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1、21天学51单片机开发,第一讲：51系列单片机概述,课程安排,了解51系列单片机 介绍51系列单片机的典型引脚结构 介绍51系列单片机的内部结构 中央处理器结构 存储器结构 单片机指令时序 掉电保护 低功耗模式,了解51系列单片机,单片机单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称 1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功。 单片机内部集成如下部件： 中央处理器（Central Processing Unit，CPU） 只读存储器（Read Only Memory，ROM） 随机存取存储器（Random Access Memor

2、y，RAM） 定时器/计数器及I/O（Input/Output）接口等部件。 单片机成为最重要的可编程硬件控制单元,了解51系列单片机,发展历史： 1970年1974年：诞生了第一代4位的单片机。这类单片机已经具有了并行I/O接口，以及一些常用的A/D和D/A等资源。这在当时来说是非常强大的，通过灵活的控制能力，使其应用于电视机、收音机和电子玩具中。 1974年1978年：单片机进入8位时代。这个时期以Intel公司的MCS-48系列单片机最具代表性。此时的单片机内部集成了更为强大的8位CPU内核、多个并行I/O接口、同时增加了定时器/计数器以及小容量的RAM和ROM等。 1978年1983年

3、：Intel公司的MCS-51系列为代表，标志着进入高档8位单片机时代。这个时期的单片机工作频率、硬件资源和RAM/ROM容量等都有极大的突破，创新地加入了串口通信接口以及多级中断处理系统。我们现在所广泛使用的单片机都仍以该内核为基础，因此，也常成为51系列单片机。,了解51系列单片机,随后，单片机市场便进入百花齐放、百家争鸣时代。各个厂商不仅在增强单片机的性能，同时还推出了不同类型的单片机。 PIC系列 AVR系列 ARM系列 C8051F系列 PSoC系列 等等,了解51系列单片机,单片机的应用领域 家电产品，例如在电视、电话、冰箱、空调、洗衣机、家用防盗报警器等。在这里设备中，单片机主要

4、用于功能控制。 随身影音设备，例如MP3、MP4、录音笔等。在这里设备中，单片机用于系统控制和功能管理。 电子玩具，例如各种电动玩具、发声玩具、玩具机器人、遥控电动车、遥控航模等。在这里设备中，单片机实现了核心功能的控制和智能人机接口。 机电一体化设备，例如车床、铣床、数控机床等。在这类设备中，单片机作为机电一体化设备的控制器，可以简化机械产品的结构设计，实现智能的生产和操作控制，并扩展原有设备的功能。 数据通信，例如无线数传、大容量存储设备等。在这类设备中，单片机依靠串口、并口或者高速USB接口等，实现计算机之间、计算机与外围设备之间的控制和数据传输等。 测控设备，例如数据采集系统、示波器、

5、智能仪表等。在这里设备中，依靠单片机强大控制和通信能力，实现测试、测量和控制等功能。,了解51系列单片机,单片机的发展方向 高速。早期的51内核只有几MHz的运行频率，现在各个公司推出的51单片机产品均能够达到几十MHz的运行频率，例如Atmel公司的AT89S系列的单片机最大运行于33MHz，还有其他一些公司的产品也都具有很高的速度。 缩短指令执行周期。早期的51内核指令一般需要14个指令周期来完成，最快的单周期指令也需要6个时钟周期，相当于12个时钟振荡周期。新的增强型51内核大大缩短了指令的执行周期，例如MAXIM的高速单片机每机器周期使用一个时钟，速度是标准8051的33倍。还有其他一

6、些公司也相应提高了指令的执行时间。 低功耗。单片机主要应用于各种嵌入式设备中，这类设备最大的共性便是采用电池供电，需要具有出色的功耗控制。否则，一个产品很快没电了，便毫无使用价值了。现在的单片机功耗都在逐步下降，同时还提供了丰富的低功耗模式可供选择，大大延长了电池的使用时间。 高度集成性。现在的单片机集成了越来越多的功能，例如A/D转换、D/A转换、SPI接口、I2C接口、USART接口、USB接口、CAN接口等等。在有些设计项目中，甚至仅靠一个单片机便可以完成所有的工作，真正实现“单片”的含义。 减小封装尺寸。单片机在提高强度的接口功能的同时，其封装体积也在逐步减少。这样，可以减少电路板的使

7、用面积，使最终产品小型化。目前的手机、笔记本等的日益小型化便是很好的体现。,51系列单片机的典型引脚结构,51系列单片机的典型引脚结构,电源引脚 VCC（Pin40）：正电源引脚。正电源接4.05.0V电压，正常工作电压为+5V。 GND（Pin20）：接地引脚。,51系列单片机的典型引脚结构,时钟引脚 XTAL1（Pin19）：用作片内振荡电路的输入端。 XTAL2（Pin18）：用作片内振荡电路的输出端或者外部时钟源的输入引脚。,51系列单片机的典型引脚结构,P0端口即P0.0P0.7，占据Pin39Pin32共8个引脚。P0端口具有两个功能，既可以用作双向数据总线口，也可以分时复用输出低

8、8位地址总线。,51系列单片机的典型引脚结构,P1端口即P1.0P1.7，占据Pin1Pin8共8个引脚。P1端口一般用做通用I/O端口，是8位准并行的，具备4个TTL负载的驱动能力。P1端口可以用做位处理，既各位都可以单独输出或输入数据。,51系列单片机的典型引脚结构,P2端口即P2.0P2.7，占据Pin21Pin28共8个引脚。P2端口可以用作通用I/O端口，或者在扩展外部存储器时用作高8位地址线。,51系列单片机的典型引脚结构,P3端口即P3.0P3.7，占据Pin10Pin17共8个引脚。P3端口可以用作通用I/O端口，可进行位操作，同时还具有特定的第二功能。,51系列单片机的典型引

9、脚结构,P3端口的第二功能,51系列单片机的典型引脚结构,单片机的复位引脚为RST（Pin9），单片机内部CPU的复位信号便从这里输入。 单片机复位完全通过RST引脚来完成，其基本原理是在单片机的时钟振荡电路启动后，如果RST引脚外加两个机器周期（即24个时钟振荡脉冲）以上的高电平，单片机便实现了复位。,51系列单片机的典型引脚结构,上电复位电路,手动加上电复位电路,51系列单片机的典型引脚结构,ALE引脚（Pin30）具有两种功能，可以作为地址锁存使能端和编程脉冲输入端。下面分别进行介绍。 当作为地址锁存使能端时为ALE。当单片机访问外部程序存储器时，ALE（地址锁存）的负跳变将低8位地址打

10、入锁存。而当访问外部数据存储器时，例如执行MOVX类指令，ALE引脚会跳过一个脉冲。当单片机在非访问内部程序存储器时，ALE引脚将有一个1/6振荡频率的正脉冲信号输出，该信号可以用于外部计数或电路其他部分的时钟信号。 当作为编程脉冲输入端时为，在进行程序下载时使用。,51系列单片机的典型引脚结构,（Pin29）引脚是单片机访问外部程序存储器的读选通信号。当单片机访问外部程序存储器，读取指令码时，该引脚在每个机器周期产生两次有效信号，即该引脚输出两个负脉冲选通信号；在执行片内程序存储器读取指令码以及读写外部数据时，该引脚不产生脉冲信号。,51系列单片机的典型引脚结构,/Vpp引脚（Pin31）具

11、有两种功能，访问内部或外部程序存储器选择信号和提供编程电压。下面分别进行介绍。 当单片机访问内部或者外部程序存储器时，作为选择信号。如果保持为低电平，则单片机从外部程序存储器（0000HFFFFH单元）开始执行；如果保持高电平，则单片机先从片内0000H单元开始，执行内部程序存储器程序，如果外部还有扩展程序存储器，则在执行完内部程序存储器程序后，自动转向外部程序存储器执行程序。 当需要对单片机编程时，该引脚用于输入编程允许电压。,51系列单片机的内部结构,51系列单片机的内部结构,中央处理器（CPU） 程序存储器（ROM） 数据存储器（RAM） 指令寄存器 定时器/计数器 并行输入输出（I/O

12、）口 中断系统 时钟振荡电路 单片机的结构类型,哈佛（Harvard）结构,中央处理器结构,算术逻辑部件（ALU）：直观上相当于一个功能强大的计算器，其是单片机进行算术及逻辑运算的功能部件。 控制器：扮演了一个管理者的角色，用来统一指挥和控制单片机参与工作的各个部件。 通用寄存器 ：51系列单片机具有4组共32个通用寄存器R0R7，在同一时刻只能有一组通用寄存器参与运算。4个通用寄存器区位于单片机片内RAM的00H1FH（共32B）空间，每组共有8个8位的寄存器R0R7。 专用寄存器：在运算时只用于特定的功能，是专门为某些功能部件而设计的。 特殊功能寄存器：简言之就是用于特殊用途的寄存器，一般

13、来说，单片机的各种片上资源如串口、定时器/计数器等都依靠特殊功能寄存器来控制。,存储器结构,片内程序存储器（片内ROM）：4KB，物理地址为0000H0FFFH 片外程序存储器（片外ROM）：64KB，物理地址为0000HFFFFH，其中1000HFFFFH为外部ROM 片内数据存储器（片内RAM）：256B，物理地址为00HFFH 片外数据存储器（片外RAM）：64KB，物理地址为0000HFFFFH,单片机指令时序,拍：拍为振荡脉冲的周期，是51系列单片机中的最小时序单元。在图中，拍用P来表示。如果采用片内时钟模式，拍（P）的周期便是晶振的振荡周期。如果采用片外时钟模式，拍（P）的周期便是

14、外部时钟脉冲的周期。 时钟周期：时钟周期是单片机CPU中最基本的时间单元，在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。振荡脉冲信号（拍）经过二分频后，便可得到单片机的时钟信号。在图中，时钟信号的周期用S来表示。由于是二分频，因此一个时钟周期包含两个拍，分别称为P1和P2。 机器周期：一个机器周期由6个时钟周期（S1S6）构成，也就是12个拍组成。从图中可以看出，这12个拍依次为S1P1、S1P2、S2P1、S6P2。 指令周期：指令周期执行一条指令所需要的时间。不同的指令有不同的指令周期，例如单周期指令执行需要一个机器周期，双周期指令执行需要两个机器周期。,单片机时序的概念,指令执行的时序

15、 -单字节单周期指令的执行时序,单字节单周期指令是指指令的长度为单个字节，执行需要一个机器周期来完成。,指令执行的时序 -双字节单周期指令的执行时序,双字节单周期指令是指指令的长度为两个字节，执行需要一个机器周期来完成。,指令执行的时序 -单字节双周期指令的执行时序,单字节双周期指令是指指令的长度为单个字节，执行需要两个机器周期来完成。,指令执行的时序 -MOVX类指令的执行时序,MOVX类指令比较特殊,指令执行的时序 -访问外部ROM的操作时序,访问外部ROM的操作主要发生在外部扩展单片机ROM的时候。指令的操作时序中便包含了外部ROM存储器的操作。这里涉及的操作包括ALE、P0端口和P2端

16、口。其中，P0端口作为低8位地址，P2端口作为高8位地址。,指令执行的时序 -访问外部RAM的操作时序,访问外部RAM的操作主要发生在外部扩展单片机RAM的时候。指令的操作时序中便包含了外部RAM存储器的操作。这里涉及的操作包括ALE、v、P0端口和P2端口。其中，P0端口作为低8位地址，P2端口作为高8位地址。,掉电保护,掉电保护主要是为了防止电源突然中断时，保存一些重要的数据。当然对于手持式设备来说，掉电保护也可以防止电源电压下降时的数据丢失。 步骤: 当检测到电源电压下降时，触发外部中断或。 在中断服务子程序中将外部RAM中的有用数据送入内部RAM保存，然后对电源控制寄存器PCON进行设置。 切换备用电源。备用电源只为单片机内部RAM和专用寄存器提供维持电流，使这些重要的数据不丢失；而整个外部电路则因为电源的中断而停止工作，时钟电路也停止振荡，CPU也停止工作。 当电源恢复的时候，备用电源还需要继续供电10ms左右，以保证外部电路达到稳定状态。在结束掉电保护状态时，首要的工作是将被保护的数据从内部RAM中恢复出来。,低功耗模式,省电保持模式 当单片机进入省电保持模式时，其内部时钟振荡器停止工作，CPU及其内部所有的功能部件均停止工作。但是，此时片内RAM和全部的特殊功能寄存器的数据将可