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1、单片机原理及应用教案hfgjghjhkghk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（19761978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（19781982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

2、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（19821990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

3、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

4、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4 KB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。

5、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，

6、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：+5 V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

7、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ROMMCS-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4 KB的ROM，8751片内有4 KB的EPROM，8031片内无程序存储器。 MCS-51的片外最多能扩展64 KB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0000H0FFFH地址范围内 (即前4 KB地址) 是执行片内ROM中的程序，当PC在1000HFFFF

8、H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0000H0002H。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0003H002AH，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：0003H000AH 外部中断0中断地址区000BH0012H 定时/计数

9、器0中断地址区0013H001AH 外部中断1中断地址区001BH0022H 定时/计数器1中断地址区0023H002AH 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00H7FH）和高128单元

10、（单元地址80HFFH）。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R0R7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00H1FH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

11、，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20H2FH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00H7FH。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30H7FH。对用户RAM区的使用没有任

12、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80HFFH。因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（Special Function Register），也可称为特殊功能寄存器。第五节 特殊功能存储器SFR8051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（PCProgram Counter）。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64 KB。PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。PC

13、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（ACCAccumulator）。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

14、可作为一般数据寄存器使用。 程序状态字（PSWProgram Status Word）。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D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H字节地址 CY ACF0RS1RS0OVF1P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

15、：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

16、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，RS1 RS0=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

17、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：DPH DPTR高位字节，DPL DPTR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64 KB，故把DPTR设计为16位。堆栈指针（SPStack Pointer）。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

18、栈实际上是从08H单元开始的。但08H1FH单元分别属于工作寄存器13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

19、。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

20、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14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

21、的符号地址，可有可无；标号由18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CPL A指令；有两个操作数，如MOV A,#00H指令，操作数之间以逗号相隔；有三个操作数，如CJNE A,#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

22、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R0R7、累加器A、通用寄存器B、地址寄存器DPTR等。例如，指令MOV R1,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08H0FH），设累加器A的内容为20H，则执行MOV R1，A指令后，内部RAM 09H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

23、器SFR区。例如，指令MOV A，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MOV A，#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

24、寄存器间接寻址寄存器。设R0=3AH，内部RAM 3AH中的值是65H，则指令MOV A，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MOVC A，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MOVC A，A+DPTR的执行结果是累加器A的内容为55

25、H。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SJMP 54H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SJMP 54H的机器码80H 54H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

26、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20H2FH，共16个RAM单元，位地址为00H7FH；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

27、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MOV A, data ； A data MOV A, Rn ； n=07， A (Rn) MOV A, Ri ； i=0,1 ， A (Ri) MOV A, direct ； A (Rn) direct为内部RAM或SFR地址2. 以Rn为目的操作数的指令MOV Rn， A ；Rn (A) ， n=07MOV Rn ， direct ；Rn (direct) MOV Rn

28、，data ；Rn data 3.以直接地址为目的操作数的指令 MOV direct, A ；direct (A) MOV direct, Rn ； direct (Rn) ， n=07MOV direct, Ri ； direct ( Ri ) ) ， i=0,1MOV direct, direct ；direct (direct) MOV direct, #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=0,1MOV Ri ， direct ； (Ri) ) (direct) MOV Ri ，data ； (Ri

29、) ) data字节交换指令XCH A , Rn ； (A) (Ri)XCH A , direct ； (A) (direct)XCH A , Ri ； (A) (Ri)半字节交换指令XCHD A, Ri ；(A)0-3 (Ri ) 0-3累加器A与外部数据传输指令MOVX A, DPTR ； A (DPTR) 地址范围64KMOVX A, Ri ； A (Ri) 地址范围0255MOVX DPTR, A ； (DPTR) (A)MOVX Ri , A ； (Ri) (A)查表指令1）MOVC A, A+DPTR ； A (A)+(DPTR)2）MOVC A, A+PC ； A (A)+(pc

30、)第五节 算术运算指令加法指令（Addtion）ADD A, Rn ； A（A）+（Rn）ADD A, Ri ；A（A）+（(Ri)）ADD A, direct ；A（A)+(direct)ADD A, data ；A（A)+#data带进位加法指令ADDC A, Rn ； A(A)+(Rn)+(Cy)ADDC A, Ri ；A(A)+(Ri ) +(Cy)ADDC A, direct ；A（A)+(direct) +(Cy)ADDC A, data ；A（A)+#data +(Cy)加1指令INC A ；A(A)+1INC Ri ；Ri（A)+1INC direct ；direct（dire

31、ct)+1INC Ri ；(Ri)(Ri)+1INC DPTR ；DPTR(DPTR)+1十进制调整指令DA A带借位减法指令（Subtraction）SUBB A, Rn ； A（A)-(Rn)-(Cy）SUBB A, Ri ；A（A)-(Ri) ) -(Cy）SUBB A, direct ；A（A)-(direct) -(Cy）SUBB A, data ；A（A)-#data -(Cy）减1指令（Decrease）DEC A ；A(A)1DEC Ri ；Ri（A)1DEC direct ；direct（direct)1DEC Ri ；(Ri)(Ri)1乘法指令（Multiplication）MUL AB 除法指令（Division）DIV