MCS-51单片机概述1

第1章单片机概述在半导体硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器(RAM、ROM、EPROM)和各种输入、输出接口。20世纪70年代问世。已广泛应用在：工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等方面。1.1什么是单片机可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。具有一台计算机的属性。也称为：•嵌入式控制器EMCU（EmbeddedMicroControllerUnit）。我国，习惯使用“单片机”这一名称。按用途可分为通用型和专用型两大类：（1）通用型•微控制器MCU(MicroControllerUnit)（2）专用型专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大。对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑。“专用”单片机具有十分明显的综合优势。1.2单片机的历史及发展概况四个阶段:第一阶段(1974年～1976年)：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较简单。第二阶段（1976年～1978年）:低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表。第三阶段(1978年～现在)：高性能单片机阶段。Intel公司的MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。第四阶段(1982年～现在)：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。1.38位单片机的主要生产厂家和机型（1）美国Intel公司MCS-51系列及其增强型、扩展型系列。（2）美国ATMEL公司89C51、89C52、89C55、89S52等。（3）荷兰PHILIPS（菲力浦）公司8xC552系列。MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，主流系列,软、硬件设计资料丰富齐全。1.4单片机的发展趋势1.CPU的改进（1）采用双CPU结构，提高处理能力（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。（3）串行总线结构，菲利浦公司的I2C总线（Inter－Icbus）。用两根信号线代替现行的8位数据总线。2．存储器的发展（1）加大存储容量。（2）片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash）存储器（3）程序保密化。3．片内I/O的改进（1）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。（2）增加I/O口的逻辑控制功能。（3）设置了一些特殊的串行接口功能，构成分布式、网络化系统。4．外围电路内装化器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内－－系统的单片化。5．低功耗化CMOS化CHMOS工艺。总之，向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化方向发展。1.5单片机的应用单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。使用温度：民品：0°C—+70°C工业品：-40°C—+85°C军品：-65°C—+125°C。在下述的各个领域广泛的应用：1.工业自动化2.智能仪器仪表3．消费类电子产品4.通讯5．武器装备6．终端及外部设备控制7．多机分布式系统1.6MCS-51系列单片机20世纪80年代后期:Intel公司以专利的形式把8051内核技术转让给厂家。这些厂家生产的兼容单片机，与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺。如：AMTEL、PHILIPS、ANALOGDEVICES、DALLAS公司。不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号。MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：80C51系列：所有具有8051指令系统的单片机（1）基本型典型产品：8031/8051/8751内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。（3）低功耗型典型产品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺适于电池供电或其它要求低功耗的场合。（4）专用型8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZUSR-2100单片机－USB接口。（2）增强型典型产品：8032/8052/8752（5）超8位型典型产品：PHILIPS公司80C552/87C552/83C552系列单片机。将MCS-96系列（16位单片机）I/O部件如：高速输入/输出（HSI/HSO）、A/D转换器、脉冲宽度调制（PWM）、看门狗定时器（WDT）等移植进来构成新一代MCS-51产品。功能介于MCS-51和MCS-96之间。目前已得到了较广泛的使用。（6）片内闪烁存储器型美国ATMEL公司的AT89C51单片机，受到应用设计者的欢迎。MCS-51系列以及80C51系列单片机有多种类型，但掌握好MCS-51的基本型（8031、8051、8751或80C31、80C51、87C51）是十分重要的。它们是具有MCS-51内核的各种型号单片机的基础，也是各种增强型、扩展型等衍生品种的核心。1.7MCS-51的主要性能特点1.内部程序存储器(ROM)容量8051有4k的掩膜ROM，而8052有8k的掩膜ROM，有的型号则配置有EPROM2.内部数据存储器（RAM）容量MCS-51中的-51、-52子系列各位128B和256B（不包括专用寄存器）3.输入/输出口为32根口线4.MCS-51单片机可以对64KB的外部数据存储器寻址。5.MCS-51单片机的程序存储器的内外总寻址空间为64KB，根据型号的不同，外部程序存储器最大寻址范围为64KB、60KB、56KB。6.MCS-51中的51子系列有2个16位定时器/计数器，52子系列有3个16位定时器/计数器。7.MCS-51可以利用两根I/O口线作为全双工的串行口，有4种工作方式，可以通过编程选定。8.MCS-51的内部RAM中开辟了4个通用寄存器区，共32个通用寄存器，可以适应多种中断和子程序嵌套的情况。9.MCS-51有5个中断源（8032/8052为6个），分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的。10.MCS-51的堆栈位置是可编程的，堆栈深度可达128字节。11.MCS-51内部有1个由可直接寻址位组成的布尔处理即位处理机。在指令系统中包含了一个指令子集，专用于对位处理机的各位进行各种位处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题。1.88051的总体结构•在一小块芯片上，集成了一台微计算机的各个部分：1个8位中央处理器；4k只读存储器；128b的读写存储器；32条I/O（输入/输出）口线；2个定时器/计数器；1个具有5个中断源、2个优先级的嵌套中断结构；用于多处理机通信、I/O扩展或全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口；以及一个片内振荡器和时钟电路时钟电路总线控制CPUROM/EPROM/FLASH4K字节RAM128字节SFR21个定时/计数器2个中断系统5中断源、2优先级串行口全双工1个并行口4个RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1P0P1P2P3VCCVSSP3口驱动器P1口驱动器P2口驱动器P0口驱动器RAM地址寄存器ARRAM128字节P0口锁存器P2口锁存器P1口锁存器P3口锁存器堆栈指针SPSCONSBUFPCONTCONTMODTL0TL1TH0TH1IEIPROM4K字节暂存器2ACCBPSWALU暂存器1指令寄存器IR指令译码器ID定时与控制DPHDPLPC增量器程序计数器PC地址寄存器AR缓冲器振荡器RSTEAALEPSENXTAL1XTAL2VSSVCC1.98051的引脚描述•1.主电源引脚Vss和VccVcc（40脚）：电源端，为＋5V。Vss（20脚）：接地端。•2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2时钟电路引脚XTAL1(19脚)：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。时钟电路引脚XTAL2(18脚)：接外部晶体的另一端。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外时钟脉冲，要检查8051的振荡电路是否正确工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。3.控制和其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/~PROG、~PSEN和~EA/VDDRST/VPD(9脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期，即24个时钟振荡周期的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是VPD,即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障降低到低电平规定值时，将＋5V电源接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，以使电源正常后能继续正常运。ALE/~PROG（30脚）：ALE是地址锁存允许信号端。当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fosc的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。在CPU访问片外数据存储器时，会丢失一个脉冲。平时不访问外存储器时，ALE端也可1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE也可以用作对外输出时钟或定时信号。如果你想看一下8051芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有，则8051基本上是好的。ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL。此引脚的第二功能~PROG是对片内带有4KEPROM的8751固化程序时，作为编程脉冲输入端。~PSEN（29脚）：外部程序存储器的读选通信号。在访问片外程序存储器时，此端口定时输出脉冲作为读片外程序存储器的选通信号。CPU在外部EPROM取指区间，PSEN信号在每个机器周期中有两次有效。PSEN端可驱动8个LS型TTL。要检查一个8051小系统上电后CPU能否正确到EPROM中读取指令码，也可用示波器看PSEN端无脉冲输出，如有，说明基本上正常工作。~EA/VDD（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端。当引脚接高电平时，CPU访问片内程序存储器并执行内部程序存储器中的指令，但在程序计数器PC的值超过OFFFH时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序。当引脚接低电平时，CPU只访问外部程序存储器并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内ROM的8031，必须外扩EPROM，此时必须将EA引脚接地。此引脚的第二功能Vpp是对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压输入端。4.输入/输出引脚P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7P0.0～P0.7（39—32脚）：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器（地址80H）写入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1，这就是准双向的含义。在CPU访问片外存储器时，P0口是分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。在此区间，P0口内部上拉电阻有效。•P1.0～P1.7（1脚—8脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P1口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。在P1口锁存器（地址90H）写入全1，此时P1口引脚由内部上拉电阻接成高电平。•P2.0～P2.7（21脚—28脚）：P2口是一个带内部上接电阻的8位准双向I/O端口。在访问外部程序存储器时，它送出高8位地址。P2口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。•P3.0～P3.7（21脚—28脚）：P3口是一个带内部上接电阻的8位双向I/O端口。P3口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。P3口与其他I/O口有很大区别，它除作为一般双向I/O口外，每个引脚还具有专门的功能。2.0数制和码制•1.几种常用的数制多位数码中，每位的构成方法以及从低位到高位的进位规则称为数制。•一、十进制数字符号（系数）：0～9计数规则：逢十进一基数：10权：10的幂例:将下列十进制数展开。（143.75）10=数码与权的乘积，称为加权系数，如1×102。1×102+4×101+3×100+7×10-1+5×1