时序和控制信号，控制单片机各部分的运行。,PC是一个16位计数器，具有自动加1功能。CPU每执行一条指令则PC自动加1，并指向要执行的下一条指令的地址，最大寻址范围为64K。可以通过控制转移指令改变PC值，实现程序的转移。,2.存储器MCS-51单片机片内只读存储器（ROM）用作程序存储器，用于存放已编好的程序、数据表格等；片内读写存储器（RAM）又称随机存取存储器，可用于存放输入、输出数据和中间计算结果，同时还作为数据堆栈区。当存储器的容量不够时，可以外部扩展。,3.I/O口（1）4个8位并行I/O口P0P3，均可以并行输入输出8位数据。（2）串行I/O口用于数据的串行输入输出。,4.定时器/计数器定时器/计数器既可以用于产生定时脉冲，实现单片机的定时控制，也可以用于计数方式，对外部事件的脉冲计数。,MCS-51系列单片机的引脚如图1-2所示。,1.2.2引脚定义及功能,图1-2单片机引脚图,（1）电源引脚VCC+5V电源VSS接地端（2）外接晶体引脚XTAL1外接晶振输入端XTAL2外接晶振输入端,（3）输入输出引脚P0.0P0.7访问片外存储器时，P0分时复用为低8位地址线和双向数据线。P0口不作为地址/数据线使用时，可作为准双向I/O口使用。但必须外接上拉电阻。P1.0P1.7带内上拉电阻的8位准双向通用I/O口。P2.0P2.7带内上拉电阻的8位准双向通用I/O口。访问片外存储器时，P2口用作高8位地址线。P3.0P3.78位准双向I/O接口，每个引脚还具有第二功能，详见表1-7。（见书12页）,（4）控制线ALE/PROGALE用于地址锁存信号输出端。该端输出的脉冲频率为系统时钟频率的1/6，在访问片外存储器时，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址。PROG用于对片内EPROM输入编程脉冲。PSEN片外程序存储器读选通信号输出端。,RST/VPDRST是复位端。当RST端出现持续两个机器周期以上的高电平时，即可实现复位操作。VPD为备用电源输入端。VCC掉电期间，VPD如接有备用电源，可用于保存片内RAM中的数据。当VCC下降到某规定值以下，备用电源便向片内RAM供电。EA/VDDEA为片外程序存储器选用端。该引脚接高电平时，选用片内程序存储器，但当PC值超过片内程序存储器范围时，将自动转向片外程序存储器去执行程序；该引脚接低电平时，单片机选用片外程序存储器。VDD用于对8751的EPROM编程时输入21V编程电压。,MCS-51系列单片机的存储器在结构上分为程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM），其内部采用程序存储器与数据存储器各自独立编址的结构形式。在物理结构上共有4个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器以及片内数据存储器和片外数据存储器。单片机的存储器结构如图1-3所示。,1.3单片机的存储器结构,图1-3单片机存储器结构,程序存储器用于存放程序、表格以及常数等，程序存储器的寻址范围可达64K。8051/8751型单片机有4KB内部程序存储器，编址为0000H0FFFH。当需要扩展程序存储器时，通过引脚EA来选择内外程序存储器。当EA引脚接高电平时，片内、片外程序存储单元统一编址，外部程序存储器从1000H开始编址，按先片内、后片外的顺序。当PC0FFFH（对于51系列）时，CPU自动转去片外程序存储器取指。当EA引脚接低电平时，单片机只执行片外程序存储器中的程序。此时外部程序存储器单元从0000H开始编址。,1.3.1程序存储器,对于片内无程序存储器的8031和8032，单片机EA引脚应保持低电平，以便能正确访问片外程序存储器。程序存储器中的某些单元是系统固定占用的，用户不能占用，如系统复位入口地址和5个中断源入口地址。系统占用地址见表1-2。（见书8页）,1.外部数据存储器在单片机系统内部RAM容量不够的情况下，需要扩展外部数据存储器。扩展容量可根据需要确定，最大扩展空间为64K，地址范围0000HFFFFH。需要说明的是，MCS-51单片机系统扩展的I/O接口与外部存储器统一编址。,1.3.2数据存储器,2.内部数据存储器内部数据存储器由128B的片内RAM及21个专用寄存器（SFR）构成，地址范围为00HFFH。128B的片内RAM又可划分为工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲器区，如图1-3(b)所示。（1）工作寄存器区00H1FH单元为工作寄存器区，又称通用寄存器区，有32个单元，分成4个组，每组8个寄存器，均用R0R7来表示。当单片机系统复位后第0组为当前组，可通过改变PSW中的RS1和RS0来设定当前工作寄存器组。,（2）位寻址区片内RAM后面的16个寄存器具有位寻址功能，字节地址为20H2FH，该区域的16个单元的每一位都可位寻址，位地址依次编址为00H7FH，共128个位地址，见表1-3。（见书9页）位寻址区的16个单元可以按字节操作，也可以按位操作。（3）数据缓冲区数据缓冲区用于存放中间结果，或设定为堆栈区。（4）特殊功能寄存器SFRMCS-51系列单片机中有21个特殊功能寄存器SFR，它们离散地分布在80HFFH的地址空间中。特殊功能寄存器一览表见表1-4。（见书10页）,下面介绍几个常用特殊功能寄存器的功能及用法。累加器A（E0H）累加器A是最常用的专用寄存器，用来进行算术逻辑运算和存放运算结果。程序状态字PSW（D0H）PSW是程序状态字寄存器，用于存放程序的状态信息。每一位均可用软件置位或清零。各位的含义如表1-5所示。（见书11页）,CY（PSW.7）进位标志位。执行加/减运算时，表示运算结果是否有进/借位。1表示有进/借位，0表示无进/借位。进行布尔操作时，CY作为位累加器使用。AC（PSW.6）辅助进位标志位（半进位标志）。执行加/减运算时，低半字节向高半字节有进/借位，则AC置1，否则清0。F0（PSW.5）用户标志位。由用户定义的一个状态标志。,RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）工作寄存器组选择位。在选择工作寄存器组时，可通过软件对它们置位和清零。工作寄存器的选择见表1-6。（见书11页）OV（PSW.2）溢出标志位。在做带符号数加/减运算时，当运算结果超出128127范围时，产生溢出，由硬件置1，否则清零。P（PSW.0）奇偶标志位。CPU根据A中的内容对P自动置1或清0。当累加器A中“1”的个数为奇数时，则P置1；当A中“l”的个数为偶数时，则P清0。D1未定义。,寄存器B（0F0H）在作乘/除法运算时，B中存放乘数/除数。B也可作为通用寄存器使用。堆栈指针寄存器SP（81H）堆栈指针寄存器SP是一个8位的特殊功能寄存器，用来指示堆栈顶部地址。数据指针寄存器DPTR（83H、82H）DPTR是16位特殊功能寄存器，它由DPH（83H）和DPL（82H）两个8位寄存器组成，作为访问片外RAM或外部I/O口的地址指针，也可分成两个8位寄存器使用。,寄存器P0、P1、P2、P3寄存器P0、P1、P2、P3与端口P0、P1、P2、P3同名。它们作为端口P0、P1、P2、P3的锁存器，与普通寄存器的操作方法一样。1.4单片机并行I/O口MCS-51单片机有32条I/O口线，分为4个8位双向端口P0、P1、P2、P3。每个端口均由锁存器、输出驱动电路和输入缓冲器组成，每一组I/O口线均能独立的进行输入输出操作，但4个端口的结构不尽相同，因此它们的功能和用途也不相同。,（1）P0口P0口是双向I/O口，可作为通用I/O口使用，也可以作为数据/地址线使用。当单片机系统需要扩展片外存储器或者需要扩展具有数据/地址线的芯片时，P0口只能用作地址/数据线，而不能再作通用I/O口使用。P0口作为地址/数据总线使用时，无需外接上拉电阻；P0口用作通用I/O接口使用时，必须外接上拉电阻。,1.4单片机并行I/O口1.4.1P0P3口的功能,（2）P1口P1口是一个准双向I/O口，它只能作为通用I/O口使用，没有第二功能。其内部已接有上拉电阻，因此P1口在作为通用输出口使用时，不需要再外接上拉电阻。当P1口作为输入口使用时，需要向P1口锁存器先写入“1”，然后读取P1口的输入信号。,（3）P2口P2口是一个准双向I/O口。P2口作为通用I/O口使用时，不需要外接上拉电阻；当用于输入时，需要向锁存器先写入“l”，然后再读取P2口的输入。当系统有外部扩展存储器或I/O时，P2口作为地址高8位信号线，此时P2口只能作地址线使用，而不能作其他用。（4）P3口P3口是一个准双向I/O口，除可作为通用I/O口使用外，还具有第二功能。P3口第二功能见表1-7。（见书12页）,MCS-51单片机中P0、P2和P3口具有第二功能，而P1口不具有第二功能。P0口是三态输出，其每个管脚均可以驱动8个TTL，而P1、P2和P3口的输出级均有上拉电阻，每个管脚可驱动4个TTL。对于每个并行口，如果作为一般的输入输出口，均可定义一部分管脚为输入脚，另一部分管脚为输出脚，没有使用的管脚可以悬空。当系统复位后，P0、P1、P2和P3口均输出高电平。,1.4.2P0P3口的特点,MCS-51单片机有一个复位信号引脚RST/VPD，在该引脚上保持2个机器周期以上的高电平，单片机就会被复位。复位后，片内特殊功能寄存器的状态见表1-8。（见书13页）,1.5单片机的复位电路1.5.1复位方式,实现单片机复位有以下几种方法：（1）上电复位打开电源后利用RC充电来实现上电复位，如图1-4(a)所示。（2）手动复位利用按键闭合使单片机复位端上保持接通高电平状态两个机器周期以上，如图1-4(b)所示。,1.5.2复位方法,图1-4单片机复位电路,（3）利用看门狗技术实现自动复位由于单片机系统的工作环境不同，系统所受到的各种干扰也不相同，因此要求单片机系统具有自动复位功能。对于内部具有看门狗电路的单片机，只需在程序中启动内部看门狗电路，一旦发生系统程序错误或者某种干扰引起系统错误，看门狗电路就会自动发出复位脉冲，使单片机控制系统自动复位，使系统正常运行。而对于8051这类本身没有看门狗电路的单片机，可以用专用的看门狗电路芯片或自行设计电路来实现自动复位。图1-5电路是采用专用集成电路MAX706构成的一种自动复位电路。,图1-5MAX706构成的单片机复位电路,MCS-51系列单片机具有片内振荡器和时钟电路，并以此作为单片机工作所需要的时钟信号。CPU的时序是指各控制信号在时间上的相互联系与先后次序。单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了确保同步工作方式的实现，电路应在统一的时钟信号控制下按时序进行工作。,1.6单片机的时钟与时序,8051单片机有两个引脚（XTAL1、XTAL2）用于外接石英晶体和微调电容构成振荡器，如图1-6(a)所示。电容C1、C2对振荡频率有稳定作用，其容量的选择通常为30pF左右，振荡频率的选择范围为1.212MHz。8051单片机可以使用外部时钟。在使用外部时钟时，外部时钟须从XTAL1输入，而XTAL2悬空，如图1-6(b)所示。,1.6.1时钟电路,图1-6单片机时钟电路,CPU时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内各功能部件的控制，另一类用于片外的存储器或扩展的I/O端口的控制。,1.6.2CPU时序,1.时序单位描述MCS-51型单片机时序的基本单位