单片机硬件知识点汇总.docx

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单片机硬件知识点汇总

第一章绪论

第一节单片机

单片机即单片机微型计算机，是将计算机主机（CPU、内存和I/O接口）集成在一小块硅片上的微型机。

第二节单片机的历史与现状

第一阶段（1976~1978年）：

低性能单片机的探索阶段。

以Intel公司的MCS-48为代表，采用了单片结构，即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。

主要用于工业领域。

第二阶段（1978~1982年）：

高性能单片机阶段，这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。

这类单片机的应用范围较广，并在不断的改进和发展。

第三阶段（1982~1990年）：

16位单片机阶段。

16位单片机除CPU为16位外，片内RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。

例如Intel公司的MCS-96主振频率为12M，片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。

第四阶段（1990年~）：

微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。

第三节单片机的应用领域

一、单片机在仪器仪表中的应用

二、单片机在机电一体化中的应用

三、单片机在智能接口和多机系统中的应用

四、单片机在生活中的应用

第二章

硬件结构

第一节MCS-51单片机及其演变

特点

（1）一个8位微处理器CPU。

（2）数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。

（3）内部程序存储器ROM。

（4）两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用作定时器。

（5）四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口，每个端口既可做输入，也可做输出。

（6）一个串行端口，用于数据的串行通信。

（7）中断控制系统。

（8）内部时钟电路。

第二节80C51单片机的基本结构

1）中央处理器（CPU）

中央处理器是单片机的核心，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）内部数据存储器（内部RAM）

8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。

因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。

3）内部程序存储器（内部ROM）

8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存储器，简称内部ROM。

4）定时/计数器

8051共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。

5）并行I/O口

MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。

在实训中我们已经使用了P1口，通过P1口连接8个发光二极管。

第三节80C51单片机的引脚功能

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请参见图

P0.0～P0.7：

P0口8位双向口线。

P1.0～P1.7：

P1口8位双向口线。

P2.0～P2.7：

P2口8位双向口线。

P3.0～P3.7：

P3口8位双向口线。

ALE：

地址锁存控制信号。

在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

此外，由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。

PSEN：

外部程序存储器读选通信号。

在读外部ROM时，PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。

EA：

访问程序存储控制信号。

当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。

RST：

复位信号。

当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

XTAL1和XTAL2：

外接晶体引线端。

当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；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。

以上是MCS-51单片机芯片40条引脚的定义及简单功能说明，读者可以对照实训电路找到相应引脚，在电路中查看每个引脚的连接使用。

P3口线的第二功能。

P3的8条口线都定义有第二功能

第四节存储器结构

MCS-51单片机的芯片内部有RAM和ROM两类存储器，即所谓的内部RAM和内部ROM

MCS-51内部程序存储器

MCS-51的程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。

8051片内有4KB的ROM，8751片内有4KB的EPROM，8031片内无程序存储器。

MCS-51的片外最多能扩展64KB程序存储器，片内外的ROM是统一编址的。

如端保持高电平，8051的程序计数器PC在0000H～0FFFH地址范围内（即前4KB地址）是执行片内ROM中的程序，当PC在1000H～FFFFH地址范围时，自动执行片外程序存储器中的程序；当保持低电平时，只能寻址外部程序存储器，片外存储器可以从0000H开始编址。

MCS-51的程序存储器中有些单元具有特殊功能，使用时应予以注意。

其中一组特殊单元是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，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。

还有一组特殊单元是0003H～002AH，共40个单元。

这40个单元被均匀地分为5段，作为5个中断源的中断地址区。

其中：

0003H～000AH外部中断0中断地址区

000BH～0012H定时/计数器0中断地址区

0013H～001AH外部中断1中断地址区

001BH～0022H定时/计数器1中断地址区

0023H～002AH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，因此在中断地址区中理应存放中断服务程序。

但通常情况下，8个单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此通常也是从中断地址区首地址开始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，再转到中断服务程序的实际入口地址。

MCS-51内部数据存储器

内部数据存储器低128单元

8051的内部RAM共有256个单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：

低128单元（单元地址00H～7FH）和高128单元（单元地址80H～FFH）。

如图所示为低128单元的配置图。

寄存器区

8051共有4组寄存器，每组8个寄存单元（各为8），各组都以R0～R7作寄存单元编号。

寄存器常用于存放操作数中间结果等。

由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称之为通用寄存器，有时也叫工作寄存器。

4组通用寄存器占据内部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，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。

到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定。

通用寄存器为CPU提供了就近存储数据的便利，有利于提高单片机的运算速度。

此外，使用通用寄存器还能提高程序编制的灵活性，因此，在单片机的应用编程中应充分

特

殊

功

能

寄

存

器

通用

RAM区

位寻址区

00H

1FH

20H

2FH

30H

7FH

80H

FFH

80H

88H

90H

98H

A0H

A8H

B0H

B8H

D0H

E0H

F0H

特殊功能寄存器中位寻址

外部

ROM

内部

ROM

（EA=1）

外部

ROM

（EA=0）

0000H

0FFFH

1000H

FFFFH

外部

RAM

（I/O口

地址）

0000H

FFFFH

内部数据存储器

（a）

外部数据存储器

（b）

程序存储器

（c）

工作寄存器区

利用这些寄存器，以简化程序设计，提高程序运行速度。

位寻址区

内部RAM的20H～2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称之为位寻址区。

位寻址区共有16个RAM单元，计128位，地址为00H～7FH。

MCS-51具有布尔处理机功能，这个位寻址区可以构成布尔处理机的存储空间。

这种位寻址能力是MCS-51的一个重要特点。

用户RAM区

在内部RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下80个单元，这就是供用户使用的一般RAM区，其单元地址为30H～7FH。

对用户RAM区的使用没有任何规定或限制，但在一般应用中常把堆栈开辟在此区中。

内部数据存储器高128单元

内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80H～FFH。

因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（SpecialFunctionRegister），也可称为特殊功能寄存器。

第五节特殊功能存储器SFR

8051共有21个专用寄存器，现把其中部分寄存器简单介绍如下：

程序计数器（PC—ProgramCounter）。

在实训中，我们已经知道PC是一个16位的计数器，它的作用是控制程序的执行顺序。

其内容为将要执行指令的地址，寻址范围达64KB。

PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。

PC没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行读写，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。

因地址不在SFR（专用寄存器）之内，一般不计作专用寄存器。

累加器（ACC—Accumulator）。

累加器为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，功能较多，地位重要。

它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。

MCS-51单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。

B寄存器。

B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。

乘法运算时，B存乘数。

乘法操作后，乘积的高8位存于B中，除法运算时，B存除数。

除法操作后，余数存于B中。

此外，B寄存器也可作为一般数据寄存器使用。

程序状态字（PSW—ProgramStatusWord）。

程序状态字是一个8位寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。

其中有些位的状态是根据程序执行结果，由硬件自动设置的，而有些位的状态则使用软件方法设定。

PSW的位状态可以用专门指令进行测试，也可以用指令读出。

一些条件转移指令将根据PSW有些位的状态，进行程序转移。

PSW的各位定义如下：

PSW位地址

D7H

D6H

D5H

D4H

D3H

D2H

D1H

D0H

字节地址

RS1

RS0

除PSW.1位保留未用外，其余各位的定义及使用如下：

CY（PSW.7）——进位标志位。

CY是PSW中最常用的标志位。

其功能有二：

一是存放算术运算的进位标志，在进行加或减运算时，如果操作结果的最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”；二是在位操作中，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。

在进行加减运算中，当低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置“1”，否则AC位被清“0”。

在BCD码调整中也要用到AC位状态。

F0（PSW.5）——用户标志位。

这是一个供用户定义的标志位，需要利用软件方法置位或复位，用以控制程序的转向。

RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）——寄存器组选择位。

它们被用于选择CPU当前使用的通用寄存器组。

通用寄存器共有4组，其对应关系如下：

00：

0组01：

1组10：

2组11：

3组

这两个选择位的状态是由软件设置的，被选中的寄存器组即为当前通用寄存器组。

但当单片机上电或复位后，RS1RS0=00。

OV（PSW.2）——溢出标志位。

在带符号数加减运算中，OV=1表示加减运算超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（-128～+127），即产生了溢出，因此运算结果是错误的，否则，OV=0表示运算正确，即无溢出产生。

P（PSW.0）——奇偶标志位。

表明累加器A中内容的奇偶性。

如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”。

凡是改变累加器A中内容的指令均会影响P标志位。

此标志位对串行通信中的数据传输有重要的意义。

在串行通信中常采用奇偶校验的办法来校验数据传输的可靠性。

数据指针（DPTR）。

数据指针为16位寄存器。

编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用，即：

DPHDPTR高位字节，DPLDPTR低位字节。

DPTR通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用。

由于外部数据存储器的寻址范围为64KB，故把DPTR设计为16位。

堆栈指针（SP—StackPointer）。

堆栈是一个特殊的存储区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”的原则存取数据的。

堆栈共有两种操作：

进栈和出栈。

由于MCS-51单片机的堆栈设在内部RAM中，因此SP是一个8位寄存器。

系统复位后，SP的内容为07H，从而复位后堆栈实际上是从08H单元开始的。

但08H～1FH单元分别属于工作寄存器1～3区，如程序要用到这些区，最好把SP值改为1FH或更大的值。

对专用寄存器的字节寻址问题作如下几点说明：

（1）21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内部RAM高128单元之中，尽管还余有许多空闲地址，但用户并不能使用。

（2）程序计数器PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。

（3）对专用寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器。

第六节输入输出端口

单片机芯片内还有一项主要内容就是并行I/O口。

MCS-51共有4个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3。

每个口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。

实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。

在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。

在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用。

第七节时钟电路

在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。

而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路。

XTAL2

XTAL1

MCS-51

CYS

XTAL2

XTAL1

MCS-51

+5V

VSS

TTL

外部时钟源

1．振荡周期：

为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。

2．时钟周期：

是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。

3．机器周期：

通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。

4．指令周期：

是指CPU执行一条指令所需要的时间。

一个指令周期通常含有1～4个机器周期。

振荡周期

时钟周期

机器周期

指令周期

XTAL2

（OSC）

第八节复位电路

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。

实训中已经看出，无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以我们必须弄清楚MCS-51型单片机复位的条件、复位电路和复位后状态。

第三章定时器/计数器

第一节概述

实质是计数器，脉冲每一次下降沿，计数寄存器数值将加1。

计数的脉冲如果来源于单片机内部的晶振,由于其周期极为准确，这时称为定时器。

计数的脉冲如果来源于单片机外部的引脚，由于其周期一般不准确，这时称为计数器。

第二节结构和工作原理

定时/计数器方式寄存器TMOD

（1） M1和M0：

方式选择位。

（2）c/T：

功能选择位。

时，设置为定时器工作方式；时，设置为计数器工作方式。

（3）GATE：

门控位。

当GATE=0时，软件控制位TR0或TR1置1即可启动定时器；当GATE=1时，软件控制位TR0或TR1须置1，同时还须（P3.2）或（P3.3）为高电平方可启动定时器，即允许外中断、启动定时器。

定时器/计数器控制寄存器TCON

（1）TCON.7TF1：

定时器1溢出标志位。

当定时器1计满数产生溢出时，由硬件自动置TF1=1。

在中断允许时，向CPU发出定时器1的中断请求，进入中断服务程序后，由硬件自动清0。

在中断屏蔽时，TF1可作查询测试用，此时只能由软件清0。

（2）TCON.6TR1：

定时器1运行控制位。

由软件置1或清0来启动或关闭定时器1。

当GATE=1，且为高电平时，TR1置1启动定时器1；当GATE=0时，TR1置1即可启动定时器1。

（3）TCON.5TF0：

定时器0溢出标志位。

其功能及操作情况同TF1。

（4）TCON.4TR0：

定时器0运行控制位。

其功能及操作情况同TR1。

（5）TCON.3IE1：

外部中断1（）请求标志位。

（6）TCON.2IT1：

外部中断1触发方式选择位。

（7）TCON.1IE0：

外部中断0（）请求标志位。

（8）TCON.0IT0：

外部中断0触发方式选择位。

第三节定时/计数器的工作方式

1．方式0

方式0构成一个13位定时/计数器。

图是定时器0在方式0时的逻辑电路结构，定时器1的结构和操作与定时器0完全相同。

2．方式1

定时器工作于方式1时。

由图可知，方式1构成一个16位定时/计数器，其结构与操作几乎完全与方式0相同，惟一差别是二者计数位数不同。

3．方式2

定时/计数器工作于方式2时，。

由图可知，方式2中，16位加法计数器的TH0和TL0具有不同功能，其中，TL0是8位计数器，TH0是重置初值的8位缓冲器。

4．方式3

定时/计数器工作于方式3时，其逻辑结构图如图所示。

第四节编程和使用

1．计数器初值的计算

把计数器计满为零所需要的计数值设定为C，计数初值设定为TC，由此可得到公式：

TC=M-C式中，M为计数器模值，该值和计数器工作方式有关。

在方式0时M为213；在方式1时M为216；在方式2和方式3时M为28。

2．定时器初值的计算

在定时器模式下，计数器由单片机主脉冲经12分频后计数。

因此，定时器定时时间T的公式：

T=（M-TC）T计数，上式也可写成：

TC=M-T/T计数。

式中，M为模值，和定时器的工作方式有关；T计数是单片机振荡周期TCLK的12倍；TC为定时器的定时初值。

第六章中断系统

第一节概述

中断是通过硬件来改变CPU的运行方向的。

计算机在执行程序的过程中，当出现CPU以外的某种情况时，由服务对象向CPU发出中断请求信号，要求CPU暂时中断当前程序的执行而转去执行相应的处理程序，待处理程序执行完毕后，再继续执行原来被中断的程序。

这种程序在执行过程中由于外界的原因而被中间打断的情况称为“中断”。

与中断有关的寄存器有4个，分别为中断源寄存器TCON和SCON、中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP；中断源有5个，分别为外部中断0请求、外部中断1请求、定时器0溢出中断请求TF0、定时器1溢出中断请求TF1和串行中断请求RI或TI。

5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器IP和顺序查询逻辑电路共同决定，5个中断源分别对应5个固定的中断入口地址。

第二节中断源与中断申请标志

中断源

（1）外部中断0请求，由P3.2脚输入。

通过IT0脚（TCON.0）来决定是低电平有效还是下跳变有效。

一旦输入信号有效，就向CPU申请中断，并建立IE0标志。

（2）外部中断1请求，由P3.3脚输入。

通过IT1脚TCON.2）来决定是低电平有效还是下跳变有效。

一旦输入信号有效，就向CPU申请中断，并建立IE1标志。

（3） TF0：

定时器T0溢出中断请求。

当定时器0产生溢出时，定时器0中断请求标志位（TCON.5）置位（由硬件自动执行），请求中断处理。

（4） TF1：

定时器1溢出中断请求。

当定时器1产生溢出时，定时器1中断请求标志位（TCON.7）置位（由硬件自动执行），请求中断处理。

（5） RI或TI：

串行中断请求。

当接收或发送完一串行帧时，内部串行口中断请求标志位RI（SCON.0）或TI（SCON.1）置位（由硬件自动执行），请求中断。

中断标志

TCON寄存器中的中断标志

TCON为定时器0和定时器1的控制寄存器，同时也锁存定时器0和定时器1的溢出中断标志及外部中断和的中断标志等。

与中断有关位如下：

（1）TCON.7TF1：

定时器1的溢出中断标志。

T1被启动计数后，从初值做加1计数，计满溢出后由硬件置位TF1，同时向CPU发出中断请求，此标志一直保持到CPU响应中断后才由硬件自动清0。

也可由软件查询该标志，并由软件清0。

（2） TCON.5TF0：

定时器0溢出中断标志。

其操作功能与TF1相同。

（3） TCON.3IE1：

中断标志。

IE1=1，外部中断1向CPU申请中断。

（4） TCON.2IT1：

中断触发方式控制位。

当IT1=0时，外部中断1控制为电平触发方式。

（5） TCON.1IE0：

中断标志。

其操作功能与IE1相同。

（6） TCON.0IT0：

中断触发方式控制位。

其操作功能与IT1相同。

SCON寄存器中的中断标志

SCON是串行口控制寄存器，其低两位TI和RI锁存串行口的发送中断标志和接收中断标志。

（1） SCON.1TI：

串行发送中断标志。

CPU将数据写入发送缓冲器SBUF时，就启动发送，每发送完一个串行帧，硬件将使TI置位。

但CPU响应中断时并不清除TI，必须由软件清除。

第三节中断控制

IE寄存器中断的开放和禁止标志

（1） IE.7EA：

总中断允许控制位。

EA=1，开放所有中断，各中断源的允许和禁止可通过相应的中断允许位单独加以控制；EA=0，禁止所有中断。

（2）IE.4ES：

串行口中断允许位。

ES=1，允许串行口中断；ES=0，禁止串行口中断。

（3）IE.3ET1：

定时器1中断允许位。

ET1=1，允许定时器1中断；ET1=0，禁止定时器1中断。

（4）IE.2EX1：

外部中断1（）中断允许位。

EX1=1，允许外部中断1中断；EX1=0，禁止外部中断1中断。

（5） IE.1ET0：

定时器0中断允许位。

ET0=1，允许定时器0中断；ET0=0，禁止定时器0中断。

（6） IE.0EX0:

外部中断0（）中断允许位。

EX0=1，允许外部中断0中断；EX0=0，禁止外部中断0中断。

8051单片机系统复位后，IE中各中断允许位均被清0，即禁止所有中断。

IP寄存器中断优先级标志

8051单片机有两个中断优先级，每个中断源都可以通过编程确定为高优先级中断或低

（1）IP.4PS：

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