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单片机原理及其应用扬州大学1单片机原理接口及其应用(PrincipleandApplicationofSingleChipMicrocomputer)单片机原理及其应用扬州大学2第1章概述第2章MCS-51单片机硬件结构第3章MCS-51寻址方式和指令系统第4章MCS-51汇编程序设计第5章中断系统第6章定时器/计数器及串行口第7章存储器扩展第8章接口电路扩展第9章应用举例单片机原理及其应用扬州大学3计算机组成复习单片机原理及其应用扬州大学4微型计算机结构复习单片机原理及其应用扬州大学5CPU组成复习单片机原理及其应用扬州大学6微机组成复习单片机原理及其应用扬州大学7第2章MCS-51单片机硬件结构2.1MCS-51单片机基本结构2.2MCS-51的引脚功能2.3MCS-51的CPU2.4MCS-51的存储器结构2.5并行I／O口结构2.6时钟电路与时序2.7复位操作与复位电路单片机原理及其应用扬州大学82.1MCS-51单片机基本结构图2-1MCS-51单片机基本结构示意图单片机原理及其应用扬州大学9•8位CPU；•振荡器和时钟电路；•4K／8K字节的程序存储器ROM或EPROM；•128／256字节的数据存储器RAM；•可寻址外部程序存储器和数据存储器各64K字节；•二十多个特殊功能寄存器；•4个并行I／O口•1个全双工串行I／O口；•2／3个16位定时／计数器；•5／6个中断源，有2个优先级，同级中断则按优先顺序查询•具有较强功能的位处理(布尔)能力。MCS-51单片机配置单片机原理及其应用扬州大学10介绍图2-1中的各功能部件：1.CPU（微处理器）：运算器，控制器。含位处理2.数据存储器（RAM）片内为128个字节（52子系列的为256个字节）3.程序存储器（ROM/EPROM）8031:无此部件；8051:4K字节ROM；8751:4K字节EPROM；89C51:4K字节闪存。单片机原理及其应用扬州大学114.中断系统:5个中断源，2级优先级5.定时器/计数器2个16位定时计数器，有四种工作方式6.串行口1个全双工的异步串行口，具有四种工作方式。7.P1口、P2口、P3口、P0口为4个并行8位I/O口。8.特殊功能寄存器（SFR）共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。单片机原理及其应用扬州大学122.2MCS-51的引脚功能40只引脚双列直插封装（DIP）单片机原理及其应用扬州大学1344只引脚方形封装方式（4只引脚没用）单片机原理及其应用扬州大学1440只引脚按功能分为3类：（1）电源及时钟引脚:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。（2）控制引脚：/PSEN、/EA、ALE、RESET（RST）。（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。2.2.1电源及时钟引脚1．电源引脚（1）Vcc（40脚）：+5V电源；（2）Vss（20脚）：接地。单片机原理及其应用扬州大学152．时钟引脚（1）XTAL1（19脚）：接外接晶振引脚。如果采用外接时钟振荡器时，此引脚应接地。（2）XTAL2（18脚）：接外部晶振的另一端。如果采用外接时钟振荡器时，此引脚接收时钟。2.2.2控制引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。(1)RST/VPD(9脚)：复位与备用电源。(2)ALE//PROG（30脚）：第一功能ALE为地址锁存允许。（可驱动8个LS型TTL负载。）/PROG为本引脚的第二功能。为编程脉冲输入端。单片机原理及其应用扬州大学16(3)PSEN（29脚）：读外部程序存储器的选通信号。(可以驱动8个LS型TTL负载。)(4)/EA/VPP(31脚)/EA为内外程序存储器选择控制端。/EA=1，访问片内程序存储器。但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对于8051、8751片内程序存储器的4K字节地址范围）时，将自动转向执行外部程序存储器的程序。/EA=0，单片机只访问外部程序存储器。VPP为本引脚的第二功能。用于施加编程电压（例如+21V或+12V）。对89C51，加在VPP脚的编程电压为+12V或+5V。单片机原理及其应用扬州大学172.2.3I/O口引脚(1)P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。(2)P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。(3)P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。(4)P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。单片机原理及其应用扬州大学18要特别注意准双向口与双向三态口的差别。准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。单片机原理及其应用扬州大学192.3MCS-51的CPU由运算器和控制器所构成2.3.1运算器对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。1．算术逻辑运算单元ALU进行加、减；与、或、异或；循环移位，求补等运算。2．累加器A使用最频繁的寄存器，有时也可写为Acc。A的作用：（1）是ALU单元的输入之一，又是运算结果的存放单元。（2）数据传送大多都通过累加器A。单片机原理及其应用扬州大学203．程序状态字寄存器PSW（1）Cy（PSW.7）：A的高位进位标志。Cy又是位处理机的位累加器。（2）Ac(PSW.6)：A的辅助进位标志位，又称半字节进位标志位。当运算结果从A的D3位产生进位或借位时Ac＝1，否则Ac＝0。常用于BCD码运算调整。（3）F0（PSW.5）：标志位用户软件可使用的一个状态标志位。单片机原理及其应用扬州大学21（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4组工作寄存器区选择控制位。RS1RS0所选的4组寄存器000区（内部RAM地址00H～07H）011区（内部RAM地址08H～0FH）102区（内部RAM地址10H～17H）113区（内部RAM地址18H～1FH）单片机原理及其应用扬州大学22（5）OV（PSW.2）：溢出标志位指示运算是否产生溢出。OV=C7⊕C6各种算术运算指令对该位的影响情况较复杂，将在第3章介绍。（6）PSW.1位:保留位，未用（7）P(PSW.0)：奇偶标志位P=1，A中“1”的个数为奇数P=0，A中“1”的个数为偶数单片机原理及其应用扬州大学232.3.2控制器控制器任务：识别指令，控制各功能部件，协调工作。指令执行过程：从程序存储器取指令送指令寄存器保存指令译码器对指令译码译码结果送控制逻辑电路、定时控制逻辑电路产生各种定时与控制信号，使相应部件执行对应的操作。单片机原理及其应用扬州大学241．程序计数器PC（ProgramCounter）存放下一条将要执行的指令在程序存储器中的地址。PC基本工作方式有以下几种：（1）PC自动加1（2）执行有条件或无条件转移指令时，PC将置入新地址的数值，从而使程序的流向发生变化。单片机原理及其应用扬州大学25（3）在执行子程序调用或中断调用时，完成下列操作：①PC的现行值保护入栈。②将子程序的入口地址或中断向量的地址送入PC。（4）在执行子程序返回或中断返回时，存入堆栈的断点地址进入PC。2．指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路单片机原理及其应用扬州大学262.4MCS-51存储器的结构•存储器的作用：存放程序和数据•存储器按配置方法分：主存(通常称为内存)和外存。单片机系统一般没有使用外存。•存储器分类：RAM和ROMRAM存储器按其制造工艺分：1)双极型RAM：速度快、功耗大、集成度低、价格贵。2)MOS型RAM：集成度高、价格便宜、速度低于双极型(1)静态RAM（6管）RAM。(2)动态RAM（单管）只读存储器ROM1)掩膜只读存储器ROM2)可编程序只读存储器PROM(OTP)3)可擦写的只读存储器EPROM和EEPROM4)可擦写只读存储器FLASHROM单片机原理及其应用扬州大学27哈佛(Harvard)结构：程序与数据存储器空间独立。存储器空间可划分为5类：1.程序存储器8031无内部程序存储器。8051有4KROM,89C51有4kFLASHROM。2.内部数据存储器3.特殊功能寄存器（SFR-SpecialFunctionRegister）4.位地址空间211个可寻址位。5.外部数据存储器片外可扩展64K字节RAM。单片机原理及其应用扬州大学282.4.1程序存储器存放应用程序和表格之类的固定常数。16位地址可寻址64k字节的存储器。分为片内和片外两部分，由/EA引脚上所接的电平确定。程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址5个地址单元具有特殊用途表2-15种中断源的中断入口地址外中断00003H定时器T0000BH外中断10013H定时器T1001BH串行口0023H单片机原理及其应用扬州大学29程序存储器地址空间单片机原理及其应用扬州大学302.4.2内部数据存储器128个字节地址为00H～7FH。00H～1FH：32个单元是4组通用工作寄存器区。20H～2FH：16个单元可进行共128位的位寻址。30H～7FH：用户RAM区，只能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。单片机原理及其应用扬州大学312.4.3特殊功能寄存器（SFR）CPU对各种功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控制方式，共21个,占用空间80H－FFH。表2-2(P21)是SFR的名称及其分布。单片机原理及其应用扬州大学32有的SFR可进行位寻址,其字节地址的末位是0H或8H。单片机原理及其应用扬州大学331．堆栈指针SP指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置。复位后，SP中的内容为07H。（1）保护断点（2）现场保护（3）其它堆栈向上生长。2.数据指针DPTR高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。3.I/O端口P0～P3P0～P3分别为I/O端口P0～P3的锁存器。单片机原理及其应用扬州大学344.寄存器B为执行乘法和除法操作设置的。在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。5.串行数据缓冲器SBUF存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。6.定时器/计数器两个16位定时器/计数器T1和T0，各由两个独立的8位寄存器组成：TH1、TL1、TH0、TL0，只能字节寻址，不能把T1或T0当作一个16位寄存器来寻址访问。单片机原理及其应用扬州大学352.4.4位地址空间51单片机内含布尔处理器，即位处理器。它包含位累加器（Cy)，位寻址寄存器，位寻址I/O口,位寻址内部RAM,位寻址指令系统。211个（128个+83个）寻址位。内部RAM的可寻址位是128个(字节地址20H～2FH)见表2-3（P24）。特殊功能寄存器SFR为83个可寻址位，见表2-4（P24）。单片机原理及其应用扬州大学36表2-3单片机原理及其应用扬州大学37表2-4单片机原理及其应用扬州大学382.4.5外部数据存储器最多可外扩64K字节的RAM或I/O。使用各类存储器，注意几点：(1)地址的重叠性程序存储器（ROM）与数据存储器（RAM）全部64K字节地址空间重叠)。但使用中不会产生地址冲突。（2）程序存储器（ROM）与数据存储器（RAM）在使用上是严格区分的。使用不同的指令。(3)位地址空间共有两个区域。单片机原理及其应用扬州大学39(4)片外数据存储区中，RAM与I/O端口统一编址。所有外围I/O端口的地址均占用RAM地址单元，使用与访问外部数据存储器相同的传送指令。图2-6为各类存储器在存储器空间的位置的总结。单片机原理及其应用扬州大学40单片机原理及其应用扬州大学412.5并行I/O端口4个双向的8位并行I/O端口(Port)，记作P0～P3。端口寄存器位于特殊功能寄存器之列，可位寻址。2.5.1P0端口P0口某一位的电路包括：一个数据输出锁存器；两个三态数据输入缓冲器；一个多路转接开关MUX：P0口既作通用I/O口，又可作为系统的地址/数据线口。数据输出的驱动和控制电