實例解讀51單片機完全學習與應用

Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller

楊欣YangX張延強ZhangY編著萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX主審電子工業出版社2011.21

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第7章解剖單片機2第7章解剖單片機AT89S51單片機的內部結構3

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第7章解剖單片機7.1■

單片機的功耗7.1.1運行功耗4在時鐘頻率較高時，如表中的4.0MHz，單片機運算速度較快，相應的1.25mA工作電流比在時鐘頻率為1.0MHz時的550μA工作電流要高。12MHz下的運行功耗達25mA。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第7章解剖單片機7.1.2I/O口驅動功耗5I/O口都會使能驅動電路去控制功率較大的外設，如蜂鳴器、電機等。根據AT89S51單片機的技術手冊，其I/O口的輸出電流不能超過15mA。所以在談I/O口驅動功耗時，我們更多關注的是外設通過驅動電路所消耗的功率。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第7章解剖單片機7.2■

單片機內部結構7.2.1從I/O口到內部結構6比較一下圖（a）和（b），前者顯示出4根數據線：讀鎖存器、內部總線、寫鎖存器、讀管腳。這4根數據線與單片機內部結構中的總線相連。而后者則用一個雙向箭頭（

）來表示這4根數據線，說明鎖存器與總線之間的關系。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第7章解剖單片機7.2.1從I/O口到內部結構7可把整個P1口都抽象出一個結構框圖，如圖示，其中把8位I/O口的獨立結構抽象到了P1口鎖存器和P1口驅動兩個方框中，這與圖7-1所示的P0、P1、P2、P3口結構是一致的。由于I/O口都是雙向的，所有的數據線都使用雙向箭頭。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第7章解剖單片機7.2.2數據在內部交換8舉例：RAM是單片機的隨機訪問存儲器，用于存儲運行過程中的數據。假設RAM中地址30H上存儲了數據“3CH”，現在單片機執行指令“MOVA,30H”，之后，RAM中地址30H上的數據3CH“跑”到總線上，而累加器A根據指令要求，從總線上接收這個數據，執行完畢后，A=3CH。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第7章解剖單片機7.2.3算術邏輯單元（ALU）9ALU為“進行算術運算和邏輯運算的處理單元”。它能進行加、減法等算術運算，也能做與、或、異或等邏輯運算。ALU就是單片機的“CPU”，ALU的輸入端A和B，它們的數據都來自總線，經過ALU運算后，結果通過R又輸出到總線上。在運算過程中，ALU通過輸出D向程序狀態字PSW輸出狀態，PSW會隨著ALU的運算發生相應的變化。如執行加法指令ADD時，當最高位有進位時，PSW的進位標志C就被置1，這都歸功于ALU通過D向PSW的C位輸出高電平。

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第7章解剖單片機7.3■

單片機的程序存儲器7.3.1整體結構10

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第7章解剖單片機7.3.2程序下載到哪里？11

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX以.HEX為后綴的執行代碼文件可通過下載線下載到單片機中（4.4節）。如果用記事本打開執行代碼文件會得到一串十六進制數，其中包含了每條指令的執行代碼。比如指令“MOVA,#88H”執行代碼為“74”、“88”，其他指令都可從附錄C中找到相應的執行代碼。執行代碼通過下載線下載到了單片機的片內ROM中。因為片內ROM中下載的是程序，所以也稱這個片內ROM為片內程序存儲器。第7章解剖單片機7.3.3片內程序存儲器12

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuXAT89S51單片機的片內程序存儲器容量為4Kbytes，即4×1024=4096bytes。

這4096bytes片內程序存儲器可用地址0000H～0FFFH來指向。在我們通過下載線往單片機下載程序時，執行代碼將從0000H開始，被依次存儲到單片機中。如圖示的執行代碼，存儲到0000H里的是74H，即“01110100”；0001H里的是88H，即“10001000”。按照這種方法直到程序全部下載完畢，根據程序的長短不同，程序存儲器被占用的空間多少也就不同。第7章解剖單片機7.3.4程序計數器PC13

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX程序計數器PC，它用于指示單片機下一條將要執行的代碼的地址。當單片機上電復位時，PC=0000H，即指向程序存儲器中的0000H，單片機就把0000H上的代碼取出執行。之后PC自動增加1，變成0001H，如圖示，接著單片機就執行0001H地址上的代碼。第7章解剖單片機7.3.4程序計數器PC14

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX由于程序計數器PC是個兩個字節（16位）的寄存器，于是受PC的制約，AT89S51單片機最大的尋址范圍是0000H~FFFFH，共64Kbytes。也就是說，除了AT89S51單片機片內的4Kbytes程序存儲器（地址0000H~0FFFH）外，單片機能尋址的外部擴展的程序存儲器空間最大為64Kbytes-4Kbytes=60Kbytes，即地址1000H~FFFFH。第7章解剖單片機7.3.5是片內還是片外程序存儲器?15

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX當

接高電平時，單片機復位時讀取片內程序存儲器中的程序，即從PC=0000H開始，依次讀取0000H～0FFFH上的程序。當PC增加到0FFFH時，PC再增加1等于1000H，單片機將自動轉到片外程序存儲器上執行其中的程序。而當

接低電平時，單片機則完全讀取片外程序存儲器中的程序，即從片外程序存儲器中的0000H開始，依次讀取程序來執行。由于受到程序計數器PC的位數限制，讀取片內或片外程序存儲器的最大地址范圍為0000H～FFFFH。第7章解剖單片機7.4■

單片機的數據存儲器7.4.1片內數據存儲器16

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX單片機的數據存儲器也有片內和片外之分。片內數據存儲器就是單片機中原有的數據存儲器，即片內RAM。片內數據存儲器可分成三個部分：工作寄存器區、位尋址區、開放區。這三個區都可用來保存單片機運行過程所產生的數據。但片內數據存儲器是一個RAM，即隨機訪問存儲器，在掉電后其中的數據將會丟失。第7章解剖單片機7.4.1片內數據存儲器17

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX單片機的128×8-bit的片內數據存儲器只有其中的20H~7FH共96個字節（開放區+位尋址區）給我們使用的，而00H~1FH則是工作寄存器區，一般通過工作寄存器R0~R7來使用。AT89S51單片機最大的數據存儲器（片內＋片外）尋址范圍也為0000H~FFFFH，共64Kbytes的空間。第7章解剖單片機7.4.2工作寄存器區（00H~1FH）18

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX工作寄存器共有8個，分別為R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，前面有許多程序已經涉及工作寄存器。這8個工作寄存器可以用來裝載1個字節長度的數據，在程序中可視為一個變量來使用，常常用來作為計數值、顯示值等。指令“MOVR0,#24H”，把立即數24H裝載到工作寄存器R0中。第7章解剖單片機7.4.2工作寄存器區（00H~1FH）19

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX工作寄存器R0~R7指向片內數據存儲器中的地址，當單片機上電復位時，R0～R7映射片內數據存儲器的00H～07H，即第0組。執行指令“MOVR0,#24H”，立即數24H裝載到R0，實際上被裝載到00H地址空間上。執行“MOVR5,#3FH”，那R5映射的片內數據存儲器05H地址上即被裝載3FH。第7章解剖單片機7.4.2工作寄存器區（00H~1FH）20

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX工作寄存器R0～R7除了映射片內數據存儲器的地址00H～07H外，還可以映射向其余的地址08H～1FH。工作寄存器可用不同組別來稱呼。第7章解剖單片機7.4.2工作寄存器區（00H~1FH）21

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuXAT89551單片機上電復位時工作寄存器默認的組別是第0組，即R0～R7映射00H～07H。如果想改變當前程序使用的工作寄存器組別，可以通過更改程序狀態字PSW中的第3位（RS0）和第4位（RS1）。第7章解剖單片機7.4.3位尋址區（20H~2FH）22

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX片內數據存儲器的20H~2FH（共16個字節）為位尋址區，這16個字節共有16×8=128位的空間可進行位尋址。位尋址的意思是可對某一位單獨進行操作，比如指令SETB可讓位尋址區的任何一位置1，指令CLR可清0位尋址區的任何一位。第7章解剖單片機7.4.3位尋址區（20H~2FH）23

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX在使用位尋址區時，并不是直接操作20H~2FH這16個地址，而是用圖示的映射地址來完成。假如程序中需要把20H上的B0位清0，就需要操作20H上的B0位所映射的地址——00H，于是指令可設計為：“CLR 00H”。再如想把2AH上的B4位置1，指令則為“SETB 54H”。第7章解剖單片機7.4.4開放區（30H~7FH）24

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX片內數據存儲器的地址30H～7FH是開放給用戶使用的空間，用戶可以在這段空間里存儲單片機運行時產生的數據，也可以讀取存儲的數據到工作寄存器、累加器等中。例如以下指令實現將累加器A的數據載入33H上，執行過后（33H）=8FH。第7章解剖單片機7.5■

單片機的特殊功能寄存器7.5.1特殊功能寄存器分布圖25

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuXAT89S51單片機共有26個特殊功能寄存器，位于地址80H～0FFH上。其中有前面使用過的累加器A、程序狀態字PSW、P0～P3口等。第7章解剖單片機7.5.2特殊功能寄存器的功能26

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuXAT89S51單片機多個內部功能模塊如中斷控制、Timer0/1、串行口等都由特殊功能寄存器控制。每個特殊功能寄存器的長度都是1個字節，它們的詳細介紹將在隨后的章節中詳細展開。第7章解剖單片機7.5.3特殊功能寄存器的字節操作27

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX操作特殊功能寄存器寄存器的過程，實際就是控制單片機充分發揮自身功能的過程。例如指令“MOVP1,#00H”，這條指令把立即數00H從P1口送出去。P1也是特殊功能寄存器的一份子，它的地址為90H。所以指令“MOVP1,#00H”就是對特殊功能寄存器的操作，會讓特殊功能寄存器區的（90H）=00H。以上這種操作我們稱為字節操作，因為在執行“MOVP1,#00H”時，P1就像一個符號，實際上立即數是送到P1對應的特殊功能寄存器地址空間上，也就是90H。所以，這和我們往片內數據存儲器的開放區某一個地址裝載1個字節的數據的過程是一樣的。第7章解剖單片機7.5.4特殊功能寄存器的位操作28

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX某些特殊功能寄存器還支持位操作，比較常用的是置1指令“SETB”和清0指令“CLR”。例如指令“CLRP2.0”將P2.0清0。執行這條指令后，只有P2.0=0，之相連的發光二極管點亮。而P2.1～P2.7仍然保持原來的狀態。支持位操作的特殊功能寄存器：P0（P0口鎖存器） P1（P1口鎖存器）P2（P2口鎖存器） P3（P3口鎖存器）ACC（累加器） B（B寄存器）PSW（程序狀態字寄存器） TCON（定時/計數器控制寄存器）SCON（串行口控制寄存器） IE（中斷使能寄存器）IP（中斷優先控制寄存器）第7章解剖單片機7.6■

應用體驗——用取表方式實現流水燈7.6.1取表法29

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX要實現流水燈需要在P2口按圖示依次輸出每一行數據，如果用十六進制表示每一行數據為：FEH、FDH、FBH、F7H、EFH、DFH、BFH、7FH。取表法的思路就是把這些數據預先放在一個數據表中，作為程序的一部分。單片機執行時每次取一個數據從P2口送出，延時后再取下一個數據送出，這樣就可以從發光二極管上看到流水燈的效果了。第7章解剖單片機7.6.1取表法30

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第7章解剖單片機7.6.1取表法31

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第7章解剖單片機7.6.3體驗流水燈3