单片机原理与应用.pdf
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1、 单片机原理与应用单片机原理与应用单片机原理与应用单片机原理与应用 电子教案电子教案电子教案电子教案 第1章 单片机概述 第2章 MCS-51系列单片机结构 第3章 MSC-51指令系统 第6章 存储器与存储器扩展 第4章 MCS-51汇编语言程序设计 第7章 单片机接口技术 第5章 MCS-51定时/计数器和中断系统 第9章 MCS-51单片机应用系统设计 单片机原理及应用单片机原理及应用单片机原理及应用单片机原理及应用 第8章 串行口通信技术 第1章 单片机概述 本章主要介绍单片机的发展,基本的结构 和特点,单片机的应用模式和领域,单片 机的供应状态等。 单片微型计算机就是将CPU、RAM
2、、ROM、 定时/计数器和多种接口都集成到一块集成 电路芯片上的微型计算机。因此,一块芯 片就构成了一台计算机。它已成为工业控 制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常 生活中最广泛使用的计算机。 1 1 1 11 1 1 1 单片机的发展历史单片机的发展历史 我们可以把单片机的发展历史划分为四阶段: 第一阶段(19761978年):低性能单片机的探索阶段。以Intel公 司的MCS-48为代表,采用了单片结构,即在一块芯片内含有8位 CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。主要用于工业 领域。 第二阶段(19781982年):高性能单片机阶段,这一类单片机 带有串行I/O口,8位数
3、据线、16位地址线可以寻址的范围达到 64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。这类单片机的应用 范围较广,并在不断的改进和发展。 第三阶段(19821990年):16位单片机阶段。16位单片机除CPU 为16位外,片内RAM和ROM容量进一步增大,实时处理能力更 强,体现了微控制器的特征。例如Intel公司的MCS-96主振频率为 12M,片内RAM为232字节,ROM为8K字节,中断处理能力为8 级,片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。 第四阶段(1990年):微控制器的全面发展阶段,各公司的产 品在尽量兼容的同时,向高速、强运算能力、寻址范围大以及小 型廉价方面发展。 硬件
4、系统是指构成微机系统的实体和装置,通 常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和 输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。 其中,运算器和控制器一般做在一个集成芯片 上 , 统 称 中 央 处 理 单 元 ( Central Processing Unit),简称CPU,是微机的核心部件。CPU配上 存 放 程 序 和 数 据 的 存 储 器 、 输 入 / 输 出 (Input/Output,简称I/O)接口电路以及外部设备 即构成微机的硬件系统。 1 1 1 12 2 2 2 单片机的软硬件系统单片机的软硬件系统 1.2.1 1.2.1 1.2.1 1.2.1 单片机的硬件系统单片机的硬件
5、系统 图图1-1 1-1 1-1 1-1 微型计算机微型计算机硬件硬件系统组成示意图系统组成示意图 软 件 系 统 硬件系统 + 控 制 器 运 算 器 存 储 器 输 入 设 备 CPU 微型计算机系统 输 入 接 口 电 路 输 出 接 口 电 路 输 出 设 备 下面把组成计算机的5个基本部件作简单说明。 1) 运算器 运算器是计算机的运算部件,用于实现算术和逻辑 运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行。 2) 控制器 控制器是计算机的指挥控制部件,它控制计算机各 部分自动、协调地工作。运算器和控制器是计算机的核 心部分,常把它们合在一起称之为中央处理器,简称 CPU。 3) 存储器
6、存储器是计算机的记忆部件,用于存放程序和数 据。存储器又分为内存储器和外存储器。实训中使 用的EPROM2764便是存贮器。 4) 输入设备 输入设备用于将程序和数据输入到计算机中,如 键盘等。 5) 输出设备 输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果, 以用户需要的形式显示或打印出来,如显示器、打 印机等。 通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起 称之为计算机的外部设备,简称“外设”。 单片微型计算机是指集成在一个芯片上的 微型计算机,也就是把组成微型计算机的各种 功能部件,包括CPU(Central Processing Unit)、 随 机 存 取 存 储 器 RAM ( Rando
7、m Access Memory ) 、 只 读 存 储 器 ROM ( Read-only Memory)、基本输入/输出(Input/Output)接口电 路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯 片上,构成一个完整的微型计算机,从而实现 微型计算机的基本功能。单片机内部结构示意 图如图1-2所示。 图图1-2 1-2 1-2 1-2 单片机内部结构示意图单片机内部结构示意图 C P U 存储器 并 行 I/O 接 口 定时器 / 计数器中断系统 P0 P3TXD RXD TINT 并 行 I/O 接 口 软件系统是微机系统所使用的各种程序的总 称。人们通过它对整机进行控制并与微机系统进
8、行信息交换,使微机按照人的意图完成预定的任 务。 软件系统与硬件系统共同构成完整的微机系 统,两者辅相成,缺一不可。 微型计算机系统组成示意图如图所示。 1.2.2 1.2.2 1.2.2 1.2.2 单片机的软件系统单片机的软件系统 微型计算机系统组成示意图微型计算机系统组成示意图 软 件 系 统 硬件系统 + 控 制 器 运 算 器 存 储 器 输 入 设 备 CPU 微型计算机系统 输 入 接 口 电 路 输 出 接 口 电 路 输 出 设 备 1 1 1 1. . . .3 3 3 3 MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51系列单片机系列单片机 尽管各类单片机很多,但无论是从
9、世界 范围或是从全国范围来看,使用最为广泛 的应属MCS-51单片机。 MCS-51单片机系列共有十几种芯片, 如表1-1所示。 表表1-1 1-1 1-1 1-1 MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51系列单片机分类表系列单片机分类表 子 系 列 片内ROM形式 片内 ROM 容量 片内 RAM 容量 寻址 范围 I/O特性 中断源 无ROMEPROM计数器并行口串行口 51 子 系 列 8031805187514 KB128 B264 KB2164815 80C3180C5187C514 KB128 B264 KB2164815 52 子 系 统 8032805287528 KB
10、256 B264 KB3164816 80C3280C5287C528 KB256 B264 KB3164816 MCS-51系列又分为51和52两个子系列,并 以芯片型号的最末位数字作为标志。其中,51 子系列是基本型,而52子系列则属增强型。52 子系列功能增强的具体方面,从表1-1所列内 容中可以看出: (1) 片内ROM从4 KB增加到8 KB。 (2) 片内RAM从128 B增加到256 B。 (3) 定时/计数器从2个增加到3个。 (4) 中断源从5个增加到6个。 1.3.1 511.3.1 511.3.1 511.3.1 51子系列和子系列和52525252子系列子系列 MCS-
11、51系列单片机采用两种半导体工艺生产。 一种是HMOS工艺,即高速度、高密度、短沟道 MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺,即互补金 属氧化物的HMOS工艺。表1.1中,芯片型号中 带有字母“C”的,为CHMOS芯片,其余均为一 般的HMOS芯片。 CHMOS是CMOS和HMOS的结合,除保持了 HMOS高速度和高密度的特点之外,还具有 CMOS低功耗的特点。在便携式、手提式或野外 作业仪器设备上,低功耗是非常有意义的,因 此,在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯 片。 1.3.2 1.3.2 1.3.2 1.3.2 单片机芯片半导体工艺单片机芯片半导体工艺 MCS-51单片机片内程序存储
12、器有三种配 置形式,即掩膜ROM、EPROM和无ROM。 这三种配置形式对应三种不同的单片机芯片, 它们各有特点,也各有其适用场合,在使用 时应根据需要进行选择。一般情况下,片内 带掩膜型ROM适用于定型大批量应用产品的 生产;片内带EPROM适合于研制产品样机; 外接EPROM的方式适用于研制新产品。最 近,Intel公司又推出片内带EEPROM型的单 片机,可以在线写入程序。 1.3.3 1.3.3 1.3.3 1.3.3 片内片内ROMROMROMROM存储器配置形式存储器配置形式 第2章 MCS-51单片机结构 本章主要介绍MCS-51系列的8051的基 本结构、工作原理、存储器结构、
13、P0、P1、 P2、P3四个I/O口的基本工作原理和操作 特点。单片机的各种工作方式、单片机的 时序等。 2.1 2.1 2.1 2.1 MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51单片机的内部组成及信号引脚单片机的内部组成及信号引脚 MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、 8751。8051内部有4KB ROM,8751内部有4KB EPROM,8031内部无ROM;除此之外,三者的 内部结构及引脚完全相同。因此,以8051为例, 说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。 8051单片机的基本组成请参见图2-1。下面介 绍各部分的基本情况。 2.1.1 80512.1.1 80
14、512.1.1 80512.1.1 8051单片机的基本组成单片机的基本组成 图2-1 MCS-51 单片机结构框图 1) 中央处理器(CPU) 中央处理器是单片机的核心,完成运算和控 制功能。MCS-51的CPU能处理8位二进制数或 代码。 2) 内部数据存储器(内部RAM) 8051芯片中共有256个RAM单元,但其中后 128单元被专用寄存器占用,能作为寄存器供用 户使用的只是前128单元,用于存放可读写的数 据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前 128单元,简称内部RAM。 3) 内部程序存储器(内部ROM) 8051共有4KB掩膜ROM,用于存放程序、 原始数据或表格,因此,称之
15、为程序存储 器,简称内部ROM。 4) 定时/计数器 8051共有两个16位的定时/计数器,以实 现定时或计数功能,并以其定时或计数结果 对计算机进行控制。 5) 并行I/O口 MCS-51共有4个8位的I/O口(P0、P1、 P2、P3),以实现数据的并行输入/输出。 6) 串行口 MCS-51单片机有一个全双工的串行口,以实现单片 机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较 强,既可作为全双工异步通信收发器使用,也可作为同 步移位器使用。 7) 中断控制系统 MCS-51单片机的中断功能较强,以满足控制应用的 需要。8051共有5个中断源,即外中断两个,定时/计数中 断两个,串行中断一
16、个。全部中断分为高级和低级共两 个优先级别。 8) 时钟电路 MCS-51芯片的内部有时钟电路,但石英晶体和微调 电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系 统允许的晶振频率一般为6 MHz和12 MHz。 MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路 芯片,引脚排列请参见图2-2。 1) 信号引脚介绍 P0.0 P0.7: P0口8位双向口线。 P1.0 P1.7 :P1口8位双向口线。 P2.0 P2.7 :P2口8位双向口线。 P3.0 P3.7 :P3口8位双向口线。 2.1.2 MCS-512.1.2 MCS-512.1.2 MCS-512.1.2 MCS-51的信号引脚的信
17、号引脚 图2-2 MCS-51引脚图 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST/VPD 9 RXD P3.0 10 TXD P3.1 11 INT0 P3.2 12 INT1 P3.3 13 T0 P3.4 14 T1 P3.5 15 WR P3.6 16 RD P3.7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/PROG 30 EA/VPP 31 P0
18、.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 8031 8051 8751 表2- 1 P3口的第二功能表 2) 信号引脚介绍 2.2 80512.2 80512.2 80512.2 8051的内部存储器的内部存储器 图2- 3 片内RAM的配置 2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 内部数据存储器低内部数据存储器低128128128128单元单元 字节地址位 地 址 2FH 2EH 2DH 2CH 2BH 2AH 29H 28H 27H 26H 25H 24H 23H 22H 21H 20H
19、 D7D6D5D4D3D2D1D0 7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H 77H76H75H74H73H72H71H70H 6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H 67H66H65H64H63H62H61H60H 5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H 57H56H55H54H53H52H51H50H 4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H 47H46H45H44H43H42H41H40H 3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H 37H36H35H34H33H32H31H30H 2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H 27H26H2
20、5H24H23H22H21H20H 1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H 17H16H15H14H13H12H11H10H 0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H 07H06H05H04H03H02H01H00H 表 2- 2 片内RAM位寻址区的位地址 符号单元地址名称 位地址 符号地址 * ACC E0H 累加器 ACC.7ACC.0E7HE0H * B F0H 乘法寄存器 B.7B.0F7HF0H * PSW D0H 程序状态字 PSW.7PSW.0D7HD0H SP 81H 堆栈指针 DPL 82H 数据存储器指针(低8位) DPH 83H 数据存储器指针(高8位
21、) * IE A8H 中断允许控制器 IE.7IE.0AFHA8H * IP B8H 中断优先控制器 IP.7IP.0BFHB8H * P0 80H 通道0 P0.7P0.0 87H80H * P1 90H 通道1 P1.7P1.0 97H90H * P2 A0H 通道2 P2.7P2.0 A7HA0H * P3 B0H 通道3 P3.7P3.0 B7HB0H PCON 87H 电源控制及波特率选择 * SCON 98H 串行口控制 SCON.7SCON.09FH98H SBUF 99H 串行数据缓冲器 * TCON 88H 定时控制 TCON.7TCON.08FH88H TMOD 89H 定
22、时器方式选择 TL0 8AH 定时器0低8位 TL1 8BH 定时器1低8位 TH0 8CH 定时器0高8位 TH1 8DH 定时器1高8位 2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 内部数据存储器高内部数据存储器高128128128128单元单元 表 2- 3 MCS-51专用寄存器一览表 P0.n 锁存器 P0.n Q QD 读锁存器 写锁存器 内部总线 读引脚 T1 T2 VCC MUX 地址/数据 控制 图 2- 5 P0口的口线逻辑电路图 2.3.1 2.3.1 2.3.1 2.3.1 P0P0P0P0口口 2.3 2.3 2.3 2.3 并行输入并行输入/ / / /输出口电
23、路结构输出口电路结构 2.3.2 2.3.2 2.3.2 2.3.2 P1P1P1P1口口 P1.n 锁存器 P1.n Q QD 读锁存器 写锁存器 内部总线 读引脚 内部上拉电阻 T VCC 图 2- 6 P1口的口线逻辑电路图 2.3.3 2.3.3 2.3.3 2.3.3 P2P2P2P2口口 P2.n 锁存器 P2.n Q QD 读锁存器 写锁存器 内部总线 读引脚 T VCC 地址控制 内部上拉电阻 MUX 图 2- 7 P2口的口线逻辑电路图 2.3.4 2.3.4 2.3.4 2.3.4 P3P3P3P3口口 P3.n 锁存器 P3.n Q QD 读锁存器 写锁存器 内部总线 读
24、引脚 T VCC 第二输入功能 第二输出功能 内部上拉电阻 图 2- 8 P3口的口线逻辑电路图 2.4.1 2.4.1 2.4.1 2.4.1 时钟电路与时序时钟电路与时序 S 机器周期1 取指令、译码 指令周期 机器周期2 取操作数、执行 基本定时时序关系基本定时时序关系 2 2 2 24 4 4 4 MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51单片机的时序单片机的时序 1. 1. 1. 1.时钟信号的产生时钟信号的产生 TTL (a) 内部振荡器方式 XTAL1 R 外 部 振 荡 器 XTAL2 VCC XTAL2 XTAL1 VSS (b) 8051外时钟源接法 8051 NC
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- 单片机 原理 应用
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