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单片机原理与应用

单片机原理与应用. 第二章 单片机的硬件结构. 自 1971 年微型计算机问世以来，由于实际应用的需要，微型计算机向两个不同的应用方向发展： 高速度、大容量、高性能的 高档计算机 稳定可靠、体积小、价格低的 单片机. §2.1 单片机的概念. 一、单片机的硬件系统 ： 1 、微机系统基本组成： 运算器、控制器、 存储器、 输入设备、输出设备 （ CPU ） RAM+ROM （ I / O ） 2 、单片机的硬件组成 把组成微型计算机的各功能部件： CPU 、 RAM 、 ROM 、 中断

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单片机原理与应用

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  1. 单片机原理与应用 第二章 单片机的硬件结构

  2. 自1971年微型计算机问世以来，由于实际应用的需要，微型计算机向两个不同的应用方向发展：自1971年微型计算机问世以来，由于实际应用的需要，微型计算机向两个不同的应用方向发展： 高速度、大容量、高性能的高档计算机 稳定可靠、体积小、价格低的单片机 yjia@zjip.com

  3. §2.1 单片机的概念 • 一、单片机的硬件系统： 1、微机系统基本组成： 运算器、控制器、 存储器、 输入设备、输出设备 （CPU） RAM+ROM （I / O） 2、单片机的硬件组成 把组成微型计算机的各功能部件：CPU、RAM、ROM、中断 系统、T/C以及I/O等主要微型机部件，集成在一块芯片上。 yjia@zjip.com

  4. §2.1 单片机的概念 一、单片机的硬件系统 • 二、单片机的软件系统 1、在单片机系统中，使用机器语言 2、在单片机开发时，使用机器语言、汇编语言、 高级语言（如C-51、MBISIC-51等） yjia@zjip.com

  5. §2.1 单片机的概念 一、单片机的硬件系统 二、单片机的软件系统 • 三、单片机的名称 1、单片机是单片微型计算机的简称。 2、单片机主要应用于控制领域，它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又称为微控制器（Micro Controller Unit MCU）。 3、由于单片机在应用时通常是被控系统的核心并融入其中，即以嵌入的方式工作，为了强调其“嵌入”的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器。 yjia@zjip.com

  6. §2.1 单片机的概念 • 四、单片机的发展 第一阶段（1971～1974年）：单片机出现。 第二阶段（1974～1978年）：初级单片机阶段。MCS-48系列 第三阶段（1978～1983年）：高性能单片机阶段。MCS-51系列 第四阶段（1983年～现在）：8位单片机巩固发展及16位、32位 单片机推出阶段。 *单片机的发展朝多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗方向发展。 yjia@zjip.com

  7. §2.1 单片机的概念 四、单片机的发展 • 五、单片机的主流系列 1、MC6800系列：Motorola公司产品，8位的CPU，典型产品如MC68HC05芯片。含模拟比较器，可编程的Watchdog等。 2、Z-8系列：Zilog公司的产品8位CPU，OTP型，低价格。 3、INTEL MCS-51系列：8位的CPU，含布尔处理机，典型产品如8051芯片。 yjia@zjip.com

  8. §2.1 单片机的概念 四、单片机的发展 • 五、单片机的主流系列 4、 PHILIPS-51系列：除含MCS-51功能外，增加多种外部接口功能，如Watchdog、ADC、高速I/O等 5、ATMEL-51系列：除含MCS-51功能外，内有FLASH-ROM。典型产品如89C51芯片。 6、华邦-W78C51系列：除含MCS-51功能外，内有FLASH-ROM，容量大。典型产品如W78C51芯片。 7、PIC16系列：Microchip公司产品，8位CPU，精简指令系统，Watchdog等功能。典型产品如PIC16C64芯片。 yjia@zjip.com

  9. §2.1 单片机的概念 四、单片机的发展 • 五、单片机的主流系列 除PHILIPS-51系列、 ATMEL-51系列、华邦-W78C51系列外，以MCS-51为内核的其它高性能单片机层出不穷，以MCS-51为内核的单片机仍是当今主流之一。 yjia@zjip.com

  10. §2.1 单片机的概念 六、51单片机的分类 分为51子系列和52子系列 • 1、51子系列的四种芯片（以片内ROM形式分） 8031：无ROM 8051：掩膜ROM 8751：EPROM，紫外线可擦除ROM 8951：EEPROM，电可擦除ROM yjia@zjip.com

  11. 资源配置 子系列 片内ROM形式 片内ROM容量 片内RAM容量 定时器/计数器 中断源 无 ROM EPROM E2PROM 51 子系列 8031 8051 8751 8951 4KB 128B 2×16 5 52 子系列 8032 8052 8752 8952 8KB 256B 3×16 6 六、51单片机的分类 1、51子系列的四种芯片 • 2、51子系列和52子系列的性能比较 yjia@zjip.com

  12. 六、51单片机的分类 1、51子系列的四种芯片 • 2、51子系列和52子系列的性能比较 （1）型号比较：末尾数字“1”→“2”，即8032、8052…… （2）51子系列 与 52子系列 的资源配置比较 4KB ROM→8KB ROM 128B RAM →256B RAM 2个 T/C → 3 T/C：定时器/计数器 5个中断 → 6个中断 yjia@zjip.com

  13. 六、51单片机的分类 1、51子系列的四种芯片 2、51子系列和52子系列的性能比较 • 3、51单片机的制造工艺 （1）HMOS：高密度短沟道MOS工艺，具有高速、高密度的特点。 （2）CHMOS：CMOS和HMOS的结合，高速、高密度和低功耗的特点。 * 型号上的差别：80CXX，如80C31、80C51、87C51、 89C51 * CHMOS单片机增加功能：待机方式、掉电方式 yjia@zjip.com

  14. §2.2 80C51单片机的内部结构和信号引脚 • 一、80C51的内部结构 1、8位CPU 2、内部RAM256字节，供用户使用的是前128字节 3、内部ROM4K字节 4、2个16位的加法计数结构的计数器 5、并行I/O口四个 6、一个全双工的串行口 7、5个中断源2级中断优先级的中断控制系统 8、时钟电路、布尔处理机、总线 yjia@zjip.com

  15. §2.2 80C51单片机的内部结构和信号引脚 一、8051的内部结构 • 二、信号引脚 1、四个并行口（共32脚） P0口：双向口，P0.0~P0.7 P1口：准双向口, P1.0~P1.7 P2口：准双向口, P2.0~P2.7 P3口：准双向口, P3.0~P3.7 2、ALE：地址锁存控制信号 3、 /PSEN：外部程序存储器读选通信号，由芯片本身控制。 yjia@zjip.com

  16. §2.2 MCS-51单片机的内部结构和信号引脚 一、8051的内部结构 • 二、信号引脚 4、/EA：访问程序存储器控制信号，由用户硬件控制 /EA接低电平：表示对ROM的读操作仅限定在外部。 /EA接高电平：表示对ROM的读操作从内部延续到外部。 *注意与/PSEN引脚的不同控制意义 yjia@zjip.com

  17. §2.2 MCS-51单片机的内部结构和信号引脚 一、8051的内部结构 • 二、信号引脚 1、四个并行口（共32脚） 2、ALE：地址锁存控制信号 3、 /PSEN：外部程序存储器读选通信号， 4、/EA：访问程序存储器控制信号 5、RST：复位信号 6、XTAL1、XTAL2：外部晶体振荡器输入引脚 7、Vss和Vcc：地、电源 yjia@zjip.com

  18. 口线 引脚 功能 P3.0 10 RXD(串行输入口) P3.1 11 TXD(串行输出口) P3.2 12 INT0(外部中断0) P3.3 13 INT1(外部中断1) P3.4 14 T0(定时器0外部输入) P3.5 15 T1(定时器1外部输入) P3.6 16 /WR(外部数据存储器写脉冲) P3.7 17 /RD(外部数据存储器读脉冲) §2.2 MCS-51单片机的内部结构和信号引脚 一、8051的内部结构 二、信号引脚 • 三、信号引脚的第二功能 1、P3口的第二功能：除作为一般输入/输出应用外，还有 yjia@zjip.com

  19. §2.2 MCS-51单片机的内部结构和信号引脚 一、8051的内部结构 二、信号引脚 • 三、信号引脚的第二功能 1、P3口的第二功能 2、固化EPROM所需信号 • 固化的意义 • ALE/PROG：地址锁存控制信号/编程脉冲输入 • EA/VPP：访问程序存储器控制信号/编程电压输入 3、备用电源输入 • RST/VPD：复位/备用电源输入 yjia@zjip.com

  20. §2.3 8051单片机的内部存储器 一、内部RAM低128单元（00H~7FH） 1、寄存器区（00H~1FH）：共32个字节，分为四组寄存器组，每组以符号R0~R7表示，通过PSW寄存器的RS1、RS0选择寄存器组0 组 0组 yjia@zjip.com

  21. §2.3 8051单片机的内部存储器 • 一、内部RAM的低128单元（00H~7FH） 1、寄存器区（00H~1FH） 2、位寻址区（20H~2FH） • 有字节地址，又有位地址 字节地址：20H~2FH 位 地 址 ：00H~7FH • 能字节操作，又能位操作 • 是布尔处理机的存储空间 3、用户RAM区（30H~7FH） yjia@zjip.com

  22. 符号 名称 地址 符号 名称 地址 P0* P0锁存器 80H P1* P1锁存器 90H SP 堆栈指针 81H SCON* 串行口控制寄存器 98H DPL 数据指针低位字节 82H SBUF 串行数据缓冲器 99H DPH 数据指针高位字节 83H P2* P2锁存器 A0H PCON 电源控制及波特率选择 87H IE* 中断允许寄存器 A8H TCON* 定时器/计数器控制寄存器 88H P3* P3锁存器 B0H TMOD 定时方式选择寄存器 89H IP* 中断优先级寄存器 B8H TL0 定时器/计数器0低位字节 8AH B* B寄存器 F0H TL1 定时器/计数器1低位字节 8BH PSW* 程序状态寄存器 D0H TH0 定时器/计数器0高位字节 8CH ACC* 累加器 E0H TH1 定时器/计数器1高位字节 8DH §2.3 8051单片机的内部存储器 一、内部RAM的低128单元（00H~7FH） • 二、内部RAM的高128单元（80H~FFH） 离散地分布着一些特殊功能寄存器SFR yjia@zjip.com

  23. §2.3 8051单片机的内部存储器 一、内部RAM的低128单元（00H~7FH） • 二、内部RAM的高128单元（80H~FFH） 1、专用寄存器SFR介绍 （1）PC 程序计数器（Program Counter） • 不占RAM单元，不可寻址 • 16位，PC的内容是将要执行的指令的地址 • 取出一条指令，PC的内容自动加1 （2）A 累加器 Accumulator • 地址：E0H，符号为Acc （3）B 寄存器：用于完成乘除运算 yjia@zjip.com

  24. §2.3 8051单片机的内部存储器 • 二、内部RAM的高128单元（80H~FFH） 1、专用寄存器SFR介绍 （4）PSW: 程序状态字（Program State Word） • 软件控制：F0、F1———— 用户通用标志位 • RS1、RS0 —— 选择寄存器组 • 硬件控制：CY、AC、OV、P CY：算术运算的进借位标志；CY=1，表示有进借位。 AC：辅助进位位；一字节中低四位向高四位的有进借位，AC=1 OV：加减、乘、除运算时溢出标志位；CPU判定条件 P ：奇偶标志位，P=1，表示累加器A中含“1”的个数为奇数个 yjia@zjip.com

  25. 练 习 例1：将数据34H与50H的和传送到A寄存器，问PSW寄存器的P、OV、AC、CY位的状态。 例2：将数据34H与50H的差传送到A寄存器，问PSW寄存器的P、OV、AC、CY位的状态。 yjia@zjip.com

  26. §2.3 8051单片机的内部存储器 一、内部RAM的低128单元（00H~7FH） • 二、内部RAM的高128单元（80H~FFH） 1、专用寄存器SFR介绍 （1）PC 程序计数器（Program Counter） （2）A 累加器 Accumulator （3）B 寄存器：用于完成乘除运算 （4）PSW: 程序状态字（Program State Word） （5）DPTR：16位的寄存器 • 高八位：DPH，地址为83H • 低八位：DPL，地址为82H yjia@zjip.com

  27. §2.3 8051单片机的内部存储器 一、内部RAM的低128单元（00H~7FH） • 二、内部RAM的高128单元（80H~FFH） 1、专用寄存器SFR介绍（PC、A、B、PSW、DPTR） 2、专用寄存器的寻址 • 直接寻址：使用直接地址或寄存器符号 如访问B寄存器，可使用符号B，或其地址F0H • 位寻址：仅限于专用寄存器的地址能被8整除的 （见P22表2.3） yjia@zjip.com

  28. 顶端 SP 栈顶 栈底 §2.3 8051单片机的内部存储器 一、内部RAM的低128单元 二、内部RAM的高128单元 • 三、堆栈及其指示器 堆栈是一种数据结构，就是只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。 1、堆栈有关术语 • 入栈、出栈 • 栈底、栈顶、堆栈指示器SP（栈顶的地址） 2、堆栈的操作规则：后进先出，LIFO 3、堆栈的类型 • 向上生长型：随数据入栈，SP增加 • 向下生长型：随数据入栈，SP减少 yjia@zjip.com

  29. 顶端 SP 栈顶 栈底 §2.3 8051单片机的内部存储器 • 三、堆栈及其指示器 4、堆栈的开辟：内部RAM，或外部RAM。 5、数据入栈、出栈的步骤 向上生长型： 入栈：SP=SP+1，数据写入 出栈：数据从SP单元读出，SP=SP-1 向下生长型： 入栈：SP=SP-1，数据写入 出栈：数据读出，SP=SP+1 6、堆栈的功能和使用 • 功能：保护断点，即PC值 保护现场，即有冲突使用的单元 • 使用：自动方式，如保护断点 指令方式，如保护现场 yjia@zjip.com

  30. §2.3 8051单片机的内部存储器 • 三、堆栈及其指示器 1、堆栈有关术语 2、堆栈的操作规则 3、堆栈的类型 4、数据入栈、出栈的步骤 5、堆栈的开辟 6、堆栈的功能和使用 7、MCS-51单片机的堆栈 • 向上生长型，开辟在内部RAM中 • 复位后：SP=07H • 堆栈的位置是浮动的 yjia@zjip.com

  31. §2.3 8051单片机的内部存储器 一、内部RAM的低128单元 二、内部RAM的高128单元 三、堆栈及其指示器 • 四、内部程序存储器 1、51子系列的ROM配置情况 2、内部ROM的地址： 0000H~0FFFH 3、几个特殊单元 • 0000H：复位后的PC值 • 0003H/0013H：外中断0入口地址/外中断1入口地址 • 000BH/001BH：定时器0入口地址/定时器1入口地址 • 0023H：串行口入口地址 yjia@zjip.com

  32. §2.4 并行I/O结构 • 一、并行口的分工 • P0口：分时送出8位数据和低八位地址、I/O口 • P1口： I/O口 • P2口：高八位地址、I/O口 • P3口：I/O口、第二功能输入 • 二、并行口的负载特性 • P0口：8个TTL负载，双向口 • P1~P3口：4个TTL负载，准双向口 yjia@zjip.com

  33. §2.4 并行I/O结构 • 三、各并行口结构 1、P1口结构 • D触发器功能:在写入脉冲的作用下，Q=D，/Q=/D • MOS管工作特性：当栅极输入高电平时，漏极电位=源极电位=0 当栅极输入低电平时，漏极由电阻拉为高电平。即漏极=/栅极。 • 三态门功能：当控制信号有效时，三态门的输出等于其输入。 yjia@zjip.com

  34. §2.4 并行I/O结构 • 三、各并行口结构 1、P1口结构 • 写功能：在写入脉冲的作用下，/Q=/D，P1.X=/（/Q） =/（/D）=D。 • 读锁存器： （上三态门） 当读锁存器控制信号有效时，三态门的输出(内部总线某位)等于其输入(Q) • 读引脚：（下三态门） 当读引脚控制信号有效时，三态门的输出(内部总线某位)等于其输入(P1.X)。 yjia@zjip.com

  35. §2.4 并行I/O结构 • 三、各并行口结构 2、P2口结构（了解） • 高八位地址输出 在控制信号的作用下，MUX打向“地址”端，地址信号通过非门和MOS管两级反相后输出到引脚P2.X。 • I/O：内部总线上的数据输入/输出 在控制信号的作用下，MUX打向“Q”，同P1口。有“写、读引脚、读锁存器”功能 yjia@zjip.com

  36. §2.4 并行I/O结构 • 三、各并行口结构 3、P3口结构（了解） • 数据输入/输出 输出：“第二功能输出”信号维持1时，在写入脉冲作用下，P3.X=Q=内部总线的数据。 输入：读锁存器，同P1口；读引脚，经两级三态门电路到内部总线 • 第二功能输入、输出 输出：Q维持高电平， P3.X=“第二功能输出” 输入：Q端和“第二功能输出”维持高电平， 在读引脚信号控制下，“第二功能输入可到达内部总线 yjia@zjip.com

  37. §2.4 并行I/O结构 • 三、各并行口结构 4、P0口结构（了解） • 8位数据和低八位地址的输出 “控制”信号=1，MUX打向“地址/数据”端， • I/O口 “控制”信号=1，MUX打向“/Q”端， yjia@zjip.com

  38. §2.5 时钟电路和时序 • 一、时钟电路及时钟信号 1、振荡电路：P30 图2.11 2、时钟电路：P30 图2.12 yjia@zjip.com

  39. §2.5 时钟电路和时序 一、时钟电路及时钟信号 • 二、时序定时单位 1、拍节：P（晶体振荡周期），1P= 2、状态：S（时钟信号周期），1S=2P=2 3、机器周期：1个机器周期=6S=12P 4、指令周期：执行一条指令所需时间 最短指令周期=1个机器周期 最长指令周期=4个机器周期（仅乘除指令） yjia@zjip.com

  40. §2.5 时钟电路和时序 一、时钟电路及时钟信号 二、时序定时单位 • 三、指令分类 1、按指令长度分： 单字节指令：INC A ；04H MUL AB 双字节指令：ADD A,#01H ；24H 01H 三字节指令：MOV 30H,#00H ；75H 30H 00H yjia@zjip.com

  41. §2.5 时钟电路和时序 一、时钟电路及时钟信号 二、时序定时单位 • 三、指令分类 1、按指令长度分： 2、按指令执行时间分： 单机器周期指令：如INC A 双机器周期指令：如ADD A,#01H 四机器周期指令：如MUL AB yjia@zjip.com

  42. §2.5 时钟电路和时序 一、时钟电路及时钟信号 二、时序定时单位 • 三、指令分类 1、按指令长度分： 2、按指令执行时间分： • 综合分类 单字节单机器周期指令：如INC A 双字节单机器周期指令： 单字节双机器周期指令： 双字节双机器周期指令： 三字节双机器周期指令：见指令表，P50 yjia@zjip.com

  43. §2.6 MCS-51单片机的工作方式 • 一、复位方式 1、复位信号的要求：2个机器周期以上的高电平 2、复位后单片机的状态： PC=0000H；SP=07H；PSW=00H P0~P3=FFH；（P38) 3、复位信号的连接：上电复位、按键手动复位 (P39图2.14） yjia@zjip.com

  44. §2.6 MCS-51单片机的工作方式 一、复位方式 • 二、程序执行方式 1、依靠PC自动加一功能，实现程序顺序执行。 2、使用跳转指令，实现程序转移 yjia@zjip.com

  45. §2.6 MCS-51单片机的工作方式 一、复位方式 二、程序执行方式 • 三、HMOS的掉电保护方式 yjia@zjip.com

  46. 位序 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 位符号 SMOD / / / GF1 GF0 PD IDL §2.7 CHMOS单片机的低功耗工作模式 一、CHMOS的低功耗方式 1、进入低功耗方式的控制 PD：掉电方式控制，PD=1，进入掉电方式 IDL：空闲方式控制，IDL=1，进入空闲工作方式 yjia@zjip.com

  47. §2.7 CHMOS单片机的低功耗工作模式 • 一、CHMOS的低功耗方式 1、进入低功耗方式的控制 PCON 空闲方式（IDL=1）： • 晶振仍振荡，但不向CPU提供时钟 • 工作电流降低 • 可用中断或复位唤醒 掉电方式（PD=1） • 晶振停振 • 工作电流大大降低 • 只能复位唤醒 yjia@zjip.com

  48. §2.7 CHMOS单片机的低功耗工作模式 • 一、CHMOS的低功耗方式 1、进入低功耗方式的控制 PCON 2、低功耗方式的电流比较 • 正常运行：约20mA（5V、12MHz） • 待机方式：3.7mA（5V、12MHz） • 掉电方式：50 μA（2V、停振） yjia@zjip.com

  49. 二、低功耗方式的应用 1、降低功耗 • 电池容量：100mA小时（5号电池） • 单片机工作于正常方式，可工作5小时 • 工作于待机方式，可工作约27小时 • 工作于掉电方式，2000小时=83天 2、抗电磁干扰 yjia@zjip.com

  50. 第二章 作业 P43： （一）：3、4 （二）：2、3、4 yjia@zjip.com

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