第一课基本原理和结构(改)

1、单片机基本原理与结构单片机基本原理与结构原码工作室原码工作室什么是单片机什么是单片机 单片机全称叫单片微型计算机单片机全称叫单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）：）：单片机是一种集成的电路芯片，是单片机是一种集成的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器数据处理能力的中央处理器CPU随随机存储器机存储器RAM、只读存储器、只读存储器ROM、多种多种I/O口和中断系统、定时器口和中断系统、定时器/计时计时器等功能（可能还包括显示驱动电器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换路、脉宽调制电路

2、、模拟多路转换器、器、A/D转换器等电路）集成到一块转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。机系统。单片机的应用单片机的应用导弹的导航装置导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制飞机上各种仪表的控制 计算机的网络通讯与数据传输计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实工业自动化过程的实时控制和数据处理时控制和数据处理 广泛使用的各种智能广泛使用的各种智能IC卡卡民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制全自动洗衣机的控制 程控玩具、电子宠物程控玩具、电子宠物 自动控制领域的机器人

3、、智能仪表、医疗器械以及自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械各种智能机械单片机的优点单片机的优点体积小体积小(适用于仪器仪表、汽车设备等适用于仪器仪表、汽车设备等)功耗低功耗低(适用于工业控制、家用电器等适用于工业控制、家用电器等)控制功能强控制功能强(适用于医用设备、工业控制等适用于医用设备、工业控制等)扩展灵活扩展灵活(计算机网络和通信设备间、大型电器等计算机网络和通信设备间、大型电器等)微型化微型化(适用于仪器仪表、家用电器等适用于仪器仪表、家用电器等)使用方便使用方便(适用于工业控制、医用设备适用于工业控制、医用设备)怎么学好单片机怎么学好单片机1、理论联系实际；、

4、理论联系实际；2、查阅相关资料；、查阅相关资料；3、熟悉、求助常用网站；、熟悉、求助常用网站；4、多动手多做实验；、多动手多做实验；5、多与他人交流、多与他人交流6、记录实验中遇到的问题和心得、记录实验中遇到的问题和心得推荐网站推荐网站 http:/ http:/ http:/ （2）片内振荡器。）片内振荡器。（3）片内（）片内（RAM）。）。 （4）片内（）片内（ROM）。）。（5）程序存储器的寻址范围为）程序存储器的寻址范围为64KB。（6）片外（）片外（RAM）寻址范围为）寻址范围为64KB。（7）2l个（个（SFR）。）。 （8）4个个8位并行双向位并行双向I/O接口：接口：P1，P2

5、，P3，P4。C51单片机的主要资源（二）单片机的主要资源（二）（9）l个全双工作串行个全双工作串行I/O接接(UART)，可多机通信。，可多机通信。 (10)2个个16位定时器位定时器/计数器计数器T0/Tl,C52还多还多1个个16位定时位定时 器器/计数器计数器T2。（11）有）有5个中断源，即外中断源个中断源，即外中断源2个，内部中断源个，内部中断源3个个（12）111条指令，含乘法、除法指令条指令，含乘法、除法指令（13）位操作功能强）位操作功能强(位操作指令位操作指令17条条)（14）片内采用单总线结构。）片内采用单总线结构。（15）使用）使用+5V单一电源。单一电源。C51单片机

6、的单片机的CPU结构结构CPU：运算器、控制器：运算器、控制器80C51的引脚封装的引脚封装80C51的引脚封装的引脚封装引脚分类引脚分类 40只引脚按其功能来分，可分为只引脚按其功能来分，可分为3类：类： （1）电源及时钟引脚）电源及时钟引脚: Vcc、Vss；XTAL1、 XTAL2。 （2）控制引脚：）控制引脚： /PSEN、/EA、ALE、RESET （即（即RST）。）。 （3）I/O口引脚：口引脚：P0、P1、P2、P3，为，为4个个8位位I/O口的外部引脚。口的外部引脚。电源及时钟引脚电源及时钟引脚 电源引脚：电源引脚： （1）Vcc（40脚）：脚）：+5V电源；电源； （2）V

7、ss（20脚）：接地。脚）：接地。时钟引脚：时钟引脚： （1）XTAL1（19脚）：如果采用外接晶体振荡器时，脚）：如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。此引脚应接地。 （2） XTAL2 （18脚）：接外部晶体的另一端。脚）：接外部晶体的另一端。控制引脚控制引脚 控制引脚功能：控制引脚功能：提供控制信号，有的引脚还具提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。有复用功能。 (1) RST/VPD(9脚脚) (2) ALE/PROG*（30脚）端可以驱动脚）端可以驱动8个个LS型型TTL 负载。负载。 PROG*为本引脚的第二功能。为编程脉冲输入为本引脚的第二功能。为编程脉冲输入端。端。 (3)

8、PSEN* （29脚）读外部程序存储器的选通信脚）读外部程序存储器的选通信号。可以驱动号。可以驱动8个个LS型型TTL负载。负载。控制引脚控制引脚 (4)EA*/VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programing，31脚脚) EA*为内外程序存储器选择控制端。为内外程序存储器选择控制端。 EA*=1，单片机访问片内程序存储器，但在，单片机访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过（程序计数器）值超过0FFFH（对于（对于8051、8751）时，即超出片内程序存储器的时，即超出片内程序存储器的4K字节地址范围时，字节地址范围时，将自动转向执行外部

9、程序存储器内的程序。将自动转向执行外部程序存储器内的程序。 EA*=0，单片机则只访问外部程序存储，单片机则只访问外部程序存储 器。器。 VPP为本引脚的第二功能。用于施加较高的编程为本引脚的第二功能。用于施加较高的编程电压（例如电压（例如+21V或或+12V）。对于）。对于C51，则加在，则加在VPP脚的编程电压为脚的编程电压为+12V或或+5V。单片机系统的基本组成单片机系统的基本组成I/O口引脚口引脚 (1) P0口：双向口：双向8位三态位三态I/O口，此口为地址总线（低口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动位）及数据总线分时复用口，可驱动8个个LS型型TTL负载。负载

10、。 (2) P1口：口：8位准双向位准双向I/O口，可驱动口，可驱动4个个LS型型TTL负负载。载。 (3) P2口：口：8位准双向位准双向I/O口，与地址总线（高口，与地址总线（高8位）位）复用，可驱动复用，可驱动4个个LS型型TTL负载。负载。 (4) P3口：口：8位准双向位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动口，双功能复用口，可驱动4个个LS型型TTL负载。负载。 要特别注意准双向口与双向三态口的差别。要特别注意准双向口与双向三态口的差别。 当当3个准双向个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写口作输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向，另外准双向I/O口无高阻的口无高阻的“

11、浮空浮空”状态。状态。单片机最小系统单片机最小系统晶振电路晶振电路（a a）内部时钟电路；）内部时钟电路； （b b） HMOS HMOS型外部振荡源型外部振荡源 (C) CHMOS (C) CHMOS型外部振荡源型外部振荡源单片机系统为什么要有晶振电路单片机系统为什么要有晶振电路? ?晶振电路晶振电路 单片机工作时，一条一条地从单片机工作时，一条一条地从ROM中中取出指令，然后一步一步地执行。单片机取出指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这就是一个时间基准。一个机器周周期，这就是一个时间基准。一个机器周期包括期包括12

12、个时钟周期。如果一个单片机选个时钟周期。如果一个单片机选择了择了12MHz的晶振，它的时钟周期是的晶振，它的时钟周期是1/12us，它的一个机器周期是，它的一个机器周期是12*1/12us=1us.周期周期时钟周期时钟周期：晶振的振荡周期，又称为时钟周：晶振的振荡周期，又称为时钟周期，为单片机最小的时序单位；期，为单片机最小的时序单位；机器周期机器周期：一个机器周期由：一个机器周期由12个时钟周期组个时钟周期组成，是计算机执行一种基本操作的时间单位；成，是计算机执行一种基本操作的时间单位；指令周期指令周期：执行一条指令所需要的时间。一：执行一条指令所需要的时间。一个指令周期由个指令周期由14个

13、机器周期组成，依据指令个机器周期组成，依据指令不同而不同。不同而不同。 周期周期一、时钟周期一、时钟周期 时钟周期是单片机的基本时间单位。若时钟的时钟周期是单片机的基本时间单位。若时钟的晶体的振荡频率为晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期，则时钟周期Tosc=1/fosc。如。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。二、机器周期二、机器周期 CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。单片机中常把执行一条指令的过程分为几个周期。单片机中常把执行一条指令的过程分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作，如取机器周期。每个机器周期完成一个基本操作

14、，如取指令、读或写数据等等。指令、读或写数据等等。MCS-51单片机每单片机每12个时钟个时钟周期为一个机器周期，即周期为一个机器周期，即Tcy=12/fosc。若。若fosc=6MHz，Tcy=2S；fosc=12MHz，Tcy=1S。周期周期 MCS-51的一个机器周期包括的一个机器周期包括12个时钟周期，分个时钟周期，分为为6个状态个状态:S1S6。每个状态又分为两拍。每个状态又分为两拍:P1和和P2.因因此此,一个机器周期中的一个机器周期中的12个时钟周期表示为：个时钟周期表示为：S1P1,S1P2,S2P1,S2P2,、S6P2。周期周期 指令周期指令周期: 执行任何一条指令时，都可

15、以分为取指令阶段和指执行任何一条指令时，都可以分为取指令阶段和指令执行阶段令执行阶段 。取指令阶段，可以把程序计数器。取指令阶段，可以把程序计数器PC中地址中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。指令执行阶段可对指令操作码进行译码，以产操作数。指令执行阶段可对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。生一系列控制信号完成指令的执行。 ALE信号是为地址锁存而定义的，该信号每有效一信号是为地址锁存而定义的，该信号每有效一次，则对应次，则对应MCS-51的一次读指令的操作。的一次读指令的操作。ALE信号以时信号以时

16、钟脉冲钟脉冲1/6的频率出现，因此在一个机器周期中，的频率出现，因此在一个机器周期中，ALE信信号两次有效（但要注意，在执行访问外部数据存储器的号两次有效（但要注意，在执行访问外部数据存储器的指令指令MOVX时，将会丢失一个时，将会丢失一个ALE脉冲。脉冲。复位电路复位电路 复位电路的作用复位电路的作用：产生复位后程序从起始处开始执行：产生复位后程序从起始处开始执行 RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持端保持2个机器周期的高电平时，就可以完成复位操个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。作。RST引脚的第二功能是备用电源的输入端。引脚的第二

17、功能是备用电源的输入端。上电复位上电复位按键复位按键复位改进复位电路改进复位电路 该复位电路的优该复位电路的优点在于降低复位引脚点在于降低复位引脚的对地阻抗，可以显的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电著增强单片机复位电路的抗干扰能力。二路的抗干扰能力。二极管可以实现快速释极管可以实现快速释放电容电量的功能，放电容电量的功能，满足短时间复位的需满足短时间复位的需求。求。复位操作复位操作 复位操作复位操作:单片机的初始化操作，复位引脚单片机的初始化操作，复位引脚RST加上大于加上大于2个机器周期（即个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高个时钟振荡周期）的高电平就可使电平就可使MCS-51复位。复位

18、时，复位。复位时，PC初始化为初始化为0000H，使，使MCS-51单片机从单片机从0000H单元开始执行程单元开始执行程序。序。 除系统的正常初始化外，当由于程序运行出错除系统的正常初始化外，当由于程序运行出错或操作错误处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需或操作错误处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键使按复位键使MCS-51重新启动。重新启动。 除除PC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响。响。SP=07H ，而，而4个个I/O端口端口P0-P3的引脚均为高电的引脚均为高电平。平。复位操作和复位电路复位操作和复位电路 在复位有效期间，在复位有效期间，

19、MCS-51的的ALE引脚和引脚均引脚和引脚均为高电平为高电平,且内部且内部RAM的状态不受复位的影响。的状态不受复位的影响。MCS-51存储器的结构存储器的结构程序存储器程序存储器 存放应用程序和表格之类的固定常数。分为片存放应用程序和表格之类的固定常数。分为片内和片外两部分，由内和片外两部分，由EA*引脚上所接的电平确定。引脚上所接的电平确定。 程序存储器中的程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地地址是系统程序的启动地址。址。 5个单元具有特殊用途个单元具有特殊用途 5种中断源的中断入口地址种中断源的中断入口地址 外部中断外部中断0 0003H 定时器定时器0 (T0) 000BH

20、 外部中断外部中断10013H 定时器定时器1 (T1) 001BH 串行口串行口 0023H内部数据存储器内部数据存储器128128个字节，字节地址为个字节，字节地址为00H00H7FH7FH。 00H1FH：32个个单元是单元是4组通用工作寄组通用工作寄存器区存器区 20H2FH：16个个单元可进行共单元可进行共128位的位的位寻址位寻址 30H7FH：用户：用户RAM区，只能进行字区，只能进行字节寻址，用节寻址，用 作数据缓作数据缓冲区以及堆栈区。冲区以及堆栈区。堆栈和堆栈指针堆栈和堆栈指针堆栈特点：堆栈特点： 先进后出先进后出,后进先出后进先出 SP总是指向堆栈的顶总是指向堆栈的顶部部

21、 堆栈可以设在内部堆栈可以设在内部RAM中的任意区域，中的任意区域，一般开辟在一般开辟在30H7FH中中堆栈的功能：堆栈的功能： 保护断点保护断点 保护现场保护现场 数据的临时存放数据的临时存放 指针指针1.堆栈指针堆栈指针SP 指示出堆栈顶部在内部指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置块中的位置 复位后复位后 ，SP中的内容为中的内容为07H。 （1）保护断点）保护断点 （2）现场保护）现场保护 堆栈向上生长。堆栈向上生长。2. 数据指针数据指针DPTR 高位字节寄存器用高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用表示，低位字节寄存器用DPL表示。表示。存储器存储器1.寄存器寄存器B 为执行乘

22、法和除法操作设置的。为执行乘法和除法操作设置的。 在不执行乘、除法操作的情况下，可把它当作一个普通在不执行乘、除法操作的情况下，可把它当作一个普通寄存器来使用。寄存器来使用。2.串行数据缓冲器串行数据缓冲器SBUF 存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理上是存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。是接收缓冲器。3.两个两个16位定时器位定时器/计数器计数器T1和和T0 T0和和T1各由两个独立的各由两个独立的8位寄存器组成：位寄存器组成： TH1,TL1,TH0,TL0,

23、可以分别对这可以分别对这4个寄存器进行字节寻个寄存器进行字节寻址，但不能把址，但不能把T1或或T0当作一个当作一个16位寄存器来寻址访问。位寄存器来寻址访问。存储器存储器使用各类存储器时，要注意几点：使用各类存储器时，要注意几点：(1) 地址的重叠性地址的重叠性 程序存储器（程序存储器（ROM）与数据存储器（）与数据存储器（RAM）全部）全部64K字节地址空间重叠字节地址空间重叠)。(2) 程序存储器（程序存储器（ROM）与数据存储器（）与数据存储器（RAM），在），在使用上是严格区分的。使用上是严格区分的。(3) 位地址空间共有两个区域位地址空间共有两个区域(4) 片外数据存储区中，片外数据

24、存储区中，RAM与与I/O端口统一编址。端口统一编址。 所有外围所有外围I/O端口的地址均占用端口的地址均占用RAM地址单元，使地址单元，使用与访问外部数据存储器相同的传送指令。用与访问外部数据存储器相同的传送指令。并行并行I/O端口端口 4个双向的个双向的8位并行位并行I/O端口端口(Port) ，记作，记作P0P3 ，共共32根端口线。根端口线。 包括锁存器包括锁存器P0P3、输出驱动器、两个三态缓、输出驱动器、两个三态缓冲器以及控制电路。冲器以及控制电路。 准双向的并行准双向的并行I/O端口。端口。 属于特殊功能寄存器，还可位寻址。属于特殊功能寄存器，还可位寻址。P0口口P0口口功能：功

25、能：1）作为地址）作为地址/数据分时复用总线时，可分为两种情况：数据分时复用总线时，可分为两种情况：一种是从一种是从P0口输出地址或数据，另一种是从口输出地址或数据，另一种是从P0口输口输入数据。入数据。2）通用）通用I/O接口功能接口功能 注意：当输出数据时，要使注意：当输出数据时，要使“1”信号正常输出，必信号正常输出，必须外接上拉电阻。须外接上拉电阻。 P0口作为通用口作为通用I/O口使用时，是准双向口。（口使用时，是准双向口。（ 输入输入数据前先与数据前先与“1”，再输入），再输入）3)驱动能力驱动能力:8个个LSTTL电平电平P0口口 P0口传送地址或数据时，口传送地址或数据时，CP

26、U发出控制信号发出控制信号,打打开上面的与门，使多路转接开关开上面的与门，使多路转接开关MUX打向上边，使打向上边，使内部地址内部地址/数据线与下面的场效应管处于反相接通状数据线与下面的场效应管处于反相接通状态。这时的输出驱动电路由于上下两个态。这时的输出驱动电路由于上下两个FET处于反处于反相，形成推拉式电路结构，大大的提高了负载能力。相，形成推拉式电路结构，大大的提高了负载能力。而当输入数据时，数据信号则直接从引脚通过输入而当输入数据时，数据信号则直接从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。缓冲器进入内部总线。 P0口也可作为通用的口也可作为通用的I/O口使用。这时，口使用。这时，CPU发发来的

27、来的“控制控制”信号为低电平，封锁了与门，并将输信号为低电平，封锁了与门，并将输出驱动电路的上拉场效应管截止，而多路转接开关出驱动电路的上拉场效应管截止，而多路转接开关MUX打向下边，与打向下边，与D锁存器的端接通。锁存器的端接通。P1端口端口 字节地址为字节地址为90H 位地址位地址90H97H。 P1口只有通用口只有通用I/O接口一种功能，接口一种功能，其输其输 入输出原理特性入输出原理特性与与P0口作为通用口作为通用I/O接接 口使用时一样。口使用时一样。P2端口端口P2端口端口 在实际应用中，因为在实际应用中，因为P2口用于为系统提供高位口用于为系统提供高位地址，因此同地址，因此同P0口一样，