单片机概述及硬件结构

1、本章分为五节，主要介绍：本章分为五节，主要介绍：1.2 电子计算机的发展概述电子计算机的发展概述1.3 单片机的发展过程及产品近况单片机的发展过程及产品近况1.4 单片机的特点及应用领域单片机的特点及应用领域1.5 单片机应用系统开发简介单片机应用系统开发简介1.1 数制与编码的简单回顾数制与编码的简单回顾1.1 数制与编码的简单回顾数制与编码的简单回顾1.1.1 1.1.1 数制数制数制数制（即计数制，亦称记数制）是（即计数制，亦称记数制）是计数的规则计数的规则。十进制十进制是人们日常生活中最熟悉的进位计数制。是人们日常生活中最熟悉的进位计数制。二进制二进制是在计算机系统中采用的进位计数制。

2、是在计算机系统中采用的进位计数制。 位号76543210字节单字节表示范围：单字节表示范围：0255 双字节表示范围：双字节表示范围：065535 十六进制十六进制是人们在计算机指令代码和数据的书写中是人们在计算机指令代码和数据的书写中经常使用的数制。经常使用的数制。用用0，1，9和和A，B，F（或（或a，b，f）这这16个符号来描述个符号来描述 。 位号 1514131211109876543210字部分自然数的部分自然数的3种进制表示种进制表示 自然数自然数十进制十进制二进制二进制十六进制十六进制 自然数自然数十进制十进制二进制二进制十六进制十六进制 0 00000B 0000B 0H0H

3、九九9 91001B 1001B 9H9H一一1 10001B 0001B 1H1H十十10101010B 1010B AHAH二二2 20010B 0010B 2H2H十一十一11111011B 1011B BHBH三三3 30011B 0011B 3H3H十二十二12121100B 1100B CHCH四四4 40100B 0100B 4H4H十三十三13131101B 1101B DHDH五五5 50101B 0101B 5H5H十四十四14141110B 1110B EHEH六六6 60110B 0110B 6H6H十五十五15151111B 1111B FHFH七七7 70111B

4、0111B 7H7H十六十六16161 0000B 1 0000B 10H10H八八8 81000B 1000B 8H8H十七十七17171 0001B 1 0001B 11H11H1.1.2 1.1.2 编码编码 计算机中数以及数以外的其它信息（如字符或字符串）计算机中数以及数以外的其它信息（如字符或字符串）要用二进制代码来表示。这些二进制代码称为二进制编码。要用二进制代码来表示。这些二进制代码称为二进制编码。 一、字符的二进制编码一、字符的二进制编码-ASCII码码 常用字符的常用字符的ASCII码码 字符字符ASCII码码字符字符ASCII码码字符字符ASCII码码字符字符ASCII码码

5、0 030H30HA A41H41Ha a61H61HSP(SP(空格空格) )20H20H1 131H31HB B42H42Hb b62H62HCR(CR(回车回车) )0DH0DH2 232H32HC C43H43Hc c63H63HLF(LF(换行换行) )0AH0AHBEL(BEL(响铃响铃) )07H07H9 939H39HZ Z5AH5AHz z7AH7AHBS(BS(退格退格) )08H08H二、二进制编码的十进制数二、二进制编码的十进制数-BCD码码 用二进制码表示十进制数的代码称为用二进制码表示十进制数的代码称为BCD码码 。十进制数十进制数BCD码码十进制数十进制数BCD码

6、码0 00000B0000B5 50101B0101B1 10001B0001B6 60110B0110B2 20010B0010B7 70111B0111B3 30011B0011B8 81000B1000B4 40100B0100B9 91001B1001B8421BCD码表码表 用用1个字节表示个字节表示2位十进制数的代码，称为位十进制数的代码，称为压缩的压缩的BCD码码。 二进制码在二进制码在1010B1111B范围时，属于范围时，属于非法码非法码。 1.1.3 1.1.3 计算机中带符号数的表示计算机中带符号数的表示 一、机器数及其真值一、机器数及其真值 带符号的正数带符号的正数 +

7、100 0101B（+45H），可以表示成），可以表示成 0100 0101B；（；（45H）带符号的负数带符号的负数 - 101 0101B（- 55H），可以表示成），可以表示成 1101 0101B。（。（D5H） 数在计算机内的表示形式称为数在计算机内的表示形式称为机器数机器数。而这。而这个数本身称为该机器数的个数本身称为该机器数的真值真值。 如，上述的“45H”和“D5H”为2个机器数，它们的真值分别为“+45H”和“-55H”。 二、原码和反码二、原码和反码对于带符号二进制数（字节、字或双字），直接用最高位表示数对于带符号二进制数（字节、字或双字），直接用最高位表示数的符号，数值用

8、其绝对值表示的形式称为原码。的符号，数值用其绝对值表示的形式称为原码。正数的反码正数的反码与其原码相同；与其原码相同；负数的反码负数的反码符号位为符号位为1，数值位为其，数值位为其原码数值位逐位取反。如：原码数值位逐位取反。如：带符号正数带符号正数 +100 0101B，原码为，原码为 0100 0101B，反码为，反码为0100 0101B；（；（45H）带符号负数带符号负数 - 101 0101B，原码为，原码为 1101 0101B，反码为，反码为1010 1010B。（。（AAH） 二进制数采用原码和反码表示时，符号位二进制数采用原码和反码表示时，符号位不能不能同数值同数值一道参加运算

9、。一道参加运算。 三、三、补码补码 在计算机中，对带符号数的运算均采用补码。正在计算机中，对带符号数的运算均采用补码。正数的补码与其原码相同；负数的补码为其反码末位加数的补码与其原码相同；负数的补码为其反码末位加1。如：如：带符号正数带符号正数 +100 0101B，反码为，反码为 0100 0101B，补码为，补码为0100 0101B；（；（45H）带符号负数带符号负数 - 101 0101B，反码为，反码为1010 1010B，补码为，补码为1010 1011B。（。（ABH） 已知一个负数的补码求其真值的方法是：对该补码求补已知一个负数的补码求其真值的方法是：对该补码求补（符号位不变，

10、数值位取反加（符号位不变，数值位取反加1）即得到该负数的原码（符号）即得到该负数的原码（符号位位+数值位），依该原码可知其真值数值位），依该原码可知其真值。 补码的优点是可以将减法运算转换为加法运算，同时数补码的优点是可以将减法运算转换为加法运算，同时数值连同符号位可以一起参加运算值连同符号位可以一起参加运算。如：45H-55H= -10H，用补码运算时可以表示为：45H补+-55H补= -10H补 结果结果1111 0000B为补码；为补码；求补得到原码为：求补得到原码为：1001 0000B；真值为真值为 -001 0000B（即（即 -10H）。）。 45H补：0 1 0 0 0 1 0

11、 1 -55H补：1 0 1 0 1 0 1 1结果：1 1 1 1 0 0 0 0几个典型的带符号数据的几个典型的带符号数据的8位编码表位编码表 采用补码时，采用补码时，“0”只有一种表示方式，单字节只有一种表示方式，单字节表示的范围是：表示的范围是：+127 -128。 真真 值值原原 码码反反 码码补补 码码+127+1270111 1111B0111 1111B0111 1111B0111 1111B0111 1111B0111 1111B（7FH7FH）+1+10000 0001B0000 0001B0000 0001B0000 0001B0000 0001B0000 0001B（0

12、1H01H）+0+00000 0000B0000 0000B0000 0000B0000 0000B0000 0000B0000 0000B（00H00H）-0-01000 0000B1000 0000B1111 1111B1111 1111B0000 0000B0000 0000B（00H00H）-1-11000 0001B1000 0001B1111 1110B1111 1110B1111 1111B1111 1111B（FFHFFH）-127-1271111 1111B1111 1111B1000 0000B1000 0000B1000 0001B1000 0001B（81H81H）-1

13、28-128-1000 0000B1000 0000B（80H80H）1.2 电子计算机的发展概述电子计算机的发展概述1.2.1 1.2.1 电子计算机的问世及其经典结构电子计算机的问世及其经典结构 1946年年2月月15日日，第一台电，第一台电子数字计算机子数字计算机问世，这标志问世，这标志着计算机时代着计算机时代的到来。的到来。（CALCULATOR）ENIAC ENIAC是电子管计算机，时钟是电子管计算机，时钟频率仅有频率仅有100 KHz，但能在，但能在1秒钟秒钟的时间内完成的时间内完成5000次加法运算。次加法运算。 与现代的计算机相比，有许多与现代的计算机相比，有许多不足，但不足，

14、但它的问世开创了计算机科它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，学技术的新纪元，对人类的生产和对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响生活方式产生了巨大的影响 。 匈牙利籍数学家匈牙利籍数学家冯冯诺依曼诺依曼在方案的设计上做出在方案的设计上做出了重要的贡献。了重要的贡献。1946年年6月，他又提出了月，他又提出了“程序存程序存储储”和和“二进制运算二进制运算”的思想，进一步构建了的思想，进一步构建了计计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成出设备组成这一计算机的经典结构。这一计算机的经典结构。（EDVAC-ELECTRONIC DISCRET

15、E VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER）电子计算机技术的发展，相继经历了五电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代：个时代：电子管计算机；电子管计算机；晶体管计算机；晶体管计算机；集成电路计算机；集成电路计算机；大规模集成电路计算机；大规模集成电路计算机；超大规模集成电路计算机。超大规模集成电路计算机。计算机的结构仍然没有突破冯计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提诺依曼提出的计算机的经典结构框架。出的计算机的经典结构框架。1.2.2 1.2.2 微型计算机的组成及其应用形态微型计算机的组成及其应用形态一、微型计算机的组成一、微型计算机的组成 19711971年年1 1月，月，

16、INTELINTEL公司公司的特德的特德霍夫在与日本商霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和芯片分别用于存储程序和数据，数据，另一芯片集成了运另一芯片集成了运算器和控制器算器和控制器及一些寄存及一些寄存器，称为器，称为微处理器微处理器（即（即Intel 4004Intel 4004）。）。4004微处理器微处理器 微处理器、存储器加上微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型接口电路组成微型计算机计算机。各部分通过地址总线

17、（。各部分通过地址总线（AB）、数据总）、数据总线（线（DB）和控制总线（）和控制总线（CB）相连。）相连。二、微型计算机的应用形态二、微型计算机的应用形态 从应用形态上，微机可以分成三种：从应用形态上，微机可以分成三种： 多板机（系统机）多板机（系统机） 将将CPU、存储器、存储器、I/O接口电路和总线接接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计配上

18、系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。算机系统（简称系统机）。工业工业PC机机 也属于多板机。也属于多板机。 单板机单板机 将将CPU芯片、芯片、存储器存储器芯片、芯片、I/O接口接口芯片芯片和简单的和简单的I/O设备设备（小键盘、（小键盘、LED显示器）显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程监控程序序（固化在（固化在ROM中），就构成了一台单板中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。微型计算机（简称单板机）。单板机单板机单板机的单板机的I/O设备简单，软件资设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用源少，使用不方便。早期主

19、要用于微型计算机原理的于微型计算机原理的教学教学及及简单简单的测控系统的测控系统，现在已很少使用。，现在已很少使用。 单片机单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单芯片微型计算机，即单片机单片机。 三种应用形态的比较三种应用形态的比较 ：单板机单板机单片机单片机系统机（多板机）系统机（多板机） 系统机系统机（桌面应用桌面应用）属于通用计算机，）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。设计。 单片机单片机（嵌入式应用嵌入式应

20、用）属于专用计算机，）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。备等应用系统。 单片机单片机体积小体积小、价格低价格低、可靠性高可靠性高，其其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。用需求具有独特的优势。1.3 单片机的发展过程及产品近况单片机的发展过程及产品近况1.3.1 1.3.1 单片机的发展过程单片机的发展过程 单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：单片机技术发展过程可分为三个主要阶段： 单芯片微机形成

21、阶段单芯片微机形成阶段 1976年，年，Intel公司推出了公司推出了MCS-48系列单片系列单片机机 。8位位CPU、1K字节字节ROM、64字节字节RAM、27根根I/O线和线和1个个8位定时位定时/计数器计数器。 特点是特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不：存储器容量较小，寻址范围小（不大于大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。），无串行接口，指令系统功能不强。 性能完善提高阶段性能完善提高阶段 1980年，年，Intel公司推出了公司推出了MCS-51系列单系列单片机：片机：8位位CPU、4K字节字节ROM、128字节字节RAM、4个个8位并口、位并口、1个全双工串行口、个全双工

22、串行口、2个个16位定时位定时/计数器。寻址范围计数器。寻址范围64K，并有控，并有控制功能较强的布尔处理器。制功能较强的布尔处理器。 特点是特点是：结构体系完善，性能已大大提高，：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种已成为公认的单片机经典机种 。 微控制器化阶段微控制器化阶段 特点是特点是：片内面向测控系统外围电路增强，：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。系统及设备。“微控制器微控制器”的称谓更能反应单片机的本

23、质的称谓更能反应单片机的本质。 1982年，年，Intel推出推出MCS-96系列单片机。系列单片机。 芯片内集成：芯片内集成：16位位CPU、8K字节字节ROM、232字节字节RAM、5个个8位并口、位并口、1个全双工串行口、个全双工串行口、2个个16位定时位定时/计数器。寻址范围计数器。寻址范围64K。片上还有。片上还有8路路10位位ADC、1路路PWM输出及高速输出及高速I/O部件等。部件等。1.3.2 1.3.2 单片机产品近况单片机产品近况 ATMELATMEL公司融入公司融入FlashFlash存储器技术的存储器技术的AT89AT89系列；系列； PhilipsPhilips公司的

24、公司的80C5180C51、80C55280C552系列；系列； 华邦公司的华邦公司的W78C51W78C51、W77C51W77C51高速低价高速低价系列；系列； ADIADI公司的公司的ADC8xxADC8xx高精度高精度ADCADC系列；系列； LGLG公司的公司的GMS90/97GMS90/97低压高速低压高速系列；系列； MaximMaxim公司的公司的DS89C420DS89C420高速（高速（50MIPS50MIPS）系列；系列； CygnalCygnal公司的公司的C8051FC8051F系列高速系列高速SOCSOC单片机。单片机。 80C5180C51系列系列单片机产品繁多，

25、单片机产品繁多，主流地位已主流地位已经形成，经形成，近年来推出的近年来推出的与与80C5180C51兼容兼容的主要产的主要产品有：品有： 非非80C51结构单片机新品结构单片机新品不断推出，给用不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间户提供了更为广泛的选择空间 ，近年来推出，近年来推出的非的非80C51系列的主要产品有：系列的主要产品有：Intel的的MCS-96系列系列16位单片机位单片机 ； Microchip的的PIC系列系列RISC单片机单片机 ；TI的的MSP430F系列系列16位位低功耗低功耗单片机单片机 。1.4 单片机的特点及应用领域单片机的特点及应用领域1.4.1 1.4.1

26、 单片机的特点单片机的特点 近期推出的单片机产品，内部集成有高速近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/OI/O口、口、ADCADC、PWMPWM、WDTWDT等部件，并在低电压、低功耗、串等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程编程ISPISP）等方面都有了进一步的增强。）等方面都有了进一步的增强。 控制性能和可靠性高控制性能和可靠性高 实时控制功能特别强，其实时控制功能特别强，其CPUCPU可以对可以对I/OI/O端口直接端口直接进行操作，进行操作，位操作能力位操作能力更是其它计算机无法比拟的。更是其它计算机

27、无法比拟的。另外，由于另外，由于CPUCPU、存储器及、存储器及I/OI/O接口接口集成在同一芯片集成在同一芯片内内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的受干扰的影响较小影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机，且不易受环境条件的影响，所以单片机的的可靠性非常高可靠性非常高。体积小、价格低、易于产品化体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进

28、行芯片设计，使芯片的功能与应用具专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。个或更少。从而使应用系统的从而使应用系统的印制板减小、接插件减印制板减小、接插件减少、安装简单方便。少、安装简单方便。1.4.2 1.4.2 单片机的应用领域单片机的应用领域 智能仪器仪表智能仪器仪表 单片机用于各种仪器仪表，一方面提单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表器仪表智能化，

29、同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如仪表产品的升级换代。如各种智能电气各种智能电气测量仪表、智能传感器测量仪表、智能传感器等。等。机电一体化产品机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术、微电机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。发挥巨大的作用。典型产品如机器人、典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医

30、疗数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机设备、打印机、传真机、复印机等。等。实时工业控制实时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效实现期望的控制指标，从而提高生产效

31、率和产品质量。典型应用如率和产品质量。典型应用如电机转速控电机转速控制、温度控制、自动生产线制、温度控制、自动生产线等等 。 分布式系统的前端模块分布式系统的前端模块 在较复杂的工业系统中，经常要采在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具为分布式系统的前端采集模块，系统具有有运行可靠，数据采集方便灵活，成本运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉低廉等一系列优点。等一系列优点。家用电器家用电器家用电器是单片机的又一重要应用家用电器是单片机的

32、又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。备、高档玩具等。 另外，在交通领域中，汽车、火车、另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等系统、黑匣子等 。1.5 单片机应用系统开发简介单片机应用系统开发简介1.5.1 1.5.1 单片机应用系统的开发单片机应用系统的开发 正确无误的正确无误的硬件设计硬件设计和良好的和良好的软件功能设计软件功能设计是一个实

33、用的单片机应用系统的设计目标。是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发这一目标的过程称为单片机应用系统的开发。 单片机作为一片集成了微型计算机基本部件单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，与通用微机相比，它自身没有的集成电路芯片，与通用微机相比，它自身没有开发功能，必须借助开发机（一种特殊的计算机开发功能，必须借助开发机（一种特殊的计算机系统）来完成如下任务：系统）来完成如下任务： 排除排除应用系统的应用系统的硬件故障硬件故障和和软件错误软件错误； 程序固化程序固化到内部或外部程序存储器芯片中。到内部或外部程序存储器芯片中。 指令的表

34、示形式指令的表示形式指令是让单片机执行某种操作的命令指令是让单片机执行某种操作的命令。在单。在单片机中，指令按一定的顺序以二进制码的形式片机中，指令按一定的顺序以二进制码的形式存放于程序存储器中。为了书写、输入和显示存放于程序存储器中。为了书写、输入和显示方便，人们通常将二进制的机器码写成十六进方便，人们通常将二进制的机器码写成十六进制形式。制形式。如，二进制码如，二进制码0000 0100B可以表示为可以表示为04H。04H所对应的指令意义是累加器所对应的指令意义是累加器A的内容加的内容加1。若写成若写成INC A则要清楚得多，这就是该指令的则要清楚得多，这就是该指令的符号表示，称为符号表示

35、，称为符号指令符号指令。 汇编或编译汇编或编译 符号指令要转换成计算机所能执行的机符号指令要转换成计算机所能执行的机器码器码并存入计算机的程序存储器中，并存入计算机的程序存储器中，这种这种转换称为汇编。转换称为汇编。常用的汇编方法有三种：常用的汇编方法有三种：手工汇编；手工汇编；利用开发机的驻留汇编程序进行汇编；利用开发机的驻留汇编程序进行汇编；交叉汇编。交叉汇编。现在人们还可以常常采用高级语言（如现在人们还可以常常采用高级语言（如C51）进行单片机应用程序的设计。这种方）进行单片机应用程序的设计。这种方法具有周期短、移植和修改方便的优点，法具有周期短、移植和修改方便的优点，适合于较为复杂系统

36、的开发。适合于较为复杂系统的开发。1.5.2 1.5.2 单片机应用系统传统开发方式单片机应用系统传统开发方式 利用独立型仿真器开发利用独立型仿真器开发 利用非独立型仿真器开发利用非独立型仿真器开发 SSTSST公司推出的公司推出的SST89C54SST89C54和和SST89C58SST89C58芯片分别有芯片分别有20KB20KB和和30KB30KB的的SuperFLASHSuperFLASH存存储器，利用这种存储器可以进行高速读储器，利用这种存储器可以进行高速读写的特点，能够实现在系统编程（写的特点，能够实现在系统编程（ISPISP）和在应用编程（和在应用编程（IAPIAP）功能。首先在

37、）功能。首先在PCPC机机上完成应用程序的编辑、汇编（或编上完成应用程序的编辑、汇编（或编译）、模拟运行，然后实现目标程序的译）、模拟运行，然后实现目标程序的串行下载串行下载。1.5.3 1.5.3 单片机开发方式的发展单片机开发方式的发展 STCSTC公司推出的系列单片机具有串行公司推出的系列单片机具有串行接口（接口（comcom口）在系统编程（口）在系统编程（ISPISP）功）功能，使得下载程序非常方便；能，使得下载程序非常方便； 2.6 80C51的并行口结构与操作的并行口结构与操作本章共分六节，主要讲述：本章共分六节，主要讲述：2.1 80C51系列概述系列概述2.2 80C51的基本

38、结构与应用模式的基本结构与应用模式2.3 80C51典型产品资源配置与引脚封装典型产品资源配置与引脚封装2.4 80C51的内部结构的内部结构2.5 80C51的存储器组织的存储器组织2.1 80C512.1 80C51系列概述系列概述2.1.1 MCS-512.1.1 MCS-51系列系列 （1 1）MCS-51MCS-51是是IntelIntel公司生产的一个单公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种，如：多种，如： 8051/8751/80318051/8751/8031； 8052/8752/80328052/8752/8032； 8

39、0C51/87C51/80C3180C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C3280C52/87C52/80C32等等 。 （2）该系列生产工艺有两种：）该系列生产工艺有两种：CHMOS是是CMOS和和HMOS的结合，既保的结合，既保持了持了HMOS高速度和高密度的特点，还具有高速度和高密度的特点，还具有CMOS的低功耗的特点。的低功耗的特点。在产品型号中凡带在产品型号中凡带有字母有字母“C”的即为的即为CHMOS芯片芯片，CHMOS芯片的电平既与芯片的电平既与TTL电平兼容，又与电平兼容，又与CMOS电平兼容。电平兼容。一是一是HMOS工艺工艺（高密度短沟道（高密度短沟

40、道MOS工工艺）。艺）。二是二是CHMOS工艺工艺（互补金属氧化物（互补金属氧化物的的HMOS工艺）。工艺）。（3）在功能上，该系列单片机有基本型）在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类：和增强型两大类：增强型增强型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32基本型基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C31（4）在片内程序存储器的配置上，）在片内程序存储器的配置上，该系列单片机有三种形式，即掩膜该系列单片机有三种形式，即掩膜ROM、EPROM和和ROMLess(无片内无片内程序存储器程序存储器)。如：。如：80C51有有4K字节的掩膜字节的

41、掩膜ROM；87C51有有4K字节的字节的EPROM ；80C31在芯片内无程序存储器。在芯片内无程序存储器。2.1.2 80C512.1.2 80C51系列系列 Intel的：的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；等； ATMEL的：的：89C51、89C52、89C2051等；等； Philips、华邦、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等等公司的许多产品公司的许多产品 。 80C51是是MCS-51系列中系列中CHMOS工艺的一工艺的一个典型品种个典型品种 ；其它厂商；其它厂商以以8051为基核为基核开发出开发出的的CMOS工艺

42、单片机产品工艺单片机产品统称为统称为80C51系列系列。当前常用的当前常用的80C51系列单片机主要产品有：系列单片机主要产品有：2.2 80C512.2 80C51的基本结构与应用模式的基本结构与应用模式2.2.1 80C512.2.1 80C51的基本结构的基本结构2.2.2 80C512.2.2 80C51的应用模式的应用模式 一、一、总线型单片机应用模式总线型单片机应用模式总线型应用的总线型应用的“三总线三总线”模式模式 非总线型应用的非总线型应用的“多多I/O”模式模式 二、非总线型单片机应用模式二、非总线型单片机应用模式 非总线型单片机已经将用于外部总线扩非总线型单片机已经将用于外

43、部总线扩展用的展用的I/OI/O口线和控制功能线去掉，从而使口线和控制功能线去掉，从而使单片机的单片机的引脚数减少、体积减小引脚数减少、体积减小。对于不。对于不需进行并行外围扩展，装置的体积要求苛需进行并行外围扩展，装置的体积要求苛刻且程序量不大的系统极其适合。非总线刻且程序量不大的系统极其适合。非总线型单片机典型产品如：型单片机典型产品如： AT89C2051/AT89C4051AT89C2051/AT89C4051。2.3 80C51典型产品资源配置与引脚典型产品资源配置与引脚2.3.1 80C512.3.1 80C51典型产品资源配置典型产品资源配置由表可见：由表可见：（1）增强型与基本

44、型在以下几点不同：）增强型与基本型在以下几点不同：片内片内ROM字节数：从字节数：从4K增加到增加到8K；片内片内RAM字节数：从字节数：从128增加到增加到256；定时定时/计数器从计数器从2个增加到个增加到3个个；中断源由中断源由5个增加到个增加到6个个。 （2）片内）片内ROM的配置形式：的配置形式：无无ROM（即（即ROMLess）型，应用时要在片外）型，应用时要在片外扩展程序存储器；扩展程序存储器；掩膜掩膜ROM（即（即MaskROM）型，用户程序由）型，用户程序由芯片生产厂写入；芯片生产厂写入； EPROM型，用户程序通过写入装置写入，型，用户程序通过写入装置写入，通过紫外线照射擦

45、除；通过紫外线照射擦除； FlashROM型，用户程序可以电写入或擦除型，用户程序可以电写入或擦除（当前常用方式）。（当前常用方式）。还有还有OTPROM型（一次性编程写入型（一次性编程写入ROM） 产产品，具有较高的环境适应性和可靠性。品，具有较高的环境适应性和可靠性。2.3.2 80C512.3.2 80C51的引脚封装的引脚封装总线型总线型非总线型非总线型2.4 80C512.4 80C51的内部结构的内部结构 2.4.1 80C512.4.1 80C51的内部结构的内部结构一、一、80C51的微处理器（的微处理器（CPU）（1）运算器）运算器累加器累加器ACC ；寄存器寄存器B ；程序

46、状态字寄存器程序状态字寄存器PSW 。（2）控制器）控制器程序计数器程序计数器PC ；指令寄存器指令寄存器IR ；定时与控制逻辑。定时与控制逻辑。二、二、80C51的片内存储器的片内存储器 在物理上设计成在物理上设计成程序存储器程序存储器和和数据存储器数据存储器两个两个独立的空间独立的空间（称为（称为哈佛结构哈佛结构）：）： 内部内部ROM容量容量4K字节字节 范围是：范围是：000H0FFFH 内部内部RAM容量容量128字节字节 范围是：范围是：00H7FH三、三、80C51的的I/O口及功能单元口及功能单元四个四个8位的并行口，即位的并行口，即P0P3。它们均为双。它们均为双向口，既可作

47、为输入，又可作为输出。每向口，既可作为输入，又可作为输出。每个口各有个口各有8条条I/O线。线。 有一个全双工的串行口有一个全双工的串行口（利用（利用P3口的两个口的两个引脚引脚P3.0和和P3.1）；）；有有2个个16位的定时位的定时/计数器计数器 ；有有1套完善的中断系统。套完善的中断系统。 四、四、80C5180C51的特殊功能寄存器（的特殊功能寄存器（SFRSFR）内部有内部有SPSP，DPTRDPTR（可分成（可分成DPHDPH、DPLDPL两个两个8 8位位寄存器），寄存器），PCONPCON，IEIE，IPIP等等2121个特殊功个特殊功能寄存器单元，能寄存器单元，它们同内部它们

48、同内部RAMRAM的的128128个字节个字节统一编址，地址范围是统一编址，地址范围是80H80HFFHFFH。这些。这些SFRSFR只只用到了用到了80H80HFFHFFH中的中的2121个字节单元，且这些个字节单元，且这些单元是离散分布的。单元是离散分布的。增强型单片机的增强型单片机的SFRSFR有有2626个字节单元，所增加个字节单元，所增加的的5 5个单元均与定时个单元均与定时/ /计数器计数器2 2相关。相关。2.4.2 80C512.4.2 80C51的时钟与时序的时钟与时序一、一、80C5180C51的时钟产生方式的时钟产生方式内部时钟内部时钟 外部时钟外部时钟二、二、80C51

49、的时钟信号的时钟信号一个一个机器周期机器周期包含包含12个晶荡周期或个晶荡周期或6个时钟周期个时钟周期 指令的执行时间称作指令的执行时间称作指令周期指令周期 （单、双、四周期）二、二、80C51的典型时序的典型时序 各指令的微操作在时间上有严格的次序，这各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种种微操作的时间次序微操作的时间次序我们称作我们称作时序。时序。 单字节指令单字节指令 双字节指令双字节指令1、单周期指令时序、单周期指令时序 2个机器周期中个机器周期中ALE信号有效信号有效4次，后次，后3次读操作无效。次读操作无效。 2、双双周期指令时序周期指令时序 在第二机器周期无读操作码的操作，而是

50、进行外部在第二机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据存储器的寻址和数据选通数据存储器的寻址和数据选通 。ALE信号会出现非周期信号会出现非周期现象现象。 访问外部访问外部RAM的双周期指令时序的双周期指令时序 2.4.3 80C512.4.3 80C51单片机的复位单片机的复位一、复位电路一、复位电路复位复位目的是目的是使单片机使单片机或系统中的其它部件或系统中的其它部件处于某种处于某种确定的初始状态。确定的初始状态。 上电复位电路上电复位电路 按键与上电复位按键与上电复位 二、单片机复位后的状态二、单片机复位后的状态PC=0000H，所以程序从，所以程序从0000H地址单元开始执行地址单

51、元开始执行；启动后，片内启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不为随机值，运行中的复位操作不改变片内改变片内RAM的内容的内容 ；特殊功能寄存器复位后的状态是确定的特殊功能寄存器复位后的状态是确定的 ：P0P3=FFH，各口可用于输出，也可用于输入；，各口可用于输出，也可用于输入；SP=07H，第一个入栈内容将写入，第一个入栈内容将写入08H单元；单元；IP、IE和和PCON的的有效位为有效位为0，各中断源处于低优先，各中断源处于低优先级且均被关断、串行通讯的波特率不加倍；级且均被关断、串行通讯的波特率不加倍；PSW=00H，当前工作寄存器为，当前工作寄存器为0组。组。2.5 80C51

52、2.5 80C51的存储器组织的存储器组织80C51存储器可以分成两大类：存储器可以分成两大类： RAM，CPU在运行时能随时进行数据的写入在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。中间结果或用作堆栈。 ROM是一种写入信息后不易改写的存储器。是一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，断电后，ROM中的信息保留不变。用来存放固定中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。的程序或数据，如系统监控

53、程序、常数表格等。 2.5.1 80C512.5.1 80C51的程序存储器配置的程序存储器配置PC是是16位的计数器，所以能寻址位的计数器，所以能寻址64KB的的ROM。80C51内部有内部有4KB的掩膜的掩膜ROM，87C51在内部有在内部有4KB的的EPROM，而，而80C31在内部没有程序存储器。在内部没有程序存储器。 2.5.2 80C512.5.2 80C51的数据存储器配置的数据存储器配置一、工作寄存器区一、工作寄存器区 低端低端32个字节分成个字节分成4个工作寄存器组，每组个工作寄存器组，每组8个单个单元。元。当前工作寄存器组的机制当前工作寄存器组的机制便于快速现场保护。便于快

54、速现场保护。 PSW的的RS1、RS0 决定当前工作寄存器组号决定当前工作寄存器组号 寄存器0组 ：地址00H07H；寄存器1组 ：地址08H0FH；寄存器2组 ：地址10H17H；寄存器3组 ：地址18H1FH。二、位寻址区二、位寻址区三、通用三、通用RAM区区 位寻址区之后的位寻址区之后的30H至至7FH共共80个字节个字节为为通用通用RAM区。这些单元可以作为数据缓冲区。这些单元可以作为数据缓冲器使用。这一区域的操作指令非常丰富，器使用。这一区域的操作指令非常丰富，数据处理方便灵活。数据处理方便灵活。 在实际应用中，常需在在实际应用中，常需在RAM区设置堆栈。区设置堆栈。80C51的的堆

55、栈一般设在堆栈一般设在30H7FH的范围内的范围内。栈顶的位置由栈顶的位置由SP寄存器指示。寄存器指示。复位时复位时SP的的初值为初值为07H，在系统初始化时可以重新设置。，在系统初始化时可以重新设置。 2.5.32.5.3 80C5180C51的特的特殊功能寄存殊功能寄存器（器（SFRSFR）一、与运算器相关的寄存器（一、与运算器相关的寄存器（3个）个）累加器累加器ACC，8位。用于向位。用于向ALU提供操作数，许多运提供操作数，许多运算的结果也存放在累加器中；算的结果也存放在累加器中；寄存器寄存器B，8位。主要用于乘、除法运算。也可以作为位。主要用于乘、除法运算。也可以作为RAM的一个单元

56、使用；的一个单元使用；程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW，8位。其各位含义为：位。其各位含义为： CY：进位、借位标志。有进位、借位时：进位、借位标志。有进位、借位时 CY=1，否则，否则CY=0； AC：辅助进位、借位标志；：辅助进位、借位标志； F0：用户标志位，由用户自己定义；：用户标志位，由用户自己定义； RS1、RS0：当前工作寄存器组选择位；：当前工作寄存器组选择位； OV：溢出标志位。有溢出时：溢出标志位。有溢出时OV=1，否则，否则OV=0； P：奇偶标志位。：奇偶标志位。ACC中结果有奇数个中结果有奇数个1时时P=1，否则，否则 P=0。二、指针类寄存器（二、指针类寄存器

57、（3个）个）堆栈指针堆栈指针SP，8位。它总是指向栈顶。位。它总是指向栈顶。 堆栈操作遵循堆栈操作遵循“后进先出后进先出”的原则，入栈操作时，的原则，入栈操作时，SP先加先加1，数据再压入，数据再压入SP指向的单元。出栈操作时，指向的单元。出栈操作时， 先将先将SP指向的单元的数据弹出，然后，指向的单元的数据弹出，然后，SP再减再减1，这，这时时SP指向的单元是新的栈顶。可见，指向的单元是新的栈顶。可见，80C51单片机单片机的堆栈区是向地址增大的方向生成的。的堆栈区是向地址增大的方向生成的。数据指针数据指针DPTR，16位。用来存放位。用来存放16位的地址。位的地址。 它由两个它由两个8位的

58、寄存器位的寄存器DPH和和DPL组成。间接寻组成。间接寻址或变址寻址可访问片外的址或变址寻址可访问片外的64KB范围的范围的RAM或或ROM数据。数据。 三、与口相关的寄存器（三、与口相关的寄存器（7个）个）并行并行I/O口口P0、P1、P2、P3，均为，均为8位；位；串行口数据缓冲器串行口数据缓冲器SBUF； 串行口控制寄存器串行口控制寄存器SCON； 串行通讯波特率倍增寄存器串行通讯波特率倍增寄存器PCON（一些位（一些位还与电源控制相关，所以又称为电源控制寄还与电源控制相关，所以又称为电源控制寄存器）。存器）。四、与中断相关的寄存器（四、与中断相关的寄存器（2个）个）中断允许控制寄存器中

59、断允许控制寄存器IE；中断优先级控制寄存器中断优先级控制寄存器IP。 五、与定时器五、与定时器/计数器相关的寄存器（计数器相关的寄存器（6个）个）定时定时/计数器计数器T0的两个的两个8位计数初值寄存器位计数初值寄存器TH0、TL0，它们可以构成，它们可以构成16位的计数器，位的计数器，TH0存放高存放高8位，位，TL0存放低存放低8位；位；定时定时/计数器计数器T1的两个的两个8位计数初值寄存器位计数初值寄存器TH1、TL1，它们可以构成，它们可以构成16位的计数器，位的计数器，TH1存放高存放高8位，位，TL1存放低存放低8位；位；定时定时/计数器的工作方式寄存器计数器的工作方式寄存器TM

60、OD；定时定时/计数器的控制寄存器计数器的控制寄存器TCON。2.6 80C51的并行口结构与操作的并行口结构与操作2.6.1 P0口、口、P2口的结构口的结构 一、一、 P0口的结构口的结构1 1、 P0P0用作通用用作通用I/OI/O口口 当系统不进行片外的当系统不进行片外的ROM扩展，也不进扩展，也不进行片外行片外RAM扩展时扩展时，P0用作通用用作通用I/O口口。 在这种情况下，单片机硬件自动使在这种情况下，单片机硬件自动使C=0，MUX开关接向锁存器的反相输出端。开关接向锁存器的反相输出端。 另外，与门输出的另外，与门输出的“0”使输出驱动器的上拉使输出驱动器的上拉场效应管场效应管T