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单片机原理与应用

精品课程 《 单片机原理与应用 》 教学课件. 单片机原理与应用. 主讲老师： 严 青 九江学院信息科学与技术学院. 主要内容： 典型单片机（ MCS-51, AT89S51, PIC, Motorola, AVR ）的性能， MCS-51 内部结构、特点、工作方式、时序和最小应用系统。为学生后续学习单片机应用系统设计、利用单片机解决工程实际问题打下坚实的基础。 重点 在于基本概念、组成原理、特点及 MCS-51 的最小应用系统， 难点 在于时序、 ISP 下载技术。. 第 1 章 MCS-51 单片机的结构与原理. 预备知识：元器件实物图. 单片机芯片

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单片机原理与应用

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  1. 精品课程《单片机原理与应用》教学课件 单片机原理与应用 主讲老师： 严 青 九江学院信息科学与技术学院

  2. 主要内容： 典型单片机（ MCS-51, AT89S51, PIC, Motorola, AVR ）的性能，MCS-51内部结构、特点、工作方式、时序和最小应用系统。为学生后续学习单片机应用系统设计、利用单片机解决工程实际问题打下坚实的基础。重点在于基本概念、组成原理、特点及MCS-51的最小应用系统，难点在于时序、ISP下载技术。 第1章MCS-51单片机的结构与原理

  3. 预备知识：元器件实物图 单片机芯片 AT89C51 AT89S51 AT89S52 AT89C2051

  4. 通信芯片MAX232CPE 时钟芯片 DS1302

  5. AD变换器0832 EEPROM 24C02 温度传感器18B20 稳压片78L05

  6. 晶 振 电阻和排电阻

  7. 零压力插座 瓷片小电容 万用焊接板 仪器盒

  8. 步进电机

  9. 液晶字符显示屏 液晶图形点阵显示屏

  10. 拨动开关

  11. 红外遥控用 发射接受一体管 继电器

  12. 各类接插件

  13. 超声波发射接受头 遥控组件

  14. 双路遥控组件

  15. 长距离遥控器3000－4000M

  16. 8×8二极管点阵 八段数码管

  17. 超声波发射和接收一体化机

  18. 能汉字显示的显示屏和实时时钟板

  19. 电子万年历

  20. 学生实训成果展示 说明：

  21. 1.1 典型单片机性能概览 典型单片机有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Motorola、AVR等。 MCS-51为主流产品，性能如表1.1.1。 MSP430为低功耗产品，功能较强，性能如表1.1.2。 EM78为低功耗产品，价格较低，性能如表1.1.3。 PIC为低电压、低功耗、大电流LCD驱动、低价格产品，性能如表1.1.4。 Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。性能如表1.1.5。 AVR为高速、低功耗产品，支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。性能如表1.1.6。

  22. 1.2 MCS-51单片机硬件结构及引脚 MCS-51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品8051为核心，增加了一定的功能部件后构成的，因此，本章以8051为主介绍MCS-51系列单片机 。 1.2.1 MCS-51单片机的内部结构 MCS-51单片机的组成：CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储器)、ROM(程序存储器）、I/O口(串口、并口）、内部总线 和中断系统等。组成框图如下：

  23. 内部结构如下：

  24. 1. 中央处理器（CPU） 组成：运算器、控制器。8051的CPU包含以下功能部件： （1）8位CPU。 （2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。 （3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。 （4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。 （5）2个16位可编程定时器/计数器。 （6）32个（4×8位）双向可独立寻址的I/O口。 （7）1个全双工UART（异步串行通信口）。 （8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。 （9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz～12 MHz的时钟频率。 （10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。 （11）111条指令，大部分为单字节指令。 （12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。

  25. （1）运算器 组成：8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、8位暂存寄存器TMP1和TMP2等。 功能：完成算术运算和逻辑运算。 （2）控制器 组成：程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路。 功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。

  26. MCS-51系列单片机配置一览表

  27. 2. 存储器 MCS-51的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又有片内和片外之分。 （1）程序存储器 一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。可寻址空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。 MCS-51单片机按程序存储器可分为内部无ROM型（如8031）和内部有ROM型（如8051）两种，连接时 引脚 有区别。程序存储器结构如右图所示：

  28. （2）数据存储器 一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。 片外RAM： 最大范围：0000H～FFFFH，64KB；用指令MOVX访问。 片内RAM： 最大范围：00H～FFH，256B；用指令MOV访问。又分为两部分：低128B（00～7FH）为真正的RAM区，高128B（80～FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。如右图所示。

  29. 内部RAM的20H～2FH单元为位寻址区，既可作为一般单元用字节寻址，也可对它们的位进行寻址。位地址为00H～7FH。 CPU能直接寻址这些位（称MCS-51具有布尔处理功能），位地址分配如右表所示。

  30. 3．特殊功能寄存器 （SFR） MCS-51有21个特殊功能寄存器（也称为专用寄存器），包括算术运算寄存器、指针寄存器、I/O口锁存器、定时器/计数器、串行口、中断、状态、控制寄存器等，它们被离散地分布在内部RAM的80H～FFH地址单元中（不包括PC） ，共占据了128个存储单元，构成了SFR存储块。其字节地址可被8整除的SFR可位寻址。SFR反映了MCS-51单片机的运行状态。特殊功能寄存器分布如右表所示。

  31. （1）程序计数器PC（Program Counter）程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于SFR存储器块。 PC是一个16位的计数器，专门用于存放CPU将要执行的指令 地址（即下一条指令的地址），寻址范围为64KB，PC有自动 加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过 转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。 （2）累加器A （Accumulator） 累加器A是8位寄存器，又记做ACC，是一个最常用的专用寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。 （3）寄存器B 寄存器B 是8位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也作通用寄存器用。

  32. （4）工作寄存器 内部RAM的工作寄存器区00H～1FH共32个字节被均匀地分成四个组（区），每个组（区）有8个寄存器，分别用R0～R7表示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1还经常用于间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器（PSW）第3、4位设置工作寄存器区。 表2-5 工作寄存器组选择控制表 （5）程序状态字PSW （Program Status Word） 程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其定义格式如下页表所示。

  33. 其中：Cy：进借位标志； AC：辅助进借位标志； F0 ：用户标志； RS1、RS0：工作寄存器组（区）选择（如下表所示）； OV：溢出标志位，有溢出时置1； P：奇偶标志位。A中有奇数个1时置1。

  34. （6）数据指针DPTR（Data Pointer） 数据指针DPTR是16位的专用寄存器，即可作为16位寄存器使用，也可作为两个独立的8位寄存器DPH （高8位） 、DPL （低8位）使用。 DPTR主要用作16位间址寄存器，访问程序存储器和片外数据寄存器。 （7）堆栈指针SP（Stack Pointer） 堆栈是一种数据结构，是内部RAM的一段区域。堆栈存取数据的原则是“后进先出”。堆栈指针SP是一个8位寄存器，用于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。 MCS-51单片机的堆栈地址向大的方向变化（与微机堆栈地址向小的方向变化相反）。系统复位后，SP初值为07H，实际应用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针SP进行初始化，一般设置SP为60H。 设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时断点和现场的保护与恢复。

  35. （8）I/O口专用寄存器（P0, P1, P2, P3） 8051片内有4个8位并行I/O接口P0, P1, P2和P3，在SFR中相应有4个I/O口寄存器P0, P1, P2和P3。 （9）定时器/计数器（TL0, TH0, TL1和TH1） MCS-51单片机中有两个16位的定时器/计数器T0和T1，它们由4个8位寄存器（TL0, TH0, TL1和TH1）组成，2个16位定时器/计数器是完全独立的。可以单独对这4个寄存器进行寻址，但不能把T0和T1当做16位寄存器来使用。 （10）串行数据缓冲器（SBUF） 串行数据缓冲器SBUF用于存放需要发送和接收的数据，它由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器SBUF进行的。 （11）其他控制寄存器 除上述外，还有IP, IE, TCON, SCON和PCON等几个寄存器，主要用于中断、定时和串行口的控制，

  36. 4．I/O接口 I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力。 8051内部有4个8位并行接口P0, P1, P2, P3，有1个全双工的可编程串行I/O接口。 5．定时器/计数器 8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器，均为二进制加1计数器，分别命名为T0和T1。 T0和T1均有定时器和计数器两种工作模式。在定时器模式下，T0和T1的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经12分频后提供。在计数器模式下，T0和T1的计数脉冲可以从P3.4和P3.5引脚上输入。对T0和T1的控制由定时器方式选择寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON完成。

  37. 6．中断系统 中断：指CPU暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执行中断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。 中断系统：指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。 中断源：指能产生中断请求信号的源泉。 8051可处理5个中断源（2个外部，3个内部）发出的中断请求，并可对其进行优先权处理。外部中断的请求信号可以从P3.2, P3.3（即 和 ）引脚上输入，有电平或边沿两种触发方式；内部中断源有3个，2个定时器/计数器中断源和1个串行口中断源。 8051的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级控制器IP等电路组成。

  38. 1.2.2 MCS-51单片机外部引脚 MCS-51系列单片机中，各类单片机都是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。8051单片机有40个引脚，分为端口线、电源线和控制线三类。 1．电源线 GND：接地引脚。 VCC：正电源引脚。接＋5V电源。 2．端口线 P0～P3口：4×8=32条。 （1）P0口（ P0.0～P0.7 ） 8位双向三态I/O口，可作为外部扩展时的数据总线/低8位地址总线的分时复用口。又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动8个TTL负载。 对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，P0口用于输入/输出数据。

  39. （2）P1口（P1.0～P1.7） 8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为通用I/O口。每个引脚可驱动4个TTL负载。 （3）P2口（P2.0～P2.7） 8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为外部扩展时的高8位地址总线。又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动4个TTL负载。 对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，用来接收高8位地址。 （4）P3口（ P3.0～P3.7 ） 8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻。它是双功能复用口，作为通用I/O口时，功能与P1口相同，常用第二功能。每个引脚可驱动4个TTL负载。作为第二功能使用时，各位的作用如下页表所示。

  40. 3．控制线 （1）RST/VPD RST/VPD引脚是复位信号/备用电源线引脚。当8051通电时，在RST引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。

  41. （2）ALE/ 地址锁存允许/编程引脚。当访问外部程序存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节，以便P0口实现地址/数据复用。当不访问外部程序存储器时，ALE端将输出一个1/6时钟频率的正脉冲信号。 ALE/ 是复用引脚，其第二功能是对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，此引脚传送52ms宽的负脉冲选通信号，程序计数器PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令码放到P0口上，由CPU读入并执行。 （3） /VPP 允许访问片外程序存储器/编程电源引脚。对于片内无程序存储器的MCS-51单片机（如8031）， 必须接地。片内有程序存储器的MCS-51单片机（如8051）， 必须接高电平。 /VPP是复用引脚，其第二功能是片内EPROM编程/校验时的电源线，在编程时，VPP脚需加上21V的编程电压。

  42. （4）XTAL1和XTAL2 XTAL1脚为片内振荡电路的输入端，XTAL2脚为片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在XTAL1和XTAL2脚外接石英晶体（频率为1.2～12MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般取10～30pF，典型值为30pF；另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入，如下图所示。 （5） 片外ROM选通线。在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在 引脚产生一个负脉冲，用于对片外ROM的选通。其他情况下，该引脚均为高电平封锁状态。

  43. 1.2.3 当前主流的AT89S51单片机简介 AT89S51是什么?书上和网络教程上可都是8031、8051，89C51等 ！没听说过有 89S51啊？这里，初学者要澄清单片机实际使用方面的一个产品概念，MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有 8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在， MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S51、已经停产的89C51等），各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。

  44. 89S51相对于89C51增加的新功能包括：-- 新增加很多功能，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比89C51更低！-- ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。-- 工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率只有24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。-- 具有双工UART串行通道。-- 内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。-- 全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。-- 兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。 的

  45. 比较结果：就如同INTEL的P3向P4升级一样，虽然都可以跑Windows XP，不过速度是不同的。从AT89C51升级到AT89S51 ,也是同理。和S51比起来，C51就要逊色多了，实际应用市场方面技术的进步是永远向前的。目前市场上不少的单片机具有ISP功能。 ATMEL公司最近新推出的AT89SXX系列单片机也提供了一个SPI串行接口,让用户能对内部程序存储器编程（ISP）。 什么是 ISP ? ISP（In-System Programming）在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码， 而不需要从电路板上取下器件， 已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。ISP技术是未来发展方向。

  46. 有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而以。同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如ATMEL的89C51（已经停产）、89S51， PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（华邦）等，我们常说的已经停产的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取带了原来的ROM（一次性写入)，AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。

  47. 不过在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。89S51就是在这样的背景下取代89C51的，现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51，将用AT89S51代替。89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX可以向下兼容89CXX等51系列芯片。同时，Atmel不再接受89CXX的定单，大家在市场上见到的89C51实际都是Atmel前期生产的巨量库存而以。同学们注意：在指令系统和外部引脚上，8031、8751、89C51、AT89s51都是完全向下兼容的！不过在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。89S51就是在这样的背景下取代89C51的，现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51，将用AT89S51代替。89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX可以向下兼容89CXX等51系列芯片。同时，Atmel不再接受89CXX的定单，大家在市场上见到的89C51实际都是Atmel前期生产的巨量库存而以。同学们注意：在指令系统和外部引脚上，8031、8751、89C51、AT89s51都是完全向下兼容的！

  48. 学会阅读AT89S51的说明书 请大家登录网站www.zymcu.com,找到AT89s51_中文.dpf,这就是AT89S51说明书，现在我带着大家一起来看，学会如何在网上查找和阅读资料。 （第一次课完）

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