单个发光二极管闪烁(单片机)课件

单片机技术课程在同类课程中的特殊地位1、单片机技术是现代DSP技术（数字信号处理器）、嵌入式系统等的基础，应用十分广泛，是一门非常实用的技术，其就业前景良好。2、学习、掌握、应用该技术所需的成本越来越低，将成为一种普及性技术，使得越来越多的学生有条件、有机会仅靠自己的力量、按照自己的想法设计制作作品（产品）。这对于在校的、爱好电子产品设计、制作的学生是一个较好的选择。3、计算机技术、通讯技术、微电子技术、网络技术是现代社会文明的标志，而单片机技术是这些技术的微缩。单片机技术课程的学习1、学习本课程应硬件、软件兼顾并重，既要掌握单片机的硬件结构和工作原理，也要掌握使用软件编程来控制硬件电路的工作，做到两者融会贯通，能够将两者相互渗透。2、要学会组成单片机应用系统。学习时对单片机应用系统中常用的输入/输出电路以及各种应用实例（环节）必须给予足够的重视。3、学习本课程时，宜结合习题、实验、实训，以提高学习质量，巩固和扩大学习收获。4、学习顺序：基本概念、硬件结构（CPU）、指令系统和程序设计、硬件结构（定时器/计数器、并口、串口、中断）、单片机扩展、接口应用。

世界上第一台现代意义的电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的“ENIAC”（电子数字积分计算机）占地上百平方米重量几千吨功耗几十千瓦绪论

计算机的发展及分类电子计算机按其性能分类：大型计算机/巨型计算机（MainframeComputer）中型计算机（MiddleComputer）小型计算机（Minicomputer）微型计算机（Microcomputer）电子管计算机（1946-1956）晶体管计算机（1957-1964）中小规模集成电路计算机（1965-1970）超大规模集成电路计算机（1971-今）微型计算机系统微机系统的组成微处理器存储器I/O接口（各种板卡）总线、时钟系统硬件系统软件系统微型计算机系统主机外设ALU控制器工作寄存器组键盘、鼠标显示器硬盘、光驱等打印机、扫描仪系统软件（操作系统等）应用软件

单板机将微处理器CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。单片机由此可见，单片机是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、基本输入/输出（I/O）接口电路、定时/计数器、中断系统等部分制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机主机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机是单片微型计算机的简称 单片机主要面对的是测控对象，突出的是控制功能，单片机内部往往还集成了许多面向测控对象的接口电路。因此，单片机也被称为微控制器MCUMicroControllerUnit单片机也称为：我国，习惯使用“单片机”这一名称。微控制器MCU（MicroControllerUnit）

嵌入式控制器

EMCU（EmbeddedMicroControllerUnit）定义：单片机是中央处理单元CPU（CentralProcessingUnit）、一定容量的随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）、定时器／计数器以及I／O（Input/Output）接口电路等微机的主要部件集成在一块芯片上的微型计算机，称为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer），简称单片机（SCM）。 区别：微处理器微控制器MicroProcessorUnitMPUMicroControllerUnitMCU微型计算机的

核心部件单片微型计算机侧重于数值计算和

数据处理能力侧重于检测控制领域、实时处理64位、多核8位、16位、32位应用全面开花高运算速度高可靠性、低功耗、低成本1-4、常用单片机介绍8051系列，经典的单片机。AVR系列。S08系列、S12系列、68K系列主流的单片机产品系列PIC8、PIC16系列。MSP430系列。Cortex-M系列M14K系列1-4、常用单片机介绍单片机的主要生产厂商INTEL公司单片机的发展历史1971年

Intel推出4位微处理器40041976-1978初级8位单片机MCS-48系列：

8748/80481978-1982高档8位单片机MCS-51系列：

-51：子系列

-52：子系列1983-199016位单片机

MCS-96

系列：

8098/8096、80C198/80C1961990-~32位单片机

809608031/8051/87518032/8052/8752

8051系列单片机：所有具有8051指令系统的单片机

20世纪80年代后期：Intel公司以专利的形式把8051内核技术转让给其它半导体公司。这些厂家生产的51兼容单片机，与8051的系统结构（指令系统）完全相同。不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号。1.151单片机的内部硬件结构及工作原理51单片机由CPU、内部数据存储器（RAM）、内部程序存储器（ROM）、定时/计数器、并行输入/输出（I/O）、串行口、中断控制系统、时钟电路部分组成。项目一单个发光二极管闪烁完成运算和控制功能存放程序、原始数据或表格存放可读写的数据实现定时和计数功能实现数据的并行输入/输出实现单片机之间或与其它设备之间的串行数据传送管理和处理中断请求提供其它部件工作所需的时钟信号

51单片机中CPU的工作原理

CPU主要由运算器和控制器组成

运算器运算器由8位算术逻辑运算单元ALU（ArithmeticLogicUnit）、8位累加器ACC（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（ProgramStatusWord）、8位暂存寄存器TMP1和8位暂存寄存器TMP2等组成。算术逻辑运算单元ALU：完成算术运算和逻辑操作。累加器A：使用最频繁的寄存器，也可写为ACC，CPU内外的数据传送大多数都通过A进行。参与运算的数据之一需通过A输入ALU，而运算的结果也存放在A中。暂存器：暂存运算过程的中间数据，用户无法访问。

控制器控制器主要由指令部件（程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器、堆栈指针SP、数据指针DPTR）、时序部件（时钟发生器）及操作控制部件（定时控制逻辑）等组成。

程序计数器PC（ProgramCounter）

存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。

指令寄存器：暂存从程序存储器读取的指令，等待译码。

指令译码器：

对送入的指令进行译码。

时钟发生器：用于产生操作控制部件所需的时序信号。

操作控制部件：形成与指令操作相应的操作控制序列信号。51单片机执行程序过程单片机的工作过程就是执行程序的过程，即逐条执行指令的过程。计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行，即取指（读取指令）、译码（分析指令）和执行（执行指令）。取指：读取存放在程序存储器中的程序指令代码，放入指令寄存器。译码：分析读取的指令，产生相应的控制信号。执行：根据译码产生的控制信号，完成相应的操作。

总结：

51单片机与一般微型计算机的工作过程的主要区别在于：51单片机——直接从ROM中读取指令并执行，用户程序必须事先烧写在ROM中。微型计算机——从内存（RAM）中读取指令并执行，用户程序一般存放在外存（硬盘、光盘等）上，被执行的部分才加载到内存中去。一、51单片机的引脚及功能1．电源引脚

（1）VCC：接+5V电源；

（2）GND或VSS：接地。通常，在接近芯片引脚处，VCC与GND之间应接上退耦电容。引脚按功能分为4类：2．时钟信号引脚

（1）XTAL1：接外部晶体的一个引脚，采用外部时钟信号时，此引脚应接地。（2）XTAL2：接外部晶体的另一端。可输出时钟信号，采用外部时钟信号时，外部时钟信号应接到此引脚上。时钟电路用于产生单片机工作时序所必需的时钟控制信号。时钟频率直接影响单片机的速度，电路的质量直接影响系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。时钟电路

两个电容器的容量通常选择为30pF左右。晶体的振荡频率在1.2MHz～12MHz之间。某些高速51单片机芯片的时钟频率已达40MHz。内部时钟方式51单片机外部时钟方式常用于多片单片机同时工作。时序：CPU在执行指令时各控制信号之间的时间顺序关系。单片机执行的指令的各种时序均与时钟振荡电路有关。CPU时序相关的几个概念

振荡周期（又称节拍，用P表示）：内部振荡器的周期，是单片机的基本时间单位。若外接晶体的频率为fosc，则振荡器的周期为Tosc=1/fosc。例如：fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。时钟周期（又称状态，用S表示）：振荡脉冲经过二分频后的周期。一个状态包含两个节拍，前一个叫P1，后一个叫P2。机器周期（T）：

CPU完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。一个机器周期又分为6个状态，并依次记为S1~S6，一个状态包括2个节拍P1和P2，因此一个机器周期总共有12个节拍（1T=6S=12P），记为S1P1、S1P2、…、S6P1、S6P2。振荡周期、时钟周期与机器周期的相互关系指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期，一般由若干(1~4)个机器周期组成。3.控制引脚

提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。

(1)

RST：复位（RESET）。用于提供复位信号，以控制触发单片机进入复位状态。复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。为何要复位？复位状态复位完成后的初始状态称为复位状态复位后PC寄存器初始化为0，于是单片机自动从地址为0的单元开始执行程序。复位后片内其他部件的状态在学习相关部件时介绍。RST（复位信号输入端，高电平有效，有效时间要求至少持续2个机器周期即24个振荡周期）。复位信号复位电路单片机正常运行的基本条件电源正常时钟正常复位正常为满足上述条件所外接的电路与单片机本身一起构成所谓的“最小单片机系统”。第一功能：ALE（AddressLatchEnable）为地址锁存允许，用于系统扩展时低8位地址的锁存。(2)第二功能：

为编程脉冲输入端。(3)

：外部程序存储器的读选通信号。低电平时可选中外接的程序存储器。第二功能：VPP用于施加编程电压。(4)第一功能：

为是否使用片内程序存储器选择控制端。可以看到，与程序存储器的编程（将用户程序固化到ROM中）相关的引脚是VPP和，这两个引脚功能只是在烧写程序时使用，而正常工作时只能使用另外的功能。4.I/O口引脚

P0口：P0.0~P0.7，为8位双向I/O口。

P1口：P1.0~P1.7，为8位准双向I/O口。

P2口：P2.0~P2.7，为8位准双向I/O口。

P3口：P3.0~P3.7，为8位准双向I/O口。P3口具有第二功能定义。P3口的第二功能定义

引脚第二功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 INT0（外部中断0）

P3.3 INT1（外部中断1）

P3.4 T0（定时器0外部计数输入）

P3.5 T1（定时器1外部计数输入）

P3.6 WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 RD（外部数据存储器读选通）存储器简介存放程序和数据的记忆装置用途：存放程序和要操作的各类信息（数据、文字、图像、…）内存：ROM、RAM特点：速度快，容量小外存：磁盘、光盘……特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大二、51单片机的存储器结构有关内存储器的几个概念A.内存单元的地址和内容B.内存容量C.内存的操作D.内存的分类A.内存单元的地址和内容内存包含有很多存储单元(一般以字节为单位，即每个内存单元包含8bit)，为区分不同的内存单元，对计算机中的每个内存单元进行编号，内存单元的编号就称为内存单元的地址，内存单元中存放的二进制数据信息称为内存单元的内容。101101108F04H内存单元地址内存单元内容......bit76543210010110000000HB.内存容量即内存单元的个数，以字节为单位。注意：内存空间与内存容量的区别内存容量：实际配置的内存RAM大小。例：某微机配置2条512MB的RAM内存条，其内存容量为1GB。

内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关。例：若某台微机的地址总线是32位的，则其内存空间为4GB。C.内存操作读：将内存单元的内容取出送入CPU，原单元内容不改变；写：CPU将数据信息放入内存单元，单元中原内容被覆盖；内存的读写的步骤为：CPU把要读写的内存单元的地址放到地址总线AB上。若是写操作，CPU紧接着把要写入的数据放到数据总线DB上。CPU发出读写命令。数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到数据总线DB上。若是读操作，

CPU紧接着从数据总线DB上取回数据。D.内存储器的分类随机存取（读写）存储器RAM(RandomAccessMemory)可读可写易失性，临时存放程序和数据只读存储器ROM(ReadOnlyMemory）工作时只能读非易失性，永久或半永久性存放信息计算机中存储器配置典型结构存储器配置有两种典型结构：哈佛结构和普林斯顿（冯·诺伊曼结构）结构。1）哈佛结构程序空间（ROM）和数据空间(RAM)分为两个队列寻址。各有自己的寻址系统、控制信号和功能部件。2）普林斯顿结构

程序空间（ROM）和数据空间（RAM）同在一个空间队列寻址。共用寻址系统、控制信号和功能部件。

51系列单片机的主要分类基本型——51子系列

典型产品：8031/8051/8751/8951增强型——52子系列

典型产品：8032/8052/8752/8952

内部RAM增到256字节，内部ROM扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。8051单片机存储器结构和地址空间存储器配置方式属哈佛结构。8051系列单片机的存储器在物理结构上可以分为如下4个存储空间：

·片内程序存储器；

·片外程序存储器；

·片内数据存储器；

·片外数据存储器。但在逻辑上，即从用户使用的角度上，8051系列有三个存储空间：

·片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间（用16位地址）；

·片内数据存储器地址空间，寻址范围为00～FFH；

·64KB片外数据存储器地址空间。1、51单片机内部数据存储器8051型单片机的内部RAM共有256个单元，分成两部分：低128单元（00H~7FH）和高128单元（80H~FFH）。间接寻址直接寻址直接、间接寻址都可1）低128单元RAM存储区按其用途分为寄存器区、位寻址区和用户数据区3个区域。00H01H02H03H04H05H06H07H20H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH21H10H11H12H13H14H15H16H17H22H18H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH23H20H21H22H23H24H25H26H27H24H28H29H2AH2BH2CH2DH2EH2FH25H30H31H32H33H34H35H36H37H26H38H39H3AH3BH3CH3DH3EH3FH27H40H41H42H43H44H45H46H47H28H48H49H4AH4BH4CH4DH4EH4FH29H50H51H52H53H54H55H56H57H2AH58H59H5AH5BH5CH5DH5EH5FH2BH60H61H62H63H64H65H66H67H2CH68H69H6AH6BH6CH6DH6EH6FH2DH70H72H72H73H74H75H76H77H2EH78H79H7AH7BH7CH7DH7EH7FH2FHD0D1D2D3D4D5D6D7位地址字节地址位寻址区16个单元2）高128单元对于51子系列，该地址范围是分配给特殊功能寄存器SFR的。对于52子系列，其片内RAM的80H～FFH地址上有2个物理空间，一个是SFR的物理空间，另一个是高128字节的数据存储器物理空间，它们所用的地址单元相同，必须通过不同的寻址方式来区分这2个空间。2、特殊功能寄存器SFR

（SpecialFunctionRegister）设置SFR的目的：采用SFR操作管理方式后，单片机内各种单元电路都可按照可编程集成器件的运行管理方式，通过对SFR的读写来实现操作管理。这种集中的、归一化操作管理寄存器的模式是单片机内部资源操作管理的重要方式。不同公司生产的51系列单片机的SFR在数量与功能上大同小异，必须参考各自的数据手册，但书本上表1-5列出的SFR几乎所有的51系列单片机都具备。SFR是不能作为数据存储器使用的，所以对特殊功能寄存器是不能随意写入数据的，特别是功能部件中的控制寄存器，不同的数据将使它们具有不同的工作方式。访问这些专用寄存器仅允许使用直接寻址的方式。地址分布在片内数据存储器的高128字节范围，但并未占满80H～FFH整个地址空间，对空闲地址的操作是无意义的。若读取空闲地址的内容，则读出的是随机数。51单片机的SFR地址分布及寻址其中某些SFR还具有位寻址能力，它们的字节地址正好能被8整除，即可位寻址SFR的字节地址为*0H或*8H，相邻的8个地址号依次作为相应的8个位地址号。

例如：P1口的口地址是90H（字节地址），而位地址90H是P1.0，位地址91H是P1.1等等依次类推。SFR中的位地址分布1）累加器A（ACC-Accumulator）

CPU中使用最频繁的8位专用寄存器，存放操作数和运算结果。功能：ALU数据输入的一个重要来源，存放操作数。ALU运算结果的暂存单元，存放运算的中间结果。数据传送的中转站，单片机大部分数据交换都通过累加器进行的。在变址寻址方式中把累加器作为变址寄存器使用。SFR的功能及应用2）程序状态字寄存器PSW（ProgramStatusWord）

用于存放指令执行后的一些状态信息，其中有些位的状态是根据程序执行的结果由硬件自动设置的。PF1OVRS0RS1F0ACCD0D1D2D3D4D5D6D7D0H程序状态字PSW可寻址位4种表示方法：

例如：OV的表示方法：OVPSW.2D0.2D2HPSW的各位功能：C（CY）：进位标志，运算操作结果的最高位有无进位或借位。AC：加/减法时半进位标志，低半字节（D3-D0）向高半字节（D7-D4）有无进位或借位。F0、F1：用户可使用的标志位。OV：溢出标志位，有符号数加、减运算结果有无溢出，乘除运算结果也有影响。P：奇偶标志位，累加器A中内容的奇偶性。RS1、RS0：当前工作寄存器组的选择位。3组（18H~1FH）112组（10H~17H）011组（08H~0FH）100组（00H~07H）00RS0RS1工作寄存器R0~R7PSW工作寄存器组选择R0R2R1R3R4R5R6R707H02H01H00H06H04H05H03H08H1FH工作寄存器组3工作寄存器组2工作寄存器组1工作寄存器组00FH10H17H18H

3）堆栈指针SP（StackPointer）堆栈是RAM中开辟的一块特殊的暂存数据区。堆栈的作用：（1）保护断点；（2）现场保护。8051的堆栈指针SP中始终存放着堆栈栈顶的地址（指示堆栈顶部在内部RAM区中的位置）。

51单片机的堆栈属于满栈式向上生长型。8051单片机的堆栈必须设在片内RAM区，复位后，SP中的内容为07H。一般在程序初始化时将堆栈设置在用户数据区（30H开始，即位寻址区后面）。堆栈共有两种操作：进栈（插入数据）和出栈（删除数据），操作原则是“先进后出”。进栈操作（PUSH）：先SP加1，后写入数据；出栈操作（POP）：先读出数据，后SP减1。堆栈和堆栈指针示意图4）数据指针DPTR（DataPointer，16位）唯一一个供用户使用的16位寄存器。作为访问片内、外16位地址存储器的数据指针。既可以作为一个16位寄存器使用，也可以作为两个8位寄存器使用，即：DPH：DPTR高8位DPL：DPTR低8位 在对它赋值时，既可整体赋值，也可分开赋值。5）寄存器B

为执行乘法和除法操作设置的。在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。其他SFR在以后相关章节介绍。程序计数器（PC16位计数器）内容：将要执行的指令地址，寻址范围达64KB。功能：自动加1，以实现程序的顺序执行。特点：PC没有地址，不可寻址。程序存储器的结构和地址分配片内外统一编址，通过16位地址指针PC或DPTR进行访问，寻址范围为64KB。某些公司的51单片机产品内部已经集成了超过64KB的ROM（Keil的BL51最多可支持1MB）。3、51单片机的程序存储器程序入口地址主程序入口地址0000H：复位后PC=0000H，程序将自动从0000H开始执行。中断服务程序入口地址：8051有5个中断源，其相应的入口地址安排在程序存储器的固定单元，对于程序中要使用的中断源，其入口地址一般应放转移指令，不得随意被其它程序指令占用。0003H：外部中断0入口。000BH：定时器0溢出中断入口。0013H：外部中断1入口。001BH：定时器1溢出中断入口。0023H：串行口中断入口。实际应用中，主程序一般存放在中断入口地址的后面，而在0000H处放置转移指令。三、51单片机的输入／输出（I/O）端口4个双向的8位并行I/O端口P0~P3，端口控制寄存器也记作P0～P3，属于特殊功能寄存器，地址分别是80H、9