单片机 教案 的结构和原理

1、单片机课件 教案 的结构和原理第1页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/522.1 80C51系列概述2.1.1 MCS-51系列 8051/8751/8031 8052/8752/8032 80C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C32等 MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。这一系列的单片机有多种，如：第2页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/53 生产工艺有两种： 在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片，CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。如87

2、C51。一是HMOS工艺（高密度短沟道MOS工艺）。二是CHMOS工艺（互补金属氧化物的HMOS工艺）。第3页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/54 80C51典型产品资源配置第4页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/55 功能上，有基本型和增强型2大类：增强型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C31第5页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/56 由表可见： 增强型与基本型的几点不同： 片内ROM：

3、从4K增加到8K 片内RAM：从128增加到256 定时/计数器：从2个增加到3个 中断源：从5个增加到6个。 第6页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/57无ROM型，要在片外扩展程序存储器；掩膜ROM型，程序由芯片生产厂写入；EPROM型，程序通过写入装置写入；FlashROM型，程序可电写入（常用）。 片内ROM的配置形式：还有OTPROM型，具有较高的可靠性。第7页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/582.1.2 80C51系列 各厂商以8051为基核开发出的CMOS单片机统称为80C51系列。常用产品有：Intel

4、：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；ATMEL：89C51、89C52、89C2051等；Philips、华邦、Dallas、Siemens等公司的许多产品 。第8页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/592.2 80C51的基本结构与应用模式2.2.1 80C51的基本结构第9页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二80C51单片机主要由以下功能部件组成：（1）8位微处理器（CPU）；（2）128B数据存储器（RAM），片外可扩展到64KB；（3）4KB程序存储器（ROM/FLASH），片外可扩展到6

5、4KB （4）21个特殊功能寄存器（SFR）（5）4个8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）（6）1个全双工异步串行口（UART）；（7）2个16位定时器/计数器（T0，T1）；（8）5个中断源的中断系统（X0，T0，X1，T1，S）。2022/9/510第10页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/5112.2.2 80C51的应用模式 带总线扩展引脚的产品扩展总线的应用模式 不扩展总线的应用模式 第11页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/512 没有总线扩展引脚的产品 引脚数减少、体积减小。对于不需进行并行外围

6、扩展，装置的体积要求苛刻且程序量不大的系统极其适合。典型产品,如：AT89S2051/AT89S4051。第12页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/513QFP封装2.3 80C51典型产品资源配置与引脚封装第13页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/514 LCC封装第14页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/51580C51的引脚电源引脚: Vcc、Vss时钟引脚：XTAL1、XTAL2控制引脚：/PSEN、/EA、ALE、RSTI/O引脚:P0、P1、P2、P3第15页，共68页，20

7、22年，5月20日，17点54分，星期二第16页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/5172.4 80C51的CPU第17页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/5182.4.1 CPU的功能单元 运算器 累加器ACC 寄存器B PSW 控制器 指令寄存器IR 译码与控制逻辑 其他寄存器 程序计数器PC 数据指针DPTR 堆栈指针SP 工作寄存器R0R7第18页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二1 运算器 运算器由算术逻辑单元ALU、累加器ACC、寄存器B、程序状态字寄存器PSW、BCD码运算调整电路等组成

8、。（1） 累加器ACC ACC是一个8位的寄存器，简称为A，它通过暂存器与ALU相连。它是CPU执行指令时使用最频繁的寄存器，用来存一个操作数或中间结果。 第19页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/520（2）算术逻辑单元ALU ALU是由加法器和其它逻辑电路等组成的，它用于对数据进行算术四则运算和逻辑运算、移位操作、位操作等功能。ALU的两个操作数，一个由A通过暂存器2输入，另一个由暂存器1输入，运算结果的状态送PSW。（3）寄存器B 乘除运算时候存放一个操作数 第20页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二（4） 程序状态字寄存器PSW

9、 PSW是一个8位的专用寄存器，用于存程序运行中的各种状态信息。它可以进行位寻址。PSW各位的定义如下: D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1 RS0OV-PPSW位地址字节地址D0H第21页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二 CY(PSW. 7)： 进位标志，在进行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借时，CY由硬件置“1”，否则清“0”。在进行位操作时。AC(PSW.6)： 辅助进位标志（又称半进位），在进行加或减运算时，低四位数向高四位产生的进位或借位，将由硬件置“1”，否则为0 。F0(PSW.5)： 用户标志位，由用户置位或复位

10、。它可作为用户自行定义的一个状态标记。RS1 RS0(PSW.4 PSW.3)： 工作寄存器组指针，用以选择CPU当前工作的寄存器组。2022/9/522第22页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二RS1 RS0与工作寄存器组的对应关系第23页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二 OV(PSW.2) :溢出标志，当进行算术运算时，如果产生溢出，则由硬件将OV位置1，否则清“0”。 P(PSW.0):奇偶标志位，该位始终跟踪累加器A内容中“1”的奇偶性。当累加器A内容中有奇数个“1”时，P置1；否则，P置“0”。改变累加器A中内容的指令均会影响P标志位。

11、2022/9/524第24页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2 控制器 （1）指令寄存器（IR，8位）保存当前正在执行的一条指令，内容包含操作码和地址码。 （2）译码与控制逻辑是微处理器的核心部件。它的任务是完成读指令、执行指令、存取操作数运算结果，向其他部件发出各种微控制信号，协调各部件工作。第25页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二263. 其他寄存器 堆栈指针SP:指示栈顶在内部RAM中的位置，复位后 ，SP中的内容为07H，堆栈从08H开始向上生长。 数据指针DPTR:由DPH和DPL两个8位寄存器构成，可对片外64KB范围内的RAM或RO

12、M进行间接寻址或变址寻址操作。 程序计数器PC:16位计数器，它总是存放着下一个要取指令的16位存储单元地址，复位时PC装入0000H。第26页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/527工作寄存器R0-R7：第27页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/5282.4.2 80C51的时钟与时序 时钟产生方式（时序）内部时钟方式 外部时钟方式 第28页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/529 80C51的时钟信号1个机器周期：12个晶振周期（或6个时钟周期） 指令的执行时间称作指令周期 （单、双

13、、四周期）第29页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二1、若外接晶振 fOSC=12MHz时：振荡周期1/6MHz1/6s 0.167s S状态周期 2(1/6s)=0.334s 机器周期 12(1/6s)= 2s指令周期28s振荡周期1/12MHz1/12s0.0833sS状态周期2(1/12s)=1/6s0.167s机器周期12(1/12s)=1s指令周期14s2、若外接晶振 fOSC=6MHz时：时钟参数第30页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/531 80C51的典型时序 单字节指令 双字节指令 单周期指令第31页，共68页，20

14、22年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/532 程序存储器中的指令代码及其观察 第32页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/533双周期指令 2个机器周期中ALE有效4次，后3次读操作无效。 第33页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/534访问外部RAM的双周期指令时序 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 。ALE信号会出现非周期现象。 第34页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/5352.4.3 80C51单片机的复位复位可使单片机或系统部件

15、处于确定的初始状态。 复位电路 上电复位电路 按键与上电复位 第35页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/536 单片机复位后的状态 PC = 0000H RAM：随机值（运行中复位不改变RAM内容 ） SFR： P0P3=FFH SP=07H IP、IE和PCON：有效位为0 PSW=00H第36页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二作 业：MCS-51单片机的时针周期、机器周期、指令周期是什么？当主频为12MHZ时，一个机器周期为多少微秒？执行一条最长的指令需要多少秒？单片机复位以后的状态。第37页，共68页，2022年，5月20日，1

16、7点54分，星期二2022/9/5382.5 80C51的存储器组织80C51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和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。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。 ROM，写入信息后不易改写的存储器。断电后，其中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。 第38页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/5392.5.1 80C51单片机的程序存储器配置片内与片外程序存储器的选择 EA引脚接高电平-片内第39页，共68页，2022年，5月20日，17点54

17、分，星期二2022/9/540 EA引脚接低电平-片外第40页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/541 程序存储器低端的几个特殊单元 第41页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/542 程序存储器中的指令代码及其观察 第42页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/5432.5.2 80C51单片机数据存储器配置片内、片外数据存储器概况 片内RAM及SFR 片外RAM 第43页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二4451存储器结构总结第44页，共68页，2022年，5月20日

18、，17点54分，星期二45（1）00H7FH(0127)单元组成低128字节的片内RAM区，对其访问可采用直接寻址或间接寻址的方式 。 （2）80HFFH(128256)单元组成高128字节的专用寄存器(SFR)区，只能采用直接寻址方式来访问。（3）MCS-52子系列中的片内RAM增大了128字节，其地址范围也是从80HFFH ；为了与SFR区分，对此段的范围只能采用间接寻址方式来访问。第45页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/546工作寄存器区（含寄存器组0 3） 寄存器组0：地址00H07H 寄存器组1：地址08H0FH 寄存器组2：地址10H17H 寄

19、存器组3：地址18H1FH当前工作寄存器组选择 PSW寄存器中： 第46页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/547片内RAM详图 第47页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/548位寻址区 字节地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D020H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH

20、2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H第48页，共68页，2022年

21、，5月20日，17点54分，星期二2022/9/549通用RAM区 30H7FH，共80字节 数据缓冲 堆栈 SP指示栈顶 复位时SP=07H 系统初始化通常重新设置第49页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/550RAM内容查看 第50页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/5512.5.3 80C51单片机的特殊功能寄存器（SFR）基本型单片机有21个SFR离散地分布在80HFFH空间。 与运算器相关3个 ACC B PSW与定时/计数器相关6个 TH0,TL0 TH1,TL1 TMOD TCON指针类3个 SP DPH,D

22、PL与口相关7个 P0,P1,P2,P3 SBUF SCON PCON与中断相关2个 IE IP第51页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/55280C51的逻辑结构（IO）第52页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/5532.6 80C51的并行口结构与操作P0口结构 P0作通用I/O口（当EA=1或“MOV”传送时C=0）输出时2.6.1 P0、P2口的结构第53页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/554输入时 读锁存器（“读-修改-写”类指令，如ANL P0,A） 读引脚（“MOV”类

23、指令，如MOV A, P0）,要先写“1” 10P0作通用I/O时为：准双向口！第54页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/555 P0作地址数据总线（当EA=1或“MOVX”类传送时C=1） 输出时，地址/数据信息分时出现在输出引脚。 输入时，先输出地址，然后自动向锁存器写1，再读引脚。此时为真正双向口。第55页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/556P2口结构 P2作通用I/O口（未扩片外存储器，或虽扩RAM但采用“MOVX Ri”传送时C=0）P2作通用I/O时为：准双向口！ P2作地址总线高8位（C=1）第56页，共

24、68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/557P1口结构 P1仅能为通用的准双向口！2.6.2 P1、P3口的结构第57页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/558P3口结构 第一功能：通用I/O口（对口寻址时）第58页，共68页，2022年，5月20日，17点54分，星期二2022/9/559 第二功能（不对口寻址时） P3.0 ：RXD（串行口输入） P3.1 ：TXD（串行口输出） P3.2 ：INT0（外部中断0输入） P3.3 ：INT1（外部中断1输入） P3.4 ：T0（定时器0的外部输入） P3.5 ：T1（定时器1的外部输入） P3.6 ：WR（片外数据存储器“写”选通控制输出） P3.7 ：RD（片外数据存储器“读”选通控制输出） 第59页，共68页，2022年，5月20