第1章單片機機基礎知識1.1

了解單片機的概念

1.2MCS-51內核單片機1.3

單片機的存儲器擴展1.4AT89S51單片機最小系統1.5單片機應用系統設計的一般方法1.1單片機的基本概念單片機的概念

將微處理器,一定容量的ROM和RAM以及I/O口,定時器等電路集成在一塊芯片上,構成單片機微型計算機,簡稱單片機1.1.1單片機的發展狀況

1.8051類單片機的發展狀況最早有lntel公司生產，后來主要由Philips、三星、華邦公司生產

2.單片機技術發展特點

①

單片機壽命長；

②

單片機速度越來越快；

③低噪聲和高可靠性技術

3.單片機的發展趨勢1.1.2單片機的應用領域嵌入式應用信息家電智能玩具軍事電子通信設備移動存貯工控設備智能儀表汽車電子網絡設備消費電子軍事國防電子商務網絡工業控制goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum一些典型的系統應用實例家用方面：數字電視、信息家電、智能玩具、手持通訊、存儲設備的核心。家庭智能管理系統社區建筑的水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統，遠程點菜器等。社會發展方面：嵌入式Internet應用信息家電——數字機頂盒汽車電子產品（18個嵌入式控制模塊）——CAN總線網絡VOLVOS80汽車的CAN總線網絡

汽車電子智能玩具與機器人工業方面：機床、冶金、電子、交通、航空航天等行業技術升級的重要基礎；工業控制阿富汗參加反恐作戰的“赫耳墨斯”價值4萬美元，可攜帶2架攝像機，發揮了很好作用。軍事偵察2002年11月28日，以色列一選舉投票點，發生槍擊事件，造成至少7人死亡，數十人受傷。以警方用機器人在檢查一具巴勒斯坦槍手的尸體.反恐防暴微型飛行器---“黑寡婦”空中飛行器機器人技術圖：卡耐基梅隆大學和瑞士EPFL研制的機器人控制器（采用卡西歐PDA和WindowsCE）

基于WinCE的移動機器人平臺基于RTLinux的仿人機器人高48cm

重:6kg

靈活性：20DOF操作系統:RT-Linux

接口形式:USB1.0(12Mbps)響應周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通基于VXworks的火星探路者2004年“勇氣號”再次登陸火星1.1.3單片機的系列產品介紹1．ATMEL類單片機2．Intel單片機3．Motorola單片機4．Microchip單片機5．東芝單片機6．Zilog單片機1.2MCS-51內核單片機單片機的基本組成

表MCS-51系列單片機技術參數表型號片內存儲器（B）定時器并行線程序存儲器數據存儲器8031無1282個16位4х880c31無1282個16位4х880514KROM1282個16位4х880c514KROM1282個16位4х887514KEPROM1282個16位4х887c514KEPROM1282個16位4х88032無2563個16位4х880528KROM2563個16位4х887528KEPROM2563個16位4х88051

單

片

機

內

部

結

構

圖

8051內部CPU由運算器和控制器兩部分組成

1.運算器由ALU、暫存器1、暫存器2、累加器（ACC）、寄存器B、程序狀態字（PSW）、和布爾處理機共同組成。主要任務是完成算術運算、邏輯運算、位運算和數據傳送等操作。

2.控制器包括程序計數器(PC)、PC增1寄存器、指令寄存器(IR)、指令譯碼器(ID)、數據指針(DPTR)、堆棧指針(SP)、緩沖器及定時控制電路等。控制器電路完成指揮控制工作，協調單片機各部分正常工作。1.2.28051單片機的內部結構

1.2.3單片機的外部引腳8051單片機引腳圖DIP引腳圖邏輯符號

8051的40個引腳可分為：1.電源引腳(2根)

VCC(40腳)：電源端，接+5V電源。VSS(20腳)：接地端。2.時鐘引腳(2根)

XTAL1(19腳)：接外部晶振和微調電容的一端。采用外部時鐘電路時，此引腳應接地。XTAL2(18腳)：接外部晶振和微調電容的另一端。使用外部時鐘時，此引腳應接外部時鐘的輸入端；8051單片機正常工作時，該引腳應該有脈沖信號輸出。3.控制引腳(4根)(30腳)：地址鎖存允許信號輸出/編程脈沖輸入引腳。當CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號控制鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實現P0口數據與低位地址的分時復用。

(29腳)：片外ROM讀選通信號端。

(31腳)：外部程序存儲器地址允許輸入端

當EA接高電平時，CPU執行片內ROM指令，但當PC值超過0FFFH時，將自動轉去執行片外ROM指令；當EA接低電平時，CPU只執行片外ROM指令。

RST/VPD(9腳)：復位信號/備用電源輸入引腳。當RST引腳保持兩個機器周期的高電平后，就可以使8051完成復位操作。4.I/O引腳

(1)P0.0～P0.7(39～32腳)：P0口的8位雙向I/O口線。

P0口可作為通用雙向I/O口。在外接數據、程序存儲器時，可作為低8位地址/數據總線復用引腳。

(2)P1.0～P1.7(1～8腳)：P1口的8位準雙向I/O口線。

P1口作為通用的I/O口使用。

(3)P2.0～P2.7(21～28腳)：P2口的8位準雙向I/O口線。

P2口即可作為通用的I/O口使用，也可作為片外存儲器的高8位地址總線，與P0口配合，組成16位片外存儲器單元地址。

(4)P3.0～P3.7(10～17腳)：P3口的8位準雙向I/O口線。

P3口除了作為通用的I/O口使用之外，每個引腳還具有第二功能。

MCS-51單片機程序存儲器和數據存儲器相互獨立，在物理結構上有四個存儲空間：片內程序存儲器、片外程序存儲器、片內數據存儲器、片外數據存儲器。單片機的外部數據存儲器和I/0接口采用統一編址的方式。

1.2.4單片機的存儲器圖1.3存儲器空間分布圖

1、數據存儲器

內部數據存儲器和外部數據存儲器在00H~7F范圍內地址出現了重疊的現象，單片機通過不同的指令格式加以區分。

例如：

MOVA，@R0MOV@R1，A

片外RAM采用MOVX指令，若外部存儲單元的地址為8位，可選擇R0或R1作為間接尋址寄存器。

例如

MOVXA，@R0MOVX@R1，A

若地址為16位，必須選DPTR寄存器地作為間接尋址寄存器。例如：MOVXA，@DPTRMOVX@DPTR，A圖1.4MCS_51單片機內部數據儲存器配置2.內部RAM

內部RAM共128個單元，可分為工作寄存器區、位尋址區和數據緩沖區。

(１)工作寄存器區（00H-1FH）該區的32個單元被均勻地分為四組，每組包含八個8位寄存器，均以R0—R7來命名，稱為通用寄存器。CPU當前所使用的工作寄存器區是由程序狀態字PSW中的D3（RS0）和D4(RS1)位來選擇的。通過修改PSW中的RS0和RS這兩位，就可選擇任一組工作寄存器，這有利于提高CPU的效率和響應中斷的速度

(2)位尋址區（20H-2FH）片內RAM的20H—2FH單元為位尋址區，它們既可作為一般單元用字節尋址，也可以對其中的某位進行尋址。表1-2內部RAM位尋址區地址表

(3)堆棧和數據緩沖區（30H-7FH）

該區用于存放用戶的數據，對這部分區域的使用不作任何規定和限制，堆棧一般開辟在這個區域。3、特殊功能寄存器

MCS-51單片機把CPU中的專用寄存器、I/O鎖存器、中斷、串行口與定時/計數器內的各種控制寄存器和狀態寄存器都作為特殊功能寄存器，它們離散地分布在地址80H-OFFH的范圍內，該范圍稱為特殊功能寄存器區。MCS-51單片機有21個特殊功能寄存器，它們只能通過直接尋址的方式進行訪問。符號名稱地址*ACC*PSW*BSPDPTR*P1*P0*P3*P2*IE*IP*TCONTMODTL0TH0TH1TL1SBUF*SCONPCON累加器B寄存器程序狀態字棧指針數據指針（包括指針高8位DPH和低8位DPL）P0口鎖存寄存器P1口鎖存寄存器P2口鎖存寄存器P3口鎖存寄存器中斷優先級控制寄存器中斷允許控制寄存器定時器/計數器工作方式寄存器定時器/計數器控制寄存器定時器/計數器0（高字節）定時器/計數器0（低字節）定時器/計數器1（高字節）定時器/計數器1（低字節）串行口控制寄存器串行數據緩沖器電源控制及波特率選擇寄存器80H90HA0HB0H87HB8HA8H89H88H8CH8AH8DH8BH98H99H寄存器符號地址寄存器名稱寄存器符號地址寄存器名稱·ACCE0H累加器·P3B0HI/O口3·BF0HB寄存器PCON87H電源控制及波特率選擇寄存器·PSWD0H程序狀態字·SCON98H串行口控制寄存器SP81H堆棧指示器SBUF99H串行口數據緩沖寄存器DPL82H數據指針低八位·TCON88H定時器控制寄存器DPH83H數據指針高八位TMOD89H定時器方式選擇寄存器·IEA8H中斷允許控制寄存器TL08AH定時器0低8位·IPB8H中斷優先控制寄存器TL18BH定時器1低8位·P080HI/O口0TH08CH定時器0高8位·P190HI/O口1TH18DH定時器1高8位·P2A0HI/O口2表1-4特殊寄存器表部分特殊功能寄存器

累加器（ACC）

8位寄存器，也是CPU中使用最頻繁的寄存器。寄存器B

是一個是專門為乘除指令而設計的8位的寄存器。在進行乘法運算時，寄存器B用來存放一個乘數，并且存放積的高8位；在除法運算時，寄存器B用程序狀態字（PSW）是一個8位的寄存器，用來存放程序運行中的各種狀態信息。

位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H位標志CyACF0RS1RS0OV—P表1-5PSW中各位的定義

Cy進位標志位，同時也是布爾處理機的位累加器C。

AC

輔助進位標志位，又叫半進位標志位。該位常用于調整BCD碼的運算結果。

F0

用戶標識位，用于控制程序的轉向。

RS1、RS0工作寄存器組的選擇位。

OV

溢出標志位。RS1RS0寄存器組片內RAM的地址00000H—07H01108H—0FH10210H—17H11318H—1FH表1-5PSW中各位的定義

PSW.1

位

系統保留位。

P奇偶標志位。程序計數器PC是一個16位的計數器，是程序存儲器的字節地址計數器，它里面存放著將要執行的下一條指令的地址，尋址范圍為64K字節。數據指針寄存器DPTR

是16位地址指針，在訪問外部存儲器時，用來存放外部存儲器的地址。堆棧指針寄存器SP

8位的指針寄存器，當系統復位后，SP的內容為07H,用戶可根據自己的需要重新設置SP的值。P0-P3四個8位特殊功能寄存器，分別是四個并行I/O端口的鎖存器。4.程序存儲器

程序存儲器用于存放表格常數和程序，8051單片機內部有4K字節ROM,片外可擴展64K字節的ROM，二者統一編址。腳決定片內外ROM的讀取方式片外ROM和片外RAM的地址出現了重疊，可使用相應的指令進行區分。程序存儲器中某些單元保留給系統使用，用來存放引導程序和各個中斷源的入口地址。

表1-7MCS-51單片機復位入口和中斷入口

1.時鐘電路MCS-51單片機的時鐘有兩種方式，內部振蕩方式:

利用單片機內部的振蕩電路,產生時鐘信號，這種方式單片機的時鐘引腳上接石英晶體和振蕩電容；外部時鐘方式:

外部已有的時鐘信號引入單片機。1.2.4單片機的時鐘電路和時序

內部和外部振蕩方式

①節拍、狀態一個時鐘周期定義為一個節拍（用P表示），二個節拍定義為一個狀態周期（用S表示），這兩個節拍中的前一拍稱為P1，后一拍為P2。②時鐘周期也稱為振蕩周期，定義為時鐘脈沖的倒數，它是計算機中最基本的、最小的時間單位。時鐘周期就是單片機外接晶振的倒數，例如12M的晶振，它的時間周期就是1/12us。2.CPU的時序

③機器周期

CPU訪問存儲器一次所需的時間。例如，取指令、讀存儲器、寫存儲器等等。51系列單片機的一個機器周期同6個狀態周期組成，也就是說一個機器周期等于6個狀態周期，即12個時鐘周期。④指令周期

執行一條指令所需要的時間，一般由若干個機器周期組成。指令不同，所需的機器周期數也不同，有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。1.2.5單片機的復位和復位電路

51單片機一塊芯片就是一個完整的最小微機系統，但片內存儲器的容量、并行I/O端口、定時器等內部資源都還是有限的。可以根據實際需要，對其進行功能擴展，它包括數據存儲器和程序存儲器等的擴展。系統的擴展是通過總線把單片機和擴展部分連接起來。根據總線傳送的信息可分為數據總線（DB）、地址總線(AB)和控制總線(CB)。1.3存儲器擴展單片機擴展總線的構造

1.數據總線D0～D7

數據總線的寬度為8位，由P0口提供。

2.地址總線A0～A158051單片機的地址總線寬度為16位，P0提供低8位地址，P2提供高8位地址。可尋址范圍64KB,。由于P0即作低8位地址線，又作數據線，所以它是分時復用的引腳，使用時需要加一個8位鎖存器，如74LS373。

3.控制總線

P3提供的讀信號、寫信號,加上控制線、ALE和等信號組成控制總線，其中讀和寫作為擴展數據存儲器讀、寫選通信號；信號作為片內、外ROM的選擇控制信號；ALE信號作為地址鎖存器的選通信號，以實現對低8位地址的鎖存；號作為擴展程序存儲器ROM的讀選通信號。單片機擴展總線的構造如圖

圖1.11MCS_51單片機內部數據儲存器配置

89S51單片機內部有4KBFlashROM，當程序大于4KB時，就需要擴展程序存儲器。1.常用程序存儲器芯片

程序存儲器有有許多種，比如ROM(只讀存儲器)、PROM(可編程ROM)、EPROM(可擦除可編程ROM)、EEPROM(電可擦除可編程)和FlashROM(閃存存儲器)。最常見的芯片是紫外線可擦除的EPROM，主要是Intel公司生產的27XXX系列，如2716（2K×8）、2732（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）、27512（64K×8）等。一、常用程序存儲器芯片

圖1.12常用EPROM芯片的管腳和封裝EPROM各引腳功能如下

①A0～A15:地址輸入線，引腳的數目隨芯片的容量有所不同。②D0～D7:雙向三態數據總線，讀或編程校驗時為數據輸出線，編程時為數據輸入線。其余時間呈高阻狀態。③:片選信號，低電平表示該芯片被選中。

④:讀出選通線，低電平輸出緩沖器打開，數據輸出。

⑤:編程脈沖輸入線。正常工作時接+5V電源，編程時輸入編程脈沖。

⑥VPP:編程電源輸入線，正常工作時接+5V電源，編程加編程電壓。

⑦VCC:電源線，接+5V電源。

⑧NC：空。

⑨GND：接地。2.程序存儲器擴展舉例圖1.13單片機擴展16K程序存儲器原理圖AT89S51

數據存儲器擴展

圖1.14常用RAM芯片的管腳和封裝

擴展數據存儲器由P2口提供高8位地址，P0口分時用作低8位地址和8位數據總線。片外數據存儲器RAM的讀和寫由(P3.7)和(P3.6)信號控制。一、常用的RAM芯片介紹

①A0～A15：地址輸入線，引腳的數目隨芯片的容量有所不同。

②D0～D7（I/O0～I/O7）：雙向三態數據總線。③：片選線，低電平有效。6264的26腳（CS）必須為高電平，并且為低電平時才選中該芯片。④：讀選通線，低電平有效。⑤：寫選通線，低電平有效。

⑥VCC：電源線，接+5V電源。

⑦NC：空。

⑧GND：接地。二、數據存儲器擴展舉例圖1.15單片機擴展8K數據存儲器原理圖§1.4AT89S51最小系統圖1.16AT89S51單片機的最小系統組成1.5.1