单片机基础知识

第1章单片机基础知识1.1了解单片机的概念1.2MCS-51内核单片机1.3单片机的存储器扩展1.4AT89S51单片机最小系统1.5单片机应用系统设计的一般方法1.1单片机的基本概念什么是单片机？将微处理器CPU、一定容量的ROM和RAM以及I/O口、定时器/计数器、中断系统等电路集成在一块芯片上，构成单片机微型计算机，简称单片机SCM。单片机主要应用于控制领域，用以实现各种测试和控制功能。为了强调其控制属性，单片机又被称为MCU。单片机与单片机系统单片机系统是为了实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。1.1单片机的基本概念发展历程：4位、8位、16位、32位。自单片机诞生以来的近四十年中，单片机已有70多个系列，近500个机种。国际上较有名、影响大的公司及其产品：Intel公司：MCS-48、MCS-51、MCS-96系列；Motorola公司：6801、6802、6803、6805、68HCH系列；Zilog公司：Z8、Super8系列；Fairchild（仙童）公司和Mostek公司的F8、3870系列；NEC公司：μCOM-87系列；Rockwell公司：6500、6501系列ATMEL、PHILIPS、LG、三星、华邦等公司的51兼容机。1.1.1单片机的发展状况1.1.1单片机的发展状况单片机特点集成度高，抗干扰能力较强，可靠性高；体积小、重量轻、低电压、低功耗，便于生产便携式产品；控制功能强，运算速度快；硬件通用化、应用灵活，单片机的系统扩展、系统配置较为典型、规范，易构成各种规模的应用系统；研制周期短；价格便宜。单片机的发展趋势单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展。为满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。1．CPU的改进（1）增加CPU数据总线宽度。例如，各种16位单片机和32位单片机，数据处理能力要优于8位单片机。另外，8位单片机内部采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机。（2）采用双CPU结构，以提高数据处理能力。2．存储器的发展（1）片内程序存储器普遍采用闪烁（Flash）存储器。可不用外扩展程序存储器，简化系统结构。（2）加大存储容量。目前有的单片机片内程序存储器容量可达128KB甚至更多。3．片内I/O的改进（1）增加并行口驱动能力，以减少外部驱动芯片。有的单片机可以直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LED和VFD（荧光显示器）。（2）有些单片机设置了一些特殊的串行I/O功能，为构成分布式、网络化系统提供方便条件。4．低功耗化CMOS化，功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式。消耗电流仅在µA或nA量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。5．外围电路内装化众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化是目前发展趋势之一。例如，美国Cygnal公司的C8051F0208位单片机，内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟周期，峰值处理能力为25MIPS。片上集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测、看门狗、多种类型的串行接口（两个UART、SPI）等。一片芯片就是一个“测控”系统。综上所述，单片机正在向多功能、高性能、高速度（时钟达40MHz）、低电压（2.7V即可工作甚至更低）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据存储器容量不断增大的方向发展。1.1.2单片机的应用智能产品上的应用工业控制的应用家用电器的应用计算机网络和通信领域的应用汽车设备领域中的应用单片机应用领域1.1.3单片机的系列产品介绍ATMEL类单片机Intel单片机Motorola单片机Microchip单片机东芝单片机Zilog单片机1.2MCS-51内核单片机1.2.1单片机基本组成尽管计算机科学技术得到充分发展，但是计算机体系结构仍然没有突破由计算机的开拓者、数学家约翰•冯•诺曼最先提出的经典体系结构框架，即一台计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备五部分构成，单片机系统也不例外。1.2.1单片机基本组成1.中央处理器(CPU)：CPU是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。（1）运算器由ALU、暂存器1、暂存器2、累加器（ACC）、寄存器B、程序状态字（PSW）、和布尔处理机共同组成。主要任务是完成算术运算、逻辑运算、位运算和数据传送等操作。（2）控制器包括程序计数器(PC)、PC增1寄存器、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、数据指针(DPTR)、堆栈指针(SP)、缓冲器及定时控制电路等。控制器电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。2、数据存储器(RAM)：•8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果等。掉电后数据消失。3、程序存储器(ROM)：•8051有4K的8位掩膜ROM，存放用户程序，原始数据或表格。EPROM、EEPROM4、定时/计数器(Timer/Counter）：•8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数,并产生中断用于控制程序转向。5、并行输入输出(I/O)口：•8051共有4组8位并行I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。6、全双工串行口：•8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可用作异步通信收发器，也可以当同步移位寄存器使用。7、中断系统：•8051具有相对完善的中断功能，有2个外中断、2个定时/计数器中断和1个串行中断，可满足不同控制要求，并具有2级的优先级别选择。8、时钟电路：•8051内置频率12MHz时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡器和振荡电容。1.2.1单片机的基本组成MCS-51系列单片机技术参数表型号片内存储器（B）定时器并行线程序存储器数据存储器8031无1282个16位4х880c31无1282个16位4х880514KROM1282个16位4х880c514KROM1282个16位4х887514KEPROM1282个16位4х887c514KEPROM1282个16位4х88032无2563个16位4х880528KROM2563个16位4х887528KEPROM2563个16位4х88051单片机内部结构图RAM地址寄存器寄存器RAM128BRAM程序地址寄存器P0驱动器P2锁存器P2驱动器P1锁存器暂存器2B寄存器4KBROM暂存器1ACCSPP0锁存器PCPC增1缓冲器P3锁存器OSC中断、串行口及定时器PSWALUDPTRP1驱动器P3驱动器XTAL1XTAL2P0.0～P0.7P2.0～P2.7P3.0～P3.7P1.0～P1.7RSTALEVCCVSS定时控制指令译码器指令寄存器PSENEA1.2.2单片机的外部引脚DIP引脚图逻辑符号图2-38051单片机引脚图P1.0XTAL2P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7XTAL1RST/VPDVSSP2.0P0.0P1.1134567821080519111314151617181219204038373635343339313230282726252423292221RXD/P3.0TXD/P3.1T0/P3.4T1/P3.5VCCPSENALE/PROGEA/VPPINT0/P3.2INT1/P3.3WR/P3.6RD/P3.7178051VCCVSSRST/VPDXTAL1XTAL2EA/VPPPSENALE/PROGP3口P2口P1口P0口8051的40个引脚可分为：1.电源引脚(2根)VCC(40脚)：电源端，接+5V电源。VSS(20脚)：接地端。2.时钟引脚(2根)XTAL1(19脚)：接外部晶振和微调电容的一端。采用外部时钟电路时，此引脚应接地。XTAL2(18脚)：接外部晶振和微调电容的另一端。使用外部时钟时，此引脚应接外部时钟的输入端；8051单片机正常工作时，该引脚应该有脉冲信号输出。图2-38051单片机引脚图P1.0XTAL2P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7XTAL1RST/VPDVSSP2.0P0.0P1.1134567821080519111314151617181219204038373635343339313230282726252423292221RXD/P3.0TXD/P3.1T0/P3.4T1/P3.5VCCPSENALE/PROGEA/VPPINT0/P3.2INT1/P3.3WR/P3.6RD/P3.7178051VCCVSSRST/VPDXTAL1XTAL2EA/VPPPSENALE/PROGP3口P2口P1口P0口3.控制引脚(4根)(30脚)：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号控制锁存P0口输出的低8位地址，从而实现P0口数据与低位地址的分时复用。当访问内部程序存储器时，ALE端将输出1/6时钟频率的正脉冲信号。这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可当做一个时钟向外输出，每次有效对应一次读指令操作。PROGALE/3.控制引脚(4根)(29脚)：片外ROM读选通信号端。当访问外部程序存储器时，此引脚输出负脉冲选通信号，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数据放到P0口上，由CPU读入并执行。(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端。当EA接高电平时，CPU执行片内ROM指令，但当PC值超过0FFFH时，将自动转去执行片外ROM指令；当EA接低电平时，CPU只执行片外ROM指令。对8031，此管脚怎么处理？PSENpp/VEARST/VPD(9脚)：复位信号/备用电源输入引脚当此引脚保持2个机器周期（24个时钟周期）的高电平后，就可使8051完成复位操作。复位方式可以是自动复位或手动复位。初始化后，系统所处状态：（1）程序计数器PC指向0000H；（2）P0-P3输出口全部为高电平；（3）堆栈指针SP写入07H，其它专用寄存器被清“0”。注意：初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，RST由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。RST/VPD(9脚)：复位信号/备用电源输入引脚4.I/O引脚(1)P0.0～P0.7(39～32脚)：P0口的8位双向I/O口线。P0口可作为通用双向I/O口。在外接数据、程序存储器时，可作为低8位地址/数据总线复用引脚。(2)P1.0～P1.7(1～8脚)：P1口的8位准双向I/O口线。P1口作为通用的I/O口使用。(3)P2.0～P2.7(21～28脚)：P2口的8位准双向I/O口线。P2口即可作为通用的I/O口使用，也可作为片外存储器的高8位地址总线，与P0口配合，组成16位片外存储器单元地址。(4)P3.0～P3.7(10～17脚)：P3口的8位准双向I/O口线。P3口除了作为通用的I/O口使用之外，每个引脚还具有第二功能。信号引脚的第二功能由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的，而单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远