【大学课件】单片机硬件基础知识P62.ppt

第1章 单片机硬件基础知识,实训任务1 控制发光二极管的亮灭 1.1 单片机概述1.2 MCS51系列单片机的内部结构 1.3 MCS51系列单片机的外部引脚 1.4 MCS51系列单片机的时序与工作方式 1.5 单片机最小系统设计,http:/,实训任务1控制发光二极管的亮灭,实训目的1通过搭建一个单片机最小系统，控制一个LED灯闪烁，了解单片机的基本工作过程。2了解单片机应用系统的基本组成及功能。,图1-1 实训1电路图,汇编语言源程序：,C语言源程序,#include sbit L1=P10;void delay02s(void)/延时0.2秒子程序 unsigned char i,j,k;for(i=20;i0;i-)for(j=20;j0;j-)for(k=248;k0;k-);void main(void)while(1)L1=0;delay02s();L1=1;delay02s();,1.1 单片机概述,什么是单片机？单片机是微型计算机中的一种，是把微型计算机中的中央处理器、存储器、I/O接口、定时器/计数器、串行接口、中断系统等电路集成在一块集成电路芯片上形成的微型计算机。因而被称为单片微型计算机，简称为单片机。内部结构如图1-2所示。,图1-2 单片机内部结构图,单片机应用系统,单片机实质上是一个芯片。在实际应用中，通常很难将单片机直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，构成一个单片机应用系统，以实现一种或多种功能。硬件是应用系统的基础，软件是根据硬件结构来完成相应功能设计。单片机应用系统的组成如图1-3所示。,图1-3 单片机应用系统的组成,单片机的应用,单片机的应用主要在以下领域中：(1)工业控制领域（过程控制，机电一体化控制系统）(2)家用电器领域（洗衣机，空调、微波炉等）(3)办公自动化领域（键盘，打印机，考勤机等）(4)商业营销领域（电子称，收款机，条形码阅读器等）(5)智能仪表与智能传感器（存储，数据处理、查找、判断、联网等智能化功能,表1-1 MCS-51系列单片机主要性能指标,AT89系列单片机的主要型号,AT89S51/AT89S52 是AT89C51/AT89C52的换代产品。完全兼容51系列，4KB/8KB FlashROM，并且可以在线编程，内置看门狗定时器，工作电压为45.5V。AT89LV51/AT89LV52 分别是AT89C51/AT89C52的低电压产品，最低电压可以低至2.7V。AT89C1051/AT89C2051 为低档型低电压产品，只有20条引脚，最低电压也为2.7V。AT89S8252 属高档型，除了8KB Flash存储器外，还含有一个2KB的EEPROM,从而可提高存储容量。,1.2 MCS51系列单片机的内部结构,AT89S51的内部结构框图如图1-4所示。,MCS51系列单片机的基本组成,中央处理器是单片机内部的核心部件，是一个8位二进制数的中央处理单元，主要由运算器、控制器和若干寄存器组成，并且通过内部总线与其他功能部件联接。,MCS51系列单片机内部几个重要寄存器,累加器ACC简称为A，是一个8位的寄存器，用来存放操作数或运算的结果。在MCS-51指令系统中，绝大多数指令都要求累加器A参与处理。寄存器B是专为乘法和除法设置的寄存器，也是8位寄存器。用于存放乘法和除法运算中的操作数和运算结果。,MCS51系列单片机内部几个重要寄存器,状态寄存器PSW是一个8位标志寄存器，用来存放指令执行结果的有关状态。具体如图1-5所示。,图1-5 PSW结构,PSW中各位状态通常是指令执行过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要通过传送指令来改变。PSW各位意义及使用如下：进位标志位Cy：表示累加器A在加减运算过程中其最高位A7有无进位或借位。如果操作结果的最高位产生进位或借位，Cy由硬件置“1”，否则清零。另外，也可以由位运算指令置位或清零。辅助进位标志位AC：表示累加器A在加减运算时低4位(A3)有无向高4位(A4)进位或借位。当低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置“1”，否则清零。用户标志位F0：可由用户设定的一个标志位，根据需要可以用软件来使它置位或清除。,寄存器组选择位RS1、RS0：AT89C51片内共有四组工作寄存器，每组八个，分别命名为R0R7。编程时用于存放数据或地址。但每组工作寄存器在内部RAM中的物理地址不同。RS1和RS0的四种状态组合就是用于选择CPU当前使用的工作寄存器组，从而确定R0R7的实际物理地址。RS1、RS0状态与工作寄存器R0R7的物理地址关系如表1-2所示。,表1-2 RS1、RS0对工作寄存器组的选择,溢出标志位OV：当执行算术指令时，由硬件自动置位或清零，表示累加器A的溢出状态。在4种情况下该位为1:a)带符号数运算结果超过范围(-128+127);b)无符号数运算结果超过范围(255);c)乘法运算中积超过255;d)除法运算中除数为0。判断该位时，通常用运算中次高位向最高位的进(借)位C6和最高位向前的进(借)位C7(也就是CY)的异或来表示OV，即OV=C6C7。奇偶标志位P：用于指示运算结果中1的个数的奇偶性，若累加器A中1的个数为奇数，则P=1；若1的个数为偶数，则P=0。,MCS51系列单片机内部几个重要寄存器,程序计数器PC是专门用于存放将要执行指令的16位地址的。CPU就是根据PC中的地址到ROM中去读取程序指令码和数据，并送给指令寄存器进行分析。PC可寻址64KB范围的ROM。程序计数器PC具有如下特点：1）PC的内容是需要执行的下一条指令所在的地址；2）PC具有自动加1的功能（自动顺序执行程序；3）在程序中用指令改变PC的值，可实现程序的跳转。（PC本身没有地址，因此用户无法对其进行读写）,MCS51系列单片机内部几个重要寄存器,堆栈指针SP 堆栈是一段特殊的存储空间，它只有一个数据进/出端口且按照“先进后出”原则来组织数据。堆栈存储器的底部称为栈底。堆栈的数据入口/出口处称为栈顶，栈顶的地址称为堆栈指针，用堆栈指针(寄存器)SP来存放。SP是一个8位的寄存器，是专门用于寄存堆栈存储器地址的寄存器。,MCS51系列单片机内部几个重要寄存器,数据指针(地址)寄存器DPTR DPTR是一个十六位的专用寄存器，它由两个8位的寄存器DPH（高8位）和DPL（低8位）组成。专门用来寄存片外RAM及扩展I/O口进行数据存取时用的地址。,1.2.3 存储器结构,MCS-51单片机的存储器组织采用哈佛结构，即程序存储器ROM和数据存储器RAM严格分开，独立设置。各有自己的存储空间、寻址机构和寻址方式。程序存储器用来存放用户程序和固定不变的数据表格；数据存储器用作工作区和存放数据。,1.2.3 存储器结构,MCS-51单片机的存储器在物理上分为4个空间，即片内ROM、片外ROM，片内RAM和片外RAM。在逻辑上分为3个空间，即程序存储器（片内、外统一编址，使用MOVC指令访问），片内数据存储器（使用MOV指令访问）和片外数据存储器（使用MOVX指令访问）,1.片内数据存储器的配置,(b)52子系列,(a)51子系列,图1-6 片内数据存储器结构图,1.片内数据存储器的配置,对于普通8051单片机，片内数据存储器RAM空间最大为256B，用于存放程序执行过程的各种变量及临时数据。片内RAM的低128个字节可用直接寻址或间接寻址方式进行访问。分为工作寄存器区、位寻址区、用户区和堆栈区四个区域；片内高128B为特殊功能寄存器区。如图1-6所示。,1.片内数据存储器的配置,(1)工作寄存器区 00H1FH这32个字节单元为工作寄存器区，可以用寄存器寻址方式访问。共有四组工作寄存器，每组八个，命名为R0R7。工作寄存器也称为通用寄存器，用于临时寄存8位信息，编程时用于存放数据或地址。但每组工作寄存器在内部RAM中的物理地址不同。RS1和RS0的四种状态组合就是用来确定四组工作寄存器的实际物理地址的。(2)位寻址区 20H2FH这16个字节单元为位寻址区。它有双重寻址功能，既可以进行位寻址操作，也可以同普通RAM单元一样按字节寻址操作。该区域共有16个字节单元，共128个二进制位。这128位每一位都可以按位寻址，进行位运算。每一位都有一个位地址，位地址范围为00H7FH。,1.片内数据存储器的配置,(3)用户RAM区 8051单片机的30H7FH区间共80个字节单元为普通RAM区。用于存放用户数据，只能按字节存取。另外，对于前两区中未用的单元也可作为用户RAM单元使用。一般应用时，常把堆栈开辟在此区中。对52子系列，用户RAM区除30H7FH范围空间外，还有128B空间，地址范围是80HFFH。但这段区域只能采用间接寻址方式访问，以此来区别同地址空间的特殊功能寄存器区，特殊功能寄存器区只能采用直接寻址方式访问。,1.片内数据存储器的配置,(4)堆栈区 在MCS-51单片机中，堆栈是在片内数据存储器中设置的按先入后出、后入先出的原则进行管理的一段存储区域。堆栈通常用于临时保护数据及子程序调用时保护现场和恢复现场。在具体使用时堆栈应避开工作寄存器、位寻址区，一般设在2FH以后的单元，如工作寄存器和位寻址区未用，也可开辟为堆栈。,1.片内数据存储器的配置,(5)特殊功能寄存器区 在片内RAM的80HFFH这一区间，8051集合了一些特殊用途的寄存器，一般称之为特殊功能寄存器SFR。特殊功能寄存器（SFR）也称专用寄存器，专门用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统等功能模块的工作，用户在编程时可以给其设定值，但不能移作它用。凡是字节地址可被8整除的特殊功能寄存器均可以位寻址。,1.片内数据存储器的配置,(3)用户RAM区 8051单片机的30H7FH区间共80个字节单元为普通RAM区。用于存放用户数据，只能按字节存取。另外，对于前两区中未用的单元也可作为用户RAM单元使用。一般应用时，常把堆栈开辟在此区中。对52子系列，用户RAM区除30H7FH范围空间外，还有128B空间，地址范围是80HFFH。但这段区域只能采用间接寻址方式访问，以此来区别同地址空间的特殊功能寄存器区，特殊功能寄存器区只能采用直接寻址方式访问。,1.片内数据存储器的配置,(4)堆栈区 在MCS-51单片机中，堆栈是在片内数据存储器中设置的按先入后出、后入先出的原则进行管理的一段存储区域。堆栈通常用于临时保护数据及子程序调用时保护现场和恢复现场。在具体使用时堆栈应避开工作寄存器、位寻址区，一般设在2FH以后的单元，如工作寄存器和位寻址区未用，也可开辟为堆栈。,2.片处数据存储器的配置,MCS-51单片机片内有128字节或256字节的数据存储器，当这些数据存储器容量不够时，可进行外部扩展，扩展的外部数据存储器最多可到64KB，地址范围为0000H0FFFFH，通过DPTR作数据指针间接寻址方式访问，对于低地址端的256字节，地址范围为00H0FFH，可通过R0或R1间接寻址方式访问。,3.程序存储器的配置,通常MCS-51单片机的内部都具有4KB的程序存储器，一般是由Rom,EEPROM等组成，AT89S51单片机则采用了FlashRom。当内部有程序存储器时，一般不需外扩容量。8031片内没有程序存储器，使用时必须外部扩展。当用户程序大小超过片内的程序存储器的容量时，也可以通过扩展外部程序存储器的方法来增加容量。程序存储器配置图如图1-7所示。,3.程序存储器的配置,图1-7 程序存储器结构图,MCS-51系列单片机将片内程序存储器和片外程序存储器统一编址，单片机中有专门的程序计数器PC来存放下一条指令的地址，因此容量最多可达64KB，并通过管脚 来区分是片内还片外。,3.程序存储器的配置,在内部程序存储器中，用户在编写程序时要注意，有7个特殊地址有特定用途。0003H002BH有6个中断入口地址。见表1-5所示。,表1-5 中断源入口地址表,1.2.4 并行输入/输出接口,MCS-51系列单片机有4个8位的并行I/O接口，记作P0、P1、P2和P3口。无外部扩展时4个并行接口可用作通用I/O口，且4个口是双向的，既可以作输入，也可以作输出，既可按字节处理，也可按位方式使用。输出时具有锁存能力，输入时具有缓冲功能。当系统有外部扩展时，并行I/O接口用作系统总线。四个并行接口的端口锁存器是特殊功能寄存器中的4个，记作P0、P1、P2和P3。,1.P0口,P0口有八条端口线，命名为P0.0P0.7，其中P0.0为低位，P0.7为高位。P0口每一条口线由一个数据输出锁存器、两个三态数据输入缓冲器、输出驱动电路和控制电路组成。,图1-8 P0口的一位结构图,1.P0口,当控制信号C为低电平时，P0口用作通用I/O口。P0口作为通用I/O口时，在作为输入方式之前,要先向锁存器写入“1”，使T1截止。否则，输入高电平“1”无法读入。因此，P0口作为通用I/O口时，属于准双向口。由于输出级是漏极开路，要使“1”信号正常输出，必须外接上拉电阻。控制信号C为高电平“1”，P0口用作地址(低8位)数据分时复用总线。此时P0口是一个真正的双向口。P0口的输出驱动电路由T1和T2形成推挽式结构，带负载能力大大提高。具有驱动8个LSTTL负载的能力，输出电流不大于800A。,1.P0口,2.P1口,P1口有八条端口线，命名为P1.0P1.7，每条线由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成。P1口是准双向口，只能用作通用I/O接口。输出高电平时，能向外提供拉电流负载，不必再接上拉电阻。当P1口用作输入时，须先向端口锁存器写入1。P1口具有驱动4个LSTTL负载的能力。,2.P1口,图1-9 P1口的一位结构图,3.P2口,P2口有八条端口线，命名为P2.0P2.7。P2口也是准双向口，它有两种用途：通用I/O接口和高8位地址线。,图1-10 P2口的一位结构图,4.P3口,图1-11 P2口的一位结构图,4.P3口,P3口是一个多用途的准双向口。第一功能是作通用I/O接口使用。第二功能是作控制和特殊功能口使用，这时八条端口线所定义的功能各不相同，如表1-6所示。,4.P3口,表1-6 P3口各位的第二功能,P3口,四个并行接口一般按以下的方式使用：(1)P0口：地址低8位与数据线分时使用端口，(2)P1口：按位可编址的输入输出端口，(3)P2口：地址高8位输出口(4)P3口：双功能口。若不用第二功能，也可作通用I/O 口。,1.3 MCS51系列单片机的外部引脚,1.电源类引脚：接芯片工作的主电源。Vcc（40脚）：电源+5V。GND（20脚）：电源接地端。,图1-12 MCS-51单片机引脚图,1.3.1 管脚介绍,1.3.1 管脚介绍,2.并行I/O端口引脚：AT89S51有4个8位并行 I/O 接口，共32条I/O线。P0.0P0.7（3932脚）：P0口的8条I/O线。P1.0P1.7（18脚）：P1口的8条I/O线。P2.0P2.7（2128脚）：P2口的8条I/O线。P3.0P3.7（1017脚）：P3口的8条I/O线。3.控制信号引脚：AT89C51单片机的控制线有以下几种。(1)RST（9脚）：复位输入端，高电平有效。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10 ms以上才能保证有效复位。,1.3.1 管脚介绍,(2)ALE/（30脚）：ALE为地址锁存允许输出信号。当CPU访问片外存储器时，ALE用于锁存P0口送出的低8位地址。当CPU不执行访问外部存储器指令时，ALE引脚以不变的频率（等于振荡器频率fosc的1/6）周期性地发出正脉冲信号。此引脚的第二功能是对8751型单片机内部EPROM编程时的编程脉冲输入线。(3)（29脚）：外部程序存储器的读选通信号输出端，低电平有效。,1.3.1 管脚介绍,(4)EA/VPP（31脚）：为片外程序存储器选用端。当引脚为低电平时，选用片外程序存储器；当 引脚为高电平或悬空时，对程序存储器的访问先从内部ROM开始，当地址范围超出内部容量时，自动切换到外部ROM进行访问。该引脚的第二功能VPP 为编程电源线。在内含程序存储器的单片机进行固化程序时，接21V的编程电压。4.外接晶体引脚 XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）：当使用单片机内部振荡电路时，这两个引脚用来外接石英晶体和微调电容；采用外部振荡器时，接外部时钟脉冲信号。,1.3.2 片外总线结构,当MCS51单片机在进行外部扩展时，单片机的引脚线构成了地址总线(AB)、数据总线(DB)、控制总线(CB)的三总线结构。,图1-13 片外扩充时单片机的三总线结构,1.4 MCS51系列单片机的时序与工作方式1.4.1 时序,1.时钟电路：产生单片机工作所需要的时钟信号的电路就是时钟电路,(a)内部时钟方式电路(b)外部时钟方式电路图1-14 时钟电路,1.4.1 时序,2.时序(1)振荡周期：振荡周期指由单片机片内或片外振荡器所产生的，为单片机提供的时钟源信号的周期。设时钟源信号的频率为fosc，则振荡周期为1/fosc。(2)时钟周期：振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号的周期，称为时钟周期，又称为状态周期。(3)机器周期：机器周期是单片机的基本操作周期，通常记作TCY。一个机器周期由六个状态周期组成，12个振荡周期。可用下面关系式表示：一个机器周期=12个振荡周期=12/fOSC,1.4.1 时序,(4)指令周期：执行一条指令所需要的全部时间称为指令周期。一个指令周期通常由1个、2个或4个机器周期组成。若外接晶振频率为fosc=12 MHZ，则四个基本周期的具体数值为：振荡周期=1/12 s。时钟周期=1/6 s。机器周期=1 s。指令周期=14 s。,1.4.2 工作方式,单片机的工作方式包括：复位方式、程序执行方式、低功耗操作方式。1.复位方式 当外部电路使得单片机的RST端出现2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，系统内部复位。例如，若时钟频率为6MHZ，则复位信号至少应保持4s以上，才可使单片机复位。复位有两种方式：上电复位和按钮复位。,1.4.2 工作方式,(a)自动上电复位(b)手动按钮复位图1-16 复位电路,1.4.2 工作方式,表1-7 复位后片内各寄存器的初始状态,1.4.2 工作方式,2.程序执行方式 程序执行方式是单片机的基本工作方式，也就是执行用户编写好并存放在ROM中的程序。由于系统复位后PC=0000H，说明程序总是从ROM的0000H地址单元开始执行的。3.低功耗操作方式 CMOS型单片机有两种低功耗操作方式：节电方式和掉电方式。节电方式和掉电方式可以通过软件设置，由电源控制寄存器PCON的有关位控制。,1.5 单片机最小系统设计,所谓最小系统，是指利用单片机内部资源和最少的外部扩展构成一个真正可用的单片机最小配置系统。根据单片机片内有无程序存储器，最小系统分两种情况。1）对于型号如8051/8751等片内有程序存储器(4KB的ROM/EPROM)的单片机，只需要外接晶体振荡器和复位电路就可构成最小应用系统。如图1-18(a)所示。2）型号如8031等片内无程序存储器的芯片，在构成最小应用系统不仅要外接晶体振荡器和复位电路，还应外扩展程序存储器。,(a)8051/8751最小系统,(b)8031最小系统图1-18 单片机最小系统示意图,