第1章-单片机概述模板

1、太原理工大学太原理工大学 电气与动力工程学电气与动力工程学院院1 1第第1 1章章 单片机概述单片机概述2第第1 1章章 单片机概述单片机概述第第2 2章章 AT80S51AT80S51单片机的硬件结构单片机的硬件结构第第3 3章章 指令系统指令系统第第4 4章章 AT80S51AT80S51单片机汇编语言程序设计基础单片机汇编语言程序设计基础第第5 5章章 单片机嵌入式系统开发和仿真（单片机嵌入式系统开发和仿真（ProteusProteus）第第6 6章章 AT80S51AT80S51单片机中断系统单片机中断系统第第7 7章章 AT80S51AT80S51单片机的定时单片机的定时/ /计数器

2、计数器第第8 8章章 AT80S51AT80S51单片机串行口单片机串行口第第9 9章章 AT80S51AT80S51单片机的系统扩展与接口技术单片机的系统扩展与接口技术教学教学内容内容：3教材：教材：n1. 1. 何秋生，何秋生，单片机原理及应用单片机原理及应用（第二版）（第二版） 电子工业出版社电子工业出版社n2.2.贾好来，贾好来，单片机嵌入式系统原理及应用单片机嵌入式系统原理及应用，机械工业出版社机械工业出版社n3. 3. 张毅刚，张毅刚，单片机原理与应用单片机原理与应用（第二版），（第二版），高等教育出版社高等教育出版社41. 1. 介绍单片机介绍单片机基基础知识、发展历史、应用领域

3、及发展趋势础知识、发展历史、应用领域及发展趋势。2. 2. 介绍介绍8 8位单片机的主流机型，较大市场份额的位单片机的主流机型，较大市场份额的MCS-51MCS-51系系列单片机及其兼容的单片机（统称为列单片机及其兼容的单片机（统称为5151系列单片机）系列单片机）3.3.详详细介绍细介绍美国美国ATMELATMEL公司的公司的AT89C5x/AT89S5xAT89C5x/AT89S5x系列单片机系列单片机及代表性产品及代表性产品AT89S51AT89S514. 4. 简要介绍简要介绍其其他他类型类型的单片机。的单片机。5. 5. 初步了解初步了解嵌入式处理器嵌入式处理器：单片机，数字信号处理

4、器单片机，数字信号处理器（DSPDSP）、嵌入式微处理器）、嵌入式微处理器第一章教学第一章教学内容内容：5 5n单片机单片机2020世纪世纪7070年代问世年代问世，广泛地应用在工业自动化、自广泛地应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电动检测与控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各个方面。子、家用电器等各个方面。1.1 1.1 什么是单片机什么是单片机n一片半导体硅片集成一片半导体硅片集成：中央处理单元（中央处理单元（CPUCPU）、存储器（）、存储器（RAMRAM、ROMROM）、并行）、并行I/OI/O、串行、串行I/OI/O、定时器、定

5、时器/ /计数器、中断系统、系计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线统时钟电路及系统总线的微型计算机的微型计算机，简称简称单片机单片机。6789 9n按照其用途可分为按照其用途可分为通用型通用型和和专用型专用型两大类。两大类。（1 1）通用型通用型单片机单片机就是其内部可开发的资源（如存就是其内部可开发的资源（如存储器、储器、I/OI/O等各种外围功能部件等）可以全部提供等各种外围功能部件等）可以全部提供给用户。给用户。（2 2）专用型专用型单片机是专门针对某些产品的单片机是专门针对某些产品的特定用途特定用途而制作的单片机。而制作的单片机。n无论无论“专用专用”单片机在用途上有多么单片机在用

6、途上有多么“专专”，其基本结构，其基本结构和工作原理都是和工作原理都是以通用单片机为基础以通用单片机为基础的。的。101.2 1.2 单片机的发展历史单片机的发展历史n单片机单片机按按其处理的其处理的二进制位数二进制位数主要分为：主要分为：4 4位位单片机、单片机、8 8位位单片机、单片机、1616位位单片机和单片机和3232位位单片机。发展大致分为单片机。发展大致分为4 4个阶段个阶段。n第一阶段第一阶段（19741974年年19761976年）：单片机年）：单片机初级阶段初级阶段。功能比较简单。功能比较简单。19741974年年1212月，仙童公司推出了月，仙童公司推出了8 8位的位的F8

7、F8单单片机，实际上只包括了片机，实际上只包括了8 8位位CPUCPU、64B RAM64B RAM和和2 2个并行口。个并行口。n第二阶段第二阶段（19761976年年19781978年）：年）：低性能单片机阶段低性能单片机阶段。19761976年年IntelIntel的的MCS-48MCS-48单片机（单片机（8 8位）极大地促进了单片位）极大地促进了单片机的变革和发展，机的变革和发展，19771977年年GIGI公司公司推出了推出了PIC 1650PIC 1650，但这，但这个阶段仍处于低性能阶段。个阶段仍处于低性能阶段。1011n第三阶段第三阶段（19781978年年19831983年

8、）：年）：高性能单片机阶段高性能单片机阶段。19781978年，年，ZilogZilog公司公司推出推出Z8Z8单片机单片机，19801980年，年，IntelIntel公公司司在在MCS-48MCS-48系列系列基础上基础上推出推出MCS-51MCS-51系列系列，MortorolaMortorola推推出出68016801单片机单片机。使单片机的性能及应用跃上新的台阶。使单片机的性能及应用跃上新的台阶。此后，此后，各公司的各公司的8 8位单片机迅速发展。推出的单片机普位单片机迅速发展。推出的单片机普遍带有遍带有串行串行I/OI/O口口、多级中断系统多级中断系统、1616位定时器位定时器/

9、/计数计数器器，片内片内ROMROM、RAMRAM容量加大，且寻址范围可达容量加大，且寻址范围可达64KB64KB，有的片内还带有有的片内还带有A/DA/D转换器。转换器。由于这类单片机的性能价格比高，所以被广泛应用，由于这类单片机的性能价格比高，所以被广泛应用，是目前应用数量最多的单片机。是目前应用数量最多的单片机。1112n第四阶段第四阶段（19831983年现在）：年现在）：8 8位单片机巩固发展及位单片机巩固发展及1616位位单片机、单片机、3232位单片机位单片机推出阶段推出阶段。n1616位典型产品位典型产品IntelIntel公司公司的的MCS-96MCS-96系列系列单片机。而

10、单片机。而3232位单位单片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比1616位单位单片机提高许多，性能比片机提高许多，性能比8 8位、位、1616位单片机更加优越。位单片机更加优越。n2020世纪世纪9090年代年代单片机制造业大发展时期，单片机制造业大发展时期，MortorolaMortorola、IntelIntel、ATMELATMEL、德州仪器（、德州仪器（TITI）、三菱、日立、飞利浦、）、三菱、日立、飞利浦、LGLG等公司开发一大批性能优越的单片机，极大推动单片机等公司开发一大批性能优越的单片机，极大推动单片机的应用。近年，又有不少的应

11、用。近年，又有不少新型的高集成度的单片机产品新型的高集成度的单片机产品涌涌现出来，出现了产品丰富多彩的局面。目前，除现出来，出现了产品丰富多彩的局面。目前，除8 8位单片位单片机得到广泛应用外，机得到广泛应用外，1616位单片机、位单片机、3232位单片机也得到广大位单片机也得到广大用户青睐。用户青睐。12131.3 1.3 单片机的特点单片机的特点n单片机是单片机是集成电路技术集成电路技术与与微型计算机技术微型计算机技术高速发展的产物，高速发展的产物，给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步。13n为什么为什么应用广泛应用广泛？具有？具有以

12、下优点以下优点：n（1 1）功能齐全，应用可靠。）功能齐全，应用可靠。n（2 2）简单方便，易于普及。单片机技术是易掌握技术。）简单方便，易于普及。单片机技术是易掌握技术。n（3 3）发展迅速，前景广阔。短短几十年，单片机经过）发展迅速，前景广阔。短短几十年，单片机经过4 4位位机、机、8 8位机、位机、1616位机、位机、3232位机位机等几大发展阶段。等几大发展阶段。n（4 4）嵌入容易，用途广泛嵌入容易，用途广泛，体积小、性能价格比高，应体积小、性能价格比高，应用灵活性强用灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要的等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。地位。14n1 1工业

13、检测与控制工业检测与控制n工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、测工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、测试、测量、监控等。试、测量、监控等。机电一体化技术机电一体化技术（机器人）。（机器人）。n2 2仪器仪表仪器仪表n目前仪器仪表的目前仪器仪表的自动化自动化和和智能化智能化要求越来越高要求越来越高。智能传感器。智能传感器n3 3消费类电子产品消费类电子产品（家用电器）（家用电器）n4 4通讯通讯，调制解调器、传真机，调制解调器、传真机n5 5武器装备武器装备n6 6各种终端及计算机外部设备各种终端及计算机外部设备n7 7汽车电子设备汽车电子设备141.4 单片机的应用

14、单片机的应用 151.5 1.5 单片机的发展趋势单片机的发展趋势n单片机的发展趋势将是单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展装化等方面发展。1 1CPUCPU的改进的改进n（1 1）增加）增加CPUCPU数据总线宽度数据总线宽度。例如，各种。例如，各种1616位单片机和位单片机和3232位单片机，数据处理能力要优于位单片机，数据处理能力要优于8 8位单片机。另外，位单片机。另外，8 8位单位单片机内部采用片机内部采用1616位数据总线位数据总线，其数据处理能力明显优于一，其数据处理能力明显优于一般般8 8位单片机。位单片机。n（2 2）

15、采用）采用双双CPUCPU结构，以提高数据处理能力。结构，以提高数据处理能力。15162 2存储器的发展存储器的发展n（1 1）片内程序存储器普遍采用）片内程序存储器普遍采用闪烁（闪烁（FlashFlash）存储器）存储器。可。可不用外扩展程序存储器，简化系统结构。不用外扩展程序存储器，简化系统结构。n（2 2）加大存储容量加大存储容量。目前有的单片机片内程序存储器容。目前有的单片机片内程序存储器容量可达量可达128KB128KB甚至更多。甚至更多。3 3片内片内I/OI/O的改进的改进n（1 1）增加并行口的驱动能力，以减小外部驱动芯片。）增加并行口的驱动能力，以减小外部驱动芯片。n（2 2

16、）设置了一些设置了一些特殊的串行特殊的串行I/OI/O功能功能，为，为构成分布式、网构成分布式、网络化系统络化系统提供方便条件。提供方便条件。16174 4低功耗化低功耗化nCMOSCMOS化，功耗小。消耗电流仅在化，功耗小。消耗电流仅在A A或或nAnA量级，适于电池供量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。5 5外围电路内装化外围电路内装化n众多外围电路全部装入片内，即众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化系统的单片化。例如，例如，美美国国CygnalCygnal公司的公司的C8051F020 C8051F0

17、20 8 8位单片机。片上集成有位单片机。片上集成有8 8通道通道A/DA/D、两路两路D/AD/A、内置、内置温度传感器温度传感器、定时器定时器、6464个通用个通用I/OI/O口、口、电源监测电源监测、看门狗看门狗、多种类型的、多种类型的串行接口串行接口（两个（两个UARTUART、SPISPI）等。）等。一片芯片就是一个一片芯片就是一个“测控测控”系统。系统。17单片机正在单片机正在向多功能、高性能、高速度（时钟达向多功能、高性能、高速度（时钟达40MHz）、低）、低电压（电压（2.7V即可工作）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电即可工作）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电路内装化以及存

18、储器容量不断增大路内装化以及存储器容量不断增大的方向发展。的方向发展。1818191.6 MCS-511.6 MCS-51系列与系列与AT89C5xAT89C5x系列单片机系列单片机n2020世纪世纪8080年代以来，发展迅速，世界一些年代以来，发展迅速，世界一些著名厂商投放市著名厂商投放市场的产品就有几十个系列场的产品就有几十个系列，数百个品种数百个品种，IntelIntel公司的公司的MCS-48MCS-48、MCS-51MCS-51，MotorolaMotorola公司的公司的68016801、68026802，ZilogZilog公公司的司的Z8Z8系列，系列，RockwellRock

19、well公司的公司的65016501、65026502等。此外，荷兰等。此外，荷兰的的PhilipsPhilips公司、日本的公司、日本的NECNEC公司、日立公司等也相继推出公司、日立公司等也相继推出了各自的产品。了各自的产品。n尽管机型很多，但是在尽管机型很多，但是在2020世纪世纪8080年代以及年代以及9090年代，年代，在我国在我国使用最多使用最多的的8 8位单片机还是位单片机还是IntelIntel公司公司的的MCS-51MCS-51系列系列单片机单片机以及与其兼容的单片机（称为以及与其兼容的单片机（称为5151系列单片机系列单片机）。）。19201.6.1 MCS-511.6.1

20、 MCS-51系列单片机系列单片机nMCSMCS是是IntelIntel公司单片机的系列符号，如公司单片机的系列符号，如MCS-48MCS-48、MCS-51MCS-51、MCS-96MCS-96系列单片机。系列单片机。nMCS-51MCS-51系列单片机主要包括系列单片机主要包括n基本型基本型：8031/8051/87518031/8051/8751（低功耗型（低功耗型80C31/80C51/87C5180C31/80C51/87C51）增强型增强型：8032/8052/87528032/8052/8752。已为我国广大技术人员所熟悉和掌握。已为我国广大技术人员所熟悉和掌握。在上世纪在上世纪

21、8080年代和年代和9090年代，年代，MCS-51MCS-51系列是在我国应用系列是在我国应用最为广泛的单片机机型之一最为广泛的单片机机型之一。nMCS-51MCS-51系列品种丰富，经常使用的是系列品种丰富，经常使用的是基本型基本型和和增强型增强型。2021（1 1）基本型）基本型n典型产品：典型产品：8031/8051/87518031/8051/8751。n80318031内部包括内部包括1 1个个8 8位位CPUCPU、128B RAM128B RAM，2121个特殊功能寄存个特殊功能寄存器（器（SFRSFR）、）、4 4个个8 8位并行位并行I/OI/O口口、1 1个全双工串行口个

22、全双工串行口，2 2个个1616位定时器位定时器/ /计数器计数器，5 5个中断源个中断源，但，但片内无片内无程序存储器程序存储器，需，需外扩程序存储器芯片。外扩程序存储器芯片。n80518051是在是在80318031的基础上，片内又的基础上，片内又集成有集成有4KB ROM4KB ROM作为程序作为程序存储器。所以存储器。所以80518051是一个程序不超过是一个程序不超过4KB4KB的小系统。的小系统。ROMROM内内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的。的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的。n87518751与与80518051相比，片内集成的相比，片内集成的4KB EPROM4K

23、B EPROM取代了取代了80518051的的4KB 4KB ROMROM来作为程序存储器。来作为程序存储器。212223（2 2）增强型）增强型IntelIntel公司在基本型基础上，推出公司在基本型基础上，推出增强型增强型- -5252子系列子系列，典型产典型产品品：8032/8052/87528032/8052/8752。内部内部RAMRAM增到增到256B256B，80528052、片内程序片内程序存储器存储器扩展到扩展到8KB8KB，1616位定时器位定时器/ /计数器计数器增至增至3 3个，个，6 6个中断源，个中断源，串行口通信速率提高串行口通信速率提高5 5倍。倍。 23MCS

24、-51系列系列设计上的成功设计上的成功，以及，以及较高的市场占有率较高的市场占有率，已成，已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象。为许多厂家、电气公司竞相选用的对象。2424 近年来，世界上单片机芯片生产厂商推出的近年来，世界上单片机芯片生产厂商推出的与与80518051（80C5180C51） 兼容的主要产品兼容的主要产品如如表表1-21-2所示。所示。1.6.2 AT89C5x（AT89S5x）系列单片机）系列单片机25n在众多的在众多的衍生机型衍生机型中，中，ATMELATMEL公司的公司的AT89C5x/AT89S5xAT89C5x/AT89S5x系列，系列，尤其是尤其是AT89C51

25、/AT89S51AT89C51/AT89S51和和AT89C52/AT89S52AT89C52/AT89S52在在8 8位单片机位单片机市场中市场中占有较大的市场份额占有较大的市场份额。nATMELATMEL公司的公司的技术优势是闪烁（技术优势是闪烁（FlashFlash）存储器技术）存储器技术，将，将FlashFlash技术与技术与80C5180C51内核相结合，形成了片内带有内核相结合，形成了片内带有FlashFlash存存储器的储器的AT89C5x/AT89S5xAT89C5x/AT89S5x系列单片机。系列单片机。nAT89C5x/AT89S5x系列与系列与MCS-51系列系列在原有功

26、能、引脚在原有功能、引脚以及指令系统方面完全兼容以及指令系统方面完全兼容。2526n使用使用AT89C51AT89C51的系统，在保留原来软硬件的条件下，完全的系统，在保留原来软硬件的条件下，完全可以用可以用AT89S51AT89S51直接代换。直接代换。n与与AT89C5xAT89C5x系列相比，系列相比，AT89S5xAT89S5x系列的系列的时钟频率以及运算速时钟频率以及运算速度有了较大的提高度有了较大的提高，例如，例如，AT89S51AT89S51工作频率的上限为工作频率的上限为24MHz24MHz，而，而AT89S51AT89S51则为则为33MHz33MHz。AT89S51AT89

27、S51片内集成有双数据片内集成有双数据指针指针DPTRDPTR，看门狗定时器、具有低功耗空闲工作方式和掉，看门狗定时器、具有低功耗空闲工作方式和掉电工作方式。目前，电工作方式。目前，AT89S5xAT89S5x系列已逐渐取代系列已逐渐取代AT89C5xAT89C5x系列。系列。n表表1-31-3为为ATMELATMEL公司公司AT89C5x/AT89S5xAT89C5x/AT89S5x系列单片机主要产品系列单片机主要产品片内硬件资源片内硬件资源。依据实际需求来选择合适的型号。依据实际需求来选择合适的型号。262727AT89C1051与与AT89C2051为为低档机型，低档机型，均为均为20只

28、只引脚。引脚。“LV”代表代表低电压低电压，工作电压为工作电压为2.76V本书本书以以AT89S51作为作为51单片机单片机的的代表性机型代表性机型来介绍单片来介绍单片机的原理及应用。机的原理及应用。28n在我国，除在我国，除8 8位单片机得到广泛应用外，位单片机得到广泛应用外，1616位单片机也得位单片机也得到了广大用户的青睐到了广大用户的青睐，例如，美国，例如，美国TITI公司公司的的1616位单片机位单片机MSP430MSP430和台湾的和台湾的凌阳凌阳1616位单片机位单片机。n1616位位单片机还远远没有单片机还远远没有8 8位位单片机应用的那样广泛和普及，单片机应用的那样广泛和普及

29、，8 8位单片机的性能已能够满足大部分的实际需求，性能价位单片机的性能已能够满足大部分的实际需求，性能价格比也较好。格比也较好。n与与MCS-51MCS-51系列单片机兼容的各种系列单片机兼容的各种5151单片机单片机，目前仍然是，目前仍然是8 8位单片机的位单片机的主流品种主流品种，若干年内仍是自动化、机电一体化、，若干年内仍是自动化、机电一体化、仪器仪表、工业检测控制应用的仪器仪表、工业检测控制应用的主角主角。28291.7 1.7 其其他他的的5151单片机单片机n世界各半导体器件厂家推出世界各半导体器件厂家推出的的以以80518051为内核的，各种集成为内核的，各种集成度高、功能强的的

30、增强型单片机。这些单片机目前也得到度高、功能强的的增强型单片机。这些单片机目前也得到广大设计工程师的青睐。广大设计工程师的青睐。291.7.2 C8051Fxxx1.7.2 C8051Fxxx单片机单片机n美国美国CygnalCygnal公司公司产品产品，集成度高，集成度高，80518051内核内核。n典型产品典型产品为为C8051F020C8051F020。内部采用内部采用流水线结构流水线结构，大部分指令的完成时间为，大部分指令的完成时间为1 1或或2 2个时钟周期，个时钟周期，峰值处理能力峰值处理能力为为25 25 MIPSMIPS。30n片内片内资源：资源：1 1个个8 8位位ADCAD

31、C、1 1个个1212位位ADCADC、1 1个双个双1212位位DACDAC；64kB64kB片内片内FlashFlash程序存储器，程序存储器，256B RAM256B RAM，128B SFR128B SFR；8 8个个I IO O端口端口，共共6464根根I IO O口线；口线；5 5个个1616位通用定时器；位通用定时器；5 5个捕捉比较模块的可编程计数定时器阵列（个捕捉比较模块的可编程计数定时器阵列（PCAPCA），），1 1个个UARTUART串行口、串行口、1 1个个SMBus/ISMBus/I2 2C C串口、串口、1 1个个SPISPI串行口；串行口；2 2路电压比较器，路

32、电压比较器，VDDVDD监视器监视器( (电源监测电源监测) )，内置温度传感，内置温度传感器。器。30311.9 1.9 各类嵌入式处理器简介各类嵌入式处理器简介3232n随着集成电路技术及电子技术的飞速发展，随着集成电路技术及电子技术的飞速发展，各种体系结构各种体系结构的处理器品种繁多的处理器品种繁多，且都，且都嵌入到系统中嵌入到系统中实现数据处理、数实现数据处理、数据传输和控制功能，各类据传输和控制功能，各类嵌入式处理器为核心嵌入式处理器为核心的嵌入式系的嵌入式系统的应用，统的应用，是是当今电子信息技术应用的当今电子信息技术应用的一大热点一大热点。n具有各种不同体系结构的处理器，构成了具

33、有各种不同体系结构的处理器，构成了嵌入式处理器家嵌入式处理器家族族，是嵌入式系统的核心。，是嵌入式系统的核心。n全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过10001000多种，按多种，按体体系结构主要分为如下几类系结构主要分为如下几类：嵌入式嵌入式微控制器微控制器（单片机单片机）、嵌入式嵌入式微处理器微处理器、嵌入式数字信号处理器（简称、嵌入式数字信号处理器（简称DSPDSP）。）。33DSP（Digital Signal Processor)341.9.1 嵌入式微控制器（单片机）嵌入式微控制器（单片机）n单片机最大特点是单片机最大特点是单片化，单片化，价廉价廉

34、，功耗和成本下降、可靠功耗和成本下降、可靠性提高性提高。是目前嵌入式系统工业的主流。是目前嵌入式系统工业的主流。341.9.3 嵌入式微处理器嵌入式微处理器嵌入式微处理器的嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的基础是通用计算机中的CPU。但在但在工作工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。一般都做了各种增强。代表性产品为代表性产品为ARM系列系列. 能能运行实时多任务操作系统运行实时多任务操作系统，所以，所以能处理复杂的系统管理任务和处理工作。因此，能处理复杂的系统管理任务和处理工作。因此，大量应用大量应用媒媒体手机信息家电（机顶盒、数字电视）体手机信息家电（机顶盒、数字电视）、军事军事等等.351.9.2 1.9.2 嵌入式嵌入式DSPDSP处理器处理器(DSP)(DSP)nDSPDSP（Dig