1、单片机原理及应用单片机原理及应用北京化工大学北京化工大学信息科学与技术学院信息科学与技术学院主讲教师：郭青主讲教师：郭青E-mail: 第二章第二章 单片机的基本结构与工作原理单片机的基本结构与工作原理2.1 单片机的基本组成主要功能部件8 8位位CPUCPU片内片内4KB4KB程序存储器程序存储器片内片内128B128B数据存储器数据存储器二十多个二十多个SFRSFR四个可编程并行四个可编程并行I/OI/O口口全双工串行全双工串行I/OI/O口口2 2个个1616位定时位定时/ /计数器计数器5 5个中断源，个中断源，2 2个优先级个优先级2.22.2 80C5180C51单片机的引脚功能单
2、片机的引脚功能1 1、主电源引脚、主电源引脚V VCCCC （4040脚）：电源，脚）：电源，+5V+5VV VSSSS （2020脚）：电路地电平脚）：电路地电平2 2、外接晶振或外部振荡器引脚、外接晶振或外部振荡器引脚 XTAL2 （18脚）：接内部反向放大器输出端，脚）：接内部反向放大器输出端，输入到内部时钟发生器。采用外部振荡器时，输入到内部时钟发生器。采用外部振荡器时， CHMOS 悬空悬空 80C51 HMOS 外部振荡信号输入外部振荡信号输入 XTAL1（19脚）：接内部反向放大器输入端。脚）：接内部反向放大器输入端。采用外部振荡器时，采用外部振荡器时， CHMOS 外部振荡信号
3、输入外部振荡信号输入 80C51 HMOS 接地。接地。3、控制、选通引脚RSTRST（9 9脚）：脚）：RSTRST为为ResetReset（复位）信号输入端。（复位）信号输入端。ALE/PROGALE/PROG（3030脚）：脚）：ALEALE，允许地址锁存信号，输出。，允许地址锁存信号，输出。PROGPROG，编程脉冲输入端。，编程脉冲输入端。2个机器周期以上个机器周期以上高电平高电平负跳变锁存负跳变锁存P0口口低低8位地址位地址1/6振荡频率振荡频率 PSENPSEN（2929脚）：脚）：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。EA/VEA/VP
4、PPP（3131脚）：脚）：EAEA，访问内部或外部程序存储器选择信号。，访问内部或外部程序存储器选择信号。 高电平，访问内部程序存储器。高电平，访问内部程序存储器。 低电平，访问外部程序存储器。低电平，访问外部程序存储器。V VPPPP，片内，片内EPROMEPROM（87518751）编程电压输入端。）编程电压输入端。4 4、多功能、多功能I/OI/O口引脚口引脚P0P0口（口（32393239脚）：脚）：8 8位双向并行位双向并行I/OI/O端口。端口。低低8 8位地址总线和数据总线复用。位地址总线和数据总线复用。可带可带8 8个个LSTTLLSTTL负载负载P1P1口口 （1818脚）
5、：脚）：8 8位准双向并行位准双向并行I/OI/O端口端口可带可带4 4个个LSTTLLSTTL负载负载P2P2口（口（21282128脚）：脚）：8 8位准双向并行位准双向并行I/OI/O端口端口高高8 8位地址总线位地址总线可带可带4 4个个LSTTLLSTTL负载负载P3P3口（口（10171017脚）脚）：8 8位准双向并行位准双向并行I/OI/O端口端口特殊第二功能特殊第二功能P3.0-RXDP3.0-RXD：串行数据接收端：串行数据接收端P3.1-TXDP3.1-TXD：串行数据发送端：串行数据发送端P3.2-INT0P3.2-INT0：外部中断：外部中断0 0请求端请求端P3.3
6、-INT1P3.3-INT1：外部中断：外部中断1 1请求端请求端P3.4-T0P3.4-T0：定时：定时/ /计数器计数器0 0外部事件计数输入端外部事件计数输入端P3.5-T1P3.5-T1：定时：定时/ /计数器计数器1 1外部事件计数输入端外部事件计数输入端P3.6-WRP3.6-WR：外部数据存储器写选通：外部数据存储器写选通P3.7-RDP3.7-RD：外部数据存储器读选通：外部数据存储器读选通2.32.3 中央处理器中央处理器CPUCPU包括控制器、运算器和工作寄存器及时序电路。包括控制器、运算器和工作寄存器及时序电路。作用是读入及分析指令，控制各个部件进行指定的操作用是读入及分
7、析指令，控制各个部件进行指定的操作作主要部件：主要部件：算术算术/ /逻辑运算部件逻辑运算部件ALUALU布尔处理器布尔处理器定时定时/ /控制部件控制部件寄存器寄存器一、算术一、算术/ /逻辑运算部件逻辑运算部件ALUALU功能：实现数据的算术功能：实现数据的算术/ /逻辑运算、位变量逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作处理和数据传送等操作二、专用寄存器累加器累加器A A：运算时的暂存寄存器：运算时的暂存寄存器寄存器寄存器B B：一般用于乘、除指令，与：一般用于乘、除指令，与A A配合使用，存放配合使用，存放第二操作数第二操作数程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSWPSW：8 8位寄存器，相
8、当于位寄存器，相当于80868086的的FLAGSFLAGS。用于寄存当前指令执行后的状态。用于寄存当前指令执行后的状态。格式：格式：76543210CyACF0RS1RS0OVPPSW各位的定义CyCy：高位进位标志位：高位进位标志位有进位或借位时，有进位或借位时，Cy=1Cy=1；否则，；否则，Cy=0Cy=0用作位累加器，用用作位累加器，用“C”C”表示表示ACAC：辅助进位标志：辅助进位标志低低4 4位向高位向高4 4位有进位或借位时，位有进位或借位时，AC=1AC=1；否则，；否则，AC=0AC=0常用于常用于BCDBCD码调整码调整F0F0：用户标志位：用户标志位RS1RS1、RS
9、0RS0：选择工作寄存器组位：选择工作寄存器组位用于选择内部数据存储器区内用于选择内部数据存储器区内4 4组工作寄存器中的某一组组工作寄存器中的某一组OVOV：溢出标志位：溢出标志位P P：奇偶校验标志位：奇偶校验标志位根据累加器根据累加器A A中中1 1的个数由硬件置位或清除的个数由硬件置位或清除奇数个奇数个1 1，P=1P=1；否则，；否则，P=0P=0PSWPSW 1 1：保留位，无定义：保留位，无定义三、时钟电路及时序脉冲时钟电路时钟电路 作用：产生时序电位和时序脉冲作用：产生时序电位和时序脉冲 产生方式：产生方式： 内部方式，利用片内的振荡器电路内部方式，利用片内的振荡器电路 外部方
10、式外部方式1）内部时钟方式片内振荡器等效电路外部谐振电路晶体或陶瓷谐振器1.2M12MHZ补偿电容30PF或47PF2）外部时钟方式XTAL2 悬空3）CPUCPU的时序的时序振荡周期振荡周期即时钟周期，由晶振主频率决定，为其倒数即时钟周期，由晶振主频率决定，为其倒数机器周期机器周期单片机完成一个基本操作的时间单片机完成一个基本操作的时间一个机器周期包括一个机器周期包括1212个振荡周期，分为个振荡周期，分为6 6个状态，个状态，S S1 1SS6 6；每个状态包含两个振荡周期，；每个状态包含两个振荡周期，P P1 1和和P P2 2。因。因此，此，80C5180C51的时序可表示为的时序可表
11、示为S S1 1P P1 1，S S1 1P P2 2，S S6 6P P1 1，S S6 6P P2 2指令周期指令周期一条指令的执行时间一条指令的执行时间一般为一般为1212个机器周期，乘除指令为个机器周期，乘除指令为4 4个机器周期个机器周期设晶振主频率为设晶振主频率为12MHZ12MHZ振荡周期为振荡周期为1/121/12ss，机器周期为，机器周期为1 1ss，指令周期为指令周期为1 1ss、2 2ss、4 4ss2.42.4 复位电路复位电路一、复位操作一、复位操作 引脚引脚9 RST/VPD ：复位引脚复位引脚复位电路RST斯密特触发器片内复位电阻两个机器周期以上高电平二、复位电路
12、二、复位电路1 1、上电复位电路、上电复位电路复位引脚电压曲线2、开关自动复位电路2.5 80C51存储器存储器一、概述一、概述80C5180C51存储器为哈佛结构，即程序存储器与数据存储器存储器为哈佛结构，即程序存储器与数据存储器分开编址分开编址4 4个物理空间：内、外程序存储器，内、外数据存储器个物理空间：内、外程序存储器，内、外数据存储器3 3个逻辑空间：个逻辑空间：64KB64KB程序存储器，编址为程序存储器，编址为0000HFFFFH0000HFFFFH64KB64KB外部数据存储器，编址为外部数据存储器，编址为0000FFFFH0000FFFFH256B256B内部数据存储器，编址
13、为内部数据存储器，编址为00HFFH00HFFH二、存储器结构二、存储器结构1、程序存储器、程序存储器保留单元，用于特定程序段0000H0002H0000H0002H：程序的起始，一般存放一条绝对跳转：程序的起始，一般存放一条绝对跳转指令指令例：例：LJMP 0050HLJMP 0050H0003H002AH0003H002AH：5 5个中断服务程序个中断服务程序0003H 0003H 外部中断外部中断0 0000BH 000BH 定时器定时器0 0溢出中断溢出中断0013H 0013H 外部中断外部中断1 1001BH 001BH 定时器定时器1 1溢出中断溢出中断0023H 0023H 串
14、行口中断串行口中断 2、内部数据存储器256256字节，编址为字节，编址为00HFFH00HFFH分为两部分分为两部分00H7FH00H7FH：内部数据：内部数据RAMRAM80HFFH80HFFH：特殊功能寄存器区：特殊功能寄存器区80C52 内部RAM为256字节80H FFH： RAM区和SFR区重合片内数据存储器地址空间80C52片内数据片内数据RAM 位寻址区R7R0 3组R7R0 2组R7R0 1组R7R0 0组20H18H10H08H00H寄存器30H7FH80HFFH特殊特殊功能功能寄存寄存器器（SFR）字节寻址07120127片内数据片内数据RAMRAM地址空间地址空间片内数
15、据片内数据RAM 位寻址区R7R0 3组R7R0 2组R7R0 1组R7R0 0组20H18H10H08H00H寄寄存存器器30H7FH2FH00H7FH70H0FH字节寻址 构成布尔处理器的存储器空间构成布尔处理器的存储器空间 位地址为位地址为 00H7FH（0127）例：例：MOV A，40H ； 将字节地址为将字节地址为40H的的 8位数据送入累加器位数据送入累加器A MOV C，40H ； 位地址为位地址为40H（字节地址为（字节地址为28H的第的第0位）位）的一位数据送入位累加器的一位数据送入位累加器C2）20H2FH 可位寻址RAM区通过寻址方式与字节存储单元的访问区分通过寻址方式
16、与字节存储单元的访问区分3）30H7FH 内部RAM区只可字节寻址80C5280H FFH 数据RAM 仅可间接寻址3、特殊功能寄存器区（SFR）地址范围地址范围 80HFFH21个特殊功能寄存器个特殊功能寄存器占用占用26个字节，其余单元无定义个字节，其余单元无定义80C52：内部：内部RAM与特殊功能寄存器地址重与特殊功能寄存器地址重叠空间，依靠不同寻址方式实现区别访问叠空间，依靠不同寻址方式实现区别访问RAM：间接寻址：间接寻址SFR：直接寻址：直接寻址1）程序计数器）程序计数器PC用于存放下一条要执行指令的地址用于存放下一条要执行指令的地址可寻址范围为可寻址范围为065535（64K）
17、2）累加器）累加器A（E0H） 可位寻址可位寻址3）寄存器）寄存器B（F0H） 可位寻址可位寻址4）程序状态字寄存器）程序状态字寄存器PSW（D0H） 可位寻址可位寻址5）I/O端口端口P0P3 P0：80HP1：90HP2：A0HP3：B0H均可位寻址均可位寻址6）、堆栈指针）、堆栈指针SP（81H）8位专用寄存器，指示堆栈顶部在内部位专用寄存器，指示堆栈顶部在内部RAM中的位置，中的位置，不可位寻址不可位寻址MCS-51堆栈为堆栈为向上生长型向上生长型如执行如执行 PUSH A 操作操作复位后，复位后， SP=07H7）、数据指针）、数据指针DPTRDPH：83HDPL：82H不可位寻址不
18、可位寻址特点：既可做特点：既可做16位，也可做两个位，也可做两个8位寄存器使用位寄存器使用例：例：MOV DPTR，#2000HMOV DPH，#20HMOV DPL，#00H8）、其它）、其它SFR 略，见课本略，见课本35页页地址能被地址能被8整除的整除的SFR，可位寻址，可位寻址可位寻址的地址单元可位寻址的地址单元X最高有效位用最高有效位用X7表示表示最低有效位用最低有效位用X0表示表示例：例： P37 、P30片内数据存储器地址空间80C52片内数据片内数据RAM 位寻址区R7R0 3组R7R0 2组R7R0 1组R7R0 0组20H18H10H08H00H寄存器30H7FH80HFF
19、H特殊特殊功能功能寄存寄存器器（SFR）字节寻址071201274 4、外部数据存储器、外部数据存储器最大扩展范围：最大扩展范围：64KB编址为：编址为：0000HFFFFH访问指令：MOVX访问地址：访问地址：由由DPTR或或R0、R1提供提供16位数据指针，位数据指针，寻址范围寻址范围64K8位寄存器，提供位寄存器，提供低低8位地址，高位地址，高8位由位由P2口提供口提供2.62.6 布尔（位）处理器布尔（位）处理器组成：组成：位累加器位累加器Cy（PSW7）位寻址寄存器（位寻址寄存器（SFR可寻址位）可寻址位）位寻址位寻址I/O口口位寻址内部位寻址内部RAM位寻址指令系统位寻址指令系统程序存储器（与程序存储器（与8位位CPU共用）共用）寻址空间寻址空间20H2FH 16个字节单元个字节单元128位位字节地址能被字节地址能被8整除整除SFR中可寻址位中可寻址位82位位位操作指令位操作指令置位置位清零清零求反求反传送传送判跳判跳逻辑运算逻辑运算本章内容小结MCS-51MCS-51硬件结构硬件结构引脚功能引脚功能中央处理器中央处理器CPUCPU时钟及复位电路时钟及复位电路MCS-51存储器存储器布尔（位）处理器布尔（位）处理器80C51最小系统80C51最小系统
