单片机技术及应用
课程要求：应用MCS－51汇编语言进行软件设计。 应用MCS－51及有关芯片进 行硬件接口设计。
教 材：单片微型机原理、应用与实验 张友德等 复旦大学出版社
课程安排：
第一章：MCS－51系统结构 3学时
第三章： MCS－51 指令系统 12学时
第四章： MCS－51 定时器/计数器 2学时
第五章： MCS－51 中断系统 2学时
第六章： MCS－51 串行接口 3学时
第七章： MCS－51 系统扩展 5学时
第八章： MCS－51 数码显示器和键盘接口 8学时
单片机技术及应用
单片微机又称微控制器 Single-Chip Microcomputer
它在一块芯片上集成了CPU、存储器、I/O接口等各种功能部件，以构成一种最基本的微型计算机。
单片机具有集成度高、体积小、可靠性高、价格低、面向控制等特点，因而在工业控制、智能仪表和家用电器等领域得到了广泛的应用。
MCS-51系列单片机典型代表是8051、8751、8031
8051：内部含一个8位CPU，128个字节RAM，21个特殊功能寄存器，4K字节ROM，4个8位并行口，1个全双工串行口，2个16位定时器。它是一 个完整的计算机。 8751：它以4K字节的EPROM代替8051的4K字节ROM。
8031：它是内部无ROM的8051。
第一章 MCS-51系统结构
一、MCS-51的总体结构MCS-51的总体结构框图如图所示。
二、微处理器
微处理器由运算器和定时控制逻辑等部件构成，它是单片机内的核心部件。
1.运算器
由算术逻辑部件ALU、累加器A、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW、十进制调整电路以及布尔处理器等组成。运算器用来实现数据的算术逻辑运算、位处理和数据传送等操作。 2.定时控制逻辑 定时控制逻辑用来产生操作时序信号，它是单片机的心脏。 A．时钟电路： MCS-51芯片内有一个由反向放大器所构成的振荡电路。XTAL1为振荡电路的输入端，XTAL2为输出端。通常晶振频率为1·2MHZ～12MHZ 。 pstl
B．时序：
a．机器周期
机器周期是指CPU与存储器进行一次通信所需的时间。MCS-51的每个机器周期由6个S状态组成，每个状态周期由2个P节拍组成，每个节拍持续一个振荡器周期。若采用6MHZ的晶体振荡器，则每个机器周期为2μS。机器周期频率为F晶/12。
b．指令周期
指令周期是指执行一条指令所需的时间。在MCS-51的指令系统中，指令长度为1～4字节，其中单/双字节指令的指令周期为1～2，3字节指令的指令周期为2个机器周期，乘除指令的指令周期为4个机器周期，若采用6MHZ晶体振荡器，则指令执行时间分别为2μS、4μS、8μS。
c．指令的取指和执行时序
指令的取指和执行时序如图所示。其中ALE信号为允许地址锁存信号。通常，每个机器周期ALE两次有效。但在访问外部数据存储器的机器周期内，ALE信号只一次有效，因此ALE的频率是不稳定的。为了得到一个频率稳定的信号，通常要将ALE与读写信号(RD/WR)相或。ALE信号频率为F晶/6。
3.复位和复位电路
变量泵A.复位
在复位输入端加上高电平，MCS-51将被初始化复位，此时有关寄存器状态如下：
PC：0000H
SP：07H
PO-P3：FFH
A.B.PSW.IP.IE：00H
TMOD.TCON.TH0.TL0.TH1.TL1.SCON：00H
DPTR：0000H
RES端由高变低后，MCS-51将退出复位，从0000H开始执行程序。
B.复位电路
上电复位电路，手动复位电路，系统复位电路（专用芯片有MAX708）：
C.看门狗电路
看门狗电路是一个定时产生复位信号的电路。在正常工作情况下，软件不断产生复位定时器信号，看门狗电路无输出；一旦单片机由于干扰进入程序死循环后，看门狗电路将定时输出一RES信号，使系统复位，从而使程序脱离死循环。
电路分析：
软件通过P1.X定时产生脉冲，通过微分电路，定时使4060复位，从而Q14无输出，一旦程序跑非，则Q14有输出，使之产生RES复位信号。专用芯片有MAX691,24C021等。
三、存储器
单片机的程序存储器、内部数据存储器、外部数据存储器的空间是相互独立的。程序存
储器用于存放编好的程序和数据表格。数据存储器用来作为数据缓冲器、堆栈、工作寄存器以及软件标志等。
四、输入/输出（I/O）口
MCS-51有四个双向的8位I/O口P0-P3。
1．P1口
P1口为准双向口，每一位的结构如图所示。它可独 立地用作输入线或输出线，作为输入线，必须将1写入口锁存器，使T1截止。
2．P3口
P3口为准双向口，每一位的结构如图所示。P3
口为双功能口。
第一功能：第2输出功能控制线为高，功能与P1口相同。
第二功能：口线锁存器为“1”状态，口线功能定义如下：(第2输出功能线电平取决于输出信号的高低)：
P3.0 RXD 串行输入口 P3.2 INTO 外中断入0
P3.1 TXD 串行输出口 P3.3 INT1 外中断入1
P3.4 T0 定时器0外入 P3.6 WR 外数据存储器写
P3.5 T1 定时器1外入 P3.7 RD 外数据存储器读
3．P2口
P2口为准双向口，每一位锁存器驱动的结构如图所示。 P2口可以作为I/O口使用，也可作为扩展系统的地址总线口使用，输出高8位地址。
4．P0口
P0口为三态双向口，每一位的结构如图所示。
对于8051/8751，它可作I/O口用，也可作地址、数据总线口；对于8031，它只能作地址、数据总线口。
五、MCS-51的引脚说明
MCS-51单片机采用40引脚双列直插方式封装，其引脚信号功能如下：
1．电源引脚
Vcc：(40)＋5V Vss：(20)接地
2．外接晶体引脚
XTAL1(19) XTAL2(18)
3．I/O引脚
P0.0 - P0.7 (39-32)
P1.0 - P1.7 (1-8)
P2.0 - P2.7 (21-28)
P3.0 - P3.7 (10-17)
4．控制引脚
RST(9)：复位信号，输入、高电平有效。
ALE(30)：允许地址锁存信号，输出，高电平有效。用于锁存外存地址的低8位字节，它还可作为外输出的时钟，其频率约为振荡器晶振频率的1/6。
PSEN(29)：外程序存储器读选通信号，输出，低电平有效。
EA(31)：程序存储器内外选择信号，输入。
EA为高时：
PC值为0000～0FFFH：访内部程序存储器。
PC值为1000～FFFFH：访外部程序存储器
EA为低时：只访外部程序存储器
附：P0, P2口作为地址/数据总线口使用时，其总线结构如图所示：
第二章 MCS-51存储器组织
MCS-51系列单片机的存储器组织结构如图所示。
一、程序存储器
程序存储器空间为64K。扩充的外程序存储器与 MCS-51的连接电路如图所示。
二、内部数据存储器
MCS-51单片机内部有128个字节数据存储器，内部RAM的编址为00H-7FH。不同的地址区域，其功能不完全相同，功能结构如表所示。
7FH | 数据缓冲区 |
光触媒涂料30H |
2FH | 位寻址区00-7FH |
20H |
1FH | 工作寄存区3 R0-R7 |
18H |
17H | 工作寄存区2 R0-R7 |
10H |
0FH | 工作寄存区1 R0-R7 |
08H |
金属表面喷涂07H | 工作寄存区0 R0-R7 |
00H |
| |
1．寄存器区
工作寄存器和数据存储器统一编址。当前程序使用的工作寄存器是由程序状态字PSW的3、4位确定的。PSW的状态和工作寄存器区对应关系如表所示：CPU通过程序修改PSW中的3、4位状态，就能任选一个工作寄存区，这使单片机具有快速保护现场之功能。
2．位寻址区
内部RAM的20H-2FH为位寻址区，这16个单元的每一位有一个8位地址，其范围为00H-7FH.位寻址区的每一位都可视作软件触发器，可由程序直接进行位处理。同样，位寻址区的RAM单元也可作为一般存储单元使用。
3．堆栈区
MCS-51的堆栈原则上可设在RAM的任意区域内，但一般设在30H-7FH范围内。其栈底位置由SP指出。
4．数据缓冲区
内部RAM的30H-7FH单元可作为一般存储单元使用。
三、特殊功能寄存器
MCS-51的I/O锁存器、定时器、串行口数据缓冲器以及各种控制寄存器和状态寄存器都以
特殊功能寄存器形式出现。它们离散分布在80H-FFH地址空间，其特殊功能寄存器的地址如下表所示。
PSW.4 | PSW.3 | 当前使用0 的工作寄存器区 |
0 | 0 | 0 区 |
0 | 1 | 1 区 |
1 | 0 | 2 区 |
1 | 1 | 3 区 |
| | |
P0 | 80H | 口0 | P1 | 90H | 口1 |
SP | 81H | 栈指针 | SCON | 98H | 串行口控制寄存器 |
DPL | 82H | 数据指针低 | SBUF | 99H | 串行口数据寄存器 |
DPH | 83H | 数据指针高 | P2 | A0H 圆弧齿同步带 | 口2 |
PCON | 87H | 掉电控制寄 | IE | A8H | 中断使能控制寄 |
TCON | 88H | 定时器控制寄 | P3 | B0H | 口3 |
TMOD | 89H | 定时器方式寄 | IP | B8H | 中断优先级寄存器 |
TL0 | 8AH | 定时器 0低寄 | PSW | D0H | 程序状态字 |
TL1 | 8BH | 定时器 1低寄 | ACC | E0H | 累加器 |
TH0 | 8CH | 定时器 0高寄 | B | F0H | 寄存器(用于×÷中) |
地震的模拟实验TH1 | 8D | 定时器 1高寄 | | | |
| | | | | |
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