第3章--51系列单片机(1)(2课时).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单片机原理与技术,第三章,51,系列单片机：结构和原理,王浩 副教授,中南大学信息科学与工程学院,1,本节内容,什么是单片机,单片机的特点和应用,MCS-51,单片机的硬件结构,MCS-51,单片机的工作过程,MCS-51,单片机开发最小系统,2,微型计算机硬件结构,运 算 器,控 制 器,CPU,存 储 器,输,入,接,口,电路,输,入,设,备,输,出,设,备,输,出,接,口,电路,硬件系统,内部结构,CPU,(,C,entral,P,rocessing,U,nit),3,硬件系统,构成微机的实体和装置,软件系统,微机系统所使用的各种程序的总称,软件系统,与,硬件系统,共同构成实用的微机系统，两者是,相辅相成、缺一不可,的。,软,件,系,统,+,微型计算机系统,运 算 器,控 制 器,CPU,存 储 器,输,入,接,口,电路,输,入,设,备,输,出,设,备,输,出,接,口,电路,硬件系统,微型计算机系统,4,CPU,输,入,设,备,输,出,设,备,软,件,系,统,+,微型计算机系统,硬件系统,输,入,接,口,设,备,输,出,接,口,设,备,运 算 器,控 制 器,存 储 器,单片机,是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机,单片机实质上就是一个,芯片,2,、单片微型计算机,5,单片机应用系统,单片机应用系统,单片机,接口电路及外设等,软件,硬件,单片机应用系统,:,由,硬件系统,和,软件系统,组成,硬件是,应用系统的基础,软件是在硬件的基础上,对其资源进行合理调配和使用,，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可,注：本课程的重点,1.,掌握单片机应用系统硬件原理的分析方法。,2.,掌握软件设计与调试的基本技能。,6,本节内容,什么是单片机,单片机的特点和应用,MCS-51,单片机的硬件结构,MCS-51,单片机的工作过程,MCS-51,单片机开发最小系统,7,二、单片机的特点及应用,1.,单片机的特点,体积小，重量轻,电源单一，功耗低,功能强，价格低,运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高,早期的单片机都是,8,位或,4,位的。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了,16,位单片机。主流还是,8,位。,8,2.,单片机应用,工业方面,民用方面,仪表方面,电讯方面,数据处理方面,汽车方面,9,3.,单片机种类,目前,8,位,单片机仍是单片机的,主流,机型；,常用单片机,：,单片机的发展经历了由,4,位,机到,8,位,机,再到,16,位,机,32,位机的发展过程,PIC,单片机,EMC,单片机,ATMEL,单片机,(51,单片机,),PHLIPIS 51PLC,系列单片机,(51,单片机,),HOLTEK,单片机,TI,公司单片机,(51,单片机,),10,本节内容,什么是单片机,单片机的特点和应用,MCS-51,单片机的硬件结构,MCS-51,单片机的工作过程,MCS-51,单片机开发最小系统,11,三、,MCS-51,单片机硬件结构,时钟电路,CPU,ROM,RAM,T0 T1,中断系统,串行接口,并行接口,P0 P1 P2 P3,TXD RXD,INT0 INT1,定时计数器,结构框图,中央处理器,CPU,：,8,位，运算和控制功能,内部,RAM,：,共,256,个,RAM,单元，用户使用前,128,个单元，用于存放可读写数据，后,128,个单元被专用寄存器占用。,内部,ROM,：,4KB,掩膜,ROM,，用于存放程序、原始数据和表格。,定时,/,计数器：,两个,16,位的定时,/,计数器，实现定时或计数功能。,并行,I/O,口：,4,个,8,位的,I/O,口,P0,、,P1,、,P2,、,P3,。,串行口：,一个全双工串行口。,中断控制系统：,5,个中断源（外部中断,2,个，定时,/,计数中断,2,个，串行中断,1,个）,时钟电路：,可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率,6MHZ,和,12MHZ,12,1,、,8051,单片机的基本组成,中央处理器,CPU,：,8,位，运算和控制功能,内部,RAM,：,共,256,个,RAM,单元，用户使用前,128,个单元，用于存放可读写数据，后,128,个单元被专用寄存器占用。,内部,ROM,：,4KB,掩膜,ROM,，用于存放程序、原始数据和表格。,定时,/,计数器：,两个,16,位的定时,/,计数器，实现定时或计数功能。,并行,I/O,口：,4,个,8,位的,I/O,口,P0,、,P1,、,P2,、,P3,。,串行口：,一个全双工串行口。,中断控制系统：,5,个中断源（外中断,2,个，定时,/,计数中断,2,个，串行中断,1,个）,时钟电路：,可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率,6MHZ,和,12MHZ,13,2,、,MCS-51,单片机信号引脚简介,MCS-51,单片机的封装有,两种,形式,:,一种是,双列直插式,PDIP,(PLASTIC DIP),封装的形式，另一种是,方形封装形式,PLCC,(PLASTIC LEADED CHIP CARRIED),方形封装有,44,引脚，其中,4,个,NC,为空引脚。,HMOS,工艺的,80C51,单片机采用,40,引脚的,PDIP,封装，,CHMOS,工艺的单片机,80C51,除采用,PDIP,封装外，还采用,PLCC,封装形式。,40,引脚,PDIP,封装的,80C51,单片机引脚排列图如下图所示。,14,2,、,MCS-51,单片机信号引脚简介,P3,口线的第二功能,VCC,VSS,XTAL2,XTAL1,RST,P0.0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1.0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0,ALE,P3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,2,、振荡电路：,XTAL1,、,XTAL2,3,、复位引脚：,RST,4,、并行口：,P0,、,P1,、,P2,、,P3,7,、,ALE,：地址锁存控制信号,1,、电源线：,VCC(+5V)、VSS(,地,),EA,PSEN,5,、,EA,：访问程序存储控制信号,6,、,PSEN,：外部,ROM,读选通信号,RXD/TXD/INT0/INT1/T0/T1/WR/RD/,1234567891011121314151617181920,4039383736353433323130292827262524242221,8031,8051,8751,89C51,15,1234567891011121314,2827262524232221 201918171615,EPROM,2764,1234567891011121314,2827262524232221 201918171615,EPROM,2764,1234567891011121314151617181920,4039383736353433323130292827262524242221,1234567891011121314,2827262524232221 201918171615,RAM,6264,1234567891011121314,2827262524232221 201918171615,RAM,6264,3.,存储器,8031,8751,8051,89C51,片内,RAM,片内,ROM,256B,（字节）,4K,64K,64K,16,(1),程序存储器,程序,存储器,内部,外部,0000H,0FFFH,(4K),0000H,FFFFH,(64K),0000H,0FFFH,(4K),0000H,0001H,0002H,(PC),0000H,是程序执行的起始单元,在这三个单元存放一条无条件转移指令,中断,5,中断,4,中断,3,中断,2,中断,1,0003H,000BH,0013H,001BH,0023H,002BH,外部中断,0,定时器,0,中断,外部中断,1,定时器,1,中断,串行口中断,8,位,0FFFH,0FFEH,EA=1 EA=0,程序,存储器资源分布,中断入口地址,17,0000H,FFFFH,(64K),内部,外部,(2),数据存储器,数据,存储器,00H,FFH,7FH,80H,(,高,128B),(,低,128B),RAM,专用寄存器,00H,07H,08H,0FH,10H,17H,18H,1FH,0,区,R0,R7,R0,R7,R0,R7,R0,R7,1,区,2,区,3,区,工作寄存器区,可位寻址区,20H,2FH,7F 78,07 00,30H,7FH,数据缓冲区,/,堆栈区,内部,RAM,存储器,1 1,第,3,区,18H1FH,0 1,第,1,区,08H0FH,RS1 RS0,寄存器区,片内,RAM,地址,0 0,第,0,区,00H07H,1 0,第,2,区,10H17H,工作寄存器区,选择位,RS0,、,RS1,PSW,位地址,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P,18,MSB,Most Significant Bit,（最高有效位）,LSB,Least Significant Bit,（最低有效位）,单元地址,2FH,2EH,2DH,2CH,2BH,2AH,29H,28H,27H,26H,25H,24H,23H,22H,21H,20H,7F,77,6F,67,5F,57,4F,47,3F,37,2F,27,1F,17,0F,07,MSB,位地址,LSB,7E,76,6E,66,5E,56,4E,46,3E,36,2E,26,1E,16,0E,06,7D,75,6D,65,5D,55,4D,45,3D,35,2D,25,1D,15,0D,05,7C,74,6C,64,5C,54,4C,44,3C,34,2C,24,1C,14,0C,04,7B,73,6B,63,5B,53,4B,43,3B,33,2B,23,1B,13,0B,03,7A,72,6A,62,5A,52,4A,42,3A,32,2A,22,1A,12,0A,02,79,71,69,61,59,51,49,41,39,31,29,21,19,11,09,01,78,70,68,60,58,50,48,40,38,30,28,20,18,10,08,00,RAM,位寻址区位地址表,19,高128个单元,离散分布有,21,个特殊功能寄存器,SFR,。,11,个可以进行位寻址。,特别提示：对,SFR,只能使用直接寻址方式，书写时可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。,20,4,、并行输入,/,输出电路结构,P0.0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1.0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0,P3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,4,个,8,位并行,I/O,口：,P0,，,P1,，,P2,，,P3,；,均可作为双向,I/O,端口使用。,(1),特点：,P0,：,访问片外扩展存储器时，复用为低,8,位地址线和数据线,P2,：,高,8,位地址线。,P1,：,双向,I/O,端口,P3,：,第二功能,1234567891011121314151617181920,4039383736353433323130292827262524242221,8031,8051,8751,89C51,21,端口的功能,80C51,单片机有,4,个,8,位的双向并行输入,/,输出（,I/O,）端口，称为,P0,口、,P1,口、,P2,口和,P3,口。,1.P0,口,是一个,双功能,的,8,位并行,I/O,口,，,字节地址为,80H,，,位地址为,80H,87H,。可作输入,/,输出端口使用，又可作地址,/,数据总线分时传输低,8,位地址和,8,位数据。,2.,P1,口,是单一功能的,并行,I/O,口,，,字节地址为,90H,，,位地址为,90H,97H,。它只用作通用的数据输入,/,输出口。,3.,P2,口,是一个,双功能的,8,位并行,I/O,口,，,字节地址为,80H,，,位地址为,A0H,A7H,。可作通用的输入,/,输出口用，又可用作高,8,位地址总线。,4.,P3,口,是一个,双功能的,8,位并行,I/O,口,，,字节地址为,B0H,，,位地址为,B0H,B7H,，它的第一功能是通用输入,/,输出口，作第二功能用时，各引脚定义如下：,22,P0,结构与运作,P0,口的位电路结构由以下几个部分组成：,1,个输出锁存器，用于进行输出数据的锁存；,2,个三态输入缓冲器，分别用于锁存器和引脚数据的输入缓冲；,1,个多路开关,MUX,，它的一个输入来自锁存器，另一个输入是地址,/,数据信号的反相输出。在控制信号的的控制下能实现对锁存器输出端和地址,/,数据线之间的切换；,由两只场效应管组成的输出驱动电路。,23,P1,结构与运作,P1,口是一个准双向口，只作通用输入,/,输出口使用。除了无多路开关,MUX,之外，其输出驱动部分也与,P0,口不同,P1,口的位电路结构由以下几个部分组成：,一个数据输出锁存器，用于输出数据的锁存；,两个三态输入缓冲器，,BUF1,用于读锁存器，,BUF2,用于读引脚；,数据输出驱动电路，由场效应管,VT,和片内上拉电阻,R,组成。,24,P2,结构与运作,从图可见，,P2,口的位结构比,P1,口多了一个多路开关,MUX,。,P2,口的位电路结构由以下几个部分组成：,一个数据输出锁存器，用于输出数据的锁存；,两个三态输入缓冲器，,BUF1,用于读锁存器，,BUF2,用于读引脚；,一个多路开关,MUX,，它的一个输入来自锁存器的,Q,端，另一个输入来自内部地址的高,8,位；,数据输出驱动电路由非门,M,，场效应管,VT,和片内上拉电阻,R,组成。,25,P3,结构组成,P3,口是双功能,8,位输入,/,输出口，内部结构中增加了第二输入,/,输出功能，如图,2.13,所示。,P3,口的位电路结构由以下几个部分组成：,一个数据输出锁存器，用于输出数据的锁存；,3,个三态输入缓冲器，,BUF1,用于读锁存器，,BUF2,、,BUF3,用于读引脚和第二功能数据的缓冲输入；,数据输出驱动电路，由与非门,M,，场效应管,VT,和片内上拉电阻,R,组成。,26,5,、,MCS-51,单片机的复位,2.5.1,复位电路,复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位、手动按键复位，如下页图所示。,上电自动复位操作要求接通电源后自动实现复位操作。如下左图所示。,手动按键复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位，如下右图所示。,在,8C051,单片机的,RST,引脚上输入高电平并至少保持两个机器周期（即,24,个振荡周期）以上时，复位过程即可完成。如果,RST,引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态。,27,复位电路,28,单片机的复位状态,1.,程序计数器,PC,初始化为,0000H,，使单片机从,OOOOH,单元开始执行程序。在运行中，当单片机的程序受外界因素干扰陷入死循环或跑飞时，为摆脱困境，可将单片机复位，重新启动。,2.,复位也可使单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态。,29,单片机复位后,：,P0,P3,的端口锁存器被设置成,FFH,；,堆栈指针,SP,设置成,07H,；串行口的,SBUF,无确定值；,其它各专用寄存器包括程序计数器,PC,均被设置成,00H,；,片内,RAM,不受复位的影响，上电后,RAM,中的内容随机。,30,地址总线,（,Address Bus,简写,AB,）,地址线,A0,A15,共,16,位，,P2,口提供高,8,位地址,A8,A15,，,P0,口经地址锁存器提供低,8,位地址,A0,A7,。片外存储器可寻址范围达,64KB,（即,=65536,个字节）。,数据总线,(Data Bus,，简写,DB),地址线,D0-D7,共,8,位，由,P0,口提供，分时输送低,8,位地址（通过地址锁存器锁存）和,8,位数据信息。,控制总线,(Control Bus,，简写,CB),控制总线由,P3,口的第二功能 （,P3.6,）、,(P3.7),和,3,根独立的控制线 、,ALE,和 组成。,MCS-51,单片机的片外三总线结构,所谓总线,就是连接单片机与系统中各部件的一组公共的信号线。,31,本节内容,什么是单片机,单片机的特点和应用,MCS-51,单片机的硬件结构,MCS-51,单片机的工作过程,MCS-51,单片机开发最小系统,32,单片机的工作过程,1.,单片机在工作前，首先必须在存储器中装入程序。所谓程序，就是为了完成某项工作，将一系列指令有序地组合，而指令则是要求单片机执行某种操作的命令。,2.,指令分为操作码和地址码两个部分，操作码部分规定了单片机操作类型，而地址码部分一般是直接或间接地给出了参与操作的数据的存放地址，所以地址码也可以直接称为操作数。,3.,单片机完成每项工作，必须有序地执行一系列指令。单片机执行一条指令一般分为,取指令,和,执行指令,两个阶段。,从存储器中取出指令，并且对指令进行译码，以明确该指令执行何种操作，以及操作数的存放地址（即操作数存放在哪一个单元中），再根据这个地址获取操作数，这是,取指令阶段,。,按操作码指明的操作类型对获取的操作数进行操作（也可称为运算），这是,执行指令阶段,。,33,单片机的工作过程,4.,程序计数器（,Program Counter,简称,PC,）是一个,16,位的有自动加,1,功能的计数器。,PC,没有地址，是不可寻址的，因此用户不能对它进行读写。,16,位,PC,中的内容总是,CPU,将要执行的那条指令所存放的存储单元的首地址。,在单片机复位时，,PC,中的内容为,0000H,，指向第,1,条要执行的指令的首地址，在,CPU,从存储单元取指令的过程中，每取,1,个字节的内容，程序计数器,PC,就自动加,1,，在取完这条指令后，,PC,中的内容就是下一条要执行的指令所存放的存储单元的首地址。,5.,在实际应用中，有时,CPU,还要执行程序的转移、子程序的调用和中断响应等操作，那时,PC,中的内容不再是上述情况中简单的加,1,，而是根据不同的情况自动地被置入或修改成新的目的地址，从而改变程序的执行顺序。,34,指令,寄存器,译码,地址,译码,程序计数器,地址寄存器,累加器,A,运算器,存,储,器,内部数据总线,外部地址总线,AB,数据缓冲器,外部数据总线,DB,寄存器区,外部控制总线,CB,内部控制信号,时钟及清零,四、单片机的工作过程,取指过程,例,:,MOV A,#09H,74H,09H,;,把,09H,送到累加器,A,中,执行过程,PC=,0000H,0001H,0000H,0002H,0 1 1 1 0 1 0 0,0 0 0 0 1 0 0 1,(PC),(PC),0001H,0002H,0000H,外部控制总线,CB,取指过程,(PC),执行过程,35,单片机的几种工作方式,1,、程序执行方式,单片机上电复位后,从程序存储器的,OOOOH,单元开始执行程序,程序执行方式是单片机的基本工作方式。,2,、掉电保护方式,MCS-51,单片机设置有掉电保护措施，其保护措施是,:,单片机系统在运行中突然掉电故障时，先保存重要的数据，然后启用备用电源维持供电。,36,3,、低功耗方式,80C51,单片机有两种功耗节电方式：空闲方式（,idle mode,）和掉电方式（,power down mode,）。空闲方式和掉电方式都是由特殊功能寄存器中的电源控制寄存器,PCON,的有关控制位来控制的。,37,（,1,）空闲方式,使,PCON,中的,IDL,置,1,单片机系统就可进入空闲方式。在空闲方式下，振荡器仍然运行，,CPU,进入睡眠状态，所有外围电路（中断系统、串行口和定时,/,计数器）仍继续工作，但内部,RAM,和特殊功能寄存器中的数据保持在原状态不变。,空闲方式的退出可采用两种方式：中断方式和硬件复位方式。,38,（,2,）掉电方式,使,PCON,中的,PD,位置,1,（是运行程序中最后执行的指令）,单片机系统就可进入掉电方式。在掉电方式下，振荡器停止运行，但内部,RAM,和特殊功能寄存器中的数据保持在原状态不变,直到退出掉电方式。,退出掉电方式的惟一方法是硬件复位，复位要重新定义特殊功能寄存器，但不改变单片机片内,RAM,的内容。,在恢复正常工作水平后，才能启动硬件复位，而且复位信号必需维持足够的时间，允许振荡器重新启动并达到稳定。,39,本节内容,什么是单片机,单片机的特点和应用,MCS-51,单片机的硬件结构,MCS-51,单片机的工作过程,MCS-51,单片机开发最小系统,40,五、最小系统套件,（,1,）,.,实验板,41,（,2,）、下载线,42,（,3,）、电源,43,