中国石油大学电机微机测控及功率接口(一)全部课件

1、 电机微机测控及功率接口(一) 主讲教师 胡慧慧 2015年3月 课程介绍课程介绍 我校电气专业目前主要有两个研究方向：我校电气专业目前主要有两个研究方向： 电力电子与电气传动；电力电子与电气传动； 电力系统自动化；电力系统自动化； 前者主要研究对象为大功率执行部件，如电机等。前者主要研究对象为大功率执行部件，如电机等。而针对电机的自动控制主要采用单片机应用系统。为了而针对电机的自动控制主要采用单片机应用系统。为了将单片机和大功率被控对象的接口技术结合起来。从将单片机和大功率被控对象的接口技术结合起来。从08年开设此系列课程，本学期讲述第（一）部分，以研究年开设此系列课程，本学期讲述第（一）部

2、分，以研究单片机的基本原理和构造为主。下学期第（二）部分以单片机的基本原理和构造为主。下学期第（二）部分以介绍实际应用的接口技术为主。介绍实际应用的接口技术为主。主要内容主要内容第一章第一章 单片机基础单片机基础第二章第二章 MCS-51单片机的硬件结构与原理单片机的硬件结构与原理第三章第三章 MCS-51指令系统指令系统第四章第四章 汇编语言程序设计汇编语言程序设计第五章第五章 定时器定时器/计数器与中断系统计数器与中断系统第六章第六章 单片机系统扩展单片机系统扩展 第七章第七章 MCS-51单片机系统配置及接口技术单片机系统配置及接口技术第八章第八章 串行通信技术串行通信技术 参考书目参考

3、书目1、单片机原理与应用技术、单片机原理与应用技术 清华大学出版社清华大学出版社2、单片机原理及应用、单片机原理及应用 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社3、单片机原理及接口技术、单片机原理及接口技术 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社4、MCS-51单片机及应用系统设计单片机及应用系统设计 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社 课程导学课程导学1、重视实践环节，本课程有、重视实践环节，本课程有12学时实验环节，结合实验学时实验环节，结合实验仪器，做到活学活用。仪器，做到活学活用。2、强调平时作业和考勤。、强调平时作业和考勤。 3、注重答疑。、注重答疑。联系方式：联系方

4、式： 474675860基础基础B211第一章第一章 单片机基础单片机基础 单片机的内部结构单片机的内部结构 单片机的结构特点单片机的结构特点 单片机的发展概况单片机的发展概况 单片机的主要技术发展方向单片机的主要技术发展方向 单片机的应用领域单片机的应用领域 什么是单片机？什么是单片机？ 单片机（单片机（Single-chip-Microcomputer）又称单片微控制器，）又称单片微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理器其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理器（CPU）、存储器、输入）、存储器、输入/输出接口、定时器输出接口、定时器/

5、计数器、中断系计数器、中断系统等全部集成在一个半导体芯片上，也称嵌入式微控制器。统等全部集成在一个半导体芯片上，也称嵌入式微控制器。 嵌入式微控制器大多工作在为特定用户群专用设计的系统嵌入式微控制器大多工作在为特定用户群专用设计的系统中，可将许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于中，可将许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，还具有高效率和高可靠性的嵌入式系统在设计时趋于小型化，还具有高效率和高可靠性的优点。优点。一、单片机的内部结构一、单片机的内部结构1、CPU单片机的核心部件，由单片机的核心部件，由运算部件运算部件和和控制部件控制部件两部分组成。

6、两部分组成。（1）运算部件）运算部件 由算术逻辑运算单元、暂存寄存器、累加由算术逻辑运算单元、暂存寄存器、累加器、寄存器和程序状态寄存器等组成，用于完成算术运算和器、寄存器和程序状态寄存器等组成，用于完成算术运算和逻辑运算功能。逻辑运算功能。（2）控制部件）控制部件 由程序计数器由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码、指令寄存器、指令译码器、振荡器以及定时电路等组成，用于完成控制功能。器、振荡器以及定时电路等组成，用于完成控制功能。2、存储器、存储器（1）程序存储器）程序存储器ROM 用于存放编制好的程序和表格常数用于存放编制好的程序和表格常数。（2）数据存储器）数据存储器RAM 用于存放程序

7、运行中采集的数据和所用于存放程序运行中采集的数据和所 需要的变量。需要的变量。扩充扩充： 只读存储器只读存储器ROM（read only memory） 掩膜只读存储器掩膜只读存储器ROM：这种：这种ROM中的信息是在芯片制造中的信息是在芯片制造时由厂家用时由厂家用“掩膜掩膜”工艺写入（固化）的，用户在使用过程工艺写入（固化）的，用户在使用过程中无法改变其中的内容。中无法改变其中的内容。 可编程只读存储器可编程只读存储器PROM：用户可用专门设备将存储信息：用户可用专门设备将存储信息写入芯片中。一旦写入即不能更改，且只能写一次。写入芯片中。一旦写入即不能更改，且只能写一次。 紫外线擦除可编程只

8、读存储器紫外线擦除可编程只读存储器EPROM：用户可多次用紫外：用户可多次用紫外线照射的方式擦除已写入的信息，并允许再重新写入。线照射的方式擦除已写入的信息，并允许再重新写入。 电擦除可编程只读存储器电擦除可编程只读存储器EEPROM：允许用户写入信息，：允许用户写入信息，并可用外加电压擦除已写入的信息，并允许再重新写入。并可用外加电压擦除已写入的信息，并允许再重新写入。 闪存可编程闪存可编程/擦除只读存储器擦除只读存储器FPEROM：简称闪存（：简称闪存（Flash Memory），信息在闪电式的一瞬间被存储，之后即使除去电），信息在闪电式的一瞬间被存储，之后即使除去电源，存储器中信息仍可保

9、留。闪存也是电擦除可重复编程存储源，存储器中信息仍可保留。闪存也是电擦除可重复编程存储器，体积小、功耗低、不易受物理破坏，存储密度高。器，体积小、功耗低、不易受物理破坏，存储密度高。 随机存取存储器随机存取存储器RAM (random access memory)正常工作时可随时读写，但在系统断电后，其内容会消失。正常工作时可随时读写，但在系统断电后，其内容会消失。3、I/O接口接口 I/O接口用以实现对外控制或信息的传递。接口用以实现对外控制或信息的传递。（1）并行接口：在单片机和存储器或外围设备之间并行传）并行接口：在单片机和存储器或外围设备之间并行传送送8位数据信息。位数据信息。（2）串

10、行接口：在单片机之间或单片机与外围设备之间实）串行接口：在单片机之间或单片机与外围设备之间实现串行通信。现串行通信。 单片机内部具有特殊功能的两个部件，利用它们可实现单片机内部具有特殊功能的两个部件，利用它们可实现对外事件的定时和计数控制功能。对外事件的定时和计数控制功能。4、定时、定时/计数器计数器 通过外接石英晶体产生频率固定的时钟脉冲，为单片机通过外接石英晶体产生频率固定的时钟脉冲，为单片机提供时钟脉冲序列，用以协调指挥整个单片机的有序工作。提供时钟脉冲序列，用以协调指挥整个单片机的有序工作。5、时钟电路、时钟电路（1）集成度高、体积小、重量轻；）集成度高、体积小、重量轻；（2）抗扰能力

11、强，可靠性高；）抗扰能力强，可靠性高；（3）运行速度快、控制功能强；）运行速度快、控制功能强；（4）开发使用方便，易于产品化；）开发使用方便，易于产品化；（5）具有优异的性能价格比）具有优异的性能价格比 。二、单片机的结构特点二、单片机的结构特点三、单片机的发展概况三、单片机的发展概况第二阶段（第二阶段（1978-1982年）：高性能单片机阶段。这类年）：高性能单片机阶段。这类单片机带有串行单片机带有串行I/O口，口，8位数据线、位数据线、16位地址线（可以寻位地址线（可以寻址的范围达到址的范围达到64K字节）、控制总线以及较丰富的指令系字节）、控制总线以及较丰富的指令系统等。其应用范围较广，

12、并在不断的改进和发展。统等。其应用范围较广，并在不断的改进和发展。 单片机的发展历史可划分为四阶段：单片机的发展历史可划分为四阶段：第一阶段（第一阶段（1974-1978年）：低性能单片机的探索阶段。年）：低性能单片机的探索阶段。以以 公司的公司的MCS-48为代表，采用单片结构，即在一块为代表，采用单片结构，即在一块芯片内含有芯片内含有8位位CPU、定时、定时/计数器、并行计数器、并行I/O口、口、RAM和和ROM等。主要用于工业领域。等。主要用于工业领域。第三阶段（第三阶段（1982-1990年）：年）：16位单片机阶段。位单片机阶段。16位单片位单片机除机除CPU为为16位外，片内位外，

13、片内RAM和和ROM容量进一步增大，实容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。例如时处理能力更强，体现了微控制器的特征。例如Intel公司的公司的MCS-96主振频率为主振频率为12M，片内，片内RAM为为232字节，字节，ROM为为8K字节，中断处理能力为字节，中断处理能力为8级，片内带有级，片内带有10位位A/D转换器和高速转换器和高速输入输入/输出部件等。输出部件等。第四阶段（第四阶段（1990年至今）：微控制器的全面发展阶段，各年至今）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围

14、大以及小型廉价方面发展。范围大以及小型廉价方面发展。四、单片机的主要技术发展方向四、单片机的主要技术发展方向（1）多功能：尽可能将存储器、各种功能的）多功能：尽可能将存储器、各种功能的I/O口都集成在一口都集成在一块芯片中，即外围器件内装化。块芯片中，即外围器件内装化。（2）高性能：使用）高性能：使用RISC体系结构、并行流水线操作和体系结构、并行流水线操作和DSP等等的设计技术使单片机的指令运行速度大大提高，电磁兼容的设计技术使单片机的指令运行速度大大提高，电磁兼容性能也更优越。性能也更优越。（3）全盘）全盘CMOS化：从第三代开始，淘汰非化：从第三代开始，淘汰非CMOS工艺。此工艺。此举会

15、带来本质低功耗和低功耗管理技术的快速发展。举会带来本质低功耗和低功耗管理技术的快速发展。（4）推行串行扩展总线：可以显著减少芯片的引脚数量，简）推行串行扩展总线：可以显著减少芯片的引脚数量，简化系统结构。化系统结构。（5）闪存）闪存Flash ROM的推广。的推广。五、单片机的应用领域五、单片机的应用领域1、在智能仪表上的应用、在智能仪表上的应用单片机广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，单片机广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、等可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、等各种物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表

16、数字化、智各种物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。领域没有单片机的踪迹。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：等领域，大致可分如下几个范畴：2、在工业控制中的应用、在工业控制中的应用用单片机可

17、以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。与计算机联网构成二级控制系统等。3、在家用电器中的应用、在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子称量设备，五花八门，无所不在。再到电子称量设备，五花八门，无

18、所不在。4、在计算机网络和通信领域中的应用、在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控进行数据通信，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、制，从手机，电话机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。对讲机等。5、单片机在医用设备领域中的应用、单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备

19、中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。6、在各种大型电器中的模块化应用、在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。在大型电进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方

20、便于更换。损坏、错误率，也方便于更换。7、单片机在汽车设备领域中的应用、单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。防抱死系统，制动系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。领域都有着十分广泛的用途。 单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思单片机的应用

21、正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。这分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术，这标志着一种全新概念的建立。微控制技术，这标志着一种全新概念的建立。结论结论MCS-51MCS-51单片机（单片机（Micro Controllor System）MCS-51是指由美国是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称。公司

22、生产的一系列单片机的总称。51系列单片机源于系列单片机源于Intel公司的公司的MCS51系列，在系列，在Intel公司将公司将MCS51系列单片机实行技术开放政策之后，许多公司，如系列单片机实行技术开放政策之后，许多公司，如Philips、Siemens、Atmel、 Dallas、华邦、华邦、LG等都以等都以MCS51中的基础结构中的基础结构8051为基核推出了许多各具特色、具为基核推出了许多各具特色、具有优异性能的单片机。这样，把这些厂家以有优异性能的单片机。这样，把这些厂家以8051为基核推出为基核推出的各种型号的兼容型单片机统称为的各种型号的兼容型单片机统称为51系列单片机。系列单片

23、机。l这一系列单片机包括了好些品种，如这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，等，l其中其中8051是最早最典型的产品，是最早最典型的产品，l该系列其它单片机都是在该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、的基础上进行功能的增、减、改变而来的，改变而来的，l所以人们习惯于用所以人们习惯于用8051来称呼来称呼MCS-51系列单片机。系列单片机。 8051：内部包含内部包含4KB的的ROM（片内掩膜）、（片内掩膜）、128B的的RAM、21个特殊功能寄存器、个特殊功能寄存器、4个个8位并行口、一个全双工串行口、两位并行口、一个全

24、双工串行口、两个个16位定时器位定时器/计数器以及一个处理功能很强的中央处理器。计数器以及一个处理功能很强的中央处理器。8751：是以是以4KB的的EPROM代替代替4KB ROM的的8051。8951：是以是以4KB的的E2PROM或或Flash ROM代替代替4KB ROM的的8051。8031：是内部无是内部无ROM的的8051。 8031单片机必须外接单片机必须外接ROM作为作为程序存储器。程序存储器。MCS-51MCS-51子系列子系列 52子系列子系列也包含也包含4个产品，分别是个产品，分别是51子系列的增强型。由子系列的增强型。由于资源数量的增加，芯片的功能有所增强。片内于资源数

25、量的增加，芯片的功能有所增强。片内ROM容量和容量和RAM容量增加了一倍；定时器数目从容量增加了一倍；定时器数目从2个增加到个增加到3个；中断源个；中断源从从5个增加到个增加到6个等。个等。 80C31/87C51/80C51：采用：采用CMOS工艺适于电池供电或其工艺适于电池供电或其它要求低功耗的场合。它要求低功耗的场合。 MCS-51单片机的结构与工作原理单片机的结构与工作原理 中央处理单元与时序中央处理单元与时序 存储器配置存储器配置 并行并行I/O端口端口 复位及复位电路复位及复位电路第二章第二章 MCS-51单片机的硬件结构与原理单片机的硬件结构与原理一一、内部结构、内部结构第一节第

26、一节 MCS-51单片机的结构与工作原理单片机的结构与工作原理P0驱动器驱动器P2驱动器驱动器P0锁存器锁存器P2锁存器锁存器RAM地地址寄存器址寄存器256BRAM4KB ROMB寄存器寄存器暂存器暂存器1暂存器暂存器2ACCSP程序地址程序地址寄存器寄存器 缓冲器缓冲器PC增增1PCDPTR中断、串行口和定时器中断、串行口和定时器PSWP1锁存器锁存器P1驱动器驱动器P3锁存器锁存器P3驱动器驱动器定定时时控控制制指指令令寄寄存存器器指指令令译译码码器器OSCALUP0.0-P0.7P2.0-P2.7P3.0-P3.7P1.0-P1.7XTAL1 XTAL2PSENALEEARET由上图可

27、见，由上图可见，8051内部集成有如下功能部件：内部集成有如下功能部件：1）8位中央处理器位中央处理器CPU2）4KB程序存储器程序存储器ROM（8031内部无内部无ROM）3）256B数据存储器数据存储器RAM4）21个特殊功能寄存器个特殊功能寄存器5）4个个8位并行位并行I/O端口（端口（P0P3）6）1个可编程串行个可编程串行I/O端口端口7）2个个16位定时位定时/计数器（计数器（T0，T1）8）时钟振荡器和时钟电路）时钟振荡器和时钟电路二、工作原理二、工作原理以以ADD A，R0 指令为例说明其工作原理指令为例说明其工作原理执行指令的过程是：取指令执行指令的过程是：取指令译码译码执行

28、执行取指令：取指令：CPU把把PC的值送入程序地址寄存器，并向的值送入程序地址寄存器，并向ROM发发出读指令，出读指令，PC值加值加1。译码：译码：把读出的指令代码送入指令寄存器把读出的指令代码送入指令寄存器IR，再送入指令译，再送入指令译码器码器ID，译码结果送到定时与控制电路。，译码结果送到定时与控制电路。执行：执行：根据译码的结果对数据进行运算。根据译码的结果对数据进行运算。程序的执行是指令一条接一条执行的过程，每执行一条指令，程序的执行是指令一条接一条执行的过程，每执行一条指令，PC值自动加值自动加1，指向下一条指令。，指向下一条指令。三、引脚及功能三、引脚及功能MCS-51单片机是单

29、片机是40个引脚的双列直插个引脚的双列直插式封装形式。式封装形式。X1 X2 EA PSEN ALE RST VCC GND 8051 P0 P1 P2 P3 P00P07 P10P17 P20P27 P30P37 控控制制引引脚脚I/O口引脚口引脚逻辑图逻辑图时钟引脚时钟引脚电源电源引脚引脚第二功能第二功能1、电源引脚、电源引脚Vcc和和Vss Vcc（40脚）：电源端，接脚）：电源端，接5V电源电源 Vss （20脚）：接地端脚）：接地端2、外接晶体引脚、外接晶体引脚XTAL1，XTAL2 XTAL1（19脚）：片内反向放大器输入端脚）：片内反向放大器输入端 XTAL2（18脚）脚） ：片

30、内反向放大器输出端：片内反向放大器输出端采用内部时钟时，采用内部时钟时，2个引脚各接外部晶体和微调电容的一端；个引脚各接外部晶体和微调电容的一端；采用外部时钟时，采用外部时钟时，XTAL2脚输入外部时钟脉冲，脚输入外部时钟脉冲，XTAL1脚接地。脚接地。各个引脚的功能说明如下：各个引脚的功能说明如下：3、 控制信号引脚控制信号引脚 RST/VPD（9脚）：脚）：RST复位信号复位信号；VPD备用电源输入端。备用电源输入端。 ALE/PROG（address latch enable/programming，30脚）：脚）： ALE 是地址锁存允许信号是地址锁存允许信号；PROG 是编程脉冲输入

31、端。是编程脉冲输入端。ALE信号说明：信号说明：1.当当CPU访问外部存储器时，访问外部存储器时，ALE端作为锁存低端作为锁存低8位地址的控制信位地址的控制信号，下降沿有效。号，下降沿有效。2.当当CPU不访问外部存储器时，不访问外部存储器时，ALE端以端以1/6的振荡频率固定输出的振荡频率固定输出正脉冲。正脉冲。 EA/VPP（enable address/voltage pulse of programming， 31脚）：脚）：EA外部程序存储器选择端；外部程序存储器选择端； VPP编程电源输入端。编程电源输入端。EA信号说明信号说明：1. EA为低电平时，为低电平时，CPU只访问外部只

32、访问外部ROM；2. EA为高电平时，为高电平时，CPU首先访问内部首先访问内部ROM并自动延至外部并自动延至外部ROM。 PSEN（program store enable，29脚脚) ： 外部程序存储器选通信号外部程序存储器选通信号说明：说明： 在访问片外程序存储器时，此引脚定时输出负脉冲作为读片在访问片外程序存储器时，此引脚定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号，低电平有效。外存储器的选通信号，低电平有效。 P0.0P0.7：P0口，口，8位双向位双向I/O端口。当端口。当CPU访问片外存储访问片外存储器时，器时，P0口分时提供复用的低口分时提供复用的低8位地址线和位地址线和8位双向数

33、据线。位双向数据线。 P1.0P1.7：P1口，内部带上拉电阻的口，内部带上拉电阻的8位准双向位准双向I/O端口。端口。 P2.0P2.7：P2口，内部带上拉电阻的口，内部带上拉电阻的8位准双向位准双向I/O端口。端口。 当当CPU访问片外存储器时，输出高访问片外存储器时，输出高8位地址。位地址。 P3.0P3.7：P3口，内部带上拉电阻的口，内部带上拉电阻的8位准双向位准双向I/O端口。端口。P3口作一般口作一般I/O端口使用外，每个引脚都有专门的第二功能。端口使用外，每个引脚都有专门的第二功能。4、 I/O端口引脚端口引脚引脚引脚转义引脚转义引脚功能说明功能说明P3.0RXD串行数据接收端

34、串行数据接收端P3.1TXD串行数据发送端串行数据发送端P3.2INT0外部中断外部中断0请求请求P3.3INT1外部中断外部中断1请求请求P3.4T0计数器计数器0外部输入外部输入P3.5T1计数器计数器1外部输入外部输入P3.6WR外部数据存储器写外部数据存储器写P3.7RD外部数据存储器读外部数据存储器读P3口的第二功能口的第二功能引脚连接图引脚连接图1RSTRST引脚连接图引脚连接图2EA 一、一、 运算器和控制器运算器和控制器1、运算器、运算器（1）算数逻辑单元）算数逻辑单元ALU：完成基本的算术运算、逻辑运算；：完成基本的算术运算、逻辑运算；（2）累加器）累加器A（ACC）：专门用

35、来存放操作数和运算结果；）：专门用来存放操作数和运算结果；（3）暂存寄存器：暂存数据和状态，便于传送和运算；）暂存寄存器：暂存数据和状态，便于传送和运算；（4）B寄存器：用于乘法和除法的寄存器：用于乘法和除法的8位寄存器；位寄存器；第二节第二节 中央处理单元与时序中央处理单元与时序位序位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0标志标志CYACF0RS1RS0OV-P CY（C）：进位标志位）：进位标志位 存放算术运算的进位或借位标志；存放算术运算的进位或借位标志； 在位操作中，作位累加器使用。在位操作中，作位累加器使用。 AC：辅助进位位：辅助进位位

36、加减运算中，低加减运算中，低4位向高位向高4位有进位或借位时，位有进位或借位时，AC=1。 F0：用户标志位：用户标志位 （5）程序状态字（）程序状态字（Program Status Word PSW ）：存放指令）：存放指令执行后的状态信息：执行后的状态信息：RS1RS0选中的工作寄存器组选中的工作寄存器组R0R7地址地址000组组00-07H011组组08-0FH102组组10-17H113组组18-1FH OV：溢出标志位：溢出标志位 运算结果超出了累加器运算结果超出了累加器A所能表示的带符号数的范围所能表示的带符号数的范围（- -128 +127），）， OV=1。 RS1、RS0：工

37、作寄存器选择位：工作寄存器选择位 CPU选择哪一组工作寄存器为当前工作寄存器，确定选择哪一组工作寄存器为当前工作寄存器，确定R0R7的物理地址。的物理地址。（6）布尔处理器：也称为位处理器，以）布尔处理器：也称为位处理器，以PSW中的中的CY为累为累加器，可执行各种位操作，也可以将加器，可执行各种位操作，也可以将CY与其他可寻址位之与其他可寻址位之间进行逻辑与、逻辑或操作，结果存放于间进行逻辑与、逻辑或操作，结果存放于CY。 P：奇偶标志位：奇偶标志位 累加器累加器A中中1的个数的奇偶性，奇：的个数的奇偶性，奇：P=1；偶：；偶：P=0。位序位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.

38、3PSW.2PSW.1PSW.0标志标志CYACF0RS1RS0OV-P（1）程序计数器程序计数器PC：是一个：是一个16位专用寄存器，用来存放将位专用寄存器，用来存放将要执行的下一条指令的地址；要执行的下一条指令的地址；（2）指令寄存器）指令寄存器IR和指令译码器和指令译码器ID：存放代码及译码；：存放代码及译码；（3）定时控制电路：产生）定时控制电路：产生CPU的操作时序。的操作时序。2、控制器、控制器 单片机的时钟信号是提供片内各种操作的时间基准。单片机的时钟信号是提供片内各种操作的时间基准。二、时钟电路二、时钟电路 内部时钟内部时钟电路：电路：石英晶体或陶瓷振荡器（石英晶体或陶瓷振荡器

39、（晶振）：晶振）：1.212MHz 。微调电容微调电容C01、C02起稳定振荡频率起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为、快速起振的作用。电容值一般为 530PF。 因片内有高增益运算放大器，外接晶振后，就构成了因片内有高增益运算放大器，外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 外部时钟外部时钟电路电路 把外部振荡信号引入把外部振荡信号引入XTAL2端，端，XTAL1端接地。端接地。这种方式适宜用于使单片这种方式适宜用于使单片机的时钟与外部信号保持机的时钟与外部信号保持一致。一致。 由于由于XTAL2端的逻辑电平与端的逻辑电平与TTL电平不兼容，故

40、在此电平不兼容，故在此引脚外接一个上拉电阻。引脚外接一个上拉电阻。1、时钟周期时钟周期 又称振荡周期，是一个振荡脉冲的周期，也是时又称振荡周期，是一个振荡脉冲的周期，也是时序中最小的时间单位。序中最小的时间单位。2、机器周期机器周期 完成一个最基本操作的时间，通常由若干个时完成一个最基本操作的时间，通常由若干个时钟周期构成，在钟周期构成，在MCS-51单片机中，每个机器周期都包含单片机中，每个机器周期都包含12个时个时钟周期，分为钟周期，分为6个个状态状态S1S6，每个状态又分为，每个状态又分为2个个节拍节拍P1和和P2。3、指令周期指令周期 执行一条指令所用的时间称为指令周期，用机器执行一条

41、指令所用的时间称为指令周期，用机器周期的个数来表示。周期的个数来表示。MCS-51系统中有单周期指令、双周期指令、系统中有单周期指令、双周期指令、四周期指令。四周期指令。三、机器周期与指令周期三、机器周期与指令周期 时钟周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（例如：时钟周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（例如：波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。 例：单片机外接晶振频率例：单片机外接晶振频率12MHz时的各种时序单位：时的各种时序单位： 1/frequency oscillate = 1/12MHz= 0.0833us 12/fosc=

42、12/12MHz= 1us （14）机器周期）机器周期 = 14us说明：说明：时钟周期时钟周期=机器周期机器周期=指令周期指令周期=四、指令取指四、指令取指/执行时序执行时序l l 单片机的工作工程是：取指令、译码、执行指令单片机的工作工程是：取指令、译码、执行指令， 一步步地完成各种指令规定的功能。一步步地完成各种指令规定的功能。l l 各指令的操作顺序在时间上有严格的次序，这种操作的各指令的操作顺序在时间上有严格的次序，这种操作的 时间顺序称为时间顺序称为时序时序。l l 单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部各种操作提供单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部各种操作提供 时间基准。时间基准

43、。l l 单字节指令、双字节指令是单周期或双周期的；单字节指令、双字节指令是单周期或双周期的； 三字节指令是双周期的；乘除指令是四周期的。三字节指令是双周期的；乘除指令是四周期的。MCS-51单片机指令的取指单片机指令的取指/执行的时序执行的时序存储器结构存储器结构第三节第三节 存储器配置存储器配置普林斯顿结构普林斯顿结构/冯冯诺伊曼诺伊曼 ：ROM、RAM统一编址。统一编址。哈佛结构：哈佛结构：ROM、RAM分开编址。分开编址。在结构上分为在结构上分为6个存储器编址空间；个存储器编址空间；在物理上分：片内、片外程序存储器；片内、片外数据存储器。在物理上分：片内、片外程序存储器；片内、片外数据

44、存储器。在逻辑上分：程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。在逻辑上分：程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。 程序存储器程序存储器 内部数据存储器内部数据存储器 外部数据存储器外部数据存储器 程序存储器程序存储器ROM存放编制好的固定程序和表格，以存放编制好的固定程序和表格，以16位位的程序计数器做地址指针，可寻址的程序计数器做地址指针，可寻址64KB空间。空间。 一、程序存储器一、程序存储器特殊功能地址单元特殊功能地址单元 （1）0000H-0002H：存放复位后：存放复位后初始化引导程序初始化引导程序例例程序放在内部程序放在内部1000H开始的单元开始的单元 ORG 0000H

45、 AJMP MAIN ORG 1000H MAIN: MOV A，# 0AFH0000H0001H0002H(PC)中断中断5中断中断4中断中断3中断中断2中断中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中断外部中断0定时器定时器0中断中断外部中断外部中断1定时器定时器1中断中断串行口中断串行口中断8位位0FFFH0FFEH程序存储器资源分布程序存储器资源分布中断地址区中断地址区初始化初始化引导程序引导程序（2）0003H-002AH：中断地址区：中断地址区 CPU响应中断后，根据中断类型，自动转入各中断区首地响应中断后，根据中断类型，自动转入各中断区首地址去执行中断

46、服务程序。址去执行中断服务程序。8个单元不能放下中断服务程序，因此个单元不能放下中断服务程序，因此在中断入口地址放一条无条件跳转指令。在中断入口地址放一条无条件跳转指令。 0003H002AH共共40个单元是个单元是中断服务程序地址区中断服务程序地址区，它被分，它被分为五段，每段为五段，每段8个单元，分别分配给个单元，分别分配给5个中断源：个中断源：0003H000AH 外部中断外部中断0中断地址区；中断地址区；000BH0012H 定时器定时器/计数器计数器0中断地址区；中断地址区；0013H001AH 外部中断外部中断1中断地址区；中断地址区；001BH0022H 定时器定时器/计数器计数

47、器1中断地址区；中断地址区；0023H002AH 串行中断地址区。串行中断地址区。中断源中断源入口地址入口地址外部中断外部中断00003H定时器定时器0溢出中断溢出中断000BH外部中断外部中断10013H定时器定时器1溢出中断溢出中断001BH串行口中断串行口中断0023H例：例：假设外部中断假设外部中断INT0的中断服务程序放在的中断服务程序放在0040H开始的单元开始的单元 ORG 0003H AJMP INT0 ORG 0040H INT0: PUSH PSW .二、数据存储器二、数据存储器内部内部RAM（00H-FFH）外部外部RAM（0000H-FFFFH）数据数据存储器存储器00

48、H20H2FH7FH1FH30H 用户用户RAM区区位寻址区位寻址区 工作寄存器区工作寄存器区特殊功能寄存器区（特殊功能寄存器区（80H-FFH） 内部内部RAM（00H-FFH）真正真正RAM区区（1）工作寄存器区（）工作寄存器区（00H1FH） 地址范围在地址范围在00H1FH的的32个单元，可分成个单元，可分成4个工作寄存个工作寄存器组，每组占器组，每组占8个字节。个字节。 第第0组组工作寄存器：地址范围为工作寄存器：地址范围为00H07H 第第1组组工作寄存器：地址范围为工作寄存器：地址范围为08H0FH 第第2组组工作寄存器：地址范围为工作寄存器：地址范围为10H17H 第第3组组工

49、作寄存器：地址范围为工作寄存器：地址范围为18H1FH1、真正、真正RAM区区l 每个工作寄存器组都有每个工作寄存器组都有8个寄存器，分别称为个寄存器，分别称为R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7。但在程序运行时，只允许有一个。但在程序运行时，只允许有一个工作寄存器组工作，这组工作寄存器称为工作寄存器组工作，这组工作寄存器称为当前工作寄存器组当前工作寄存器组，所以每组之间不会因为名称相同而混淆出错。，所以每组之间不会因为名称相同而混淆出错。l 可通过对特殊功能寄存器中的程序状态字可通过对特殊功能寄存器中的程序状态字PSW的的RS1、RS0的状态设置，选择哪组工作寄存器作当前工作寄存器

50、组。的状态设置，选择哪组工作寄存器作当前工作寄存器组。l 单片机复位时，当前工作寄存器默认为单片机复位时，当前工作寄存器默认为0组。组。说明说明 与工作寄存器相连的与工作寄存器相连的16个字节地址单元个字节地址单元20H2FH为位为位寻址区，可以对每个寻址区，可以对每个RAM单元中的任何一个位进行位操作，单元中的任何一个位进行位操作，例如对某一位进置例如对某一位进置0、清、清0、判、判1、判、判0、转移等。、转移等。 该位寻址区既可以按照该位寻址区既可以按照字节操作字节操作（16个单元），也可以个单元），也可以按照按照位操作位操作（128位）。位）。 每一位可用位地址寻址，也可用字节地址和位地

51、址相结每一位可用位地址寻址，也可用字节地址和位地址相结合的表示方法。合的表示方法。（2） 位寻址区（位寻址区（20H2FH）2FH.726H.3 30H-7FH共共80个个RAM单元，用来存放用户数据和堆栈操作单元，用来存放用户数据和堆栈操作使用，称为用户使用，称为用户RAM区，该区是按字节存取的。区，该区是按字节存取的。n堆栈堆栈的概念的概念 堆栈是在单片机内部堆栈是在单片机内部RAM中从某个选定的存储单元开始划定中从某个选定的存储单元开始划定的一个地址连续的区域，在这个区域选定某个存储单元作为的一个地址连续的区域，在这个区域选定某个存储单元作为栈栈底底，只允许向一个方向写入数据，最后一个写

52、入数据的存储单，只允许向一个方向写入数据，最后一个写入数据的存储单元称为元称为栈顶栈顶。 n堆栈的生成有两种情况，堆栈的生成有两种情况，向高地址方向写入数据向高地址方向写入数据生成的堆栈称生成的堆栈称为为向上生长型堆栈向上生长型堆栈，反之称为向下生长型堆栈，反之称为向下生长型堆栈，MCS-51单片单片机属于向上生长型堆栈（即向高地址方向生成）。机属于向上生长型堆栈（即向高地址方向生成）。（3） 堆栈和数据缓冲区堆栈和数据缓冲区堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器SP：一个：一个8位寄存器，用于指明堆栈顶部在位寄存器，用于指明堆栈顶部在RAM中的位置，可由软件设置初始值；系统复位后，中的位置，可由软件设

53、置初始值；系统复位后，SP初始初始化为化为07H；实际中，一般将；实际中，一般将SP设置在设置在30-7FH范围内。范围内。 堆栈的原则：堆栈的原则：先进后出，后进先出先进后出，后进先出。每存（取）一个字节，。每存（取）一个字节，SP自动加（减）自动加（减）1，SP始终指向新的栈顶。始终指向新的栈顶。堆栈操作方式：指令方式：堆栈操作方式：指令方式： PUSH、 POP 自动方式自动方式 ：调用子程序或中断时，将返回地址：调用子程序或中断时，将返回地址 自动进栈；程序返回时，断点地址自动弹回自动进栈；程序返回时，断点地址自动弹回PC。栈底栈底AB进栈进栈SPSP SP+162H61H60H栈底栈

54、底AB出栈出栈SPSP SP-162H61H60HA先进栈先进栈B再进栈再进栈B先出栈先出栈A再出栈再出栈堆栈示意图堆栈示意图2、特殊功能寄存器（、特殊功能寄存器（SFR Special Function Registers ） 8051单片机中设置了单片机中设置了21个特殊功能寄存器个特殊功能寄存器，它们不连续地分，它们不连续地分布在地址为布在地址为80H-FFH的的128个字节的存储空间中。个字节的存储空间中。 21个个SFR只能采用只能采用直接寻址方式直接寻址方式，但是字节地址，但是字节地址能被能被8整除整除（16进制的地址码尾数为进制的地址码尾数为0或或8）的）的11个单元均具有位寻址

55、能力。个单元均具有位寻址能力。可位寻址可位寻址（1）堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器SP：（2）数据存储器地址指针数据存储器地址指针DPTR：16位专用寄存器，由位专用寄存器，由DPH、DPL组成。对组成。对64KB外部数据存储器寻址，做间址寄外部数据存储器寻址，做间址寄存器；访问程序存储器，做基址寄存器。存器；访问程序存储器，做基址寄存器。（3）端口寄存器端口寄存器P0P3：用于控制用于控制4个个8位并行位并行I/O口。口。（4）串口数据缓冲器串口数据缓冲器SBUF：由发送缓冲器和接收缓冲器组由发送缓冲器和接收缓冲器组成，通过读写指令来区别对哪一个缓冲器进行操作。成，通过读写指令来区别对哪一个缓

56、冲器进行操作。（5）串行口控制与状态寄存器串行口控制与状态寄存器SCON：控制串行通信工作控制串行通信工作方式、接收或发送控制、设置状态标志。方式、接收或发送控制、设置状态标志。SFR：（6） 定时器定时器/计数器计数器T：MCS51有两个有两个16位定时器位定时器T0和和T1，每，每个定时器各包含两个独立的个定时器各包含两个独立的8位寄存器位寄存器TH0、TL0、TH1、TL1。（7）定时器定时器/计数器工作方式寄存器计数器工作方式寄存器TMOD：主要确定定时器主要确定定时器/计计数器的工作方式。数器的工作方式。（8）定时器定时器/计数器控制寄存器计数器控制寄存器TCON：控制定时器控制定时

57、器/计数器的启计数器的启/停操作及对定时器溢出时设定标志位。停操作及对定时器溢出时设定标志位。（9）中断允许寄存器中断允许寄存器IE和中断优先级寄存器和中断优先级寄存器IP：IE用来控制用来控制CPU对各中断源的中断请求进行响应，对各中断源的中断请求进行响应，IP用来确定中断源的优先用来确定中断源的优先级别。级别。 MCS-51共有共有4个个8位准双向并行位准双向并行I/O端口端口P0P3，共，共32根根I/O口线，每根都可以独立作为输入和输出。这四个端口口线，每根都可以独立作为输入和输出。这四个端口是单片机对外部实现控制及信息交换的输入输出通道。是单片机对外部实现控制及信息交换的输入输出通道

58、。P0：作为外部扩展存储器时的地址：作为外部扩展存储器时的地址/数据线数据线P1：普通：普通I/O口口P2：作为外部扩展存储器时的地址线：作为外部扩展存储器时的地址线P3：除作为：除作为I/O口外，每根口线都有第二功能。口外，每根口线都有第二功能。第四节第四节 并行并行I/O端口端口一、一、 P0端口端口由两只场效应管组成的由两只场效应管组成的输出驱动电路输出驱动电路；由由一个与门、反向器和多路转换开关一个与门、反向器和多路转换开关MUX组成组成输出控制电路；输出控制电路； MUX的位置由的位置由CPU的控制信号确定，当控制信号为低电平时，的控制信号确定，当控制信号为低电平时，P0口用作一般口

59、用作一般I/O口；反之为高电平时，口；反之为高电平时，P0口用作地址口用作地址/数据总线。数据总线。P0.X1、用作、用作I/O口：口：控制信号为低电平，控制信号为低电平，V1截至，输出极为漏极开路电路，应接上拉电阻。截至，输出极为漏极开路电路，应接上拉电阻。输出时：输出时：内部总线上的数据在写信号控制下，先写入锁存器，经反内部总线上的数据在写信号控制下，先写入锁存器，经反相端反相，再经相端反相，再经V2反相，使输出数据正好出现在反相，使输出数据正好出现在P0口引脚上。口引脚上。 输入时输入时：先向锁存器写：先向锁存器写1，令，令V1，V2截至，读引脚信号把三态缓冲截至，读引脚信号把三态缓冲器

60、打开，则端口上的数据经三态缓冲器输入到内部总线。器打开，则端口上的数据经三态缓冲器输入到内部总线。P0.X为什么输入时要先向锁存器写为什么输入时要先向锁存器写1 ？由于输出驱动由于输出驱动V2并接在引脚上，如果并接在引脚上，如果V2导通会把引脚的高电平导通会把引脚的高电平拉成低电平，从而产生误读，所以输入时必须先向锁存器写拉成低电平，从而产生误读，所以输入时必须先向锁存器写1。P0口在做普通口在做普通I/O口时，是一个准双向口。口时，是一个准双向口。 对于准双向口，在做输入口时，应先向锁存器写入对于准双向口，在做输入口时，应先向锁存器写入1，使，使2个场效应管都截至，引脚处于悬浮状态，可作高阻