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单片机原理及应用笔记.docx

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.27M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    哈尔滨工业大学——单片机原理及应用（国家精品课） 单片机是什么？ 单片机就是在一片半导体硅片上集成中央处理单元、存储器、串并行 I/O、定时器/计数器、终 端系统、系统时钟电路以及系统总线，所以单片机实质上是用于控制目的的单片微型计算机， 简称单片机。 单片机的两种典型封装形式： 1、双排直插（DIP） 2、方形封装（PLCC 或 TQFP 封装） 单片机的特点： 单片机的定位及典型优势： 测控系统的核心 也称嵌入式控制器、微控制器 习惯称呼：“单片机” 单片机的体积小、价格低，能非常容易的嵌入到工业控制单元，机器人，智能仪器仪表、汽车 电子系统、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、玩具、个人信息终端以及 通讯产品中。 单片机的分类: 按用途来分: 通用型：人们通常所说是指通用型单片机。通用型的单片机内部可开发资源全部提供给用户。 专用型：针对特定用途制造的的单片机。全面综合地考虑结构最简化、可靠化和成本最佳化。 例如，各种家用电器中的控制器。 按处理的二进制位数可以分为：8 位单片机、16 位单片机和 32 位单片机。 单片机发展趋势：向高性能化、存储大容量、外围电路内装化等方面发展。 1、增加 CPU 的数据总线宽度 1>例如，16 位机和 32 位机，数据处理能力明显优于 8 位单片机。 2>双 CPU 结构，提高数据处理能力。 2、存储器的发展 1>片内程序存储器—采用闪烁（Flash）存储器，容量可大 128KB。 2>片内数据存储器容量可达数十 KB。 3、片内 I/O 的改进 1>增加 I/O 口驱动能力,直接输出大电流和高电压，以直接驱动 LED 和 VFD（荧光显示器）。 2>特殊串行 I/O 功能，为构成分布式、网络化系统提供方便。 4、低功耗化 1>CMOS 工艺，多种节电工作方式。 CMOS 工艺功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等节点工作方式。 2>消耗电流μA 或 nA 量级，电池供电。 3>便携式仪器仪表、消费类电子产品。 5、外围电路内装化 1>片内集成的功能部件多，系统的单片化。 2>一片芯片就是一个“测控”系统。 嵌入式微处理器家族成员主要由嵌入式微处理器、单片机以及 DSP 组成。（Dsp 数字信号处理） AT89S51 单片机的硬件结构
    AT89S51 单片机把控制应用所必需的基本功能部件集成在一个电路芯片上。 片内部件组成： 1> 8 位微处理器(CPU) 2> 数据存储器(128B RAM) 3> 程序存储器(4KB Flash ROM) 4> 4 个 8 位并行 I/O 口(P0 口~P3 口) 5> 1 个全双工异步串口 6> 2 个 16 位定时器/计数器 7> 1 个看门狗定时器 8> 中断系统：5 个中断源、5 个中断向量 9> 特殊功能寄存器(SFR)26 个 10> 低功耗的空闲模式和掉电模式 11> 在线可编程功能 ISP(In System Program) 12> 数据指针 2 个，方便对片外 RAM 的访问 各功能部件通过片内单一总线连接而成，基本结构是 CPU+外围芯片的传统微机结构。 CPU 对各种功能部件控制集中采用特殊功能寄存器(SFR - Special Function Register)的 集中控制方式。 AT89S51 单片机的引脚
    引脚按功能分 3 类： (1) 电源及时钟引脚 - VCC、VSS、XTAL1、XTAL2 (2) 控制引脚 - PSEN*、ALE/PROG*、EA*/VPP、RST(RESET) (3) I/O 引脚 - P0、P1、P2、P3，为 4 个 8 位 I/O 口 1、电源与时钟引脚 (1) 电源引脚 1> VCC(40 脚):+5V 电源 2> VSS(20 脚):数字地 (2) 时钟引脚 1> XTAL1(19 脚):输入端 ·使用片内振荡器，应接外部石英晶体和微调电容 ·使用片外振荡器，该脚接外部时钟振荡器输出的信号 2> XTAL(18 脚):片内振荡器反相放大器的输出端 ·使用片内振荡器，接外部石英晶体的微调电容 ·使用片外振荡器，悬空 2、控制引脚 (1) RST(RESET，9 脚) 复位信号输入，持续时间大于 2 个机器周期的高电平，就可使单片机复位。 正常工作应 ≤ 0.5V
    当看门狗定时器溢出输出时，该脚将输出长达 96 个时钟周期的高电平。 (2) EA*/VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programming，31 脚) 1> EA*:第一功能:允许访问外部程序存储器控制，与该脚电平有关 A. EA* = 1 PC 值≤0FFFH 时，单片机读片内 4KB Flash 中的程序， PC 值＞0FFFH (超出片内 4KB Flash 地址范围)时，转向读取片外 60KB(1000H - FFFFH) 程序存储器空间中的程序。 B. EA* = 0 只读取外部程序存储器中的内容，读取地址范围 0000H~FFFFH，片内 4KB Flash 无效。 2> VPP:第二功能，对片内 Flash 编程，按编程电压。 对于 AT89S51 单片机来说，若不使用片内的闪烁存储器，则 EA*脚应该接地。 (3) ALE/PROG*(Address Latch Enable/PROGramming,30 脚) 1> ALE: 第一功能 ALE 为访问外部存储器提供低 8 位地址锁存 在片外地址锁存器中。见图， 此外，单片机运行时，ALE 端一直有脉冲信号，频率为时钟 fosc 的 1/6. 注意，每当 AT89S51 访问外部 RAM 时(执行 MOVX 类指令)，要丢失一个 ALE 脉冲。 可用软件来禁止 ALE 输出，将特殊功能寄存器 AUXR(地址 8EH)的第 0 位(ALE 禁止位)置 1，但 ALE 禁止位不影响对外部存储器的访问，即执行指令”MOVC”或”MOVX”时，ALE 仍然有效。 2> PROG*:第二功能，对片内 Flash 编程的编程脉冲输入。 (4) PSEN* (Program Strobe ENable,29 脚) 片外程序存储器读选通信号，低有效。 3、并行 I/O 口 P0~P3 引脚 (1) P0 口: 8 位，漏极开路的双向 I/O 口 作为系统总线用，低 8 位地址总线及数据总线分时复用端口，是双向口。也作为通用 I/O 口， 漏极需加上拉电阻，这是为准双向口。可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。 (2) P1 口:8 位，准双向 I/O 口，具有内部上拉电阻。 注意:P1 口的几只引脚:P1.5/MOSI、P1.6/MOSI 和 P1.7/SCK，可用作片内 Flash 存储器的串 行编程和校验，分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。 P1 口可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 (3) P2 口:8 位，准双向 I/O 口，有内部上拉电阻。
    当外扩存储器 I/O 口时，P2 口作为高 8 位地址总线用。 也可作为通用 I/O 使用。 可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 (4) P3 口:8 位，准双向 I/O 口，具有内部上拉电阻。 可作为通用 I/O 口使用，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 P3 口还可提供第二功能: 引 脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第 二 功 能 说 明 RXD TXD ________ INT0 ________ INT1 T0 T1 _____ WR _____ RD 串行数据输入口 串行数据输出口 外部中断 0 输入 外部中断 1 输入 定时器 0 外部记数输入 定时器 1 外部记数输入 外部数据存储器写选通输出 外部数据存储器读选通输出 综上所述，P0 口如作为总线口，为双向口。如作为通用 I/O 口，为准双向口，这时需加上拉电 阻。而 P1 口、P2 口、P3 口均为准双向口。 注意:P0 口作为总线口使用时为双向口，P0 口线内无上拉电阻，处于高祖“悬浮”态，此时 P0 口为双向三态 I/O 口。作为 I/O 使用，为准双向口，仅有两个状态。 AT89S51 单片机的 CPU AT89S51 单片机的 CPU 由运算器和控制器等部件构成。 1、运算器 功能：对操作数进行算术、逻辑和位操作运算。 组成：算术逻辑运算单元 ALU、累加器 A、位处理器、程序状态字寄存器 PSW 及两个暂存器等。 (1) 算术逻辑运算单元 ALU 可对 8 位变量逻辑运算（与、或、异或、循环、求补和清零），还可算术运算（加、减、乘、 除） ALU 还有位操作功能，对位变量进行置“1”、清“0”、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等。 (2) 累加器 A 使用最频繁的寄存器，也可写为 Acc。注意“A”与“Acc”书写的差别。 作用如下： 是输入数据源之一，又是运算结果存放单元。 数据传送多通过 A，数据中转站。为解决“瓶颈堵塞”问题，AT89S51 增加了一部分可不经过累 加器的传送指令。 A 进位标志 Cy 是同时又是位处理机的位累加器 (3) 程序状态字寄存器 PSW PSW（Program Status Word）位于片内特殊功能寄存器区，字节地址 D0H。 PSW 包含程序运行的状态信息，其中 4 位保存当前指令执行后的状态，供查询和判断。格式如 下:
    PSW 格式 PSW 各位功能： (1) Cy（PSW.7）进位标志位也可写为 C。在算术或逻辑运算时，若有进位/借位，Cy＝1；否 则，Cy＝0，它也是位处理器中位累加器。 (2) Ac（PSW.6）辅助进位标志位 在 BCD 码运算时，用作十进制运算调整。即当 D3 位向 D4 位产生进位或借位时，Ac＝1；否则， Ac＝0。 (3) F0（PSW.5）用户使用的标志位 (4) RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4 组工作寄存器区选择 选择片内 RAM 区中的 4 组工作寄存器区中的某一组为当前工作寄存区。如下表所示。 (5) OV（PSW.2）溢出标志位 执行算术指令时，用来指示运算结果是否产生溢出。如溢出，OV=1；否则，OV=0。 (6) PSW.1 位：保留位 (7) P（PSW.0）：奇偶标志位 指令执行完后，A 中“1”的个数是奇数还是偶数。 P=1，A 中“1”的个数为奇数。 P=0，A 中“1”的个数为偶数。 此位对串行通信有重要意义，常用奇偶检验来检验数据串行传输的可靠性。 2、控制器 任务：识别指令，控制单片机各功能部件，保证各部分自动协调工作。 控制器包括：PC、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等。功能:控制指令的读入、 译码和执行，对各功能部件进行定时和逻辑控制。 程序计数器 PC 为一独立的 16 位计数器，不可访问。复位时，PC 内容为 0000H，从程序存储器 0000H 单元取指令，执行程序。 PC 工作过程：CPU 取指令时，PC 内容为所取指令的地址，程序存储器按此地址输出指令字节， 同时 PC 自动加 1。 PC 中内容变化轨迹决定程序流向。 顺序执行程序，PC 自动加 1； 执行转移程序或子程序、中断子程序调用时，自动将其内容更改成所要转移的目的地址。 PC 计数宽度决定程序存储器地址范围。单片机的 PC 计数宽度 16 位，可对 216B（64KB）寻址。 AT89S51 单片机的存储空间及分类 AT89S51 单片机的存储空间为哈佛结构，存储空间分为四类：
    1> 程序存储器空间 分为片内和片外两部分。 片内 4KB Flash，编程和擦除完全是电气实现的。可用通用编程器对其编程，也可在线编 程。 2> 数据存储器空间 片内有 128B RAM (S2 子系列为 256B); 片内 RAM 不够用时，在片外最多可拓展 64KB RAM。 3> 特殊功能寄存器 SFR (Special Function Register) 各功能部件的控制寄存器及状态寄存器。综合反映了整个单片机基本系统内部实际的工作状 态及工作方式。 4> 位地址空间 1、程序存储器空间 211 个可寻址位。片内 RAM(共 16 个单元，每个单元 8 位，共 128 位) + SFR 区(共 83 位)。 用于存放程序和表格的固定常数。片内为 4KB 的 Flash，地址 0000H~0FFFH。 片外可拓展的程序存储器空间最大为 64KB，地址 0000H~FFFFH。 (1) 程序存储器空间分为片内和片外两部分，访问片内还是片外程序存储器，由 EA*脚电平 确定。 1> EA* = 1,CPU 从片内 00000H 开始取指令，当 PC 没有超出 0FFFH 时，只访问片内 Flash，当 PC 值好处 0FFFH 自动转向片外程序存储器 1000H~FFFFH 内的程序。 2> EA* = 0,不理会片内 4KB Flash 存储器，只 执行片外程序存储器(0000H~FFFFH)中的程序。 (2) 程序存储器 5 个固定单元为各中断源中断入口。见下表。 通常，这 5 个中断入口地址处都存放一条跳转指令跳向对应的中断服务程序，而不是直接存 放中断服务子程序。 2、数据存储器空间 (1) 片内数据存储器:片内 RAM 128 个单元，字节地址为 00H~7FH。 1> 00H~1FH 4 组通用工作寄存器区，每区为 8B:R7~R0。 可用指令改变 PWS 寄存器中的 RS1、RS0 两位来选择。 2> 20H~2FH 的 16 个单元的 128 位可位寻址，也可字节寻 址。 3> 30H~7FH 的单元只能字节寻址，用作存数据以及作为堆
    栈区。 (2) 片外数据存储器:片内 RAM 不够用时，需外扩，最多可拓展 64KB 的 RAM。 注意:片内 RAM 与片外 RAM 两个空间是相互独立的，片内 RAM 与片外 RAM 的低 128B 的地址 是相同的，但由于使用的是不同的访问指令，所以不会发生冲突。 3、特殊功能寄存器与位地址空间 (1) 特殊功能寄存器(SFR)——概述 特殊功能寄存器(SFR)映射在片内 RAM 80H~FFH 区域 中，共 26 个。 SFR 的名称及分布见右图。 有些可位寻址，凡是可位寻址的 SFR，字节地址末尾只能是 0H 或 8H。
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