第2章 单片机技术概述及单片机芯片AT89C51.docx

第2章 单片机技术概述及单片机芯片AT89C512.1 单片机技术概述2.1.1 单片机简介单片机是一种集成电路芯片，采集超大规模集成电路技术把具有数据处理能力（如算数运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微型处理器,随机存取数据存储器（RAM）、只读程序存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O）,可能还包括定时/计数器、串行通信口（SCI）、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转化器及A/D转化器等电路集成到一片芯片上，构成一个最小而又完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效的完成程序设计者事先规定的任务。由此看来，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑（PC）有着本质的区别。单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统，以及其它集成电路应用技术和系统设计所需的理论与技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特性是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式、数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包括可支持开发应用程序的软件资料）及硬件资料。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特性和技术特性是必需的。单片机的应用极为广泛，它涉及智能仪器仪表、工业控制、计算机网络和通信以及医用设备等领域。它以无与伦比的高性能、低价位赢得了广大电子开发者的喜爱。单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想，是控制技术的一次革命，是一个重要的里程碑。2.1.2 单片机发展概况单片机诞生于20世纪70年代。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（Center Processing Unit, CPU）和数据存储器、程序存储器及其I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元、定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM，有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，像Farichild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路才构成完整的计算系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80处理器。1976年Inter公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小、功能全、价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。在MCS-48的带领下，其后，各半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，像Zilog公司的Z8系列。到了20世纪80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，像Inter公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rockwell公司的6501及6502系列等，此外，日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。20世纪80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多，功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机。2.1.3 单片机的分类目前，单片机技术已经十分成熟，单片机产品也种类繁多，性能各异。通常可按照指令集、制造工艺、片内存储器与所能处理的数据宽度等几个方面的差异来对单片机进行分类。1、按指令集分类单片机中的中央处理器是依靠指令来计算和控制整个系统的，中央处理器在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令集，顾名思义就是中央处理器在指令的集合。单片机从指令集的角度可分为CISC(复杂指令集)单片机与RISC(精简指令集)单片机两大类。CISC单片机内部结构是传统的冯.诺依曼（von Neumann architecture）型结构，该结构中数据与指令共同使用同一条总线进行传输。CISC单片机的指令丰富，功能较强。但这类单片机中，指令与数据的传输操作不能同时进行，工作速度将受到一定的限制，而且价格也相对较高。RISC单片机的内部结构是新型的哈佛（Harvard）型结构，即双总线型结构。这种结构的单片机内部，指令总线与数据总线分离，使得指令与数据的传输可以同时进行，从而提高了单片机的运行速度。一般在控制关系比较简单的小型电路中可使用RISC单片机，而在控制关系复杂的环境中应采用CISC单片机。2、按制造工艺分类按芯片的制造工艺，可将单片机分为HMOS工艺和CHOMS工艺两大类。HMOS工艺是指高密度短沟道的MOS（金属氧化物半导体）工艺，采用这种工艺制造出的芯片具有高速度和高密度的特点；CHMOS工艺是指互补金属氧化物的HMOS工艺，采用这种工艺制造出的芯片除了具有HMOS型芯片的特点外，还具有低功耗的特点。通常型号中带有“C”字样的单片机为CHMOS型，其余则为HMOS型。例如8051单片机就是HMOS型，而80C51则是CHMOS型。3、按片内程序存储器分类单片机是通过指令程序来控制各种电路的，这种指令程序存储在程序存储器中。单片机内部的程序存储器称为片内程序存储器，按照片内存储器的结构，可将单片机分为：片内无ROM型、片内带掩膜ROM型、片内EPROM型、片内一次可编程型、片内带Flash型等。下面对该分类中所出现的技术名词进行解释。l ROM是只读存储器的缩写，这种存储器中的内容通过特殊方法写入后就不能随意更新，但可以随时读取，而且断电后ROM中的内容仍然会被保留。l 掩膜是一种半导体制造工艺，一般ROM中的内容是可以通过特殊方法来改变的，而掩膜ROM中的内容则在出厂前写好后就无法改变。l EPROM是可擦写、可编程的只读存储器（Erasable Programmable Read_Only Memory）的缩写，它是一种可以重复利用的ROM。l 一次可编程（One Time Program，OTP），是指仅允许用户完成一次写入操作。l Flash是闪速存储器，简称闪存，是一种可擦写、可编程的ROM。Flash内部包含IOS（一种为国际互联服务的操作系统）及微代码。与EPROM相比，Flash的存储速度更快。4、按所能处理的数据宽度分类按照CPU一次可处理的数据宽度（数据的二进制位数），单片机可分为4位机、8位机、16位机、32位机和64位机。目前应用最广，需求量最大的机型是4位机和8位机。2.1.4 常用单片机简介目前，市场上常见的单片机主要有以下几个系列。如图2-1所示是各类芯片图2-1 各类芯片1、51系列单片机MCS_51系列单片机由Intel公司生产，其中8051是一系列的典型代表。8051单片机推出后，很多公司都购买了它的内核，使得以8051为内核的微控制器系列单片机在全世界的产量最大，应用也最为广泛。有人推测8051可能最终形成世界上的标准MCU芯片。2、AVR系列单片机1997年，ATMEL公司为了充分发挥其Flash的技术优势，推出了全新配置的精简指令集单片机，简称AVR。该系列单片机一进入市场，就以其卓越的性能大受欢迎。3、Motorola单片机Motorola是世界上最大的单片机厂商。与Intel单片机相比，Motorola单片机的高频噪声低，抗干扰能力强，更适合工作在恶劣的环境。4、PIC系列单片机PIC系列单片机Microchip公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好。在一些小型的应用中，比传统的51单片机更加灵活，因而也得到了广泛的应用。5、MDT20XX系列单片机MDT20XX系列是由Micon公司生产的工业级OTP（一次性可编程）单片机，该系列单片机与PIC系列的管脚一致。我国海尔集团的电冰箱控制器、TCL的通信产品就采用这种单片机。6、SX系列单片机SX系列单片机是8位RISC结构的单片机，由Scenix公司推出。SX系列单片机与Intel公司的Pentium 等一起被Electronic Industry Yearbook 1998（电子工业年鉴1998）评选为1998年世界十大处理器。SX系列单片机采用双时钟设置，其指令运行速度可达50/75/100MIPS(MIPS指每秒执行百万条指令)。7、SMC系列单片机EPSON公司生产的SMC系列单片机以低电压、低功耗和内置LCD（液晶显示器）驱动器特点而受到市场的欢迎，其广泛应用于工业控制、医疗设备、家用电器、仪器仪表、通信设备和手持式消费类产品等领域。8、Z8系列单片机Z8系列单片机是Zilog公司的产品，该系列单片机的开发工具价廉物美，价格便宜，主要面向低端应用。通过以上单片机的简介，8051单片机的在应用领域已经很运用的的很广泛，其8051单片机的微控制器比其它的单片机功能强大。其中也包括AT89C51系列的单片机，它可以适用于很多领域的应用。2.1.5 单片机的应用领域目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1、在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 2、在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3、在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4、在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 5、单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6、在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。 7、单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，ABS防抱死系统，制动系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。2.2 8051单片机的组成结构2.2.1 8051单片机的引脚结构常见的8051单片机芯片一般为PDID封装（一种芯片封装模式），这种芯片上共有40个引脚，各个引脚的名称如图2-2所示。图2-2 8051单片机的引脚结构2.2.2 8051单片机的内部结构8051单片机的内部结构包含中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大模块，同时还包含数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，如图2-3所示。图2-3 8051单片机的内部结构1、中央处理器中央处理器是整个8051单片机的核心部件，它是8位数据宽度的处理器，即能够一次处理8位（以下均指二进制位）的数据或代码。中央处理器负责控制、指挥和调度整个单片机系统，使各部分器件协调工作，并完成一些运算功能。在中央处理器内部含有很多寄存器，这些寄存器拥有非常高的读写速度，这些寄存器用于缓存一些状态变量或计算机的中间变量，在寄存器之间的数据传送速度非常快。2、数据存储器8051单片机的内部还有一个容量为256字节的片内数据存储器。其中有128个字节作为特殊功能寄存器，这些寄存器与单片机的各部件直接相关：其余128个字节的空间可用于存放用户数据，或一些计算时的中间变量。当8051单片机的片内数据存储器的容量无法满足开发要求时，还可通过引脚外接容量为64KB的片内数据存储器。3、程序存储器(ROM)8051单片机的芯片内部设置了4KB的片内程序存储器，用于存放指令程序及一些原始数据。与数据存储器相同，8051单片机也可以通过引脚外接片外程序存储器。4、定时/计数器8051单机中有两个16位的可编程定时/计数器，它们可用来实现定时或计数功能。5、并行输入输出（I/O）口8位并行传输是指利用8条线路同时传送每个字节信号的8个二进制位（一个字节等于8个二进制位）。8051单片机中，共有4个8位并行I/O接口，分别是P0口（引脚P0.0P0.7）、P1口（引脚P1.0P1.7）、P2口（引脚P2.0P2.7）、P3口（引脚P3.0P3.7）。这些I/O接口用于单片机与外部电路的数据传送。6、全双工串行口串行输出是指用一条线路逐位的传送每个字节信号的各个二进制位，全双工串行传输是指用两条串行线路来实现同时双向地传输数据，即A向B发送信息的同时，B也可以向A发送信息。8051单片机内置一个全双工串行通讯口，用于与其他设备间的串行数据传送。7、时钟电路8051内置了一个时钟电路，其最高频率可达12MHz。时钟电路用于产生单片机运行所需的脉冲时序。8051单片机的时钟电路正常工作，需要通过引脚外接振荡电容。8051单片机也可以通过引脚直接外接时钟电路。2.3 AT89C51的结构和性能AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域。2.3.1 主要性能参数l 与MCS-51产品指令系统完全兼容l 4KB可反复擦写Flash闪速存储器l 1000次擦写周期l 时钟频率范围：0Hz24MHzl 3级加密程序存储器l 128*8B内部RAMl 32个可编程I/O接口线l 2个16位定时/计数器l 6个中断源l 可编程串行UART通道l 低功耗空闲和掉电模式2.3.2 功能特性概述AT89C51提供以下标准功能：4KB的Flash闪速存储器，128B内部RAM,32个I/O接口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。2.3.3 引脚功能如图2-4所示AT89C51芯片引脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。图2-4 AT89C51芯片引脚图RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.3.4 极限参数l 工作温度：-55+125l 储藏温度：-65+15l 任一引脚对地电压：-1.0V+7.0Vl 最高工作电压：6.6Vl 直流输出电流：15.0mA8255芯片简介8255可编程并行接口芯片有三个输出端口，及A口、B口和C口，对应于引脚PA7PA0、PB7PB0和PC7PC0。其内部还有一个控制寄存器，及控制口。通常A口、B口作为输入输出的数据端口。C口作为控制或状态信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每个端口包含一个4位锁存器。它们分别与端口A/B配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。8255可编程并行接口芯片方式制字格式说明：D7D6D5D4D3D2D1D0 D7：设定工作方式标志，1有效。D6、D5：A口方式选择0 0 -方式00 1-方式11 -方式2D4：A口功能 （1=输入，0=输出）D3：C口高4位功能 （1=输入，0=输出）D2：B口方式选择 （0=方式0，1=方式1）D1：B口功能 （1=输入，0=输出）D0：C口低4位功能 （1=输入，0=输出）8255可编程并行接口芯片工作方式说明：方式0：基本输入/输出方式。适用于三个端口中的任何一个。每一个端口都可以用作输入或输出。输出可被锁存，输入不能锁存。 方式1：选通输入/输出方式。这时A口或B口的8位外设线用作输入或输出，C口的4条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。 方式2：双向总线方式。只有A口具备双向总线方式，8位外设线用作输入或输出，此时C口的5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。