51系列单片机(2课时)市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

单片机原理与技术第三章51系列单片机：结构和原理王浩副教授中南大学信息科学与工程学院1/43本节内容什么是单片机单片机特点和应用MCS-51单片机硬件结构MCS-51单片机工作过程MCS-51单片机开发最小系统2/43微型计算机硬件结构——运算器控制器CPU存储器输入接口电路输入设备输出设备输出接口电路硬件系统内部结构CPU(CentralProcessingUnit)3/43硬件系统——组成微机实体和装置软件系统——微机系统所使用各种程序总称软件系统与硬件系统共同组成实用微机系统，二者是相辅相成、缺一不可。

软件系统+微型计算机系统运算器控制器CPU存储器输入接口电路输入设备输出设备输出接口电路硬件系统微型计算机系统4/43CPU输入设备输出设备软件系统+微型计算机系统硬件系统输入接口设备输出接口设备运算器控制器存储器单片机是指集成在一个芯片上微型计算机，简称单片机——单片机实质上就是一个芯片2、单片微型计算机5/43单片机应用系统

单片机应用系统单片机＋接口电路及外设等＋软件硬件单片机应用系统:由硬件系统和软件系统组成硬件是应用系统基础软件是在硬件基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求任务，二者相互依赖，缺一不可注：本课程重点1.掌握单片机应用系统硬件原理分析方法。2.掌握软件设计与调试基本技能。6/43本节内容什么是单片机单片机特点和应用MCS-51单片机硬件结构MCS-51单片机工作过程MCS-51单片机开发最小系统7/43二、单片机特点及应用1.单片机特点体积小，重量轻电源单一，功耗低功效强，价格低运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高早期单片机都是8位或4位。伴随工业控制领域要求提升，开始出现了16位单片机。主流还是8位。8/432.单片机应用

工业方面民用方面仪表方面电讯方面数据处理方面汽车方面9/433.单片机种类

◆当前8位单片机仍是单片机主流机型；◆惯用单片机：◆单片机发展经历了由4位机到8位机,再到16位机,32位机发展过程PIC单片机EMC单片机ATMEL单片机(51单片机)PHLIPIS51PLC系列单片机(51单片机)HOLTEK单片机TI企业单片机(51单片机)10/43本节内容什么是单片机单片机特点和应用MCS-51单片机硬件结构MCS-51单片机工作过程MCS-51单片机开发最小系统11/43三、MCS-51单片机硬件结构时钟电路CPUROMRAMT0T1中止系统串行接口并行接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定时计数器结构框图中央处理器CPU：8位，运算和控制功效内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用存放器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位定时/计数器，实现定时或计数功效。并行I/O口：4个8位I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一个全双工串行口。中止控制系统：5个中止源（外部中止2个，定时/计数中止2个，串行中止1个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ12/431、8051单片机基本组成中央处理器CPU：8位，运算和控制功效内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用存放器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位定时/计数器，实现定时或计数功效。并行I/O口：4个8位I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一个全双工串行口。中止控制系统：5个中止源（外中止2个，定时/计数中止2个，串行中止1个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ13/432、MCS-51单片机信号引脚介绍

MCS-51单片机封装有两种形式:一个是双列直插式PDIP(PLASTICDIP)封装形式，另一个是方形封装形式PLCC(PLASTICLEADEDCHIPCARRIED),方形封装有44引脚，其中4个NC为空引脚。HMOS工艺80C51单片机采取40引脚PDIP封装，CHMOS工艺单片机80C51除采取PDIP封装外，还采取PLCC封装形式。

40引脚PDIP封装80C51单片机引脚排列图以下列图所表示。14/432、MCS-51单片机信号引脚介绍

P3口线第二功效VCCVSSXTAL2

XTAL1RSTP0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.72、振荡电路：XTAL1、XTAL23、复位引脚：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址锁存控制信号1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地)EAPSEN5、EA：访问程序存放控制信号6、PSEN：外部ROM读选通信号RXD/

TXD/

INT0/INT1/

T0/

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RD/1

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15RAM62641

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15RAM6264

3.

存

储

器80318751805189C51片内RAM片内ROM256B（字节）4K64K64K16/43(1)程序存放器程序存放器内部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序执行起始单元,

在这三个单元存放一条

无条件转移指令中止5中止4中止3中止2中止10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中止0定时器0中止外部中止1定时器1中止串行口中止8位．．．0FFFH0FFEHEA=1EA=0程序存放器资源分布中止入口地址17/430000HFFFFH(64K)内部外部(2)数据存放器数据存放器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM专用

存放器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0区R0R7R0R7R0R7R0R71区2区3区工作存放器区可位寻址区20H2FH7F78070030H7FH数据缓冲区/堆栈区内部RAM存放器

11第3区18H~1FH

01第1区08H~0FHRS1RS0存放器区片内RAM地址

00第0区00H~07H10第2区10H~17H工作存放器区选择位RS0、RS1PSW位地址CYACF0RS1RS0OVF1P18/43MSB——MostSignificantBit（最高有效位）

LSB——LeastSignificantBit（最低有效位）单元地址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F776F675F574F473F372F271F170F07

MSB

位地址

LSB7E766E665E564E463E362E261E160E067D756D655D554D453D352D251D150D057C746C645C544C443C342C241C140C047B736B635B534B433B332B231B130B037A726A625A524A423A322A221A120A027971696159514941393129211911090178706860585048403830282018100800RAM位寻址区位地址表19/43高128个单元☆离散分布有21个特殊功效存放器SFR。☆

11个能够进行位寻址。☆尤其提醒：对SFR只能使用直接寻址方式，书写时可使用存放器符号，也可用存放器单元地址。20/434、并行输入/输出电路结构P0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.74个8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3；均可作为双向I/O端口使用。(1)特点：P0：访问片外扩展存放器时，

复用为低8位地址线和数据线

P2：高8位地址线。P1：双向I/O端口

P3：第二功效1

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80C51单片机有4个8位双向并行输入/输出（I/O）端口，称为P0口、P1口、P2口和P3口。

1.P0口是一个双功效8位并行I/O口，字节地址为80H，位地址为80H～87H。可作输入/输出端口使用，又可作地址/数据总线分时传输低8位地址和8位数据。

2.P1口是单一功效并行I/O口，字节地址为90H，位地址为90H～97H。它只用作通用数据输入/输出口。

3.P2口是一个双功效8位并行I/O口，字节地址为80H，位地址为A0H～A7H。可作通用输入/输出口用，又可用作高8位地址总线。

4.P3口是一个双功效8位并行I/O口，字节地址为B0H，位地址为B0H～B7H，它第一功效是通用输入/输出口，作第二功效用时，各引脚定义以下：22/43P0结构与运作

P0口位电路结构由以下几个部分组成：1个输出锁存器，用于进行输出数据锁存；2个三态输入缓冲器，分别用于锁存器和引脚数据输入缓冲；1个多路开关MUX，它一个输入来自锁存器，另一个输入是地址/数据信号反相输出。在控制信号控制下能实现对锁存器输出端和地址/数据线之间切换；由两只场效应管组成输出驱动电路。23/43P1结构与运作P1口是一个准双向口，只作通用输入/输出口使用。除了无多路开关MUX之外，其输出驱动部分也与P0口不一样

P1口位电路结构由以下几个部分组成：一个数据输出锁存器，用于输出数据锁存；两个三态输入缓冲器，BUF1用于读锁存器，BUF2用于读引脚；数据输出驱动电路，由场效应管VT和片内上拉电阻R组成。24/43P2结构与运作从图可见，P2口位结构比P1口多了一个多路开关MUX。

P2口位电路结构由以下几个部分组成：一个数据输出锁存器，用于输出数据锁存；两个三态输入缓冲器，BUF1用于读锁存器，BUF2用于读引脚；一个多路开关MUX，它一个输入来自锁存器Q端，另一个输入来自内部地址高8位；数据输出驱动电路由非门M，场效应管VT和片内上拉电阻R组成。25/43P3结构组成

P3口是双功效8位输入/输出口，内部结构中增加了第二输入/输出功效，如图2.13所表示。

P3口位电路结构由以下几个部分组成：一个数据输出锁存器，用于输出数据锁存；

3个三态输入缓冲器，BUF1用于读锁存器，BUF2、BUF3用于读引脚和第二功效数据缓冲输入；数据输出驱动电路，由与非门M，场效应管VT和片内上拉电阻R组成。26/435、MCS-51单片机复位2.5.1复位电路复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位、手动按键复位，以下页图所表示。上电自动复位操作要求接通电源后自动实现复位操作。以下左图所表示。手动按键复位要求在电源接通条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位，以下右图所表示。在8C051单片机RST引脚上输入高电平并最少保持两个机器周期（即24个振荡周期）以上时，复位过程即可完成。假如RST引脚连续保持高电平，单片机就处于循环复位状态。27/43复位电路28/43单片机复位状态1.程序计数器PC初始化为0000H，使单片机从OOOOH单元开始执行程序。在运行中，当单片机程序受外界原因干扰陷入死循环或跑飞时，为摆脱困境，可将单片机复位，重新开启。2.复位也可使单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态。29/43

单片机复位后：P0～P3端口锁存器被设置成FFH；堆栈指针SP设置成07H；串行口SBUF无确定值；其它各专用存放器包含程序计数器PC均被设置成00H；片内RAM不受复位影响，上电后RAM中内容随机。30/43⑴地址总线（AddressBus,简写AB）地址线A0～A15共16位，P2口提供高8位地址A8～A15，P0口经地址锁存器提供低8位地址A0～A7。片外存放器可寻址范围达64KB（即=65536个字节）。⑵数据总线(DataBus，简写DB)

地址线D0-D7共8位，由P0口提供，分时输送低8位地址（经过地址锁存器锁存）和8位数据信息。⑶控制总线(ControlBus，简写CB)

控制总线由P3口第二功效（P3.6）、(P3.7)和3根独立控制线、ALE和组成。MCS-51单片机片外三总线结构所谓总线,就是连接单片机与系统中各部件一组公共信号线。31/43本节内容什么是单片机单片机特点和应用MCS-51单片机硬件结构MCS-51单片机工作过程MCS-51单片机开发最小系统32/43单片机工作过程

1.单片机在工作前，首先必须在存放器中装入程序。所谓程序，就是为了完成某项工作，将一系列指令有序地组合，而指令则是要求单片机执行某种操作命令。

2.指令分为操作码和地址码两个部分，操作码部分要求了单片机操作类型，而地址码部分普通是直接或间接地给出了参加操作数据存放地址，所以地址码也能够直接称为操作数。

3.单片机完成每项工作，必须有序地执行一系列指令。单片机执行一条指令普通分为取指令和执行指令两个阶段。从存放器中取出指令，而且对指令进行译码，以明确该指令执行何种操作，以及操作数存放地址（即操作数存放在哪一个单元中），再依据这个地址获取操作数，这是取指令阶段。按操作码指明操作类型对获取操作数进行操作（也可称为运算），这是执行指令阶段。33/43单片机工作过程

4.程序计数器（ProgramCounter简称PC）是一个16位有自动加1功效计数器。PC没有地址，是不可寻址，所以用户不能对它进行读写。

16位PC中内容总是CPU将要执行那条指令所存放存放单元首地址。在单片机复位时，PC中内容为0000H，指向第1条要执行指令首地址，在CPU从存放单元取指令过程中，每取1个字节内容，程序计数器PC就自动加1，在取完这条指令后，PC中内容就是下一条要执行指令所存放存放单元首地址。

5.在实际应用中，有时CPU还要执行程序转移、子程序调用和中止响应等操作，那时PC中内容不再是上述情况中简单加1，而是依据不一样情况自动地被置入或修改成新目标地址，从而改变程序执行次序。34/43指令存放器译码地址译码程序计数器地址存放器累加器A运算器①②存储器内部数据总线外部地址总线AB数据缓冲器外部数据总线DB存放器区外部控制总线CB内部控制信号时钟及清零四、单片机工作过程取指过程例:MOVA,#09H74H

09H;把09H送到累加器A中