51单片机学习总结Word文件下载.docx
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MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产：
HMOS（高密度短沟道MOS）工艺和CHMOS（互补金属氧化物HMOS）工艺。
上表中凡带有“C”的，为CHMOS芯片。
CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持HMOS高速和高密度的特点外，还具有CMOS低功耗的特点。
MCS-51单片机片程序存储器有三种配置形式：
掩膜ROM、EPROM和无。
此外，由于单片机的应用是面向现场的，因此它具有很强的抗干扰能力，这是任何其它计算机所不及的。
MCS-51单片机结构和原理
MCS-51单片机系列的典型芯片是8051，其基本组成如下：
1．中央处理器（CPU）
CPU是单片机的核心，完成运算和控制功能。
MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。
2．部数据存储器（部RAM）
8051芯片共有256个RAM单元，但后128个单元被专用寄存器占用，提供给用户使用的只是前128个单元，用于存放可读写的数据。
3．部程序存储器（部ROM）
8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格。
4．定时器/计数器
8051共有2个16位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以结果对计算机进行控制。
5．并行I/O口
MCS-51共有四个8位的I/O口，实现数据的并行输入输出。
6．串行口
MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。
该串行口即可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。
7．中断控制系统
8051共有5个中断源：
外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。
8．时钟电路
MCS-51芯片的部有时钟电路，但需要外接晶体和微调电容。
系统允许的最高晶振频率为12MHz。
MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。
其中：
P0.0~P0.7P0口8位双向口
P1.0~P1.7P1口8位双向口
P2.0~P2.7P2口8位双向口
P3.0~P3.7P3口8位双向口
ALE地址锁存控制信号——用于锁存PO口输出的低8位地址，以实现低位地址和数据的隔离。
此外，ALE可作为外部时钟或外部定时脉冲使用（以晶振六分之一的固定频率输出正脉冲）。
PSEN外部程序存储器（ROM）选通信号——低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。
EA访问程序存储器控制信号——低电平时，限定ROM的读操作在外部；
高电平是，则从部ROM开始读操作，并可延至外部ROM。
RST复位信号——当输入复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效。
用以完成初始化操作。
XTAL1与XTAL2外接晶体引线——当使用芯片部时钟时，用于外接晶体和微调电容；
当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
VSS地线
VCC+5V电源
P3口的第二功能如下表所示。
此外，有部EPROM的单片机芯片（如9751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由引脚的第二功能提供的：
编程脉冲：
30脚（ALE/PROG）；
编程电压（25V）：
31脚（EA/VPP）
MCS-51单片机的备用电源也是以第二功能的方式由9脚（RST/VPD）引入的——当电源发生故障，电压降低到下限值时，备用电源经此端向部RAM提供电压，以保护部RAM中的信息部丢失。
对于9、30和31引脚，第一功能与第二功能信号时单片机在不同工作方式下的信号，不会发生使用上的冲突。
但对P3口，在实际使用时，都是先按需要选用第二功能信号，剩下的口线才以第一功能作为数据位的输入输出使用。
8051的部存储器
8051单片机的芯片部有RAM和ROM两类存储器。
8051的部RAM共有256个单元，通常把这些单元按其功能划分为两部分：
低128单元（地址00H~7FH）和高128单元（地址80H~FFH）。
低128单元按其用途划分为三个区域：
1）寄存器区
共有四组通用寄存器，每组8个寄存单元（8位），各组都以R0~R7作为寄存器单元的编号。
常用于存放操作数及中间结果等。
有时也称为工作寄存器，占据部RAM的00H~1FH单元地址。
在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。
寄存器组的选取由程序状态字寄存器PSW中的RS1、RS2位的状态组合来决定。
通用寄存器为CPU提供了就近数据存储的便利，有利于提高单片机的运算速度。
同时，使用通用寄存器还能提高程序编制的灵活性。
2）位寻址区
部RAM的20H~2FH单元，既可以作为一般的RAM单元使用，进行字节操作，又可以对单元中的每一位进行位操作。
位寻址区共有16个RAM单元（共128位），位地址为00H~7FH。
MCS-51利用这个位寻址区进行布尔处理机的存储。
3）用户RAM区
部RAM低128单元-通用寄存器32单元-位寻址区16单元=80单元，其地址为30H~7FH。
在一般应用中常把堆栈开辟在此区中。
高128单元
供给专用寄存器使用（专用寄存器SFR区），其单元地址为80H~FFH。
8051共有22个专用寄存器（21个是可字节寻址的）。
其中典型的5个如下：
1）程序计数器（PC-ProgramCounter）
PC是16位的计数器（寻址围为64KB），其容为将要执行的指令地址。
PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。
PC无地址（不可寻址），但可通过指令改变其容。
2）累加器（ACC-Accumulator）
ACC为8位寄存器，功能较多，也最为常用。
既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。
单片机中的大部分数据操作都是通过ACC进行的，因此ACC实际上称为单片机程序运行的“瓶颈”，制约着单片机软件效率的提高。
3）B寄存器
8位寄存器，主要用于乘除运算，也可作为一般数据寄存器使用。
乘法运算时，B为乘数，乘积的高8位也存于B中。
除法运算时，B为除数，余数也存于B中。
4）程序状态字（PSW-ProgramStatusWord）
8位寄存器，用于寄存程序运行的状态信息。
其中，
CY（PSW.7）——进位标志位：
存放算术运算的进位标志；
在位操作中，作累加位使用，位传送、位与、位或等位操作，操作位之一固定是进位标志位。
AC（PSW.6）——辅助进位标志位：
加减运算中，当有低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置位，否则被清零。
F0（PSW.5）——用户标志位：
用来控制程序的转向，需要时用软件方法置位或复位。
RS1和RS0（PSW.4和PSW.3）——寄存器组选择位：
用于设定通用寄存器的组号（软件设置）。
OV（PSW.2）——溢出标志位
PSW.1保留未用
P（PSW.0）——奇偶标志位：
表明累加器中数的奇偶性（在每个指令周期由硬件自动进行置位或复位）
5）数据指针（DPTR）
16位寄存器，编程时，DPTR既可按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。
即，分成DPH和DPL。
DPTR通常用作访问外部数据存储器时的地址指针（外部数据存储器的寻址围为64KB）。
专用寄存器的字节寻址
1）在22个专用寄存器中，唯一一个不可寻址的专用寄存器是PC。
PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的；
2）21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在部RAM高128单元中。
尽管还余有许多空闲地址，但用户不能使用；
3）对专用寄存器只能使用直接寻址方式，编程时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。
专用寄存器的位寻址
在21个可寻址的专用寄存器中，有11个是可以位寻址的。
表中凡字节地址不带括号的寄存器都是可进行位寻址的寄存器（全部专用寄存器可寻址的位共83位），加上位寻址区的128位，在MCS-51的部RAM中共有128+83=211个可寻址位。
堆栈及堆栈指示器
所谓堆栈（一种数据结构）就是只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。
堆栈最大的特点就是“后进先出”（LIFO）。
堆栈是为子程序调用和中断操作而设立的。
其具体功能有两个：
保护断点和保护现场。
为了使单片机能进行多级中断嵌套及多重子程序嵌套，还要求堆栈具有足够的容量（或称为足够的堆栈深度）。
堆栈的开辟可分为外堆栈和堆栈。
鉴于单片机的特点，因此在单片机中只能采用堆栈形式（即在CPU芯片的寄存器中开辟堆栈）。
堆栈的主要优点是操作速度快，但堆栈容量有限。
堆栈有两种操作：
进栈和出栈。
为了指示栈顶地址，要设置堆栈指示器SP（StackPointer），SP的容就是堆栈栈顶的存储单元地址。
由于MCS-51的堆栈设在部RAM中，因此SP是一个8位专用寄存器。
SP可初始化为不同的值（系统复位后，SP的容为07H），因此堆栈的位置是浮动的。
但堆栈最好在部RAM的30H~7FH单元中开辟，因此在程序设计时，应注意把SP值初始化位30H以后。
堆栈可有两种类型：
向上生长型和向下生长型。
向上生长型堆栈，栈底在低地址单元。
随着数据进栈，地址递增，指针上移；
反之，随着数据的出栈，地址递减，指针下移。
向下生长型堆栈的操作规则与之相反。
MSC-51属于向上生长型堆栈，这种堆栈的操作规则如下：
进栈操作：
先SP加1，后写入数据；
出栈操作：
先读出数据，后SP减1。
堆栈有两种使用方式：
自动方式和指令方式。
自动方式无需用户干预，即在调用子程序或中断时，返回地址（断点）自动进栈，程序返回时，断点再自动弹回PC。
指令方式，即使用专用的堆栈操作指令进行进出栈的操作。
部程序存储器（ROM）
8051芯片有4K的ROM存储单元（其地址为0000H~0FFFH）。
其中，一组特殊的单元是0000H~0002H。
系统复位后，（PC）=0000H，单片机从0000H单元开始取指令执行程序。
如果程序不从0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，以便直接转去执行指定的程序。
另一组特殊单元是0003H~002AH。
共40个单元，这40个单元被均匀地分为五段，作为五个中断源的中断地址区。
0003H~000AH代表外部中断0中断地址区
000BH~0012H代表定时/计数器0中断地址区
0013H~001AH代表外部中断1中断地址区
001BH~0022H代表定时/计数器1中断地址区
0023H~002AH代表串行中断地址区
中断响应后，按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序。
但通常8个单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此往往在中断地址区的首地址处存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转移到中断服务程序的实际入口地址。
并行输入/输出口电路结构
MCS-51共有四个8位的并行I/O口，记作P0~P3。
它们已归入专用寄存器，并具有字节和位寻址功能。
在单片机中，口（或称为端口）是一个集数据输入缓冲，数据输出驱动及锁存等多项功能为一体的I/O电路。
MCS-51单片机的四个I/O口都是8位双向口，它们在结构和特性上基本相同，但又各具特点。
P0口既可以作为通用的I/O口进行数据的输入输出，也可以作为单片机系统的地址/数据线使用。
在实际应用中，P0口通常都是作为单片机系统的地址/数据线使用。
而当P0进行一般的输入操作时，由于输出电路是漏极开路的，因此必须外接上拉电阻才能输出高电平；
当P0进行一般的输出操作时，必须先向电路中的锁存器写入“1”，使FET截止，以免锁存器为“0”时对引脚读入的干扰。
P1口通常作为通用I/O口使用的，无需再外接上拉电阻。
当P1口作为输入口使用时，通用先需向锁存器写入“1”，使输出驱动电路的FET截止。
P2口与P0口一样，可作为通用I/O口使用，但通常是作为高位地址线使用。
P3口为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。
时钟电路与时序
为了保证单片机同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
单片机时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。
晶体的振荡频率为1.2MHz~12MHz。
晶体振荡频率越高，系统时钟频率也越高，单片机运行速度也越快。
但快速的运行速度对存储器的运行速度要求高，同时对PCB板的工艺要求也高（线间寄生电容要小）。
因此，MCS-51通常使用振荡频率为6MHz的石英晶体，而12MHz主要用于高速串行通信。
在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。
需注意的是，外接的脉冲信号应当是高低电平持续时间大于20ns的方波，且脉冲频率应低于12MHz。
MCS-51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：
拍节、状态、机器周期和指令周期。
拍节（P）定义为振荡脉冲的周期，而经二分频后得到的单片机时钟信号的周期称为状态（S）。
即一个状态（S）包含两个拍节（P）。
MCS-51采用定时控制方式，因而有固定的机器周期。
规定一个机器周期的宽度为6个状态，共12个拍节，即机器周期就是振荡脉冲的十二分频。
指令周期是指执行一条指令所需要的时间。
MCS-51的指令周期根据指令的不同，可包含1~4个机器周期。
MCS-51指令时序
MCS-51共有111条指令，全部指令按其长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。
执行这些指令所需的机器周期数目不同，有以下几种情况：
单字节指令单机器周期和单字节指令双机器周期，双字节指令单机器周期和双字节指令双机器周期。
三字节的指令都是双机器周期的，单字节中的乘除指令为四机器周期。
图中的ALE信号时为地址锁存而定义的，以振荡脉冲的六分之一频率出现，每有效一次对应单片机进行的一次读指令操作。
外部ROM读时序
外部RAM读写时序
MCS-51单片机的工作方式
MCS-51单片机共有复位、程序执行、单步执行、掉电保护、低功耗以及EPROM编程和校验等六种工作方式。
1.复位方式
复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序；
当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。
除PC之外，复位操作还对以下一些专用寄存器有影响：
复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响，例如使
。
RST引脚为复位信号（高电平有效）的输入端，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期以上。
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式，按键方式又可分为电平方式和脉冲方式两种。
上述电路图的电阻电容参数适用于6MHz晶振——保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
2.程序执行方式
该方式是单片机的基本工作方式。
3.单步执行方式
即通过外来脉冲控制程序的执行，来一个脉冲（按键一次）就执行一条指令。
单步执行是借助单片机的外部中断功能来实现的。
MCS-51的中断机制有这样的特点：
从中断服务程序返回主程序后，至少要执行一条指令，然后再响应新的中断。
4.掉电保护方式
MCS-51设置有掉电保护措施，可对RAM与寄存器中的程序和数据进行掉电保护处理。
其具体作法是，先把有用信息转存，然后再启用备用电源维持供电。
所谓信息转存是指当电源故障时，立即将系统的有用信息转存至部RAM中保护起来，即通常所说的“掉电中断”。
系统需具有备用电源与VCC电源的自动切换电路，如上上图所示，才能保护转存的信息不被破坏。
由于备用电源容量有限，为减少消耗，掉电后时钟电路和CPU皆停止工作，只维持部RAM和专用寄存器工作。
当电源VCC恢复时，STR/VPD端的备用电压还应维持一段时间（约10ms）。
单片机恢复正常工作的第一件事是被保护信息的现场恢复。
5.低功耗方式（80C51）
对HMOS的8051而言，掉电保护方式实际上就是低功耗方式；
而CHMOS得80C51有两种低功耗方式：
待机和掉电方式。
这两种方式都由专用寄存器PCON（电源控制寄存器）的有关位来控制。
其中
SMOD——波特率倍增位，在串行通信是才使用
GF0和GF1——通用标志位
PD——掉电方式位
IDL——待机方式位
当PCON寄存器的IDL=1，则80C51进入待机方式。
这时CPU时钟被阻断，但中断功能存在，振荡器仍然向中断逻辑、串行口和定时/计数器电路提供时钟。
当PCON寄存器的PD=1，则80C51进入掉电保护方式。
此时只有部RAM单元的容被保存——与8051不同！
另外，其备用电源由VCC端引入。
MCS-51指令系统概述
一台计算机所能执行的指令集合就是它的指令系统。
指令系统是由计算机生产厂商定义的，没有通用性。
指令系统是学习和使用单片机的基础和工具。
单片机应用中主要使用机器语言和汇编语言，而由汇编语言编写的程序没有通用性，无法直接移植。
MCS-51单片机指令系统共有111条指令，分为五大类：
1）数据传送类指令（29条）
2）算术运算类指令（24条）
3）逻辑运算及移位类指令（24条）
4）控制转移类指令（17条）
5）位操作类指令（17条）
一条指令通常由操作码和操作数两部分组成。
单片机的指令都是不定长的（变长指令）。
在MCS-51指令系统中，共有一字节指令49条；
二字节指令45条；
三字节指令17条。
寻址方式
所谓寻址，其实质就是如何确定操作数单元地址的问题。
一般而言，寻址方式越多的计算机其寻址能力越强，但指令系统也越复杂。
MCS-51共有七种寻址方式：
1）寄存器寻址方式
寄存器寻址就是操作数在寄存器中，因此制定了寄存器就能得到操作数。
典型的如：
MOVA,R0；
把寄存器R0中的容（操作数）传送到累加器A中。
该寻址方式的寻址围包括：
1．四个寄存器组（共32个通用寄存器）；
2．部分专用寄存器。
2）直接寻址方式
指令中，操作数直接以单元地址的形式给出。
典型如：
MOVA,3AH；
把部RAM3AH单元中的数据传送给累加器A。
这种寻址方式的寻址围只限于部RAM，即低128单元+专用寄存器（以单元地址或寄存器符号形式给出）。
3）寄存器间接寻址方式
寄存器中存放的是操作数的地址，即操作数是通过寄存器间接得到的。
为了区别寄存器寻址和寄存器间接寻址，在寄存器间接寻址方式中，应在寄存器的名称前加标志“”。
以R0寄存器容3AH为地址，把该地址单元的容送入累加器A
其寻址围为：
1．部RAM低128单元
使用R0或R1作为间址寄存器，其通用形式为Ri（i=0或1）。
2．外部RAM的64KB
使用DPTR作为间址寄存器，其形式为DPTR。
3．外部RAM的低256单元
除可以使用DPTR作为间址寄存器寻址外，还可使用R0或R1（操作码为MOVX）。
4．堆栈操作指令
即以堆栈指针SP作为间址寄存器的间接寻址方式。
4）立即寻址方式
操作数（立即数）在指令中直接给出。
为了与直接寻址指令中的直接地址相区别，在立即数前加标志“#”。
MOVA,#3AH；
把数据3AH送累加器A
MOVDPTR,#data16；
MCS-51指令系统中唯一的一条16位立即寻址指令
5）位寻址方式
MCS-51有位处理功能，可以对数据位进行操作，响应地有位寻址方式。
ANLC,30H；
累加位C和地址30H的位进行逻辑与
其寻址围：
1．部RAM中的位寻址区（单元地址为20H~2FH，位地址为00H~7FH）。
2．专用寄存器（11个）的可寻址位（80位），可寻址位有四种表示方法：
A）直接使用为地址。
如PSW寄存器的第5位地址为D5H。
B）位名称表示。
如PSW寄存器的第5位是F0。
C）单元地址+位表示。
如D0H单元（即PSW寄存器）的第5位可表示为D0H.5。
D）专用寄存器符号+位表示。
如PSW寄存器的第5位可表示位PSW.5。
6）变址寻址方式
以DPTR或PC作为基址寄存器，以累加器A作为变址寄存器，并以两者容相加形成的16位地址作为操作数地址。
如：
MOVCA,A+DPTR；
把DPTR和A的容相加，再把所得到的程序存储器地址单元的容送A。
变址寻址的指令都是一字节指令，且只有三条：
MOVCA,A+DPTR
MOVCA,A+PC
JMPA+DPTR
变址寻址方式只能对程序存储器进行寻址，或可说它是专门针对程序存储器的寻址方式。
7）相对寻址方式
位实现程序的相对转移而设计，把PC的当前值加上偏移量rel（8位二进制补码，围为-128~+127）就构成了程序转移的目的地址。
单片机执行指令的过程
单片机的工作过程，实际上就是周而复始地取指令和执行指令的过程。
在取指令阶段，单片机从程序存储器中取出指令的操作码，送入指令寄存器，再经过指令译码器译码，产生一系列的控制信号，然后进入指令执行阶段，即利用指令译码产生的控制
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