单片机原理及应用教案.docx

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单片机原理及应用教案

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单片机原理及应用

教案

机电工程学院

电气工程系

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

CY

AC

F0

RS1

RS0

OV

F1

P

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。

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。

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MCS-51指令系统

第一节指令格式

采用助记符表示的汇编语言指令格式如下：

标号是程序员根据编程需要给指令设定的符号地址，可有可无；标号由1~8个字符组成，第一个字符必须是英文字，不能是数字或其它符号；标号后必须用冒号。

操作码表示指令的操作种类，如MOV表示数据传送操作，ADD表示加法操作等。

操作数或操作数地址表示参加运算的数据或数据的有效地址。

操作数一般有以下几种形式：

没有操作数项，操作数隐含在操作码中，如RET指令；只有一个操作数，如CPLA指令；有两个操作数，如MOVA,#00H指令，操作数之间以逗号相隔；有三个操作数，如CJNEA,#00H,NEXT指令，操作数之间也以逗号相隔。

注释是对指令的解释说明，用以提高程序的可读性；注释前必须加分号。

第二节寻址方式

寻找操作数地址的方式称为寻址方式。

1.寄存器寻址

寄存器寻址是指将操作数存放于寄存器中，寄存器包括工作寄存器R0~R7、累加器A、通用寄存器B、地址寄存器DPTR等。

例如，指令MOVR1,A的操作是把累加器A中的数据传送到寄存器R1中，其操作数存放在累加器A中，所以寻址方式为寄存器寻址。

如果程序状态寄存器PSW的RS1RS0=01（选中第二组工作寄存器，对应地址为08H～0FH），设累加器A的内容为20H，则执行MOVR1，A指令后，内部RAM09H单元的值就变为20H。

2.直接寻址

直接寻址是指把存放操作数的内存单元的地址直接写在指令中。

在MCS-51单片机中，可以直接寻址的存储器主要有内部RAM区和特殊功能寄存器SFR区。

例如，指令MOVA，3AH执行的操作是将内部RAM中地址为3AH的单元内容传送到累加器A中，其操作数3AH就是存放数据的单元地址，因此该指令是直接寻址。

3.立即数寻址

立即数寻址是指将操作数直接写在指令中。

例如，指令MOVA，#3AH执行的操作是将立即数3AH送到累加器A中，该指令就是立即数寻址。

4.寄存器间接寻址

  寄存器间接寻址是指将存放操作数的内存单元的地址放在寄存器中，指令中只给出该寄存器。

执行指令时，首先根据寄存器的内容，找到所需要的操作数地址，再由该地址找到操作数并完成相应操作。

在MCS-51指令系统中，用于寄存器间接寻址的寄存器有R0、R1和DPTR，称为寄存器间接寻址寄存器。

设R0=3AH，内部RAM3AH中的值是65H，则指令MOVA，@R0的执行结果是累加器A的值为65H。

5.变址寻址

变址寻址是指将基址寄存器与变址寄存器的内容相加，结果作为操作数的地址。

DPTR或PC是基址寄存器，累加器A是变址寄存器。

该类寻址方式主要用于查表操作。

例如，指令MOVCA，@A+DPTR执行的操作是将累加器A和基址寄存器DPTR的内容相加，相加结果作为操作数存放的地址，再将操作数取出来送到累加器A中。

设累加器A=02H，DPTR=0300H，外部ROM中，0302H单元的内容是55H，则指令MOVCA，@A+DPTR的执行结果是累加器A的内容为55H。

6.相对寻址

相对寻址是指程序计数器PC的当前内容与指令中的操作数相加，其结果作为跳转指令的转移地址（也称目的地址）。

该类寻址方式主要用于跳转指令。

例如，指令SJMP54H执行的操作是将PC当前的内容与54H相加，结果再送回PC中，成为下一条将要执行指令的地址。

设指令SJMP54H的机器码80H54H存放在2000H处，当执行到该指令时，先从2000H和2001H单元取出指令，PC自动变为2002H；再把PC的内容与操作数54H相加，形成目标地址2056H，再送回PC，使得程序跳转到2056H单元继续执行。

7.位寻址

位寻址是指按位进行的寻址操作，而上述介绍的指令都是按字节进行的寻址操作。

MCS-51单片机中，操作数不仅可以按字节为单位进行操作，也可以按位进行操作。

当我们把某一位作为操作数时，这个操作数的地址称为位地址。

位寻址区包括专门安排在内部RAM中的两个区域：

一是内部RAM的位寻址区，地址范围是20H~2FH，共16个RAM单元，位地址为00H~7FH；二是特殊功能寄存器SFR中有11个寄存器可以位寻址，参见有关章节中位地址定义。

第三节数据操作和指令类型

MCS-51单片机指令系统包括111条指令，按功能可以划分为以下5类

数据传送指令（29条）   

算术运算指令（24条）

逻辑运算指令（24条）

控制转移指令（17条）

位操作指令（17条）

第四节数据传送指令

数据传送指令是MCS-51单片机汇编语言程序设计中使用最频繁的指令，包括内部RAM、寄存器、外部RAM以及程序存储器之间的数据传送。

数据传送操作是指把数据从源地址传送到目的地址，源地址内容不变。

1.以累加器A为目的操作数的指令

MOVA,＃data；A←＃data

MOVA,Rn；n=0~7，A←（Rn）

MOVA,@Ri；i=0,1，A←（（Ri））

MOVA,direct；A←（Rn）direct为内部RAM或SFR地址

2.以Rn为目的操作数的指令

MOVRn，A；Rn←（A），n=0~7

MOVRn，direct；Rn←（direct）

MOVRn，＃data；Rn←＃data

3.以直接地址为目的操作数的指令

MOVdirect,A；direct←（A）

MOVdirect,Rn；direct←（Rn），n=0~7

MOVdirect,@Ri；direct←（（Ri）），i=0,1

MOVdirect,direct；direct←（direct）

MOVdirect,#data；direct←＃data

4.以寄存器间接地址为目的操作数指令

MOV@Ri，A；（（Ri））←（A），i=0,1

MOV@Ri，direct；（（Ri））←（direct）

MOV@Ri，＃data；（（Ri））←＃data

字节交换指令

XCHA,Rn；（A）←→（Ri）

XCHA,direct；（A）←→（direct）

XCHA,@Ri；（A）←→（Ri）

半字节交换指令

XCHDA,@Ri；（A）0-3←→（（Ri））0-3

累加器A与外部数据传输指令

MOVXA,@DPTR；A←（（DPTR））地址范围64K

MOVXA,@Ri；A←（（Ri））地址范围0～255

MOVX@DPTR,A；（DPTR）←（A）

MOVX@Ri,A；（Ri）←（A）

查表指令

1）MOVCA,@A+DPTR；A←（（A）+（DPTR））

2）MOVCA,@A+PC；A←（（A）+（pc））

第五节算术运算指令

加法指令（Addtion）

ADDA,Rn；A←（A）+（Rn）

ADDA,@Ri；A←（A）+（（Ri））

ADDA,direct；A←（A）+（direct）

ADDA,＃data；A←（A）+#data

带进位加法指令

ADDCA,Rn；A←（A）+（Rn）+（Cy）

ADDCA,@Ri；A←（A）+（（Ri））+（Cy）

ADDCA,direct；A←（A）+（direct）+（Cy）

ADDCA,＃data；A←（A）+#data+（Cy）

加1指令

INCA；A←（A）+1

INCRi；Ri←（A）+1

INCdirect；direct←（direct）+1

INC@Ri；（Ri）←（（Ri））+1

INCDPTR；DPTR←（DPTR）+1

十进制调整指令

DAA

带借位减法指令（Subtraction）

SUBBA,Rn；A←（A）-（Rn）-（Cy）

SUBBA,@Ri；A←（A）-（（Ri））-（Cy）

SUBBA,direct；A←（A）-（direct）-（Cy）

SUBBA,＃data；A←（A）-#data-（Cy）

减1指令（Decrease）

DECA；A←（A）－1

DECRi；Ri←（A）－1

DECdirect；direct←（direct）－1

DEC@Ri；（Ri）←（（Ri））－1

乘法指令（Multiplication）

MULAB

除法指令（Division）

DIV