第一章 MCS-51单片机概述

1、第1章单片机概述,在半导体硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器(RAM、ROM、EPROM)和各种输入、输出接口。,20世纪70年代问世。,已广泛应用在：,工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等方面。,1.1什么是单片机,可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。,具有一台计算机的属性。也称为：,嵌入式控制器EMCU（EmbeddedMicroControllerUnit）。,我国，习惯使用“单片机”这一名称。,按用途可分为通用型和专用型两大类：,（1）通用型,微控制器MC

2、U(MicroControllerUnit),（2）专用型,专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大。,对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑。,“专用”单片机具有十分明显的综合优势。,1.2单片机的历史及发展概况,四个阶段:,第一阶段(1974年1976年)：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较简单。,第二阶段（1976年1978年）:低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表。,第三阶段(1978年现在)：高性能单片机阶段。Intel公司的MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。,第四阶段(1982年现在

3、)：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。,1.38位单片机的主要生产厂家和机型,（1）美国Intel公司MCS-51系列及其增强型、扩展型系列。,（2）美国ATMEL公司89C51、89C52、89C55、89S52等。,（3）荷兰PHILIPS（菲力浦）公司8xC552系列。,MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，主流系列,软、硬件设计资料丰富齐全。,1.4单片机的发展趋势,1.CPU的改进,（1）采用双CPU结构，提高处理能力,（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。,（3）串行总线结构，菲利浦公司的I2C总线（InterIcbus）。用两根信号线代替现

4、行的8位数据总线。,2存储器的发展,（1）加大存储容量。,（2）片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash）存储器,（3）程序保密化。,3片内I/O的改进,（1）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。,（2）增加I/O口的逻辑控制功能。,（3）设置了一些特殊的串行接口功能，构成分布式、网络化系统。,4外围电路内装化,器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内系统的单片化。,5低功耗化,CMOS化CHMOS工艺。,总之，向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化方向发展。,1.5单片机的应用,单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。,使用温度：,

5、民品：0C+70C,工业品：-40C+85C,军品：-65C+125C。,在下述的各个领域广泛的应用：,1.工业自动化,2.智能仪器仪表,3消费类电子产品,4.通讯,5武器装备,6终端及外部设备控制,7多机分布式系统,1.6MCS-51系列单片机,20世纪80年代后期:Intel公司以专利的形式把8051内核技术转让给厂家。,这些厂家生产的兼容单片机，与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺。,如：AMTEL、PHILIPS、ANALOGDEVICES、DALLAS公司。,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。,MCS-51系列单

6、片机及其兼容产品通常分成以下几类：,80C51系列：所有具有8051指令系统的单片机,（1）基本型典型产品：8031/8051/8751,内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。,（3）低功耗型典型产品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺适于电池供电或其它要求低功耗的场合。,（4）专用型8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZUSR-2100单片机USB接口。,（2）增强型典型产品：8032/8052/8752,（5）超8位型典型产品：PHILIPS公司80C552/87C55

7、2/83C552系列单片机。,将MCS-96系列（16位单片机）I/O部件如：高速输入/输出（HSI/HSO）、A/D转换器、脉冲宽度调制（PWM）、看门狗定时器（WDT）等移植进来构成新一代MCS-51产品。,功能介于MCS-51和MCS-96之间。目前已得到了较广泛的使用。,（6）片内闪烁存储器型美国ATMEL公司的AT89C51单片机，受到应用设计者的欢迎。,MCS-51系列以及80C51系列单片机有多种类型，但掌握好MCS-51的基本型（8031、8051、8751或80C31、80C51、87C51）是十分重要的。,它们是具有MCS-51内核的各种型号单片机的基础，也是各种增强型、扩

8、展型等衍生品种的核心。,1.7MCS-51的主要性能特点,1.内部程序存储器(ROM)容量8051有4k的掩膜ROM，而8052有8k的掩膜ROM，有的型号则配置有EPROM2.内部数据存储器（RAM）容量MCS-51中的-51、-52子系列各位128B和256B（不包括专用寄存器）3.输入/输出口为32根口线,4.MCS-51单片机可以对64KB的外部数据存储器寻址。5.MCS-51单片机的程序存储器的内外总寻址空间为64KB，根据型号的不同，外部程序存储器最大寻址范围为64KB、60KB、56KB。6.MCS-51中的51子系列有2个16位定时器/计数器，52子系列有3个16位定时器/计数

9、器。7.MCS-51可以利用两根I/O口线作为全双工的串行口，有4种工作方式，可以通过编程选定。,8.MCS-51的内部RAM中开辟了4个通用寄存器区，共32个通用寄存器，可以适应多种中断和子程序嵌套的情况。9.MCS-51有5个中断源（8032/8052为6个），分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的。10.MCS-51的堆栈位置是可编程的，堆栈深度可达128字节。,11.MCS-51内部有1个由可直接寻址位组成的布尔处理即位处理机。在指令系统中包含了一个指令子集，专用于对位处理机的各位进行各种位处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题。,1.88051的总体结构,在一小块芯片上，集成了

10、一台微计算机的各个部分：1个8位中央处理器；4k只读存储器；128b的读写存储器；32条I/O（输入/输出）口线；2个定时器/计数器；1个具有5个中断源、2个优先级的嵌套中断结构；用于多处理机通信、I/O扩展或全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口；以及一个片内振荡器和时钟电路,1.98051的引脚描述,1.主电源引脚Vss和VccVcc（40脚）：电源端，为5V。Vss（20脚）：接地端。2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2时钟电路引脚XTAL1(19脚)：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。,时钟电路引脚XTAL

11、2(18脚)：接外部晶体的另一端。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外时钟脉冲，要检查8051的振荡电路是否正确工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。,3.控制和其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VDDRST/VPD(9脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期，即24个时钟振荡周期的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是VPD,即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障降低到低电平规定值时，将5V电源接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，以使电源正常后能继续正常运。,ALE/

12、PROG（30脚）：ALE是地址锁存允许信号端。当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fosc的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。在CPU访问片外数据存储器时，会丢失一个脉冲。平时不访问外存储器时，ALE端也可1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE也可以用作对外输出时钟或定时信号。如果你想看一下8051芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有，则8051基本上是好的。ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL。此引脚的第二功能PROG是对片内带有4KEPROM的8751固化程序时，作为编程脉冲

13、输入端。,PSEN（29脚）：外部程序存储器的读选通信号。在访问片外程序存储器时，此端口定时输出脉冲作为读片外程序存储器的选通信号。CPU在外部EPROM取指区间，PSEN信号在每个机器周期中有两次有效。PSEN端可驱动8个LS型TTL。要检查一个8051小系统上电后CPU能否正确到EPROM中读取指令码，也可用示波器看PSEN端无脉冲输出，如有，说明基本上正常工作。,EA/VDD（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端。当引脚接高电平时，CPU访问片内程序存储器并执行内部程序存储器中的指令，但在程序计数器PC的值超过OFFFH时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序。当引脚接低电平时，CPU

14、只访问外部程序存储器并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内ROM的8031，必须外扩EPROM，此时必须将EA引脚接地。此引脚的第二功能Vpp是对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压输入端。,4.输入/输出引脚P0.0P0.7、P1.0P1.7、P2.0P2.7和P3.0P3.7,P0.0P0.7（3932脚）：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器（地址80H）写入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1，这就是

15、准双向的含义。在CPU访问片外存储器时，P0口是分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。在此区间，P0口内部上拉电阻有效。,P1.0P1.7（1脚8脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P1口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。在P1口锁存器（地址90H）写入全1，此时P1口引脚由内部上拉电阻接成高电平。P2.0P2.7（21脚28脚）：P2口是一个带内部上接电阻的8位准双向I/O端口。在访问外部程序存储器时，它送出高8位地址。P2口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。P3.0P3.7（21脚28脚）：P3口是一个带内部上接电阻的8位双向I/O端口。P3口的每一位能驱动4个L

16、S型TTL负载。P3口与其他I/O口有很大区别，它除作为一般双向I/O口外，每个引脚还具有专门的功能。,2.0数制和码制,1.几种常用的数制多位数码中，每位的构成方法以及从低位到高位的进位规则称为数制。一、十进制,数字符号（系数）：09计数规则：逢十进一基数：10权：10的幂,例:,将下列十进制数展开。,（143.75）10=,数码与权的乘积，称为加权系数，如1102。,1102,+4101,+3100,+710-1,+510-2,式中，10称为计数的基数。,102、101、100为整数部分的权，10-1、10-2为小数部分的权，它们都是基数10的幂。,十进制数特点：人们生活中习惯采用的是十进

17、制，若在数字电路中采用十进制，必须要有十个电路状态与十个数码相对应。这样将在技术上带来许多困难，而且很不经济。,二、二进制,数字符号：0、1计数规则：逢二进一基数：2权：2的幂,(11011.01)2=,例:,将下列二进制数展开。,124,+123,+022,+121,+120,+02-1,+12-2,二进制的优点：电路中任何具有的两个不同稳定状态的元件都可用来表示一位二进制数，数码的存储和传输简单、可靠。,二进制的缺点：位数较多，不便于读数；不合人们的习惯，输入时将十进制转换成二进制，运算结果输出时再转换成十进制数。,n个数位，可以计数到2n-1:最大的十进制数=2n-1而n个数位的总计数个

18、数为2n,三、八进制,数字符号：07计数规则：逢八进一基数：8权：8的幂,(437.25)8=,482,+381,+780,+28-1,+58-2,例:,将下列八进制数展开。,四、十六进制,数字符号：09、A、B、C、D、E、F计数规则：逢十六进一基数：16权：16的幂,十六进制的特点：书写程序方便。,例:,将下列十六进制数展开。,(2BC.5E)16=,2162,+11161,+12160,+516-1,+1416-2,常用数制对照表,2.数制间的转换,1、二十：,2、十二,故:,表达式展开法,将（11）10化为二进制数。,除N取余，逆序排列,例：,（1011）2=,+022,+121,+1

19、20,123,11,2,5,余1,2,2,余1,2,余0,=8+0+2+1=（11）10,(11)10=(1011)2,例：,将（1011）2化为十进制数。,(1)整数部分：,1,2,余1,0,乘N取整，顺序排列,小数部分：,解：,(0.75)10=(0.11)2,故:,将（0.75）10化为二进制数。,例：,0.75,2,1.5,1,2,1.0,1,0.5,(157.375)10=(10011101.011)2,将（157.375）10化为二进制数。,例：,解：,除N取余，逆序排列,(1)整数部分：,乘N取整，顺序排列,小数部分：,157,2,78,余1,2,39,余0,2,余1,19,2,

20、9,余1,2,4,余1,2,余0,2,2,余0,1,2,余1,0,0.375,2,0.75,0,2,1.5,2,1.0,1,1,0.5,故:,3、二、八、十六进制间的转换,八进制与二进制之间的转换：,(10011100101101001000.01)2,(010011100101101001000.010)2=,=(2345510.2)8,从小数点开始3位一组,不足补0,不足补0,例：将下列二进制数化为八进制:,解：,例：将(52.43)8化为二进制。,(52.43)8=(101010.100011)2,52.43,从小数点开始每一位当3位,解：,十六进制与二进制之间的转换：,(1001110

21、0101101001000.01)2,(10011100101101001000.0100)2=,=(9CB48.4)16,不足补0,从小数点开始4位一组,例：将下列二进制数化为十六进制:,解：,例：将(8FAC6)16化为二进制。,(8FAC6)16=(10001111101011000110)2,8FAC6,从小数点开始每一位当4位,解：,3.二进制的算术运算,当两个二进制数表示两个数量大小时，就可进行数值运算。基本规则同十进制数，但“逢2进1”。,一、二进制算术运算的特点,两个二进制数1001和0101的算术运算。,例:,1001,0101,1110,1001,0101,0100,100

22、1,0101,1001,0000,1001,0000,0101101,1001,0101,0101,1000,0101,0110,0101,0010,1,.1,1,2、二进制数的反码：,负数的反码除符号位以外，每一位对应求反,1、二进制数的原码：,以最高位为符号位，正数为0，负数为1表示的数码称为原码,二、反码、补码和补码运算,例：写出+89和-89的原码。,解：(+89)反=（01011001）,正数的反码原码,解：,+89=（01011001）,例：写出+89和-89的反码。,-89=（11011001）,(-89)反=（10100110）,写出带符号位二进制数00011010(+26)、10011010(-26)的反码和补码,例：,正数的补码原码,负数的补码原码各数值位求反1而为了从补码回到二进制原码，可以