單片機基本原理第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一對于內(nèi)部有ROM的芯片，根據(jù)情況外部可以擴展ROM，但內(nèi)部ROM和外部ROM共用64K存儲空間，其中，片內(nèi)程序存儲器地址空間和片外程序存儲器的低地址空間重疊。51子系列重疊區(qū)域為0000H—0FFFH，52系列重疊區(qū)域為0000H—1FFFH。EA高內(nèi)低外片外ROMEA=0片外ROMEA=0片內(nèi)ROMEA=1片外ROM0000HFFFFH0000H0FFFH1000HFFFFH片外ROMEA=0片內(nèi)ROMEA=1片外ROM0000H1FFFH2000HFFFFH（a）片內(nèi)無ROM（b）片內(nèi)有4KROM（c）片內(nèi)有8KROM第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2．程序存儲器的7個特殊地址中斷源入口地址外部中斷00003H定時/計數(shù)器0000BH外部中斷10013H定時/計數(shù)器1001BH串行口0023H復位后初始化引導程序0000H-0002H

MCS-51系列單片機復位后PC的內(nèi)容為0000H，故單片機復位后將從0000H單元開始執(zhí)行程序。程序存儲器的0000H單元地址是系統(tǒng)程序的啟動地址。這里用戶一般放一條絕對轉(zhuǎn)移指令。轉(zhuǎn)到后面的用戶程序。

6個中斷源的地址之間僅隔8個單元，存放中斷服務程序往往不夠用，這是通常放一條絕對轉(zhuǎn)移指令，轉(zhuǎn)到真正的中斷服務程序，真正的中斷服務程序放到后面。第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一二．數(shù)據(jù)存儲器(用來存放中間結(jié)果和數(shù)據(jù))從物理結(jié)構(gòu)上分為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。1．片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(MOV訪問)MCS-51系列單片機的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器除了RAM塊外，還有特殊功能寄存器（SFR）塊。對于51子系列，前者有128字節(jié)，編址為00H—7FH；后者也占128個字節(jié)，編址為80H—FFH；二者連續(xù)不重疊。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器按功能分成以下幾個部分：工作寄存器組區(qū)、位尋址區(qū)、一般RAM區(qū)和特殊功能寄存器區(qū)，其中還包含堆棧區(qū)。第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一SFR00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80HFFH工作寄存器組區(qū)位尋址區(qū)一般RAM區(qū)工作寄存器組區(qū)

00H—1FH單元為工作寄存器組區(qū)，共32個字節(jié)。工作寄存器也稱為通用寄存器，用于臨時寄存8位信息。工作寄存器共有4組，稱為0組、1組、2組和3組，每組8個，分別依次用R0~R7表示第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.位尋址區(qū)

20H—2FH為位尋址區(qū)，共16字節(jié)，128位。這128位每位都可以按位方式使用，每一位都有一個位地址，位地址范圍為00H—7FH字節(jié)單元地址D7D6D5D4D3D2D1D020H070605040302010021H0F0E0D0C0B0A090822H171615141312111023H1F1E1D1C1B1A191824H272625242322212025H2F2E2D2C2B2A292826H373635343332313027H3F3E3D3C3B3A393828H474645444342414029H4F4E4D4C4B4A49482AH57565554535251502BH5F5E5D5C5B5A59582CH67666564636261602DH6F6E6D6C6B6A69682EH77767574737271702FH7F7E7D7C7B7A7978第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.一般RAM區(qū)

30H—7FH是一般RAM區(qū)，也稱為用戶RAM區(qū)，共80字節(jié)，對于52子系列，一般RAM區(qū)從30H—FFH單元。另外，對于前兩區(qū)中未用的單元也可作為用戶RAM單元使用。4.堆棧區(qū)與堆棧指針堆棧是按先入后出、后入先出的原則進行管理的一段存儲區(qū)域。MCS-51單片機中，堆棧是用片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的一段區(qū)域，在具體使用時應避開工作寄存器、位尋址區(qū)，一般設(shè)在2FH以后的單元，如工作寄存器和位尋址區(qū)未用，也可開辟為堆棧。為實現(xiàn)堆棧的先入后出、后入先出的數(shù)據(jù)處理，專門設(shè)置了一個堆棧指針SP，MCS-51單片機的堆棧是向上生長型的，存入數(shù)據(jù)是從地址低端向高端延伸，取出數(shù)據(jù)是從地址高端向低端延伸。入棧和出棧數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位。入棧時，SP指針的內(nèi)容先自動加1，然后再把數(shù)據(jù)存入到SP指針指向的單元；出棧時，先把SP指針指向的單元的數(shù)據(jù)取出，然后再把SP指針的內(nèi)容自動減1。復位時，SP的初值為07H，因此堆棧實際上從08H開始存放數(shù)據(jù)。第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一5.特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）也稱專用寄存器，專門用于控制、管理片內(nèi)算術(shù)邏輯部件、并行I/O口、串行口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作，用戶在編程時可以給其設(shè)定值，但不能移作它用。分布在80H—FFH地址空間，與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，除PC外，51子系列有18個特殊功能寄存器，其中3個為雙字節(jié)，共占用21個字節(jié)；52子系列有21個特殊寄存器，其中5個為雙字節(jié)，共占用26個字節(jié)。它們的分配情況如下：CPU專用寄存器：累加器A（E0H），寄存器B（F0H），程序狀態(tài)寄存器PSW（D0H），堆棧指針SP（81H），數(shù)據(jù)指針DPTR（82H、83H）。并行接口：P0~P3（80H、90H、A0H、B0H）。串行接口：串口控制寄存器SCON（98H），串口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF（99h），電源控制寄存器PCON（87H）。第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一定時/計數(shù)器：方式寄存器TMOD（89H），控制寄存器TCON（88H），初值寄存器TH0、TL0（8CH、8AH）/TH1、TL1（8DH、8BH）。中斷系統(tǒng)：中斷允許寄存器IE（A8H），中斷優(yōu)先級寄存器IP（B8H）。定時/計數(shù)器2相關(guān)寄存器：定時/計數(shù)器2控制寄存器T2CON（CBH），定時/計數(shù)器2自動重裝寄存器RLDL、RLDH（CAH、CBH），定時/計數(shù)器2初值寄存器TH2、TL2（CDH、CCH）。（僅52子系列有）特殊功能寄存器名稱符號地址位地址與位名稱D7D6D5D4D3D2D1D0P0口P080H8786858483828180堆棧指針SP81H數(shù)據(jù)指針低字節(jié)DPL82H數(shù)據(jù)指針高字節(jié)DPH83H定時/計數(shù)器控制TCON88HTF18FTR18ETF08DTR08CIE18BIT18AIE089IT088定時/計數(shù)器方式TMOD89HGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一定時/計數(shù)器0低字節(jié)TL08AH定時/計數(shù)器0高字節(jié)TH08BH定時/計數(shù)器1低字節(jié)TL18CH定時/計數(shù)器1高字節(jié)TH18DHP1口P190H9796959493929190電源控制PCON97HSMODGF1GF0PDIDL串行口控制SCON98HSM09FSM19ESM09DREN9CTB89BRB89ATI99RI98串行口數(shù)據(jù)SBUF99HP2口P2A0HA7A6A5A4A3A2A1A0中斷允許控制IEA8HEAAFET2ADESACET1ABEX1AAET0A9EX0A9第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一P3口P3B0HB7B6B5B4B3B2B1B0中斷優(yōu)先級控制IPB8HPT2BDPSBCPT1BBPX1BAPT0B9PX0B8定時/計數(shù)器2控制T2CONC8HTF2CFEXF2CERCLKCDTCLKCCEXEN2CBTR2CAC/T2C9CP/RL2C8定時/計數(shù)器2重裝低字節(jié)RLDLCAH定時/計數(shù)器2重裝高字節(jié)RLDHCBH定時/計數(shù)器2低字節(jié)TL2CCH定時/計數(shù)器2高字節(jié)TH2CDH程序狀態(tài)寄存器PSWD0HCD7ACD6F0D5RS1D4RS0D3OVD2D1PD0累加器AE0HE7E6E5E4E3E2E1E0寄存器BBF0HF7F6F5F4F3F2F1F0第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一在表中，帶有位名稱或位地址的特殊功能寄存器，既能按字節(jié)方式處理，也能夠按位方式處理。2．片外數(shù)據(jù)存儲器(MOVX訪問)

MCS-51單片機片內(nèi)有128字節(jié)或256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，當這些數(shù)據(jù)存儲器不夠時，可在外部擴展外部數(shù)據(jù)存儲器，擴展的外部數(shù)據(jù)存儲器最多64KB，地址范圍為0000H—0FFFFH，通過DPTR作指針間接方式訪問，對于低端的256字節(jié)，可用兩位十六進制地址編址，地址范圍為00H—0FFH，可通過R0和R1間接方式訪問。另外，擴展的外部設(shè)備占用片外數(shù)據(jù)存儲器空間，通過用訪問片外數(shù)據(jù)存儲器的方法訪問。說明：第一，64K的程序存儲器和64K的片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間都為0000H—0FFFFH，地址空間是重疊的，它們?nèi)绾螀^(qū)分呢？MCS-51單片機是通過不同的信號來對片外數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器進行讀、寫的，片外數(shù)據(jù)存儲器的讀、寫通過RD和WR信號來控制，而程序存儲器的讀通過PSEN信號控制，通過用不同的指令來實現(xiàn)，片外數(shù)據(jù)存儲器用MOVX指令，程序存儲器用MOVC指令。第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一第二，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器的低256字節(jié)的地址空間是重疊的，它們?nèi)绾螀^(qū)分呢？片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器的低256字節(jié)通過不同的指令訪問，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器用MOV指令，片外數(shù)據(jù)存儲器用MOVX指令。因此在訪問時不會產(chǎn)生混亂。2.2MCS-51系列單片機的輸入/輸出接口

MCS-51系列單片機有4個8位的并行I/O接口：P0、P1、P2和P3口。它們是特殊功能寄存器中的4個。這4個口，既可以作輸入，也可以作輸出，既可按8位處理，也可按位方式使用。輸出時具有鎖存能力，輸入時具有緩沖功能。第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一一．P0口P0口是一個三態(tài)雙向口，可作為地址／數(shù)據(jù)分時復用口，也可作為通用的I/O接口。它包括一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)緩沖器、輸出驅(qū)動電路和輸出控制電路組成.第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一二．P1口

P1口是準雙向口，它只能作通用I/O接口使用。P1口的結(jié)構(gòu)與P0口不同，它的輸出只由一個場效應管V1與內(nèi)部上拉電阻組成輸入輸出原理特性與P0口作為通用I/O接口使用時一樣，當其輸出時，可以提供電流負載，不必像P0口那樣需要外接上拉電阻。P1口具有驅(qū)動4個LSTTL負載的能力。第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一三．P2口

P2口也是準雙向口，它有兩種用途：通用I/O接口和高8位地址線。它的1位的結(jié)構(gòu)如圖2.8，與P1口相比，它只在輸出驅(qū)動電路上比P1口多了一個模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX和反相器3。第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一四．P3口P3口1位的結(jié)構(gòu)如圖2.9。它的輸出驅(qū)動由與非門3、V1組成，輸入比P0、P1、P2口多了一個緩沖器4。第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一P3口除了作為準雙向通用I/O口使用外，它的每一根線還具有第二種功能。P3口第二功能P3.0RXD串行口輸入端P3.1TXD串行口輸出端P3.2INT0外部中斷0請求輸入端，低電平有效P3.3INT1外部中斷1請求輸入端，低電平有效P3.4T0定時/計數(shù)器0外部計數(shù)脈沖輸入端P3.5T1定時/計數(shù)器0外部計數(shù)脈沖輸入端P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫信號，低電平有效P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀信號，低電平有效第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一當P3口作為第二功能時，鎖存器的Q輸出端必須為高電平，否則V1管導通，引腳將被箝位在低電平，無法實現(xiàn)第二功能。當鎖存器Q端為高電平，P3口的狀態(tài)取決于第二功能輸出線的狀態(tài)。單片機復位時，鎖存器的輸出端為高電平。P3口第二功能中輸入信號RXD、INT0、INT1、T0、T1經(jīng)緩沖器4輸入，可直接進入芯片內(nèi)部。當P3口作為通用I/O接口時，第二功能輸出線為高電平，與非門3的輸出取決于鎖存器的狀態(tài)。這時，P3是一個準雙向口，它的工作原理、負載能力與P1、P2口相同。第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.3MCS-51系列單片機的外部引腳及片外總線2.3.1外部引腳P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VpdP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTAL2XTAL1VssVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0123456789101112141516171819204039383736353433323130292827262524232221803180518751RXDTXDINT0INT1T0T1WRRDP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7PSENEAALERST用戶I/O控制總線(CB)鎖存器A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0地址總線數(shù)據(jù)總線(AB)(DB)VccVssVccVss第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一一．輸入/輸出引腳（1）P0口（39~32腳）：P0.0~P0.7統(tǒng)稱為P0口。在不接片外存儲器與不擴展I/O口時，作為準雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲器或擴展I/O口時，P0口分時復用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。（2）P1口（1~8腳）：P1.0~P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準雙向I/O口使用。（3）P2口（21~28腳）：P2.0~P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準雙向I/O口使用；在接有片外存儲器或擴展I/O口且尋址范圍超過256字節(jié)時，P2口用作高8位地址總線。（4）P3口（10~17腳）：P3.0~P3.7統(tǒng)稱為P3口。除作為準雙向I/O口使用外，還可以將每一位用于第二功能，而且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一二．控制線（1）ALE/PROG（30腳）：地址鎖存信號輸出端。ALE在每個機器周期內(nèi)輸出兩個脈沖。（2）PSEN（29腳）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效。（3）RST/VPD（9腳）：RST即為RESET，VPD為備用電源。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現(xiàn)復位操作，使單片機回復到初始狀態(tài)。上電時，考慮到振蕩器有一定的起振時間，該引腳上高電平必須持續(xù)10ms以上才能保證有效復位。（4）/VPP（31腳）：EA為片外程序存儲器選用端。該引腳低電平時，選用片外程序存儲器，高電平或懸空時選用片內(nèi)程序存儲器。三．主電源引腳VCC（40腳）：接+5V電源正端。VSS（20腳）：接+5V電源地端。第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一四．外接晶體引腳XTAL1、XTAL2（19、18腳）：當使用單片機內(nèi)部振蕩電路時，這兩個引腳用來外接石英晶體和微調(diào)電容，如圖2-10（a）。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，XTAL1引腳接地，XTAL2接片外振蕩脈沖輸入（帶上拉電阻）；對于CHMOS單片機，XTAL2引腳接地，XTAL1接片外振蕩脈沖輸入（帶上拉電阻），如圖2-11（b）和（c）。XTAL1XTAL2外部振蕩信號XTAL1XTAL2VccVssR外部振蕩信號XTAL2XTAL1VccVssR（a）內(nèi)部時鐘方式（b）HMOS工藝外接時鐘（c）CHMOS工藝外接時鐘第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2片外總線結(jié)構(gòu)一．地址總線地址總線寬度為16位，尋址范圍都為64KB。由P0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位（A7~A0），P2口提供高8位（A15~A8）而形成?？蓪ζ獬绦虼鎯ζ骱推鈹?shù)據(jù)存儲器尋址。二．數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0口直接提供。三．控制總線控制總線由第二功能狀態(tài)下的P3口和4根獨立的控制線RST、EA、ALE和PSEN組成。第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.4MCS-51系列單片機的工作方式2.4.1復位方式在時鐘電路工作以后，當外部電路使得RST端出現(xiàn)2個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平，系統(tǒng)內(nèi)部復位。復位有兩種方式：上電復位和按鈕復位。如圖所示。VccRSTVssMCS-51VccRSTVssMCS-511k1k200（a）上電復位電路（b）按鈕復位電路第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一特殊功能寄存器初始內(nèi)容特殊功能寄存器初始內(nèi)容A0000HTCON00HPC0000HTL000HB00HTH000HPSW00HTL100HSP07HTH100HDPTR0000HSCON00HP0~P3FFHSBUFXXXXXXXXBIPXX000000BPCON0XXX0000BIE0X000000BTMOD00H第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.4.2程序執(zhí)行方式2.4.3單步執(zhí)行方式所謂單步執(zhí)行，是指在外部單步脈沖的作用下，使單片機一個單步脈沖執(zhí)行一條指令后就暫停下來，再一個單步脈沖再執(zhí)行一條指令后又暫停下來。它通常用于調(diào)試程序、跟蹤程序執(zhí)行和了解程序執(zhí)行過程。單片機沒有單步執(zhí)行中斷，MCS-51單片機的單步執(zhí)行也要利用中斷系統(tǒng)完成。MCS-51的中斷系統(tǒng)規(guī)定，從中斷服務程序中返回之后，至少要再執(zhí)行一條指令，才能重新進入中斷。將外部脈沖加到INT0引腳，平時讓它為低電平，通過編程規(guī)定INT0為電平觸發(fā)。那么，不來脈沖時INT0總處于響應中斷的狀態(tài)。在INT0的中斷服務程序中安排下面的指令：PAUSE0：JNBP3.2，PAUSE0；若INT0=0，不往下執(zhí)行PAUSE1：JBP3.2，PAUSE1；若INT0=1，不往下執(zhí)行RETI；返回主程序執(zhí)行下一條指令第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.4.4節(jié)電方式一．HMOS單片機的掉電方式HMOS芯片本身運行功耗較大，這類芯片沒有設(shè)置低功耗運行方式。為了減小系統(tǒng)的功耗，設(shè)置了掉電方式，RST/Vpd端接有備用電源，即當單片機正常運行時，單片機內(nèi)部的RAM由主電源Vcc供電，當Vcc掉電，Vcc電壓低于RST/Vpd端備用電源電壓時，由備用電源向RAM維持供電，保證RAM中數(shù)據(jù)不丟失。這時系統(tǒng)的其它部件都停止工作，包括片內(nèi)振蕩器。二．CHMOS的節(jié)電運行方式HMOS的芯片運行時耗電少，有兩種節(jié)電運行方式：待機方式和掉電保護方式。以進一步降低功耗，它們特別適用于電源功耗要求低的應用場合。第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.4.5編程和校驗方式一．EPROM編程HMOS器件8751，內(nèi)部集成4KB的EPROM編程如下：編程時時鐘頻率應定在4~6MHz的范圍內(nèi)，各引腳的接法如下：P1口和P2口的P2.3~P2.0提供12位地址，P1口為低8位。P0口輸入編程數(shù)據(jù)。P2.6~P2.4以及PSEN為低電平，P2.7和RST為高電平。以上除RST的高電平為2.5V，其余的均為TTL電平。EA/Vpp端加電壓為21V的編程脈沖，不能大于21.5V，否則會損壞EPROM。ALE/PROG端加寬度為50ms的負脈沖作寫入信號，每來一次負脈沖，則把P0口的數(shù)據(jù)寫入到由P1和P2口低四位提供的12位地址指向的片內(nèi)EPROM單元。第29頁，共33頁，2023