1、 要使单片机技术的学习从入要使单片机技术的学习从入门进阶到运用自如，必须要多门进阶到运用自如，必须要多思考思考,多看电路图多看电路图,多读程序多读程序,多多编程序、多查技术手册，多动编程序、多查技术手册，多动手实践，也就是说知识结合工手实践，也就是说知识结合工程实现，就能达到得心应手掌程实现，就能达到得心应手掌握这门技术的目的握这门技术的目的.1第第1 1章章 5151系列单片机的硬件结构系列单片机的硬件结构 1.1 1.1 单片机概述单片机概述 1.1.1 1.1.1 微型计算机的基本功能构件微型计算机的基本功能构件 三大功能构件三大功能构件:微处理器微处理器(CPU)(CPU)，存储器，存
2、储器,I/O,I/O 接口接口.由三总线连接由三总线连接:地址总线、数据总线、控制总线地址总线、数据总线、控制总线.通过通过I/OI/O接口与外围设备连接接口与外围设备连接,见见图图1-11-1.2 图图1-11-1 微型计算机的基本功能构件微型计算机的基本功能构件3 结构形式不同的结构形式不同的4 4种种类型计算机：类型计算机：1.1.单板机单板机CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O接口电路以及简单的输入接口电路以及简单的输入/输出设备组装在同一块印制电路板而成输出设备组装在同一块印制电路板而成,如如2020世纪世纪7070年代流行的机型年代流行的机型TP801TP801.2.2.单片
3、机单片机CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O接口电路和实时控制器件接口电路和实时控制器件等集成在一块芯片上的单片微型计算机等集成在一块芯片上的单片微型计算机,简称简称单片机单片机.43.3.微型计算机微型计算机CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O接口电路通过总线有机地接口电路通过总线有机地联系在一起的整体，称为微型计算机，如联系在一起的整体，称为微型计算机，如2020世纪世纪8080年代流行的年代流行的TRS80TRS80机型机型.4.4.微型计算机系统微型计算机系统微型计算机与外围设备微型计算机与外围设备(如如CRTCRT显示器、磁盘显示器、磁盘机、打印机机、打印机)、电源、系统
4、软件一起构成的电源、系统软件一起构成的系统，如系统，如2020世纪世纪8080年代流行的年代流行的APPLE/APPLE/型和型和如今的如今的IBM PCIBM PC.5单片机与微型计算机的主要区别：单片机与微型计算机的主要区别：1.1.应用方面应用方面 通用微机通用微机：主要面向数据处理：主要面向数据处理,以提高计算以提高计算速率和计算精度为发展目标速率和计算精度为发展目标.单片机单片机：主要面向过程控制：主要面向过程控制,属于功能很强属于功能很强的过程控制机的过程控制机,但数据处理能力较弱但数据处理能力较弱.2.2.存储器方面存储器方面通用微机通用微机:增大存储容量和提高存取速度增大存储容
5、量和提高存取速度.单片机单片机：存储器的结构简单：存储器的结构简单,能够直接与单能够直接与单片机总线连接并对物理地址单元进行寻址片机总线连接并对物理地址单元进行寻址.63.3.外设方面外设方面 通用微机通用微机：I/OI/O接口主要通过标准总线与标接口主要通过标准总线与标准外设配接，标准外设通常能即插即用准外设配接，标准外设通常能即插即用.单片机单片机：单片机的外设种类很多：单片机的外设种类很多,且均属非且均属非标准外设标准外设,用户必须针对具体的外围设备设计用户必须针对具体的外围设备设计相应的接口电路相应的接口电路,接口电路的设计成为了单片接口电路的设计成为了单片机应用技术中一项重要的内容机
6、应用技术中一项重要的内容.71.1.2 1.1.2 单片机的发展概况单片机的发展概况 单片机经历了单片机经历了4 4位机、位机、8 8位机、位机、1616位机、位机、3232位位机几个典型的发展阶段机几个典型的发展阶段.1.1.单片机硬件技术的发展过程单片机硬件技术的发展过程 单片微型计算机单片微型计算机(Single Chip Micro ComputerSingle Chip Micro Computer),),缩写为缩写为 MCUMCU(Micro Controller UnitMicro Controller Unit););也有人称之也有人称之为为嵌入式嵌入式微控制器微控制器(Emb
7、edded MicrocontrollerEmbedded Microcontroller).).(1)(1)4 4位单片机位单片机 19711971年由美国年由美国IntelIntel公司推出了公司推出了4 4位单片机位单片机4004,4004,随后是美国和日本的多家公司推出随后是美国和日本的多家公司推出.8(2)(2)8 8位单片机位单片机 1976 1976年美国年美国IntelIntel公司首先推出了公司首先推出了MCSMCS4848系系列列8 8位单片机；位单片机；19861986年年IntelIntel公司推出的公司推出的MCSMCS5151系列系列8 8位单片机位单片机,具有具有
8、1616位的地址总线和位的地址总线和64KB64KB的寻址能力的寻址能力.(3)(3)16 16位单片机位单片机 1983 1983年美国年美国IntelIntel公司推出了公司推出了MCSMCS9696系列系列1616位单片机，随后其它公司也逐渐推出位单片机，随后其它公司也逐渐推出.(4)(4)32 32位单片机位单片机 近年厂商着力于研制性能更高的近年厂商着力于研制性能更高的3232位位单片机单片机,但由于控制领域的需求不迫切但由于控制领域的需求不迫切,应用并不广泛应用并不广泛.9 3)3)I/O I/O口线可双功能复用口线可双功能复用,解决有限引脚数目解决有限引脚数目的问题的问题.1)1
9、)ROMROM和和RAMRAM分开成为两个严格独立的地址空分开成为两个严格独立的地址空间间,寻址方式不同寻址方式不同.2)2)指令系统主要面向控制，逻辑和位控制更指令系统主要面向控制，逻辑和位控制更强强,由指令切换功能而不必依靠硬件跳线由指令切换功能而不必依靠硬件跳线.4)4)能对能对ROMROM、RAMRAM、I/OI/O口等进行扩展口等进行扩展,接口与接口与许多通用的微机芯片兼容许多通用的微机芯片兼容.2.2.单片机的特点单片机的特点103.3.常用单片机系列常用单片机系列 单片机至今已达几十个系列单片机至今已达几十个系列,几百种型号几百种型号.本书把基于本书把基于80518051内核内核
10、的单片机统称的单片机统称5151系列系列单单片机片机.Intel.Intel公司的公司的MCS-51MCS-51系列和系列和 AtmelAtmel公司的公司的AT89AT89系列相互兼容系列相互兼容.常见单片机系列有：常见单片机系列有：Intel Intel 的的 MCSMCS系列系列,和和AtmelAtmel的的AT89AT89系列系列.Philips Philips 的的 80C5180C51系列系列.Winbond Winbond 的的 W78W78系列系列.Motorola Motorola 的的 68H68H系列系列.Microchip Microchip 的的PICPIC系列系列.
11、111.1.3 511.1.3 51系列单片机的基本类型系列单片机的基本类型1)1)内部无内部无ROMROM型型:8051/8052,80C51/80C528051/8052,80C51/80C522)2)工厂掩膜工厂掩膜ROMROM:8031/8032,80C31/80C328031/8032,80C31/80C323)3)紫外光紫外光EPROM:EPROM:8751/8752,87C51/87C528751/8752,87C51/87C524)4)电擦写电擦写FLASH ROM:FLASH ROM:89C51,89C52,89C2051 89C51,89C52,89C2051紫外光紫外光E
12、PROMEPROM型型电擦写电擦写FLASH ROMFLASH ROM型型121.2 511.2 51系列单片机芯片结构系列单片机芯片结构1.2.1 511.2.1 51系列单片机基本组成结构系列单片机基本组成结构分分为为8 8大大组组成成部部分分131.2.2 511.2.2 51系列单片机的引脚及其功能系列单片机的引脚及其功能(普通双列直插式普通双列直插式)(薄方形适于薄方形适于SMTSMT焊装焊装)(俯视反钟向读引脚序号俯视反钟向读引脚序号)141.3 511.3 51系列单片机的中央处理器系列单片机的中央处理器5151系系列列单单片片机机内内部部结结构构框框图图1-61-6151.3.
13、1 1.3.1 运算部件运算部件 (图图1-61-6中中红红色所示色所示)1.1.算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALUALU(含布尔处理机含布尔处理机)2.2.累加器累加器ACCACC3.3.寄存器寄存器B B4.4.程序状态字程序状态字PSW PSW(位定义如下位定义如下)161.3.2 1.3.2 控制部件控制部件 (图图1-61-6中中蓝蓝色所示色所示)1.1.程序计数器程序计数器 PCPC2.2.指令寄存器指令寄存器 IRIR3.3.指令译码器指令译码器 IDID4.4.数据指针数据指针 DPTRDPTR5.5.堆栈指针堆栈指针 SPSP6.6.时钟电路时钟电路(外接晶振的内部时钟方
14、式外接晶振的内部时钟方式)17S1S1S2S2S3S3S4S4S5S5S6S6S1S1S2S2S3S3S4S4S5S5S6S6S1S1P1 P2P1 P2P1P1ALEALE振荡信号振荡信号再读下一个操作码再读下一个操作码S1S1S2S2S3S3S4S4S5S5S6S6S1S1S2S2S3S3S4S4S5S5S6S6S1S1S2S2S3S3S4S4S5S5S6S6S1S1S2S2S3S3S4S4S5S5S6S6双字节单周期指令,如 ADD A,#data双字节单周期指令,如 ADD A,#dataa)a)，单字节单周期指令 如INC A单字节单周期指令 如INC Ab)b)读操作码读操作码读第
15、二字节读第二字节读下一个操作码读下一个操作码（）废弃 废弃 读操作码读操作码读下一个操作码读下一个操作码S1S1S2S2S3S3S4S4S5S5S6S6S1S1S2S2S3S3S4S4S5S5S6S6再读下一个操作码再读下一个操作码c)c)单字节双周期指令,如 INC DPTR单字节双周期指令,如 INC DPTR读操作码读操作码读下一 个 操作码读下一 个 操作码（）废弃 废弃 读操作码读操作码读下一个操作码读下一个操作码（）废弃 废弃 不取指不取指再读下一个操作码再读下一个操作码d)d)单字节双周期指令,单字节双周期指令,如 MOVX类指令如 MOVX类指令地址地址数据数据访问片外存储器访
16、问片外存储器(XTAL2)(XTAL2)P1 P2P1 P2 P1 P2P1 P2 P1 P2P1 P2 P1 P2P1 P2P1 P2P1 P2 P1 P2P1 P2 P1 P2P1 P2P1 P2P1 P2 P1 P2P1 P2P1 P2P1 P2 P1 P2P1 P2不取指不取指无ALE无ALE机器周期机器周期机器周期机器周期定义四种周期定义四种周期:1.1.振荡周期振荡周期 2.2.状态周期状态周期S S (分分P1,P2P1,P2两相两相)3.3.机器周期机器周期 4.4.指令周期指令周期区分四类指令区分四类指令:a)a)单字节单周期单字节单周期b)b)双字节单周期双字节单周期c)c
17、)单字节双周期单字节双周期d)d)单字节双周期单字节双周期1.3.3 CPU1.3.3 CPU的的工作时序工作时序181.4 1.4 存储器结构及存储空间存储器结构及存储空间1.4.1 1.4.1 程序存储器程序存储器(1)(1)191.4.2 1.4.2 片内数据存储器片内数据存储器(2)(2)寻址区域寻址区域:(祥见图祥见图1-15)1-15)1 1.工作寄存器区工作寄存器区 (区号区号 0 0 3)3)(代号代号 R7R7R0)R0)2 2.位寻址区位寻址区(128(128位位)D D制代号制代号:0:0 127127 H H制代号制代号:00H:00H7FH7FH3 3.字节寻址区字节
18、寻址区 (堆栈需设于高端堆栈需设于高端)201.4.3 1.4.3 特殊功能寄存器特殊功能寄存器(2)(2)SFRSFR数量数量(祥见表祥见表1-2)1-2):5151子系列定义了子系列定义了2121个个,5252子系列定义了子系列定义了2626个个.可位寻址的可位寻址的SFRSFR单元：单元：共共1212个个,见左图举例见左图举例.注：注：SFRSFR区与区与5252子系列高子系列高128B RAM 128B RAM 重叠重叠(后后者者RAMRAM只能用间接寻只能用间接寻址方式访问址方式访问).).211.4.4 1.4.4 片外数字存储器片外数字存储器(3)(3)5151系列单片机外部扩展
19、的系列单片机外部扩展的RAMRAM区，区，方式：间接寻址方式：间接寻址数据指针：数据指针：R0,R1,(R0,R1,(范围范围256B)256B)数据指针：数据指针：DPTR,(DPTR,(范围范围64KB)64KB)扩展方法：通过并行总线扩展方法：通过并行总线 或：通过串行总线或：通过串行总线(见末章见末章)221.5 1.5 并行并行I/OI/O接口接口1.5.1 P01.5.1 P0口的结构及功能口的结构及功能 (属属8 8位双向口位双向口)P0P0口的口的1 1位结构位结构(图图1-16)1-16)23(1)P0(1)P0口作地址口作地址/数据复用数据复用输出地址输出地址/数据数据 (
20、见图见图1-16)1-16)：CPUCPU发控制电平发控制电平1 1,与门打通与门打通,连接上拉管连接上拉管V1V1,且转换开关且转换开关a-ca-c接通接通;地址地址/数据经反相器接下数据经反相器接下拉管拉管V2;V1V2;V1和和V2V2呈反相推挽式从引脚取输出呈反相推挽式从引脚取输出.输入数据输入数据 (见图见图1-16)1-16)：由由读引脚读引脚打通三态门打通三态门2 2，数据从引脚送，数据从引脚送入入.注：注：片内无片内无ROMROM单片机组构最小系统时，或片内单片机组构最小系统时，或片内有有ROMROM单片机要外扩单片机要外扩ROMROM时时,P0,P0口需作低口需作低8 8位地
21、址位地址/数据复用而不能再作通用数据复用而不能再作通用I/OI/O口口 (此时端口悬此时端口悬浮，属真正双向口浮，属真正双向口).).24(2)P0(2)P0口作通用输出口口作通用输出口 (此时为准双向口此时为准双向口)CPU CPU发控制发控制0 0,与门使管与门使管V1V1截止截止,且转换开关且转换开关接接通通b-cb-c,输出呈漏极开路输出呈漏极开路;写锁存器写锁存器操作使操作使D D端端被被Q Q和管和管V2V2取反取反,引脚输出同相数据引脚输出同相数据(需上拉电阻需上拉电阻).).(图图1-17)1-17)25(3)P0(3)P0口作通用输入口口作通用输入口 (此时为准双向口此时为准
22、双向口)（图（图1-181-18）注：注：输入数据时需先从锁存器输入数据时需先从锁存器D D端写端写1 1,使端口使端口置置1 1(则则V1V1和和V2V2均截止均截止,使引脚呈高阻状使引脚呈高阻状态态).).26P0P0口作通用输入口的两种读方式：口作通用输入口的两种读方式：1)1)读引脚方式读引脚方式端口先置端口先置1 1,使下拉管使下拉管V2V2截止截止,外部信号从外部信号从引脚沿虚线经三态门引脚沿虚线经三态门2,2,读入内部总线读入内部总线.2)2)读锁存器方式读锁存器方式先读端口数据入总线先读端口数据入总线(实际是从三态门实际是从三态门1 1读回读回锁存器锁存器Q Q端的数据端的数据
23、,也即原先向端口输出的数也即原先向端口输出的数据据),),在在ALUALU中运算，结果再送回端口中运算，结果再送回端口.可避免从三态门可避免从三态门2 2直接读引脚时直接读引脚时,误读端口因误读端口因高电平使外接器件导通时被拉低的数据高电平使外接器件导通时被拉低的数据.适适于于读读-修改修改-写写类指令类指令(如如ANL,JBC,DJNZANL,JBC,DJNZ等等).).注：注：CPUCPU按指令性质自动选择两种读方式之一按指令性质自动选择两种读方式之一.271.5.2 P11.5.2 P1口的结构及功能口的结构及功能 (属属8 8位准双向口位准双向口)用作通用用作通用I/OI/O口口,原理
24、同原理同P0P0口，内部已有上拉口，内部已有上拉电阻；输入数据也有读引脚和读锁存器两方式电阻；输入数据也有读引脚和读锁存器两方式.(图图1-19)1-19)281.5.3 P21.5.3 P2口的结构及功能口的结构及功能 (属属8 8位准双向口位准双向口)CPU CPU使使b-cb-c接通接通,作通用作通用I/OI/O口口,操作与操作与P1P1口同口同;使使a-ca-c接通接通,作高作高8 8位地址总线位地址总线(余下线不作余下线不作I/O)I/O)(图图1-20)1-20)291.5.4 P31.5.4 P3口的结构及功能口的结构及功能 (属属8 8位准双向口位准双向口)(1)(1)作通用输
25、出口作通用输出口:第二功能保持第二功能保持1 1时时,总线数据总线数据经与非门反相经与非门反相,使管使管V V通通/断断,引脚输出同相数据引脚输出同相数据.(图图1-21)1-21)30(2)(2)作通用输入口作通用输入口:第二功能保持第二功能保持1 1且总线向锁存且总线向锁存器写器写1,1,使与非门输出使与非门输出0,0,管管V V截止截止,读引脚读引脚操作操作把把引脚数据经缓冲器引脚数据经缓冲器3 3和三态门和三态门2 2进入内部总线进入内部总线.(3)(3)作第二功能输出口作第二功能输出口:内部总线置内部总线置Q Q端为端为1,1,使与使与非门保持导通非门保持导通,把第二功能输出端数据送
26、至引脚把第二功能输出端数据送至引脚.(4)(4)作第二功能输入口作第二功能输入口:内部总线置内部总线置Q Q端为端为1,1,第二第二功能输出端保持功能输出端保持1,1,使与非门输出使与非门输出0,0,则管则管V V截止截止,从引脚输入的第二功能信号从引脚输入的第二功能信号,从缓冲器从缓冲器3 3的输出的输出端取出端取出.注注:P0P0作地址作地址/数据总线复用呈高阻状态数据总线复用呈高阻状态,称称真真正双向口正双向口;P1;P1P3P3内部有上拉电阻内部有上拉电阻,称称准双向口准双向口.311.6 511.6 51系列单片机的工作方式系列单片机的工作方式(两项重点两项重点)1.6.1 1.6.
27、1 复位方式复位方式 属高电平复属高电平复位位 (两个机器两个机器周期以上周期以上).).右图为通常右图为通常的实际电路元的实际电路元件取值件取值.注意注意:复位后复位后堆栈堆栈SPSP为为07H.07H.1.6.3 1.6.3 低功耗方式低功耗方式:32待机方式待机方式 多被工程采用多被工程采用(应用例祥见应用例祥见8.28.2节节)(低功耗方式内部结构低功耗方式内部结构)把把PCONPCON寄存器最低位寄存器最低位IDLIDL置为置为1 1则进入待机态则进入待机态,与门与门2 2封锁了封锁了CPU,CPU,只有只有与非门与非门1 1通路提供中断、通路提供中断、串行口、定时器的时钟信号；系统处于空闲状串行口、定时器的时钟信号；系统处于空闲状态态,电流电流大幅下降大幅下降,有利节能和工作稳定有利节能和工作稳定.33下续第下续第2 2章章34
