单片机原理教程-基于Proteus虚拟仿真（第5版）

长江大学电子信息学院1单片机原理与应用长江大学电子信息学院2课程特点1、本课程以电子技术课为基础；单片机开发往往是一个完整的单片机系统开发，此系统中不仅仅包含单片机，而且通常包含模拟或数字电路，因此注重综合应用是单片机应用的关键问题。2、学习本课程应硬件、软件兼顾并重。

硬件可以用protel99SE设计，软件开发可用wave6000，软硬件仿真可以使用proteus软件。3、培养使用新器件的习惯，及看器件的英文数据手册（datasheet）的习惯，培养看例子程序的习惯。

推荐几个新器件：ADS7818、AD9851、DS18B20等4、注重实践和应用。

可以自己动手制作一个完整的单片机应用系统，包括硬件制作和软件调试。绪论长江大学电子信息学院3参考题目数字温度计遥控小车数字钟语音录放机语音控制小电扇简易频率计

…………长江大学电子信息学院4常用单片机资料查询网站[1]

[2]

[3]

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http://[6]周立功单片机（）[7]武汉力源（）[8]中源单片机（）[9]嵌入开发网（）[10]51单片机（）[11]单片机学习网（）[12]单片机爱好者（www.mcufan.con）长江大学电子信息学院5

随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高，已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、甚至A/D转换器等。人们把这种超大规模集成电路芯片称作“微控制器”(MICROCONTROLLER)，简称为单片机。单片机的出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革，以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，可以容易地将计算技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”以及其他各种智能化仪器设备。

单片机的概念长江大学电子信息学院6单片机的发展历史

单片机按其处理的二进制位数主要分为：4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。发展大致分为4个阶段。第一阶段（1974年～1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。1974年12月，仙童公司推出了8位的F8单片机，实际上只包括了8位CPU、64BRAM和2个并行口。第二阶段（1976年～1978年）：低性能单片机阶段。1976年

Intel的MCS-48单片机（8位）极大地促进了单片机的变革长江大学电子信息学院7

和发展，1977年GI公司推出了PIC1650，但这个阶段仍处于低性能阶段。第三阶段（1978年～1983年）：高性能单片机阶段。1978年，Zilog公司推出Z8单片机，1980年，Intel公司在MCS-48系列基础上推出MCS-51系列，Mortorola推出6801单片机。使单片机的性能及应用跃上新的台阶。

此后，各公司的8位单片机迅速发展。推出的单片机普遍带有串行I/O口、多级中断系统、16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。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。长江大学电子信息学院8第四阶段（1983年～现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。

16位典型产品Intel公司的MCS-96系列单片机。而32位单片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比16位单片机提高许多，性能比8位、16位单片机更加优越。

20世纪90年代单片机制造业大发展时期，Mortorola、Intel、ATMEL、德州仪器（TI）、三菱、日立、飞利浦、LG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，又有不少新型的高集成度的单片机产品涌现出来，出现了产品丰富多彩的局面。目前，除8位单片机得到广泛应用外，16位单片机、32位单片机也得到广大用户青睐。长江大学电子信息学院9单片机的应用特点

软硬件结合、多学科交叉应用现场环境恶劣（电磁干扰、电源波动、冲击振动、高低温湿度等）应用领域广泛且意义重大（硬件软化--微控制技术）长江大学电子信息学院10①在工业自动化方面（过程控制、数据采集和测控技术、机器人技术、机械电子计算机一体化技术）②仪器仪表方面（测试仪表和医疗仪器--数字化、智能化、高精度、小体积、低成本、便于增加显示报警和自诊断功能）③在家用电器方面（冰箱、洗衣机、空调机、微波炉、电视机、音像设备等）④信息和通信产品方面（计算机的键盘、打印机、磁盘驱动器；传真机、复印机、电话机、考勤机）⑤在军事方面（飞机、大炮、坦克、军舰、导弹、火箭、雷达等）单片机的应用领域长江大学电子信息学院11典型单片机产品器件厂家美国：Intel、Motorola、Microchip、Atmel荷兰:Philips德国：Siemens日本：Nec中国台湾：Winbond、SST长江大学电子信息学院12典型单片机产品

根据型号可确定单片机的存储器类型无ROM型:80C31ROM型:80C51EPROM型:87C51EEPROM型:89C51长江大学电子信息学院13单片机外形单片机芯片AT89C51AT89S51AT89S52AT89C205140脚双列直插式20脚双列直插式长江大学电子信息学院14单片机的发展趋势性能不断提高CPU功能增强：速度、精度内部资源增多：A/D、D/A、EEPROM单片机的多品种：超微型化、低电压、低功耗CMOS工艺、空闲等待和掉电停机方式长江大学电子信息学院15单片机系统开发条件单片机芯片开发工具资料手册长江大学电子信息学院16单片机系统的开发过程

通常开发一个单片机系统可按以下几个步骤进行。(1)明确系统设计任务，完成单片机及其外围电路的选型工作。(2)设计系统原理图和PCB板，经仔细检查PCB板后送工厂制作。(3)完成器件的安装焊接。(4)

根据硬件设计和系统要求编写应用程序。(5)

在线调试软硬件。(6)使用编程器烧写单片机应用程序，独立运行单片机系统。

长江大学电子信息学院17

单片机系统开发简介一般开发过程：硬件设计软件设计软硬联调程序下载用protel99SE设计电路用WAVE6000书写、编译、链接程序用伟福仿真器、仿真头与WAVE6000进行联调利用编程器作程序下载（89S系列单片机还可ISP在线下载）长江大学电子信息学院18.1利用仿真器开发仿真头仿真器编程器长江大学电子信息学院19.2编程器将机器码写入芯片的工具长江大学电子信息学院20可以看出，这样的开发步骤有以下缺点：

1）频繁的拔插芯片，容易损坏芯片的引脚；

2）如果频繁的调试程序，换程序，必须重复拔插，大大降低了开发效率。ISP（In-System

Programming）

isp技术彻底地改变了传统的开发模式，它只要在电路板上留下个接口（如ispdown的十芯插座），配合ispdown的下载电缆，就可以不用拔出芯片，在电路板上就可以对芯片进行编程

需单片机本身支持该技术。.3ISP技术特点长江大学电子信息学院21（2）另外，现在有些高级单片机支持在系统编程及仿真调试，使用JTAG调试器，无需传统仿真器及编程器。比如AVR单片机、ATMEELATmega系列、CYGNAL单片机、DSP、arm等。.4JTAG开发长江大学电子信息学院22

测量仪器仪表概述测量仪器仪表的组成仪器仪表是用来帮助人们观察世界认识世界的工具包括：信息提取信息处理信息显示有机械仪表电子仪表光学仪表应用最广的是电子仪器仪表是主要组成部分信息提取信息处理信息显示长江大学电子信息学院23测控仪器仪表概述测控仪器仪表的组成在测量仪表的基础上增加了控制功能信息提取信息处理信息显示控制对象控制电路长江大学电子信息学院24智能仪器仪表概述测控仪器仪表的组成在信息处理环节增加了智能化处理

信息提取智能化处理信息显示控制对象控制电路单片机应用数据运算功能逻辑判断功能长江大学电子信息学院25嵌入式系统的基本概念

计算机技术迅速发展巨大地促进了仪器仪表水平的提高.虚拟仪器：将仪器仪表放入通用计算机，处理和显示由软件完成采集接口＋通用计算机嵌入式系统：将计算机放入仪器仪表中，专用计算机测控网络多个仪器仪表联合工作.长江大学电子信息学院26

教材：徐爱钧.单片机原理实用教程（---基于Proteus虚拟仿真）.第4版.北京：电子工业出版社，2018

参考书：各种“单片机原理”方面的书籍。

要求：课前预习、做笔记、按时完成作业。长江大学电子信息学院27第1章8051单片机的基本组成1.18051单片机的特点与基本结构1.28051单片机的存储器结构1.3CPU时序1.4复位信号与复位电路1.5并行I/O端口结构长江大学电子信息学院281.18051单片机的特点与基本结构一、8051单片机的特点

单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步。

由于体积小，很容易地嵌入到系统之中，以实现各种方式的检测、计算或控制，这一点，一般微机根本做不到。

由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，如工业自动检测监视系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。长江大学电子信息学院291.18051单片机的特点与基本结构二、8051单片机的分类

8051单片机可分为无ROM型和ROM型两种。无ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型芯片为8031）ROM型芯片又分为EPROM型（典型芯片为8751）、FLASH型（典型芯片为89C51）、掩膜ROM型（典型芯片为8051）、一次性可编程ROM（OneTimeProgramming,简称OTP）的芯片（典型芯片为97C51）。长江大学电子信息学院301.18051单片机的特点与基本结构三、8051单片机的基本特性1.8051单片机在存储器的配置上采用所谓“哈福”结构。2.共有111条指令，其中包括乘除指令和位操作指令。3.中断源有5个(8032/8052为6个)，分为2个优先级。4.8051单片机的内部RAM区中有4个通用工作寄存区，共有32个通用寄存器。5.在内部RAM中开辟了1个位寻址区。6.ROM型8051在单芯片应用方式下其4个并行I/O口(P0～P3)都可以作为输入输出之用。7.8051单片机内部集成了2个(8032/8052为3个)16位定时器/计数器。8.集成了1个全双工的异步串行接口，可同时发送和接收数据，为单片机之间的相互通信或与上位机通信带来极大的方便。长江大学电子信息学院311.18051单片机的特点与基本结构四、8051单片机的基本组成时钟电路SFR和RAMROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系统总线时钟源T0T1P0

P1

P2

P3TXDRXDINT0INT1长江大学电子信息学院321.18051单片机的特点与基本结构五、一个8051单片机包含下列部件（1）一个8位微处理器CPU。（2）片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。（3）片内程序存储器ROM。（4）两个定时/计数器T0、T1，可用作定时器，也可用以对外部脉冲进行计数。（5）四个8位可编程的并行I/O端口，每个端口既可作输入，也可作输出。（6）一个串行端口，用于数据的串行通信。（7）中断控制系统。（8）内部时钟电路。长江大学电子信息学院331.18051单片机的特点与基本结构六、8051单片机内部结构通道0驱动器通道2驱动器RAM地址锁存器RAM通道0锁存器通道2锁存器ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器缓冲器PC递增器程序计数器PC数据指针DPTRVCCGNDP1.0～P1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW通道3锁存器通道1锁存器通道1驱动器通道3驱动器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑振荡器P3.0～P3.7RSTALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定时和控制逻辑指令译码器EA长江大学电子信息学院341.18051单片机的特点与基本结构七、8051单片机的CPUCPU即中央处理器，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分组成。（1）运算器运算器以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、暂存寄存器TMP和程序状态字寄存器PSW等所组成。ALU主要用于完成二进制数据的算术和逻辑运算，并通过对运算结果的判断影响程序状态字寄存器PSW中有关位的状态。

D7D0PSW：CYACF0RS1RS0OV—P长江大学电子信息学院351.18051单片机的特点与基本结构PSW中各位的意义如下：CY：进位标志。在进行加法或减法运算时，若运算结果的最高位有进位或借位，CY=1，否则CY=0，在执行位操作指令时，CY作为位累加器。AC：辅助进位标志。在进行加法或减法运算时，若低半字节向高半字节有进位或借位，AC=1，否则AC=0，AC还作为BCD码运算调整时的判别位。F0：用户标志。RS1和RS0：工作寄存器组选择，如下表所示。RS1RS0工作寄存器组片内RAM地址00第0组00H～07H01第1组08H～0FH10第2组10H～17H11第3组18H～1FH长江大学电子信息学院36OV：溢出标志。当两个带符号的单字节数进行运算，结果超出-128～+127的范围时，OV=1，表示有溢出，否则OV=0表示无溢出。PSW中的D1位为保留位，对于8051来说没有意义，对于8052来说为用户标志，与F0相同。P：奇偶校验标志。每条指令指行完毕后，都按照累加器A中“1”的个数来决定P值，当“1”的个数为奇数时，P=1，否则P=0。

1.18051单片机的特点与基本结构长江大学电子信息学院37（2）控制器控制器包括程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。程序计数器PC：当一条指令按PC所指向的地址从程序存储器中取出之后，PC的值会自动增量，即指向下一条指令。堆栈指针SP：用来指示堆栈的起始地址。80C51单片机的堆栈位于片内RAM中，而且属于“上长型”堆栈，复位后SP被初始化为07H，使得堆栈实际上由08H单元开始。指令译码器：当指令送入指令译码器后，由译码器对该指令进行译码，CPU根据译码器输出的电平信号使定时控制电路产生执行该指令所需要的各种控制信号。数据指针寄存器DRTR：它是一个16位寄存器，由高位字节DPH和低位字节DPL组成，用来存放16位数据存储器的地址，以便对片外64kB的数据RAM区进行读写操作。1.18051单片机的特点与基本结构长江大学电子信息学院38P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

八、8051单片机引脚描述1.18051单片机的特点与基本结构长江大学电子信息学院39电源引脚Vcc和Vss

Vcc：电源端，接＋5V。Vss：接地端。

时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。

XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。1.18051单片机的特点与基本结构长江大学电子信息学院40地址锁存允许ALE

系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。

外部程序存储器读选通信号PSENPSEN是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。程序存储器地址允许输入端EA/VPP

当EA为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当EA为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。复位信号RST

该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。1.18051单片机的特点与基本结构长江大学电子信息学院41

输入/输出端口引脚P0，P1，P2和P3P0口（P0.0～P0.7）：该端口为漏极开路的8位准双向口，它为外部低8位地址线和8位数据线复用端口，驱动能力为8个LSTTL负载。P1口（P1.0～P1.7）：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。P2口（P2.0～P2.7）：它为一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。在访问外部程序存储器时，作为高8位地址线。P3口（P3.0～P3.7）：为内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口使用之外，每个引脚都具有第二功能。1.18051单片机的特点与基本结构长江大学电子信息学院42特殊功能寄存器通用

RAM区位寻址区00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器地址外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH内部数据存储器外部数据存储器程序存储器工作寄存器区1.28051单片机的存储器结构一8051单片机存储器结构图长江大学电子信息学院43

二、8051在物理上有4个存储器空间片内数据存储器RAM。片外数据存储器RAM。片内程序存储器ROM和片外程序存储器ROM

。程序存储器ROM地址空间为64kB，片外数据存储器RAM也有64kB的寻址区，在地址上是与ROM重迭的。8051单片机通过不同信号来选通ROM或RAM。当从外部ROM中取指令时，采用选通信号PSEN，而从外部RAM中读写数据时则采用读RD和写WR信号或来选通，因此不会因地址重迭而发生混乱。

1.28051单片机的存储器结构长江大学电子信息学院441.28051单片机的存储器结构三、片内数据存储器RAM

片内RAM有256个字节，其中00H～7FH地址空间是直接寻址区，该区域内从00H～1FH地址为工作寄存器区，安排了4组工作寄存器，每组都为R0～R7，在某一时刻，CPU只能使用其中任意一组工作寄存器，由程序状态字PSW中RS0和RS1的状态决定。片内RAM的20H～2FH地址单元为位寻址区，其中每个字节的每一位都规定了位地址。每个地址单元除了可进行字节操作之外，还可进行位操作。片内RAM的80H～FFH地址空间是特殊功能寄存器SFR区，对于51子系列在该区域内安排了21个特殊功能寄存器，对于52子系列则在该区域内安排了26个特殊功能寄器，同时扩展了128个字节的间接寻址片内RAM，地址也为80～FFH，与SFR区地址重迭。

长江大学电子信息学院45四、片内数据存储器中的位地址1.28051单片机的存储器结构长江大学电子信息学院46五、特殊功能寄存器地址及功能表1.28051单片机的存储器结构长江大学电子信息学院47

1.28051单片机的存储器结构六、片外数据存储器RAM

当片内RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其他I/O口扩展外部RAM，其最大容量可达64KB字节。在片内数据存储器中，数据区和扩展的I/O口是统一编址的，使用的指令也完全相同，因此，用户在应用系统设计时，必须合理地进行外部RAM和I/O端口的地址分配，并保证译码的唯一性。长江大学电子信息学院481.28051单片机的存储器结构七、程序存储器ROM

程序存储器ROM包括片内ROM和片外ROM两个部分。主要用来存放编好的用户程序和表格常数，它以16位的程序计数器PC作为地址指针，寻址空间为64KB。当EA接高电平时，单片机从片内ROM的4kB字节存储器区取指令，当指令地址超过0FFFH后，自动地转向片外ROM取指令。当EA接低电平时，所有的取指操作均对片外程序存储器进行。长江大学电子信息学院491.3CPU时序一、8051的片内振荡器及时钟发生电路

（如图1.7所示）二、基本概念1单片机的时钟电路2振荡周期、状态时间、机器周期和指令周期 3单片机指令的取指和执行时序长江大学电子信息学院501.3CPU时序单片机的时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式：1．内部振荡方式：8051单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。2．外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。长江大学电子信息学院51XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源内部振荡方式

外部振荡方式1.3CPU时序长江大学电子信息学院52P1P2S1振荡周期状态时间机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P28051单片机各种周期的相互关系1.3CPU时序

P2振荡周期、状态时间、机器周期、指令周期长江大学电子信息学院531．振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。2．状态时间：振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号，为振荡周期的2倍。3．机器周期：完成一个基本操作所需的时间，通常为12个振荡周期。4．指令周期：指CPU执行一条指令所需要的时间，一个指令周期通常含有1～4个机器周期。如：8051单片机外接晶振为12MHz时四个周期的具体值振荡周期＝1/12μs

状态时间＝1/6μs

机器周期＝1μs

指令周期＝1～4μs1.3CPU时序长江大学电子信息学院54

1.3CPU时序单片机指令的取指和执行时序图(a)和图(b)分别为单字节单周期和双字节单周期指令的时序，它们都在S6P2结束时完成操作。图(c)为单字节双周期指令的时序，在2个机器周期内进行4次操作，由于是单字节指令，所以后面的3次操作无效。图(d)为CPU访问片外数据存储器指令“MOVX”的时序，它是一条单字节双周期指令，在第一个机器周期的S5状态开始送出片外数据存储器的地址，进行数据的读写操作。在此期间没有ALE信号，所以在第二个周期不会产生取指操作。

长江大学电子信息学院551.4复位信号与复位电路1．复位电路单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。8051单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。

C122μF

RSTR11KΩ+5V+5V803180518751（a）上电复位电路（b）按键复位电路C122μF

RSTR2200Ω803180518751R11KΩ长江大学电子信息学院56特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态ACC00HTMOD00HPC0000HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0～P3FFHSBUF不定IP×××00000BSCON00HIE0××00000BPCON0×××0000B2．复位状态1.4复位信号与复位电路长江大学电子信息学院571.5并行I/O端口结构

8051单片机有4个双向并行的8位I/O口P0～P3。P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路，P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，需要先向口锁存器写入1，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电路。长江大学电子信息学院581．P0口的结构VCCP0.X锁存器读锁存器地址/数据控制D读引脚写锁存器内部总线QQMUXT2P0.XT1CL1.5并行I/O端口结构长江大学电子信息学院592．P1口的结构VCCP1.X锁存器读锁存器D读引脚写锁存器内部总线QQTP1.X内部上拉电阻CL1.5并行I/O端口结构长江大学电子信息学院603．P2口的结构VCCP2.X锁存器读锁存器地址控制D读引脚写锁存器内部总线QQMUXTP2.X内部上拉电阻CL1.5并行I/O端口结构长江大学电子信息学院614．P3口的结构VCCP3.X锁存器读锁存器第二输出功能D读引脚写锁存器内部总线QQTP3.X内部上拉电阻第二输入功能CL1.5并行I/O端口结构长江大学电子信息学院62P3.2P3.3位线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）12INT0（外部中断0）13INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0的计数输入）P3.515T1（定时器1的计数输入）16WR（外部数据存储器写脉冲）17RD（外部数据存储器读脉冲）P3.7

P3.6

P3口的第二功能1.5并行I/O端口结构长江大学电子信息学院63（1）地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0～

A7）；P2口直接提供高8位地址（A8～A15）。地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。（2）数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。（3）控制总线（CB）：控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令，主要有PSEN、WR、RD信号。8051单片机的片外总线结构1.5并行I/O端口结构长江大学电子信息学院648051与外部存储器、I/O端口的连接图1.5并行I/O端口结构长江大学电子信息学院65第2章Proteus虚拟仿真设计2.1集成环境ISIS2.2绘制原理图2.3创建源代码仿真文件2.4在原理图中进行源代码仿真调试2.5原理图与Keil环境联机仿真调试长江大学电子信息学院661.Proteus的主界面可分为:

三大窗口:1.编辑窗口;2.器件工具窗口;3.浏缆窗口.

两大菜单:主菜单与辅助菜单(通用工具与专用工具菜单),其中主菜单有:1)文件菜单:新建.加载.保存.打印;2)浏览菜单:图纸网络设置,快捷工具选项.3)编辑菜单:取消.剪切.考贝.粘贴;4)库操作菜单:器件封装库编辑.库管理.5)工具菜单:

实时标注自动放线,网络表生成,电气规则检查;6)设计菜单:设计属性编辑.添加删除图纸.电源配置.7)图形分析菜单:

传输特性/频率特性分析,编辑图形,增加曲线,运行分析8)源文件菜单:选择可编程器件的源文件,编辑工具,外部编辑器等.9)调试菜单:起动调试,复位调试.10)模板菜单:设置模板格式加载模板11)系统菜单:设置运行环境.系统信息.文件路径.12)帮助菜单:帮助文件.设计实例.2.1集成环境ISIS长江大学电子信息学院67主菜单通用工具菜单2.Proteus的主界面简介专用工具菜单PCB电路电路编辑窗口坐标原点浏览窗口器件工具列表窗口仿真按键长江大学电子信息学院683.Proteus的主菜单简介点击主菜单长江大学电子信息学院69主菜单编辑工具←点击鼠标:点击此键可取消左键的放置功能,但可编辑对象.←选择元器件:在元件表选中器件,在编辑窗中移动鼠标,点击左键放置器件.←标注联接点:当两条连线交叉时,放个接点表示连通.←标志网络线标号:电路联线可用网络标号代替,相同标号的线是相同的.←放置文本说明:是对电路的说明,与电路仿真无关!←放置总线:当多线并行简化联线,用总线标示.←放置子电路:可将部分电路以子电路形式画在另一图纸上.←放置器件引脚:有普通.反相.正时钟.反时钟.短引脚.总线←放置图纸内部终端:有普通.输入.输出.双向.电源.接地.总线.调试工具←放置分析图:有模拟.数字.混合.频率特性.传输特性.噪声分析等.←放置录音机:可录/放声音文件.←放置电源.信号源:有直流电源,正弦信号源,脉冲信号源等.←放置电压探针:显示网络线上的电压.←放置电流探针:串联在指定的网络线上,显示电流值.←放置虚拟仪器:有示波器.计数器.RS232终端.SPI调试器.I2C调试器.信号发生器.

图形发生器.直流电压表.直流电流表,交流电压表.交流电流表.图形工具←放置各种线:有器件.引脚.端口.图形线.总线等←放置矩形框:移动鼠标到框的一角,按下左键拖动,释放后完成.←放置圆形框:移动鼠标到圆心,按下左键拖动,释放后完成.←放置圆弧线:鼠标移到起点,按下左键拖动,释放后调整弧长,点击鼠标完成.←画闭合多边形:鼠标移到起点,点击产生折点,闭合后完成.←放置文字标签:在编辑框放置说明文本标签.←放置特殊图形:可在库中选择各种图形←放置特殊节点:可有原点.节点.标签引脚名.引脚号.4.Proteus选择图标简介长江大学电子信息学院705.Proteus元件库简介搜索关键词元件分类子分类厂商连接器.插头插座库→数据转换ADC.DAC→调试工具库→可编程逻辑器件→电阻→简单模拟器件→扬声器.音响器件→555←模拟集成电路库←电容库←CMOS4000库←二极管库←ECL1000库←电机库←电感库←拉普拉斯变换库←存储器库←微处理器库←混合类型库←简单模式库←运算放大库←光电器件库←开关和继电器←开关器件库←热电子器件库←晶体管库←晶体管库←TTL74系列库←TTL74LS系列库型号类型特性元件图形符号预览元件PCB封装预览确认键555长江大学电子信息学院711.建立设计文件:打开ISIS系统,选择合适类型,确认建立无标题文件,并再存储时命名即可.2.按左键:放置对象(含元件.电源.仪表):①根据对象类别,选择相应模式图标;②根据对象具体类型,选择具体对象.--对象是元件要从元件库中确认调至器件窗口!!③改变元件方向,元件在预览/编辑窗口时,点击旋转键.④在编辑窗口点击左键,放置对象(元件).按右键:确定对象

--删除对象:对要删除对象双击右键;--拖动对象:对要拖动对象,按左键拖到目的地.3.编辑(修改)元件参数:

①按右键选中对象(元件)；②按左键编辑(修改)元件参数.4.放置连线,建立电路图:①按左键点击第1个对象(元件),②再按左键点击第2个对象(元件),二者间就有自动连线了!2.2绘制原理图长江大学电子信息学院722.3创建源代码仿真文件1.设置代码生成工具，单击Source下拉菜单中“DefineCodeGeneraationTools”选项，弹出如图所示定义代码生成工具窗口。长江大学电子信息学院732.在“CodeGenerationTool”栏的Toll对话框内选择“ASEM51”，设定8051单片机汇编工具；3.在“MakeRules”栏的“SourceExtn”对话框内选择ASM，在“ObjExtn”对话框内选择HEX，设定源程序扩展名和目标代码扩展名；4.在“DebugDataExtraction”栏的“ListFileExtn”对话框内选择LST，设定列表文件扩展名，设置完成后单击“OK”按钮退出。5.添加源程序文件，单击Source下拉菜单中“Add/RemoveSourceFile”选项，弹出如图所示添加/删除源程序文件窗口，在“CodeGenerationTool”栏内选择ASEM51，再单击“New”按钮，弹出如图所示源程序文件查找窗口，在“查找范围”栏选中源程序文件的保存文件夹，同时在“文件名”栏键入源程序名。

长江大学电子信息学院74长江大学电子信息学院756.如果该源程序文件已经存在，单击“打开”按钮即完成源程序文件的添加，如果该源程序文件不存在，单击“打开”按钮后将弹出如图所示提示对话框，询问是否创建该文件，单击“是”按钮即在选择的文件夹内创建一个新文件。7.文件添加完成后再单击Source下拉菜单，可以看到源程序文件已经位于其中，如图所示，此时可以直接点击文件名将其打开进行编辑或修改。8.单击Source菜单中的“BuildAll”选项，对文件进行汇编连接，生成可执行的十六进制文件(.Hex)、列表文件(.LST)和源代码仿真调试文件(.SDI)。长江大学电子信息学院762.4在原理图中进行源代码仿真调试1.将生成的Hex文件添加到原理电路图的8051单片机中，即可进行源代码仿真调试。2.单击仿真工具中的运行按钮，启动程序全速运行，可以查看单片机系统运行结果。也可以先点击仿真工具中的暂停按钮，再单击Debug下拉菜单中的“6.8051CPUSourceCode”选项，弹出如图所示源代码调试窗口。长江大学电子信息学院773.将鼠标指向源代码调试窗口并单击右键，将弹出如图所示右键快捷菜单。长江大学电子信息学院784.在Proteus中进行源代码调试时，Debug下拉菜单提供了多种弹出式窗口，给调试过程带来了许多方便。单击Debug下拉菜单中的“5.8051CPUInternal(IDATA)Memory”选项，弹出如图所示8051单片机片内存储器窗口，其中显示当前片内存储器的内容。长江大学电子信息学院795.单击Debug下拉菜单中的“4.8051CPUSFRMemory”选项，弹出如图所示8051单片机特殊功能寄存器窗口，其中显示当前特殊功能寄存器的内容。6.单击Debug下拉菜单中的“3.8051CPURegister”选项，弹出如图所示8051单片机寄存器窗口，其中显示当前各个寄存器的值。长江大学电子信息学院807.单击Debug下拉菜单中的“2.WatchWindow”选项，弹出如图所示观测窗口，观测窗口即使在全速运行期间也将保持实时显示，因此可以在观测窗口中添加一些项目，以便于程序调试期间进行察看。8.添加项目可以通过观测窗口中的右键菜单实现，也可以先在图中用鼠标左键标记希望进行观测的存储器单元，然后将其直接拖到观测窗口中。长江大学电子信息学院81启动

Vision3后，用鼠标左键单击“Project菜单/NewProject”选项，在弹出的对话框窗口中输入项目文件名max，选择合适的保存路径并单击“保存”按钮，创建一个文件名为max.uv2的新项目文件，如图所示。项目名保存完毕后将弹出如图所示器件数据库对话框窗口，根据需要选择CPU器件Atmel公司的AT89C51。创建新项目后，会自动包含一个默认的目标Target1和文件组SourceGroup1。用户可以给项目添加其他文件组以及文件组中的源程序文件。单击“File菜单/New”选项，从打开的编辑窗口中输入C51源程序。2.5原理图与Keil环境联机仿真调试长江大学电子信息学院82程序输入完成后，保存为扩展名为.C的源程序文件，保存路径一般与项目文件相同。然后将鼠标指向“项目窗口→Files”标签页中的“SourceGroup1”文件组并单击右键，从弹出的右键快捷菜单中，单击右键快捷菜单中的“AddFilestoGroup‘SourceGroup1’”选项，将刚才保存的源程序文件max.c添加到项目中去。接下来需要对项目进行必要的配置。单击“Project菜单→OptionsforTarget”选项，弹出如图所示窗口，这是一个十分重要的窗口，包括Device、Target、Output、Listing、C51、A51、Bl51Locate、BL51Misc和Debug等多个选项卡，其中一些选项可以直接用其默认值，也可进行适当调整。

长江大学电子信息学院83图所示为Output配置选项卡，用于设定当前项目在编译连接之后生成的可执行代码文件，默认为与项目文件同名，也可以指定为其他文件名，存放在当前项目文件所在的目录中，也可以单击“SelectFolderForObjects”来指定文件的目录路径。选中方形复选框“DebugInformation”将在输出文件中包含进行源程序调试的符号信息。选中方形复选框“BrowseInformation”将在输出文件中包含源程序浏览信息。选中方形复选框“CreateHEXFile”表示除了生成可执行代码文件之外，还将生成一个HEX文件。图所示为Debug配置选项卡，用于设定

Vision3调试选项。单击选项卡右上部圆形复选框“User”，通过文本框中的箭头，选择其中的“ProteusVSMSimulator”，再单击右边的“Settings”按钮，弹出如图所示通信配置选项卡。

长江大学电子信息学院84单击图选项卡中“LoadApplicationatStart”和“Gotillmain(

)”复选框，可以在启动仿真时自动装入应用程序目标代码并运行到main(

)函数处。在“RestoreDebugSessionSettings”栏中有4个方形复选框：“Breafpoints”、“Watchpoints&PA”、“MemeryDisplay”和“Toolbox”，分别用于在启动Debug调试器时自动恢复上次调试过程中所设置的断点、观察点与性能分析器、存储器及工具盒的显示状态，如果在编辑源程序文件时就设置了断点并希望在启动Debug仿真调试时能够使用，则应该选中这些复选框。完成上述基本选项配置之后，将鼠标指向项目窗口中的文件“max.c”并单击右键，从弹出的右键菜单中单击“Buildtarget”选项，

Vision3将按以上选项配置自动完成对当前项目中的编译链接，并在输出窗口中显示提示信息，如图所示。长江大学电子信息学院85C51程序编译链接完成后，先打开Proteus原理图，单击ISIS环境的“Debug菜单→UseRemoteDebugMonitor”选项，准备与Protues原理图进行联机仿真调试，如图所示。再单击

Vision3环境的“Debug菜单→Start→StopDebugSession”选项，启动

Vision3与Proteus联机，联机成功后自动装入目标代码并运行到main(

)函数处，项目窗口切换到“Regs”标签页，显示调试过程中单片机内部工作寄存器R0～R7、累加器A、堆栈指针Sp、数据指针DPTR、程序计数器PC以及程序状态字PSW等的值等，如图所示。单击

Vision3环境的“Debug菜单→Go”选项，启动程序全速运行，然后进入Proteus原理图，单击ISIS环境的“Debug菜单→VirtualTerminal”选项，打开虚拟终端窗口，将鼠标指向该窗口并输入两个数字123和456后回车，即可看到程序运行结果，如图所示。长江大学电子信息学院86

Vision3与Proteus原理图联机仿真调试的功能十分完善，除了全速运行之外还可以进行单步、设置断点、运行到光标指定位置等多种操作，调试过程中可同时在

Vision3环境与ISIS环境中观察局部变量以及用户设置的观察点状态、存储器状态、片内集成外围功能状态等，非常方便。长江大学电子信息学院87第3章指令系统与汇编语言程序设计3.1指令助记符和字节数3.2寻址方式3.2.1寄存器寻址3.2.2直接寻址3.2.3立即寻址3.2.4寄存器间接寻址3.2.5变址寻址3.2.6相对寻址3.2.7位寻址长江大学电子信息学院883.6定点数运算子程序3.3指令分类详解3.3.1数据传送类指令3.3.2算术运算类指令3.3.3逻辑运算与循环类指令3.3.4程序转移类指令3.3.5子程序调用与返回指令3.3.6位操作指令3.4汇编语言程序格式与伪指令3.5应用程序设计长江大学电子信息学院89指令和助记符

指令本身是一组二进制数代码，为了便于记忆，将这些代码用具有一定含义的指令助记符来表示，助记符一般采用英文单词的缩写。例：指令代码助记符功能

740AMOVA，#0AH将十六进制数0AH放入累加器A中

2414ADDA，#14H累加器A中的内容与十六进制数

14H相加，结果放在累加器A中3.1指令助记符和字节数长江大学电子信息学院90指令的字节数

一条指令由操作码和操作数组成。操作码指明执行什么操作，例如数的传送、加法、减法等。操作数则表示这条指令所完成的操作对象，即是对谁进行操作。操作数可以是一个数，或者是一个数所在的内存地址。指令由指令字节组成，不同的指令，指令的字节数不相同。有单字节指令、双字节指令和三字节指令。3.1指令助记符和字节数指令的字节数的多少可以。查阅教材附录A8051指令表长江大学电子信息学院913.2寻址方式1寄存器寻址

2直接寻址3立即寻址4寄存器间接寻址5变址寻址 6相对寻址 7位寻址长江大学电子信息学院923.2.1寄存器寻址

以通用寄存器的内容为操作数的寻址方式。通用寄存器为A、B、DPTR以及R0～R7

。例：

CLR A；A←0INC DPTR ；DPTR←DPTR+1ADD R5，#20H ；R5←#20H+R53.2寻址方式长江大学电子信息学院933.2.2直接寻址

指令中直接给出操作数地址的寻址方式，能进行直接寻址的存储空间有SFR寄存器和内部数据RAM。例：

MOV PSW，#20H；PSW←#20HMOV A，30H ；A←(30H)3.2寻址方式长江大学电子信息学院943.2.3立即寻址

指令中直接给出操作数的寻址方式。立即操作数用前面加有#号的8位或16位数来表示。例：

MOV A，#60H ；A←#60HMOV DPTR，#3400H ；DPTR←#3400HMOV 30H，#40H ；30H单元←#40H

3.2寻址方式长江大学电子信息学院953.2.4寄存器间接寻址

以寄存器中内容为地址，以该地址中内容为操作数的寻址方式。间接寻址的存储器空间包括内部数据RAM和外部数据RAM。能用于寄存器间接寻址的寄存器有R0，R1和DPTR。在寄存器名称前面加一个符号@来表示寄存器间接寻址。例：

MOVA，@R0；A←((R0))MOVX@DPTR，A；外部RAM(DPTR)←A3.2寻址方式长江大学电子信息学院96

片内RAM30HR034HA30H34HMOVA，@R0操作示意图长江大学电子信息学院97片外RAM2000HDPTR30HA2000H30HMOVX@DPTR，A操作示意图长江大学电子信息学院983.2.5变址寻址

变址寻址是以某个寄存器的内容为基本地址，然后在这个基址上加以地址的偏移量，才是真正的操作数地址。例：

MOVCA，@A+DPTR；A←（A+DPTR）

MOVCA，@A+PC；A←（A+PC）

3.2寻址方式长江大学电子信息学院99MOVCA,@A+DPTR

操作示意图程序存储器02F1HDPTRA0302H1EH11HA执行前1EHA执行后+长江大学电子信息学院1003.2.6相对寻址

以当前程序计数器PC的内容为基础，加上指令给出的一字节补码数（偏移量）形成新的PC值的寻址方式。相对寻址用于修改PC值，主要用于实现程序的分支转移。例：

SJMP08H；PC←PC+2+08H3.2寻址方式长江大学电子信息学院101SJMP08H

操作示意图程序存储器SJMP200AH08H2000H+208H执行前PC2000H执行后PC长江大学电子信息学院1023.2.7位寻址

位寻址只能对有位地址的单元作位寻址操作。位寻址其实是一种直接寻址方式，不过其地址是位地址。例：

SETB10H；将10H位置1MOV32H，C；32H←进位位CCLRPSW.4；将RS1位清08051内部RAM中有1个可位寻址区，地址为20H～2FH，共16个单元，其中每个单元的每一位都可单独作为操作数，共128位。另外如果特殊功能寄存器的地址值能被8整除，则该特殊功能寄存器也可以进行位寻址。

3.2寻址方式长江大学电子信息学院103特殊功能寄存器单元地址表示符号位地址P080HP0.0～0.780H～87HTCON88HTCON.0～TCON.788H～8FHP190HP1.0～.P1.790H～97HSCON98HSCON.0～SCON.798H～9FHP2A0HP2.0～P2.7A0H～A7HIEA8HIE.0～IE.7A8H～AFHP3B0HP3.0～P3.7B0H～B7HIPB8HIP.0～IP.7B8H～BFHPSWD0HPSW.0～PSW.7D0H～D7HACCE0HACC.0～ACC.7E0H～E7HBF0B.0～B.7F0H～F7H可以位寻址的特殊功能寄存器

长江大学电子信息学院104位地址的表示可以采用以下几种方式:(1)直接用位地址00H～FFH来表示，如20H单元的0～7位可表示为20H～27H。(2)采用第n单元第n位的表示方法，如25H.5，表示25H单元的第5位。(3)对于特殊功能寄存器可直接用寄存器名加位数的表示方法，如ACC.3，PSW.7等。(4)用汇编语言中的伪指令定义。长江大学电子信息学院1053.3指令分类详解 1数据传送类指令2算术运算类指令3逻辑运算与循环类指令4程序转移类指令5子程序调用及返回指令6位操作指令长江大学电子信息学院1063.3.1数据传送类指令

助记符说明

MOV、MOVX、MOVC传送操作

XCH、XCHD、SWAP交换操作

PUSH、POP堆栈操作源操作数寻址方式：立即寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址。目的操作数寻址方式：直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址除了目的操作数为ACC的指令影响奇偶标志P外，一般不影响标志位。3.3指令分类详解 长江大学电子信息学院107直接地址direct累加器A直接地址direct间接地址@Ri寄存器Rn立即数#data寄存器DPTR8051单片机片内数据传送图3.3.1数据传送类指令长江大学电子信息学院108 1以累加器为目的操作数的指令（4条）

MOVA，Rn

MOVA，direct

MOVA，@Ri

MOVA，#data

这组指令功能将源操作数指定内容送到A中。

2以寄存器Rn为目的操作数的指令

（3条）

MOVRn，A

MOVRn，direct

MOVRn，#data

这组指令功能是把源操作数指定的内容送入当前工作寄存器，源操作数不变。3.3.1数据传送类指令长江大学电子信息学院1093以直接地址为目的操作数的指令（5条）

MOVdirect，A MOVdirect，Rn MOVdirect1，direct2 MOVdirect，@Ri MOVdirect，#data

这组指令功能是把源操作数指定的内容送入由直接地址指出的片内存储单元。例：

MOV20H，A MOV20H，R1 MOV20H，30H MOV20H，@R1 MOV0A0H，#34H MOVP2，#34H3.3.1数据传送类指令长江大学电子信息学院1104以间接地址为目的操作数的指令（3条）

MOV@Ri，A

MOV@Ri，direct

MOV@Ri，#data

功能：把源操作数指定的内容送入以R0或R1中内容为地址的片内存储单元。例：

MOV@R0，A MOV@R1，20H MOV@R0，#34H3.3.1数据传送类指令长江大学电子信息学院1115十六位数的传递指令（1条）

MOVDPTR，#data168051是8位机，这是唯一的一条16位立即数传递指令。功能：将一个16位的立即数送入DPTR中去。其中高8位送入DPH，低8位送入DPL。例：MOVDPTR，#1234H执行完了之后DPH中的值为12H，DPL中的值为34H。如果我们分别向DPH，DPL送数，则结果也一样。如下面两条指令：MOVDPH，#35H MOVDPL，#12H。相当于执行了MOVDPTR，#3512H。3.3.1数据传送类指令长江大学电子信息学院1126累加器A与片外RAM之间的数据传递类指令(4条)

MOVXA，@Ri MOVX@Ri，A MOVXA，@DPTR MOVX@DPTR，A说明：

1.在8051中，与外部RAM存储器打交道的只可以是累加器A。所有需要送入外部RAM的数据必需要通过A送去，而所有要读入的外部RAM中的数据也必需通过A读入。在此我们可以看出内外部RAM的区别了，内部RAM间可以直接进行数据的传递，而外部则不行。比如，要将外部RAM中某一单元（设为0100H单元的数据）送入另一个单元（设为0200H单元），也必须先将0100H单元中的内容读入A，然后再送到0200H单元中去。3.3.1数据传送类指令长江大学电子信息学院113

2.要读或写外部RAM，必须要知道RAM的地址，采用DPTR时，地址被直接放在DPTR中的。采用Ri（R0或R1）时，由于Ri只是8位的寄存器，所以只提供低8位地址。高8位地址由P2口来提供。

3.使用时应先将要读或写的地址送入DPTR或Ri中，然后再用读写命令。例：将外部RAM中100H单元中的内容送入外部RAM中200H单元中。

MOVDPTR，#0100H MOVXA，@DPTR MOVDPTR，#0200H MOVX@DPTR，A3.3.1数据传送类指令长江大学电子信息学院1147读程序存储器指令（2条）

MOVCA，@A+DPTRMOVCA，@A+PC

本组指令是将ROM中的数送入A中。本组指令也被称为查表指令，常用此指令来查一个已做好在ROM中的表格说明：查找到的结果被放在A中，因此，本条指令执行前后，A

中的值不一定相同。例：有一个数在R0中，要求用查表的方法确定它的平方值（此数的取值范围是0-5）

MOVDPTR，#100H MOVA，R0 MOVCA，@A+DPTR

…… ORG0100H DB0,1,4,9,16,253.3.1数据传送类指令长江大学电子信息学院1158堆栈操作（2条）

PUSHdirect

POPdirect

第一条为压入指令，将direct中的内容送入堆栈中，第二条为弹出指令，将堆栈中的内容送回到direct中。例： MOVSP，#10H MOV40H，#50H PUSH40H POP30H

执行第一条PUSH40H指令是这样的：将SP中的值加1，变为11H，然后将