單片機原理及應用課程教案

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1、 “單片機原理及應用” 課程教案 武漢科技學院電子信息工程學院 2008年2月8日 1、課程性質：專業(yè)技術基礎課 2、考核方式：閉卷考試 3、教材：《單片機原理與應用及C51程序設計》 編著：謝維成等 清華大學出版社 4、教學目的： 通過理論授課與上機實踐，使學生掌握單片機的基本原理與應用，讓學生了解單片機的內部結構、各硬件部分的工作原理及使用方法和單片機應用系統(tǒng)的組成原理，掌握單片機的匯編語言或C語言的指令功能、編程方法及軟件開發(fā)技術，通過實例介紹單片機系統(tǒng)常用接口、擴展電路及其C語言應用程序設計，使學生較為熟

2、練地掌握一種單片機產(chǎn)品的應用開發(fā)技術，從而有能力進一步對其它單片機產(chǎn)品的應用系統(tǒng)從事研制和開發(fā)工作。 目 錄 第1章 單片機概述 4 第2章 單片機硬件結構 14 第3章 指令系統(tǒng) 38 第4章 匯編語言程序設計 69 第5章 單片機存儲器擴展 98 第6章 中斷與定時系統(tǒng) 120 第7章 I/O擴展及應用 146 第8章 串行數(shù)據(jù)通信 182 第9章 數(shù)/模及模/數(shù)轉換器接口 200 第10章 單片機應用及開發(fā)技術 211 第1章 單片機概述 一、教學要求：

3、了解：計算機的發(fā)展、分類、特點與應用，單片機的概念、發(fā)展及應用領域，以及典型單片機系列的基本情況。 二、教學內容： 1.1 計算機的發(fā)展、分類、特點與應用 1.2 單片機的概念 1.3 單片機的發(fā)展 1.4 單片機的應用 三、教學重點：單片機的概念。 四、教學難點：單片機的應用。 五、建議學時：2學時。 六、教學內容： 1.1 單片機的概念 1.1.1 單片機的名稱 單片微機是早期Single Chip Microcomputer的直譯，它忠實地反映了早期單片微機的形態(tài)和本質。 單片微型計算機簡稱單片機（Single Chip Microcomputer），

4、又稱微控制器（Microcomputer Unit）。將計算機的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片上。片內含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及總線等。 隨后，按照面向對象、突出控制功能，在片內集成了許多外圍電路及外設接口，突破了傳統(tǒng)意義的計算機結構，發(fā)展成microcontroller的體系結構，目前國外已普遍稱之為微控制器MCU（Micro Controller Unit）。 鑒于它完全作嵌入式應用，故又稱為嵌入式微控制器Embedded Microcontroller）。 1.1.2 通用單片機和專用單片機 根據(jù)控制應用可分為：通

5、用型和專用型兩大類。 1、早期——通用型單片微機。 通過不同的外圍擴展來滿足不同的應用對象要求。 2、隨著應用領域的不斷擴大出現(xiàn)了專門為某一類應用而設計的單片機 ——專用型單片微機。 目的：降低成本、簡化系統(tǒng)結構、提高可靠。 如：用于計費率電表、用于電子記事簿的單片機等。 1.1.3 單片機與單片機系統(tǒng) 單片機通常是指芯片本身，集成的是一些基本組成部分。是典型的嵌入式系統(tǒng)的主要構成單元，只能作為嵌入式應用，即嵌入到對象環(huán)境、結構、體系中作為其中的一個智能化控制單元。 如：洗衣機、電視機、VCD、DVD等家用電器，打印機、復印機、通信設備、智能儀表、現(xiàn)場總線控制單元等。 單片

6、機系統(tǒng)是在單片機芯片的基礎上擴展其它電路或芯片構成的具有一定應用功能的計算機系統(tǒng)。 單片機應用系統(tǒng)中包括了滿足對象（如洗衣機）要求的全部硬件電路和應用軟件。構成各種嵌入式應用的電路系統(tǒng)，統(tǒng)稱為單片機應用系統(tǒng)。 單片微機應用系統(tǒng)結構通常分三個層次，即單片機、單片機系統(tǒng)、單片機應用系統(tǒng)。 單片機：通常是應用系統(tǒng)的主機，設計單片機應用系統(tǒng)時，為所選擇的單片機系列器件。 單片機系統(tǒng)：單片微機資源的擴展，外圍接口電路進入片內，最終向單片應用系統(tǒng)集成發(fā)展。——最終產(chǎn)品的目標系統(tǒng)，除了硬件電路外，還須嵌入系統(tǒng)應用程序。按照所選擇的單片機，以及單片機的技術要求和嵌入對象對單片機的資源要求構成單片機系統(tǒng)

7、。 單片機應用系統(tǒng)：按照單片機要求在外部配置單片機運行所需要的時鐘電路、復位電路等，構成了單片機的最小應用系統(tǒng)。在單片機中CPU外圍電路不能滿足嵌入對象功能要求時，在單片機外部擴展CPU外圍電路，如存儲器、定時器/計數(shù)器、中斷源等，形成能滿足具體嵌入應用的一個計算機系統(tǒng)。 1.1.4 單片機應用系統(tǒng)與單片機開發(fā)系統(tǒng) 單片機開發(fā)系統(tǒng)是單片機的開發(fā)調試的工具，有單片單板機和仿真器。實現(xiàn)單片機應用系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)。 MDS（微型機開發(fā)系統(tǒng)）、ICE（在線仿真器） 1.1.5 單片機的程序設計語言和軟件 機器語言 (Machine Languag

8、e) 有三類 匯編語言 (Assemble) 高級語言 (High Level Language) 機器語言： 單片機應用系統(tǒng)只使用機器語言（指令的二進制代碼，又稱指令代碼）。機器語言指令組成的程序稱目標程序。 MCS-51兩個寄存器相加的機器語言指令：00101000 匯編語言： 與機器語言指令一一對應的英文單詞縮寫，稱為指令助記符。匯編語言編寫的程序稱為匯編語言程序。 MCS-51兩個寄存器相加匯編語言指令：ADD A，R0 高級語言： 高級語言源程序C-51、C、PL/M51等。 簡單——控制程序不太長。 復雜——多種多樣的控制對

9、象，少有現(xiàn)成程序借鑒。 簡單系統(tǒng)——不含管理和開發(fā)功能。 復雜系統(tǒng)——實時系統(tǒng)，需要監(jiān)控系統(tǒng)（甚至實時多任務操作系統(tǒng)）。 編譯型高級語言可生成機器代碼； 解釋型高級語言必須在解釋程序支持下直接解釋執(zhí)行。 因此，只有編譯型高級語言才能作為微機開發(fā)語言。 不同計算機語言的應用： 源程序通過編譯得到機器能執(zhí)行的目標程序。 匯編語言程序可以高效率利用計算機資源，目標程序占用內存少，執(zhí)行速度快，適合于自動測控系統(tǒng)反應快速、結構緊湊的要求。實際應用中，常與C語言配合使用。 高級語言程序容易掌握，通用性好，但編譯程序系統(tǒng)開銷大，目標程序占用內存多，且執(zhí)行時間比較長，多用于科學計算、工業(yè)設計

10、、企業(yè)管理。 1.2 單片機的發(fā)展 1.2.1 單片機發(fā)展概述 一、電子計算機的發(fā)展歷史 1、第一代（1946—1958）：電子管計算機。 用于：科學計算 2、第二代（1958—1964）：晶體管計算機。 用于：科學計算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制 3、第三代（1964—1971）：集成電路計算機、網(wǎng)絡。 用于：科學計算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、事務管理。 4、第四代（1971— ）：大規(guī)模集成電路計算機。 用于：計算量極大的高尖技術及國民經(jīng)濟領域出現(xiàn)了微型機。 5、第五代：智能型計算機正在研制中。

11、 用于：模擬人的智能，識別圖像、語言和物體，聯(lián)想、推理、解答問題，使用自然語言進行會話處理。 二、微型計算機的發(fā)展歷史 微型機算計的核心部分：微處理器的發(fā)展已經(jīng)歷了五代。 第一代（1971—1973）：4位→8位（初級） 第二代（1973—1975）：8位（初級） 第三代（1975—1978）：初級8位單片機 Intel MCS—48系列單片機 第四代（1978—80年代中期）：高檔8位單片機 Intel MCS—51系列單片機→16位、32位 第五代（80年代中期至今）：→64位 1976- ：初級8位單片機 Intel M

12、CS-48系列 1980- ：高檔8位單片機 Intel MCS-51系列： —51子系列：8031/8051/8751 —52子系列：8032/8052/8752 低功耗型80C31 高性能型80C252 廉價型89C2051/1051 1983- ：16位單片機 Intel MCS-96 系列：8098/8096、80C198/80C196 32位單片機 80960 MCS—48（從1976年起）： 低檔型：8021、8022 基本

13、型：8048、8748、8038 改進型：8049、8749、8039和8050、8750、8040 MCS—51（從1980年起）： 基本型：8051、8751、8031 改進型：8052、8752、8032 低功耗型：80C51、87C51、80C31 強性能型：83C252、87C252、80C252 早期產(chǎn)品： 8X9X（8096） MCS—96（從1983年起）： 改進型： 8X9XBH、8X9XJF 新產(chǎn)品： 8098（準） 強功能型：80C196、80C198（準） 1.2.2 MCS-51單片機系列 MCS-51系列基本產(chǎn)品型號： 8051、80

14、31、8751稱為51子系列。 不同型號MCS-51單片機CPU處理能力和指令系統(tǒng)完全兼容，只是存儲器和I/O接口的配置有所不同。 硬件配置基本配置： 1. 8位CPU 2. 片內ROM/EPROM、RAM 3. 片內并行 I/O接口 4. 片內16位定時器/計數(shù)器 5. 片內中斷處理系統(tǒng) 6. 片內全雙工串行I/O口 MCS—51系列單片機的3種基本產(chǎn)品： 8051：片內含有掩膜ROM型程序存儲器，只能由生產(chǎn)廠家代為用戶固化，批量大、永久保存、不修改時用。 8751：片內含EPROM型程序存儲器，用戶可固化，可用紫外線光照射擦除；但價格高。 8031：片內

15、無程序存儲器，可在片外擴展，方便靈活，價格便宜。 1.2.3 80C51單片機系列 INTEL公司先后推出了三個系列的單片機： MCS—48系列 MCS—51系列 MCS—96系列典型產(chǎn)品： 8096 8098 （準） 80C196 80C198 （準） 新一代80C51增加了一些外部接口功能單元，如A/D，PCA，WDT等。 PHILIPS：80C51 ATMEL（Flash ROM）：AT89c51 CHMOS：低功耗，高速度和高密度（HMOS）

16、，待機和掉電保護 1.3 單片機的應用 1.3.1 單片機應用的特點 單片機的應用很廣泛，特點很多，僅從應用的角度來看： 計算機的控制應用分為： 1、控制系統(tǒng)離線應用：控制系統(tǒng)的計算機輔助設計（控制系統(tǒng)CAD） 2、控制系統(tǒng)在線應用：計算機控制系統(tǒng)→使用單片機 工業(yè)控制領域與通用計算機系統(tǒng)不同的要求： (1)面對控制對象。面對物理量傳感變換的信號輸入； 面對人機交互的操作控制； 面對對象的伺服驅動控制。 (2)嵌入到工控應用系統(tǒng)中的結構形態(tài)。 (3)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中可靠性品質。 (4)突出控制功能。對外部

17、信息及時捕捉； 對控制對象能靈活地實時控制； 有突出控制功能的指令系統(tǒng)， 如I/O口控制、位操作、豐富的轉移指令等。 1.3.2 單片機的應用領域 ? 工業(yè)自動化方面： 力、熱、速度、加速度、位移。 ? 儀器儀表： 降低成本、簡化系統(tǒng)結構、提高可靠性。 ? 家用電器： 小家電中要求小型價廉、程序容量不大。 ? 信息和通信產(chǎn)品： PDA 則要求大容量存儲、大屏幕LCD顯示、極低功耗等。 ? 軍事裝備方面： 可靠性

18、、極低功耗。 單片機的應用領域： 1、用單片機構成智能化產(chǎn)品： n 在智能儀器儀表中的應用； n 在家用產(chǎn)品中的應用； n 在醫(yī)療儀器中的應用； n 在計算機外部設備中的應用。 2、單片機在工業(yè)測控領域中的應用： n 過程控制： 數(shù)控銑床、步進控制、生產(chǎn)流水線等； n 數(shù)據(jù)采集； n 信號處理； n 舊設備的改造。 小結 1、單片機即單片微型計算機，是將計算機主機（CPU、內存和I/O接口）集成在一小塊硅片上的微型機。 2、單片機為工業(yè)測控而設計，又稱微控制器。 具有三高優(yōu)勢（集成度高、可靠性高、性價比高）。 3、主要應用于工業(yè)檢測與控制、計算

19、機外設、智能儀器儀表、通訊設備、家用電器等。特別適合于嵌入式微型機應用系統(tǒng)。 4、單片機開發(fā)系統(tǒng)有單片單板機和仿真器。實現(xiàn)單片機應用系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)。 第2章 單片機硬件結構 一、教學要求： 了解：單片機內部所包含的硬件資源及其功能特點和使用方法，注意幾個概念：振蕩周期、時鐘周期、機器周期和指令周期的意義及它們之間的關系。 掌握：單片機芯片的內部組成及存儲器結構，特別是片內RAM和四個并行I/O口的使用方法。 理解：單片機時鐘電路與時序、輸入輸出口以及引腳的使用。注意“地址重疊”的問題，注意程序狀態(tài)字PSW中各位的含義。 二、教學內容： 2.1 單片機邏輯結構及

20、信號引腳 2.2 單片機的內部存儲器 2.3 單片機并行輸入/輸出電路 2.4 單片機時鐘電路與時序 2.5 單片機工作方式 三、教學重點： 單片機芯片的內部組成及存儲器結構，特別是片內RAM和四個并行I/O口的使用方法。 四、教學難點： “地址重疊”的問題，注意程序狀態(tài)字PSW中各位的含義。 五、建議學時：4學時。 六、教學內容： 2.1 邏輯結構及信號引腳 2.1.1 結構框圖 8031無 2.1.2 內部邏輯結構 CPU運算器電路 CPU控制器電路 CPU控制器電路 MCS—51 CPU CPU內部結構： （1）運算器電路：算

21、術邏輯單元ALU、累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)字PSW和2個暫存器等。 算術邏輯運算單元ALU ( 8位 )： +、–、、算術運算，與、或、非、異或邏輯運算，循環(huán)移位、位處理。 （2）控制器電路：程序計數(shù)器PC、PC+1寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、定時與控制電路等。 2.1.3 信號引腳 1、I/O口線功能 4個8位并行 I/O 接口引腳P0.0～P0.7 、P1.0～P1.7 、P2.0～P2.7和 P3.0～P3.7為多功能引腳，可自動切換用作數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和I/O接口外部引腳。 2、控制線 ALE：地址鎖存允許信號端 ：外部程序存儲器讀選通信號端

22、 /VPP：程序存儲器選擇信號端/編程電源輸入端 RST/VPD：復位信號端和后備電源輸入端。輸入10ms以上高電平脈沖，單片機復位。VPD使用后備電源，可實現(xiàn)掉電保護。 復位電路： （1）上電復位 （2）外部信號復位 3、電源及時鐘引線 工作電源：VCC、VSS 時鐘輸入：XTAL1、XTAL2。 80C51 RESET +5V 200Ω 1K 30μF 單片機 RST 2.2 內部存儲器 2.2.1 內部數(shù)據(jù)存儲器低128單元 低128單元是單片機的真正RAM存儲器。

23、 分為三個區(qū)域： 1．寄存器區(qū)： 4組寄存器（寄存器陣列）。 即4個工作寄存器0區(qū)～3區(qū)。每組8個寄存單元（每單元8位），以R0～R7作寄存器名，暫存運算數(shù)據(jù)和中間結果。字節(jié)地址為00H～1FH。 用PSW中的兩位PSW.4和PSW.3來切換工作寄存器區(qū)，選用一個工作寄存器區(qū)進行讀寫操作。 2．位尋址區(qū)： 字節(jié)地址為20H～2FH，既可作RAM，也可位操作。 共有16個RAM單元，共128位，位地址為00H～7FH。 3．用戶RAM區(qū)： 32個單元，地址為30H～7FH，在一般應用中常作堆棧區(qū)。

24、RS0 RS1的組合關系 RS1 RS0 寄存器組 片內RAM地址 0 0 第0組 00H～07H 0 1 第1組 08H～0FH 1 0 第2組 10H～17H 1 1 第3組 18H～1FH 工作寄存器地址表 組 RS1 RS0 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 0 0 0 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 1 0 1 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH

25、 2 1 0 10H 11H 12H 13H 14H 15H 16H 17H 3 1 1 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1EH 1FH 2.2.2 內部數(shù)據(jù)存儲器高128單元（也稱特殊功能寄存器） 內部RAM的高128單元——專用寄存器（SFR）區(qū) 地址為80H～FFH 1、SFR（80H～FFH）介紹： 有2套地址： 字節(jié)地址：只21個有效（其中僅11個有位地址）； 位地址：只83位有效，其字節(jié)地址可被8整除。 專用寄存器：

26、A、B、PSW、DPTR、SP。 I/O接口寄存器： P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON等。 (1) 程序計數(shù)器PC（16位）： CPU總是按PC的指示讀取程序。PC是一個16位的計數(shù)器。其內容為將要執(zhí)行的指令地址（即下一條指令地址），可自動加1。因此CPU執(zhí)行程序一般是順序方式。當發(fā)生轉移、子程序調用、中斷和復位等操作，PC被強制改寫，程序執(zhí)行順序也發(fā)生改變。 復位時，PC=0000H。 (2) 累加器Acc（8位）： 需要ALU處理的數(shù)據(jù)和計算結果多數(shù)要經(jīng)過累加器A。 (3) 寄存器B （8位）： 與A累加器配合執(zhí)行乘、除運算

27、。也可用作通用寄存器。 (4) 程序狀態(tài)字PSW （8位）： 存放ALU運算過程的標志狀態(tài)。 位 序 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 位符號 CY AC F0 RS1 RS0 OV F1 P (5) 數(shù)據(jù)指針DPTR （16位）： 存放片外存儲器地址，作為片外存儲器的指針?？煞殖蓛蓚€8位寄存器DPH、DPL使用。 2. 專用寄存器的字節(jié)尋址 注意： （1）21個可字節(jié)尋址的專用寄存器是不連續(xù)地分散在內部RAM高128單元之中，共83個可尋址位。盡管還剩余許多空閑單元，但用戶并不能使用。 在22個專用寄存器中，

28、唯一一個不可尋址的PC。PC不占據(jù)RAM單元，它在（2）物理上是獨立的，因此是不可尋址的寄存器。 （3）對專用寄存器只能使用直接尋址方式，書寫時既可使用寄存器符號，也可使用寄存器單元地址。 MCS-51的寄存器在片內RAM都有映像地址。使用時，既可用寄存器名，也可用對應單元地址。 字節(jié)地址 位地址 字節(jié)地址 2.2.3 堆棧操作 1、堆棧類型： 向上生長型（向地址增大的方向生成）：MCS—51系列 向下生長型（向地址較低的方向生成）：MCS—96系列 2、堆棧指針SP （8位）： MCS—51系列的堆棧是按“先進后出”原則存取數(shù)據(jù)的存儲區(qū)。 MCS—51

29、堆棧設在片內RAM區(qū)。 數(shù)據(jù)入棧時：先SP自動加1，后寫入數(shù)據(jù)，SP始終指向棧頂?shù)刂贰? ——“先加后壓” 數(shù)據(jù)出棧時：先讀出數(shù)據(jù)，后SP自動減1，SP始終指向棧頂?shù)刂贰? ——“先彈后減” 復位時 SP=07H。但在程序設計時應將SP值初始化為30H以后，以免占用寶貴的寄存器區(qū)和位地址區(qū)。 2.2.4 內部程序存儲器 80C51內有4KB ROM，其地址為0000H～0FFFH（內部ROM）。 其中0000H～0002H是系統(tǒng)的啟動單元。 系統(tǒng)復位后(PC)＝0000H，開始取指令執(zhí)行程序。 如果不從0000H開始，應存放一

30、條無條件轉移指令，以便直接轉去執(zhí)行指定的程序。 作用： （1）用來存放固化了的用戶程序，取指地址由程序計數(shù)器PC給出，PC具有自動加1的功能； （2）固化一片數(shù)據(jù)區(qū)，存放被查詢的表格和參數(shù)等。 中斷入口：0003H～0023H 0003H～000AH 外部中斷0（INT0）中斷地址區(qū) 000BH～0012H 定時器/記數(shù)器0（T0）中斷地址區(qū) 0013H～001AH 外部中斷1（INT1）中斷地址區(qū) 001BH～0022H 定時器/計數(shù)器1（T1）中斷地址區(qū) 0023H～002AH 串行（RI/TI）中斷地址區(qū) 中斷服務程序存放方法： （1）從中斷地址區(qū)首地址開

31、始，在中斷地址區(qū)中直接存放； （2）從中斷地址區(qū)首地址開始，存放一條無條件轉移指令，以便中斷響應后，通過中斷地址區(qū)，再轉到中斷服務程序的實際入口地址區(qū)去。 程序存儲器保留的單元： 保留的存儲單元 存儲單元 保留目的 0000H～0002H 復位后初始化引導程序 0003H～000AH 外部中斷0 000BH～0012H 定時器0溢出中斷 0013H～001AH 外部中斷1 001BH～0022H 定時器1溢出中斷 0023H～002AH 串行口中斷 002BH 定時器2中斷（8052才有） 2.2.5 存儲器結構特點 普林斯頓結構： 程序和數(shù)據(jù)共用一

32、個存儲器邏輯空間，統(tǒng)一編址。 哈佛結構： 程序與數(shù)據(jù)分為兩個獨立存儲器邏輯空間，分開編址。 物理上4個存儲器地址空間： 片內程序存儲器 片外程序存儲器 片內數(shù)據(jù)存儲器 片外數(shù)據(jù)存儲器 邏輯上3個存儲器地址空間： 64KB 程序存儲器 256B 片內數(shù)據(jù)存儲器 64KB 片外數(shù)據(jù)存儲器 存儲器： MCS—51的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器是分開的（屬于哈佛結構）

33、，地址空間重疊，最大可擴展到64KB。 1、程序存儲器ROM （1）8031內部無程序存儲器 由于8031無片內程序存儲器，需外接，因此，端必須外接低電平。 （2）8051、8751內部有4KB ROM/EPROM： =0，使用外部程序存儲器； =1，使用內部程序存儲器4KB空間，當PC的值超過4KB范圍時，自動轉向外部程序存儲器。 2、數(shù)據(jù)存儲器RAM （1）內部RAM中低128B，00H～7FH； （2）外部RAM，可擴至64KB，0000H～FFFFH 2.3 并行輸入/輸出口電路 MCS—51共有四個8位的雙向并行I/O口，分別記作P0、P1、

34、P2和P3。實際上它們已被歸入專用寄存器之列。 口是一個綜合概念，是一個集數(shù)據(jù)輸入緩沖、數(shù)據(jù)輸出驅動及鎖存等多項功能為一體的I/O電路。對于口有時也稱為端口。 P0口： 一個數(shù)據(jù)輸出鎖存器和兩個三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器。 一個多路轉接電路MUX在控制信號的作用下， MUX可以分別接通鎖存器輸出或地址/數(shù)據(jù)線。當作為通用的I/O口使用時，內部的控制信號為低電平，封鎖與門將輸出驅動電路的上拉場效應管（FET）截止，同時使MUX接通鎖存器~Q端的輸出通路。 P1口： 作通用I/O口使用，所以在電路結構上與P0口有一些不同之處。首先它不再需要多路轉接電路MUX

35、，其次是電路的內部有上拉電阻。與場效應管共同組成輸出驅動電路。作為輸出口使用時，已能向外提供推拉電流負載，無需再外接上拉電阻。 P2口： P2口電路中比P1口多了一個多路轉換電路MUX，這又正好與P0口一樣。P2口也可以作為通用I/O口使用。這時多路轉接開關倒向鎖存器的Q端。但通常應用情況下，P2口是作為高位地址線使用，此時多路轉接開關應倒向相反方向。 P3口： P3口的特點在于為適應引腳信號第二功能的需要。 對于第二功能為輸出的信號引腳，當作為I/O使用時，第二功能信號引線應保持高電平，與非門開

36、通，以維持從鎖存器到輸出端數(shù)據(jù)輸出通路的暢通。 當輸出第二功能信號時，該位的鎖存器應置“1”，使與非門對第二功能信號的輸出是暢通的，從而實現(xiàn)第二功能信號的輸出。 P3各口線與第二功能表 口線 替代的第二功能 P3.0 RXD（串行口輸入） P3.1 TXD（串行口輸出） P3.2 INT0（外部中斷0輸入） P3.3 INT1（外部中斷1輸入） P3.4 T0（定時器0的外部輸入） P3.5 T1（定時器1的外部輸入） P3.6 WR（片外數(shù)據(jù)存儲器“寫選通控制”輸出） P3.7 RD（片外數(shù)據(jù)存儲器“讀選

37、通控制”輸出） 端口小結： （1）系統(tǒng)總線： 地址總線（16位）：P0（地址低8位）、P2口（地址高8位） 數(shù)據(jù)總線（8位）：P0口（地址/數(shù)據(jù)分時復用，借助ALE） 控制總線（6根）：P3口的第二功能和9、29、30、31腳； （2）供用戶使用的端口：P1口、部分未作第二功能的P3口； （3）P0口作地址/數(shù)據(jù)時，是真正的雙向口，三態(tài)，負載能力為8個LSTTL電路；P1～P3是準雙向口，負載能力為4個LSTTL電路。 （4）P0～P3在用作輸入之前必須先寫“1”，即： （P0）=FFH ～（P3）=FFH 。 2.4 電路與時序 2.

38、4.1 時鐘電路 振蕩源（OSCillation） 時鐘頻率范圍要求在1.2MHz～12MHz之間。 1．內部時鐘方式：內部一個高增益反相放大器與片外石英晶體或陶瓷諧振器構成了一個自激振蕩器。 晶體振蕩器的振蕩頻率決定單片機的時鐘頻率。 2．外部時鐘方式：外部振蕩器輸入時鐘信號。 1 。 。 XTAL1 單片機 XTAL2 外部時鐘源 +5V XTAL1 單片機 XTAL2 內部時鐘方式 外部時鐘方式 2.4.2 時序定時單位 時鐘周期：振蕩頻率的倒數(shù)。 機器周期：完成一個基本操作所需要的時間。

39、 一個機器周期由12個時鐘周期組成。 指令周期：一條指令的執(zhí)行時間。 以機器周期為單位：可包含1個～4個機器周期。 思考題： 設應用單片機晶振頻率為12MHz，問機器周期為多少？指令周期分別為多少？ 解： fosc=12MHz MC=12/ fosc =12/12MHz =1μs 2.4.3 典型指令時序 MCS—51采用定時控制方式，因此它有固定的機器周期。規(guī)定一個機器周期的寬度為6個狀態(tài)。由于一個狀態(tài)又包括兩個拍節(jié)，因此一個機器周期總共有12個拍節(jié)，分別記作S1P1、S1P2……S6P2。 振蕩脈沖并

40、不直接使用，由XTAL2端送往內部時鐘電路（fosc）： 經(jīng)過2分頻，向CPU提供2相時鐘信號P1和P2（f拍節(jié)= 1/2 fosc）； 再經(jīng)3分頻，產(chǎn)生ALE時序（fALE = 1/6 fosc）； 經(jīng)過12分頻，成為機器周期信號（MC = 12 /fosc），如下圖所示。 需要指出的是，CPU的運算操作在P1期間，數(shù)據(jù)傳送在P2期間。 （80C51） （80C51） （80C51） 幾種典型指令的取指和執(zhí)行時序 通常，每個機器周期，ALE兩次有效，第1次發(fā)生在S1P2和S2P1期間，第2次在S4P2和S5P1期間。 單周期指令的執(zhí)行 始于S1P2，這時操作碼被鎖

41、存到指令寄存器內，讀出下字節(jié)（應為下一個操作碼）是不予考慮的，且程序計數(shù)器PC并不增量。 訪問外部數(shù)據(jù)存貯器的指令MOVX的時序，它是一條單字節(jié)雙周期指令。在第1機器周期S5開始時，送出外部數(shù)據(jù)存貯器的地址，隨后讀或寫數(shù)據(jù)。讀寫期間在ALE端不輸出有效信號，在第2機器周期，即外部數(shù)據(jù)存貯器已被尋址和選通后，也不產(chǎn)生取指操作。 MCS—51單片機時序： 可通過測量ALE確定CPU是否工作，ALE有時鐘的特點。 2.5 工作方式 復位、程序執(zhí)行、單步執(zhí)行、掉電保護、低功耗以及EPROM編程和校驗等六種工作方式。 2.5.1 復位方式和復位電路 RST引腳是復位信號的輸入端，

42、復位信號是高電平有效，其有效時間應持續(xù)24個振蕩脈沖周期（即二個機器周期）以上。 例：若使用頻率為6MHz的晶振，則復位信號持續(xù)時間應超過____才能完成復位操作。 解： fosc=6MHz MC=12/ fosc =12/6MHz=2μs t = 4μs 上電自動復位和按鍵手動復位： ? 上電自動復位——通過電容充電來實現(xiàn)的，Vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位。 ? 按鍵脈沖復位——利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的。 一些寄存器的復位狀態(tài) 寄存器 復位狀態(tài) 寄存器 復位狀態(tài) PC 0000H TCON 00H ACC 00H

43、 TL0 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0～P3 FFH SCON 00H IP 000000B SBUF 不定 IE 0000000B PCON 00000B TMOD 00H 2.5.2 程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式。 由于復位后PC=0000H，因此程序執(zhí)行總是從地址0000H開始，但一般程序并不是真正從0000H開始，為此就得在0000H開始的單元中存放一條無條件轉移指令，以便跳轉到實際程序的入口去執(zhí)行。 2.5.3

44、 掉電保護方式 單片機系統(tǒng)在運行過程中，如發(fā)生掉電故障，將會丟失RAM和寄存器中的程序和數(shù)據(jù)，其后果有時是很嚴重的。 掉電保護處理——先把有用信息轉存，然后再啟用備用電源維持供電。 信息轉存： 所謂信息轉存是指當電源出現(xiàn)故障時，應立即將系統(tǒng)的有用信息轉存到內部RAM中。信息轉存是通過中斷服務程序完成的。 系統(tǒng)中設置一個電壓檢測電路，一旦檢測到電源電壓下降，立即通過INT0/1產(chǎn)生外部中斷請求，中斷響應后執(zhí)行中斷服務程序，并將有用信息送內部RAM中保護起來，即通常所說的“掉電中斷”。 掉電后時鐘電路和CPU皆停止工作，只有內部只RAM單元和專用寄存器繼續(xù)工作，以保持其內容。

45、 2.5.4 80C51的低功耗方式 8051掉電保護方式實際上就是低功耗方式。 CHMOS的80C5I卻有兩種低功耗方式。 即待機方式和掉電保護方式。 待機方式和掉電方式都是由專用寄存器PCON（電源控制寄存器）來控制的。 1、待機方式： 待機方式——振蕩器仍然運行。并向中斷邏輯、串行口和定時器/計數(shù)器電路提供時鐘，CPU不能工作，與CPU有關的如SP、PC、PSW、ACC以及全部通用寄存器也都被“凍結”在原狀態(tài)。 中斷方法退出待機方式。中斷的同時，PCON.0被硬件自動清0，單片機就退出待機方式而進入正常工作方式。其實在中斷服務程序只需中安排一條RETI指令，就可以使單片機恢

46、復正常工作后返回斷點繼續(xù)執(zhí)行程序。 2、掉電保護方式： PCON的PD位控制單片機進入掉電保護方式。因此對于象80C51這樣的單片機。在檢測到電源故障時，除進行信息保護外、還應把PCON.1位置“1”，使之進入掉電保護方式。此時單片機一切工作都停止，只有內部RAM單元的內容被保存。 80C51單片機除進入掉電保護方式的方法與8051不同之外，還有備用電源由VCC端引入的特點。VCC正常后，硬件復位信號維持10ms即能使單片機退出掉電方式。 最小應用系統(tǒng)： 基本的單片機控制電路板： 動作選擇按

47、鈕 紅外線傳感器 89C2051單片機 復位按鈕 電源指示燈 小結： 1、介紹單片機的編程結構和內部邏輯結構及性能。 2、學習了單片機存儲器結構特點、內部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的結構和工作原理。 3、單片機的4個8位并行端口P0、P1、P2和P3各自的口電路邏輯和功能。 4、單片機的時鐘電路和時序以及單片機的6種工作方式。 練習題： ? （一）問答題 ? （二）判斷題 ? （三）填空題 ? （四）選擇題 第3章 指令系統(tǒng) 一、教學要求： 了解：單片機的尋址方式和指令系統(tǒng)功能，特別是其位尋址功能。 掌握：各種尋址方式，常用指令的功能和使

48、用方法及匯編語言程序設計方法。注意幾個中斷入口地址在程序存儲器中的位置，注意16位數(shù)據(jù)指針DPTR和兩個8位數(shù)據(jù)R0、R1指針的使用方法。 二、教學內容： 3.1 單片機指令格式和尋址方式 3.2 單片機指令分類介紹 3.3 單片機指令匯總 三、教學重點： 各種尋址方式，常用指令的功能和使用方法及匯編語言程序設計方法。 四、教學難點： 注意幾個中斷入口地址在程序存儲器中的位置，注意16位數(shù)據(jù)指針DPTR和兩個8位數(shù)據(jù)指針R0、R1的使用方法。 五、建議學時：3學時。 六、教學內容： 3.1 指令格式和尋址方式 一、匯編語言指令格式： [標號：]操作碼 操作

49、數(shù)1，操作數(shù)2 [；注釋] 換行表示一條指令結束。 例： LOOP： MOV A，#40H ；取參數(shù) 1、標號：指令的符號地址。 2、操作碼：指明指令功能。 3、操作數(shù)：指令操作對象。 4、注釋行：說明指令在程序中的作用。 操作碼和操作數(shù)是指令主體。 MOV—move 傳送 XCH—exchange 交換 ANL—and logic 與邏輯運算 XRL—exclusive or 異或運算 MUL—multiply 乘法 RR—rotate right 右循環(huán) SJMP—short jump 短跳轉 RET—re

50、turn 子程序返回 二、機器語言指令格式： 操作碼 [操作數(shù)1] [操作數(shù)2] 有單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令。 匯編語言指令中操作碼和操作數(shù)是指令主體，稱為指令可執(zhí)行部分，指令表中可查出對應指令代碼。 舉例： 匯編語言： 機器語言： MOV A，R0 E8H MOV R6，#32H 7E 32H MOV 40H，#64H 75 40 64H 三、指令尋址方式： （一）操作數(shù)類型： 位（bit）─ 位尋址區(qū)中的一位二進制數(shù)據(jù) 字節(jié)（Byte）─ 8位二進制數(shù)據(jù) 字 （Word）─ 16位雙字節(jié)數(shù)據(jù) （二）尋址方式： 1、立即尋址

51、方式： 指令中給出實際操作數(shù)據(jù)（立即數(shù)），一般用于為寄存器或存儲器賦常數(shù)初值。 舉例： 8位立即數(shù)： MOV A，#40H ；A←40H 16位立即數(shù)： MOV DPTR，#2100H ；DPTR←2100H 2、直接尋址方式： 指令操作數(shù)是存儲器單元地址，數(shù)據(jù)放在存儲器單元中。 MOV A，40H ；A←(40H) 例：設存儲器兩個單元的內容如圖所示，執(zhí)行指令 MOV A，40H 后 A = ？ 41H 78H 40H 56H 直接尋址方式對數(shù)據(jù)操作時，地址是固定值，而地址所指定的單元內容為變量形式。

52、 思考題： 直接尋址方式指令和立即尋址方式指令的形式有什么不同？ 3、寄存器尋址方式： 指令操作數(shù)為寄存器名，數(shù)據(jù)在寄存器中。 例：MOV A，R0 ；A←（R0） 設指令執(zhí)行前 A=20H，R0=40H，執(zhí)行指令后，A= ？ ，R0 = ？ 4、寄存器間接尋址方式： 指令的操作數(shù)為寄存器名，寄存器中為數(shù)據(jù)地址。 存放地址的寄存器稱為間址寄存器或數(shù)據(jù)指針。 例：MOV A，@R0 ；A←((R0)) 設指令執(zhí)行前 A=20H，R0=40H，地址為40H存儲器單元內容如圖所示。執(zhí)行指令后，A= ？ R0 = ？ (40H)= ？

53、 41H 67H R0→ 40H 34H 34H 5、變址間接尋址方式： 數(shù)據(jù)在存儲器中，指令給出的寄存器中為數(shù)據(jù)的基地址和偏移量。 數(shù)據(jù)地址 = 基地址 + 偏移量。 說明：1、只對程序存儲器； 2、指令形式：MOVC A，@A+DPTR MOVC A，@A+PC JMP @A+DPTR 例：MOVC A，@A+DPTR ；A←((A+DPTR)) 設指令執(zhí)行前 A=09H，DPTR=2000H，存儲器單元內容如圖

54、所示。執(zhí)行指令后，A= ？ DPTR= ？ 6、位尋址方式： 指令給出位地址。一位數(shù)據(jù)在存儲器位尋址區(qū)。 （1）內部RAM中的位尋址區(qū)：字節(jié)地址為20H～2FH； （2）專用寄存器的可尋址位：11個（83位） 表示方法：1）直接使用位地址；如：PSW的位6可表示為0D6H 2）位名稱表示； 或AC 3）字節(jié)地址加位數(shù)表示； 或0D0H.6 4）專用寄存器符號加位數(shù)表示。

55、 或PSW.6 例： MOV C，40H ；Cy←（位地址40H） 設指令執(zhí)行前 Cy=1，位地址40H存儲器單元如圖，執(zhí)行指令后，Cy= ？ 11010110 01100010 29H 011001100010 28H 11010110 位尋址區(qū) 7、相對尋址方式： 目的地址=轉移指令地址+轉移指令字節(jié)數(shù)+rel （rel為偏移量） 當前PC值加上指令中規(guī)定的偏移量rel，構成實際的操作數(shù)地址。 例： SJMP rel 操作：跳轉到的目的地址 = 當前16位PC值 + rel 注意： 1）“當

56、前PC值”指程序中下一條指令所在的首地址，是一個16位數(shù)； 2）符號“rel”表示“偏移量”，是一個帶符號的單字節(jié)數(shù)，范圍是：-128～+127(80H～7FH)。 在實際編程中，“rel” 通常用標號代替。 3.2 指令分類介紹 指令功能分類： 數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)操作、布爾處理、程序控制。 3.2.1 數(shù)據(jù)傳送指令 實現(xiàn)寄存器、存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送。 一、內部傳送指令： 片內數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)傳送。 二、外部傳送指令： 片外數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)傳送。 三、交換指令： 片內數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)傳送。 四、堆棧操作指令： 片內數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)傳送。 五、查表指令： 程序存儲器

57、數(shù)據(jù)傳送。 (一)內部傳送指令： 實現(xiàn)片內數(shù)據(jù)存儲器中數(shù)據(jù)傳送。 指令格式： MOV 目的操作數(shù)，源操作數(shù) 尋址方式：立即尋址、直接尋址、寄存器尋址、寄存器間址。 MOV A，Rn ；A←(Rn)，Rn=R0～R7 MOV A，direct ；A←(direct) MOV A，@Ri ；A←((Ri))，Ri=R0、R1 MOV A，#data ；A←data MOV Rn, direct ；Rn←(direct) MOV @Ri, direct ；(Ri)←(direct) MOV direct1，direct2 ；(direct1

58、)←(direct2) MOV DPTR，#d1d2 ；DPTR←d1d2 指令機器碼： 11101rrr E8～EF 11100101 n E5 n 1110011i E6、E7 01110100 d74d 10101rrr n 1010011i n 85 n1 n2 90 d1 d2 習題：找出配對指令，實現(xiàn)反向傳送。 例：順序執(zhí)行下列指令序列，求每一步執(zhí)行結果。 MOV A，#30H MOV 4FH，A MOV R0，#20H MOV @R0，4FH MOV 21H，20H 習題：用兩種尋址方式實現(xiàn)，將片內RAM60H

59、單元的數(shù)據(jù)傳送給累加器A。 解： MOV A，#60H（） 或 MOV A，60H （√） 結果A=32H 或 MOV R0，60H MOV A，@R0 （） 或 MOV R0，#60H （√） MOV A，@R0 說 明： 1. 一條指令中不能同時出現(xiàn)兩個工作寄存器： 非法指令： MOV R1，R2 MOV R2，@R0 2. 間址寄存器只能使用 R0、R1。 非法指令：MOV A，@R2 3. SFR區(qū)只能直接尋址，不能用寄存器間接尋址。 非法指令：MOV R0，#80H

60、 MOV A，@R0 4. 指令表(P70)： B：指令字節(jié)數(shù)，M：機器周期數(shù) 只有指令表中的指令才有對應指令代碼，計算機才能執(zhí)行。編程時，不能隨意創(chuàng)造發(fā)明指令。 （二） 外部RAM傳送指令：(MOVX) 實現(xiàn)片外數(shù)據(jù)存儲器和A累加器之間的數(shù)據(jù)傳送。 指令格式：MOVX 目的操作數(shù)，源操作數(shù) 尋址方式：片外數(shù)據(jù)存儲器用寄存器間址方式。 1、 DPTR作16位數(shù)據(jù)指針，尋址64KB片外RAM空間： MOVX A，@DPTR ；A←((DPTR)) （讀） MOVX @DPTR，A ；(DPTR)←A （寫） 2、Ri作8位數(shù)據(jù)指針，尋址256

61、B片外RAM空間（頁內尋址）： MOVX A，@Ri ；A←((P2Ri)) （讀） MOVX @Ri，A ；(P2Ri)←A （寫） 例：實現(xiàn)片外數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)傳送（2000H)(2100H)。 MOV DPTR，#2000H MOVX A，@DPTR MOV DPTR，#2100H MOVX @DPTR，A 片外數(shù)據(jù)存儲器不能直接尋址。下列為非法指令： MOVX A，2000H MOVX 2100H，2000H 思考題：為什么對DPTR的數(shù)據(jù)傳送使用內部傳送指令？ 習題：將片外RAM 0000H單元

62、的數(shù)據(jù)傳送到片內RAM的60H單元。 (三) 外部ROM傳送指令（查表指令）：(MOVC) 實現(xiàn)從程序存儲器讀取數(shù)據(jù)到A累加器，只能使用變址間接尋址方式。 多用于查常數(shù)表程序，可直接求取常數(shù)表中的函數(shù)值。 1．DPTR為基址寄存器： MOVC A，@A+DPTR ；A←((A+DPTR)) （讀） 查表范圍為 64KB 程序存儲器任意空間，稱為遠程查表指令 。 2．PC為基址寄存器： MOVC A，@A+PC ；A←((A+PC)) （讀） 常數(shù)表只能在查表指令后256B范圍內，稱為近程查表指令。 P49： 例1：以查表方法把累加器中的十六進制

63、數(shù)轉換為ASCII碼，并送回累加器中。 程序如下： 指令地址 源程序 ORG 2000H 2000 HBA：INC A 2001 MOVC A，@A+PC 2002 RET 2003 DB 30H 2004 DB 31H 2005 DB 32H …… 2011 DB 45H 2012 DB

64、46H 例2： 查表法求Y=X2。設X(0≤X≤15)在片內RAM的20H單元中，要求查表求Y，存入片內RAM 21H單元。 方法1： 程序： ORG 1000H SQU： MOV DPTR，#3000H ；確定表首地址（基地址） MOV A，20H ；取 X（變量：偏移量） MOVC A，@A+DPTR ；查表求Y=X2 MOV 21H，A ；保存Y（結果） RET ；子程序結束 …… ；其它程序段 ORG

65、 3000H ；常數(shù)表格首地址 TAB： DB 00，01，04，09，… ，225 ；平方表 END 方法2： 指令地址 源程序 ORG 1000H ；程序起始地址 1000H SQU：MOV A，20H ；取X 1002H ADD A，#3 ；修正偏移量 1004H MOVC A，@A+PC ；查表求Y=X2 （PC=1005H） 1005H MOV 21H，A ；

66、存結果 1007H RET ；子程序結束 1008H TAB：DB 00，01，04 … ；平方表 100BH DB 09，… ，225 思考題：當0≤X≤255時，如何用查表法編程求Y=X2。 （四） 交換指令： 實現(xiàn)片內RAM區(qū)的數(shù)據(jù)雙向傳送。 1. 字節(jié)交換指令 XCH A，Rn ；A←→(Rn) XCH A，@Ri ；A←→((Ri)) XCH A，direct ；A←→(direct) 例：設A= 29H，執(zhí)行指令 XCH A，2AH后，A= ？ ， (2AH)= ？ 習題：將片內RAM60H單元與61H單元的數(shù)據(jù)交換。 XCH 60H，61H； ←對嗎？ 不對?。? 2. 半字節(jié)交換指令： XCHD A，@Ri ；A0～3 ((Ri))0～3 SWAP A ；A4～7 A0～3 例：將片內RAM 2AH和2BH單元中的ASCII碼