单片机原理与应用17专科、专本机电、电气复习资料

单片机原理与应用复习资料前言各位同学，大家好。这份复习资料旨在帮助大家梳理《单片机原理与应用》课程的核心知识点，巩固学习成果，为即将到来的考试做好准备。本资料主要面向相关专业的专科及专升本同学，内容力求精炼、重点突出，希望能成为大家复习路上的得力助手。请结合教材、课堂笔记以及实验操作，综合理解和运用这些知识。一、单片机概述(原理篇)1.1单片机的概念与特点单片机，即单片微型计算机，是将中央处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、定时器/计数器、输入/输出（I/O）接口等计算机基本功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。其主要特点包括：体积小、功耗低、成本低、可靠性高、控制功能强、编程灵活等。正是这些特点，使得单片机在工业控制、智能仪器仪表、消费电子、通信设备等领域得到了广泛应用。1.2单片机的发展与常见系列单片机的发展经历了多个阶段，从早期的4位、8位机，到现在的16位、32位机，性能不断提升。其中，8位单片机因其结构简单、价格低廉、开发工具成熟，至今仍在广泛使用，也是我们学习的重点。常见的8位单片机系列有：Intel公司的MCS-51系列（如8051、8031、8751）及其众多兼容系列（如AT89C51、STC89C52等），PIC系列，AVR系列等。我们课程中以经典的MCS-51系列为主要学习对象，其基本原理和结构具有代表性，掌握后有助于学习其他类型的单片机。1.3单片机的应用领域单片机的应用几乎无处不在，例如：*工业自动化控制（如机床控制、生产线监控）*智能仪器仪表（如数字万用表、示波器）*家用电器（如空调、洗衣机的控制板）*汽车电子（如发动机控制、仪表盘）*通信设备（如Modem、路由器）*智能卡与安防系统等。二、MCS-51单片机的基本结构2.1总体结构框图MCS-51单片机内部包含以下主要功能部件：*一个8位CPU（中央处理器）*片内程序存储器（ROM/EPROM/Flash，不同型号容量不同）*片内数据存储器（RAM）*四个8位并行I/O端口（P0、P1、P2、P3）*两个（或三个，如8052）16位定时器/计数器*一个全双工串行通信接口（UART）*多个中断源，具有两级中断优先级的中断控制系统*片内振荡器和时钟电路理解这些部件如何协同工作是掌握单片机原理的关键。2.2CPU结构CPU是单片机的核心，负责指令的读取、译码和执行。MCS-51的CPU主要包括：*运算器：包含算术逻辑单元（ALU）、累加器A（Acc）、寄存器B、程序状态字寄存器（PSW）。ALU完成算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或等）。累加器A是使用最频繁的寄存器，很多运算的结果都暂存在A中。PSW用于指示运算结果的状态（如进位、溢出、奇偶校验等）和工作寄存器组的选择。*控制器：包含程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器、定时与控制逻辑电路。PC是一个16位寄存器，用于存放下一条要执行指令的地址，它具有自动加1功能，使程序能顺序执行。2.3存储器组织MCS-51采用哈佛结构，即程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）是分开编址、独立访问的。*程序存储器（ROM）：用于存放编好的程序和固定数据。8051片内有4KBROM，8031无片内ROM，8751片内有4KBEPROM。地址范围为0000H~FFFFH，共64KB。其中0000H是复位后PC的初始地址，也是程序的入口地址。某些特定地址是中断服务程序的入口地址（如外部中断0的入口地址为0003H）。*数据存储器（RAM）：用于存放程序运行过程中的变量和中间结果。地址范围为00H~7FH（片内，128B）和80H~FFH（特殊功能寄存器SFR和部分扩展RAM，视型号而定）。*内部RAM低128B（00H~7FH）：又可分为工作寄存器区（00H-1FH，分4组，每组8个寄存器R0-R7，由PSW的RS1、RS0位选择）、位寻址区（20H-2FH，共16个字节，128位，每位都有位地址）和用户RAM区（30H-7FH，用于存放数据和堆栈）。*特殊功能寄存器（SFR）：地址从80H开始，离散分布。这些寄存器控制着单片机的各个功能模块，如P0-P3口锁存器、PSW、累加器A、寄存器B、程序计数器PC（不在SFR中）、定时器/计数器控制寄存器、串行口控制寄存器、中断控制寄存器等。对SFR的操作就是对单片机硬件资源的控制。要熟记常用SFR的地址和功能，如P0（80H）、TCON（88H）、TMOD（89H）、SCON（98H）、IE（A8H）、IP（B8H）等。2.4并行I/O端口MCS-51有四个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3，共32根I/O线。每个端口都是双向的，都包含一个锁存器（即SFR中的P0-P3）、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。*P0口：是一个漏极开路的双向口，可作通用I/O口，也可在访问外部存储器时作为低8位地址/数据复用总线。作通用I/O口时，需外接上拉电阻。*P1口：是一个带内部上拉电阻的准双向口，仅作通用I/O口使用。*P2口：带内部上拉电阻的准双向口，可作通用I/O口，也可在访问外部存储器时作为高8位地址总线。*P3口：带内部上拉电阻的准双向口，除了作为通用I/O口，其每一位还具有第二功能，如外部中断输入（INT0、INT1）、定时器/计数器外部输入（T0、T1）、串行口收发（RXD、TXD）、外部存储器读写控制（WR、RD）。理解各端口的结构特点和使用方法，对于进行硬件电路设计和软件编程至关重要。2.5时钟电路与复位电路*时钟电路：单片机的工作是在统一的时钟脉冲控制下有序进行的。时钟信号可以由内部振荡器产生（外接石英晶体和微调电容），也可以由外部脉冲信号提供。振荡频率经过分频后形成机器周期，一个机器周期通常由12个振荡周期（晶振周期）组成，是指令执行时间的基本单位。*复位电路：复位是使单片机恢复到初始状态的操作。复位后，PC值为0000H，程序从头开始执行；SFR中的一些重要寄存器也恢复初值（如PSW=00H，P0-P3=FFH等）。复位方式有上电复位和按键手动复位。复位电路应保证提供足够宽度的复位脉冲。2.6中断系统中断系统是单片机实时处理外部或内部随机事件的重要机制。*中断源：MCS-51（8051）有5个中断源：外部中断0（INT0，P3.2）、定时器/计数器0溢出中断（TF0）、外部中断1（INT1，P3.3）、定时器/计数器1溢出中断（TF1）、串行口中断（RI或TI）。*中断优先级：每个中断源可设置为高优先级或低优先级（通过IP寄存器）。高优先级中断可以中断正在执行的低优先级中断服务程序（中断嵌套）。同一优先级的中断源存在自然优先级顺序。*中断响应过程：中断请求（满足条件）->中断判优（若同时有多个）->中断响应（关中断、保护断点PC值）->执行中断服务程序（ISR，需在中断入口地址处安排跳转指令）->中断返回（恢复断点，开中断）。*中断控制寄存器：主要有中断允许寄存器IE（控制各中断源的开放或屏蔽，总中断EA位）和中断优先级寄存器IP（控制各中断源的优先级）。掌握中断的概念、中断源、中断控制寄存器的设置以及中断服务程序的编写方法，是实现单片机实时控制的基础。2.7定时器/计数器MCS-51有两个16位定时器/计数器T0和T1（8052有T2）。它们既可以作为定时器（对内部机器周期计数，用于定时），也可以作为计数器（对外部引脚输入的脉冲信号计数）。*工作方式寄存器TMOD：用于设置定时器/计数器的工作方式（4种方式，由M1、M0位决定）和工作模式（定时/计数，由C/T位决定），以及是否使用门控位GATE。*控制寄存器TCON：用于控制定时器的启动/停止（TR0、TR1位）、记录溢出标志（TF0、TF1位，可申请中断）、外部中断触发方式选择（IT0、IT1位）。*初值计算：定时器/计数器是加1计数的，溢出时产生中断或由程序查询。因此，需要根据定时时长或计数个数计算并预置初值。初值X=最大计数值-所需计数值。最大计数值与工作方式有关（如方式0为2^13，方式1为2^16，方式2为2^8）。三、指令系统与汇编语言程序设计3.1指令格式与寻址方式*指令格式：MCS-51指令通常由操作码和操作数两部分组成。操作码表示指令的功能，操作数表示参与操作的数据或数据所在的地址。格式如：`操作码[目的操作数][,源操作数]`。*寻址方式：寻址方式是寻找操作数地址的方法。MCS-51有七种寻址方式：*立即寻址：操作数直接在指令中，如`MOVA,#30H`*直接寻址：直接给出操作数的地址，如`MOVA,30H`*寄存器寻址：操作数在寄存器中，如`MOVA,R0`*寄存器间接寻址：操作数地址在寄存器中，通过寄存器间接获取操作数，如`MOVA,@R0`(用R0或R1，或DPTR作间址寄存器)*变址寻址：以DPTR或PC为基址寄存器，A为变址寄存器，两者内容相加得到操作数地址，如`MOVCA,@A+DPTR`(用于查表)*相对寻址：用于相对转移指令，转移地址=当前PC值+指令中给定的相对偏移量rel，如`SJMPrel`*位寻址：对可位寻址的位进行操作，如`SETBP1.0`熟悉各种寻址方式及其对应的指令，是进行汇编语言编程的基础。3.2指令系统分类MCS-51指令系统按功能可分为：*数据传送类指令：如MOV、MOVC、MOVX、PUSH、POP、XCH、XCHD等。这类指令用于数据在寄存器、存储器之间的传送。*算术运算类指令：如ADD、ADDC、SUBB、INC、DEC、MUL、DIV、DAA等。用于实现加减乘除等算术运算。注意运算结果对PSW标志位的影响。*逻辑运算与移位类指令：如ANL、ORL、XRL、CLR、CPL、RL、RLC、RR、RRC等。用于逻辑运算和对累加器A的内容进行移位操作。*控制转移类指令：如LJMP、AJMP、SJMP、JMP@A+DPTR、JZ、JNZ、CJNE、DJNZ、ACALL、LCALL、RET、RETI等。用于改变程序的执行顺序，实现分支、循环、子程序调用等。*位操作类指令：如SETB、CLR、CPL、ANL、ORL、MOV（位）、JC、JNC、JB、JNB、JBC等。用于对可位寻址的位进行操作，这是MCS-51的一个重要特点。重点掌握常用指令的功能、格式和操作结果对标志位的影响。3.3汇编语言程序设计基础*伪指令：汇编程序提供的，不产生机器码，用于控制汇编过程。如ORG（定位伪指令）、END（结束伪指令）、DB（定义字节伪指令）、DW（定义字伪指令）、EQU（赋值伪指令）等。*程序基本结构：*顺序结构：最简单的结构，指令逐条顺序执行。*分支结构：根据条件执行不同的程序段，使用条件转移指令实现。*循环结构：重复执行某段程序，使用循环转移指令（如DJNZ）实现。*子程序结构：将重复使用的程序段编写成子程序，用ACALL/LCALL调用，RET返回，可简化程序，节省存储空间。注意子程序调用时的现场保护与恢复。*常用程序设计举例：*延时程序（利用定时器或循环计数）*数据传送与处理（如数据块传送、排序、查找）*代码转换（如BCD码与二进制码转换、ASCII码转换）*I/O口控制（如控制LED闪烁、数码管显示、键盘扫描）四、单片机接口技术与应用(应用篇)4.1并行I/O口的应用并行I/O口是单片机与外部设备交换信息最基本的方式。*输出应用：控制LED（单个、LED阵列、数码管静态显示）、驱动继电器、控制蜂鸣器等。注意单片机I/O口驱动能力有限，必要时需加驱动电路（如三极管、集成电路驱动器）。*输入应用：读取开关状态（如独立按键、矩阵键盘）、传感器信号（如光敏电阻、温度传感器的模拟信号需配合A/D转换）。输入时要注意消除按键抖动（硬件或软件消抖）。4.2中断系统的应用合理使用中断可以提高单片机的工作效率，实现实时处理。*外部中断应用：如外部设备请求（按键、传感器触发）。需设置IT0/IT1（边沿/电平触发），开放相应中断（IE寄存器）。*定时器中断应用：如定时采样、定时显示刷新、定时输出控制等。*串行口中断应用：串行通信数据收发完成后产生中断，实现数据的异步接收和发送。编写中断服务程序时，要注意：中断入口地址处通常放一条跳转指令；中断服务程序应简洁高效；注意保护和恢复现场（尤其是使用到的工作寄存器和累加器）；中断返回用RETI指令。4.3定时器/计数器的应用*定时器模式：*延时功能：通过设置定时初值，利用定时器溢出中断或查询TF标志来实现精确延时。*脉冲宽度测量：使用门控位GATE和外部中断信号，可测量脉冲宽度。*计数器模式：对外部事件进行计数，如统计脉冲个数、测量转速（配合定时）。*PWM（脉冲宽度调制）输出：利用定时器产生不同占空比的方波，可用于电机调速、LED亮度调节等。通常通过在定时器中断中改变I/O口的高低电平来实现。4.4串行通信接口（UART）MCS-51的串行口是一个全双