(第1章) 单片机教案

§1概论
§1.1 单片机特点及发展概况
一、什么是单片机
二、单片机的特点
三、单片机的应用
四、单片机的发展概况
§1.2 常用8位单片机系列介绍
一、 Zilog公司Z8系列单片机
二、 Motorola公司M6800系列单片机
三、 51系列单片机
a)Intel公司MCS51、96系列单片机
b）Atmel公司AT89C51系列单片机
本课程主要内容：以编程应用为中心学习单片机学习特点：软件为主，硬件为辅；
围绕软件，了解硬件；
软硬结合，解决问题
§2 51系列单片机
结构及工作原理
§2.1 51系列单片机整机结构
一、内部结构
CPU、RAM、ROM、I/O接口、CTC
二、外部引脚
从内部了解51系列单片机，为编程服务
从外部认识51系列单片机，为接线服务
了解CPU控制器的4个组成部分：
1 程序计数器PC：Program Counter
2 数据指针DPTR：Data Pointer
3 指令译码器
4 指令寄存器
了解运算器的组成，认识累加器ACC
明确51系列单片机一般组成：
CPU、（ROM）、256B RAM、2×16位CTC、5个中断源、4 ×8位并行I/O 接口、1个全双工串行接口
MCS8031单片机：无ROM型，需要外接ROM或EPROM作
程序存贮器
这里ROM是广义的程序存贮器，
既包括真正的ROM：Read Only Memory，
又包括EPROM：Erasable Programmable Read Only
Memory，
还包括最新的闪存FPEROM：Flash Programmable and Erasable Read Only Memory，优盘的核心
MCS8031单片机：无ROM，不是真正的单片机
MCS8051单片机：4K ROM
MCS8751单片机：4K EPROM
AT89C51单片机：4K FPEROM，以及AT89S51
AT89C2051单片机：2K FPEROM，2×8位并行I/O 接口，20脚，以及AT89S2051
重点掌握PC、DPTR、PSW、ACC
了解指令译码器、指令寄存器、算术逻辑单元ALU （Arithmetic Logic Unit）
PC：16 bit Program Counter, 16位程序计数器，功能：为CPU提供程序存贮器的地址。

特点：程序执行时自动加1计数：加1、2或3；
程序跳转时赋入新数：直接赋值。

DPTR：16 bit Data Pointer, 16位数据指针
功能：寻址
特点：可用指令MOV DPTR，#DATA16整体赋值；
可用INC DPTR指令加1。

PSW: Program State Word
功能：指示指令执行后各部状态
特点：指令执行后自然影响，或由指令直接赋值ACC: Accumulator
功能：存贮指令执行前的已知数据；
存贮指令执行后的中间结果。

§2.2 51系列单片机存贮器结构
一、 存贮器划分方法
二、 程序存贮器
三、 数据存贮器
四、 内部RAM 的分区
五、 堆栈Stack 及堆栈指针Stack Pointer
建立特殊功能寄存器SFR ：Special Function Register, 堆栈Stack 、字节寻址、位寻址等概念
了解51系列单片机存贮器划分
了解程序存贮器的组成及其特殊单元的定义 FH 7H 00FFH
H 0F H 0E H 8B H 99H 83H 98H 0D H 0B H 0A H 8A H 90DH 8CH 8H B 8H 89AH 8H 88H 87H 82H 81H 80B
寄存器A
累加器PSW
程序状态字IP
中断优先级控制字3
P O /I 口并行中断控制字
串行口控制字
2
P O /I 口并行串行口缓冲器
1
P O /I 口并行位
的高定时器81T 位
的高定时器80T 位
的低定时器81T 位
的低定时器8
0T 定时器组合模式控制字
定时器工作方式控制字
电源控制字
位
数据指针高8
位
数据指针低8堆栈指针
0P O /I 口并行H 07H 08FH 0FH 1H 10H 17H 18H 20FH 2H 30组工作寄存器区0组工作寄存器区1组工作寄存器区2组工作寄存器区3可位寻址区FH 7~H 00位地址区用户RAM 堆栈、数据暂存等0R 7
R 0R 0R 0R 7R 7R 7R
图1 RAM 的分区、SFR 及堆栈
认识RAM的分区、SFR及堆栈
明确51系列单片机存贮器从物理上分为4个空间：
内部RAM、内部ROM、外部RAM、外部ROM
从逻辑上分为3个空间：内RAM,外RAM,内ROM和外ROM 明确51系列单片机一般组成：CPU、（ROM）、256B RAM、
2×16位CTC、5个中断
源、4×8位并行I/O 接
口、1个全双工串行接口程序存贮器特殊单元：0000H：主程序入口；
0003H：0号外部中断服务子程序入口；
000BH：0号CTC中断服务子程序入口；
0013H：1号外部中断服务子程序入口；
001BH：1号CTC中断服务子程序入口；
0023H：串行口中断服务子程序入口。

明确程序存贮器起始单元中只有0000H单元的用途主程序入口是硬性规定，其余都是弹性规定。

此处弹性规定的含义是：没有相应的中断服务子程序时，该地址可以灵活运用。

明确位寻址区有两种寻址方法可用：字节（整体）寻址和按位独立寻址
知道堆栈先进后出的特点及应用
知道内部RAM的分区
作业：
1 AT89C51单片机片内包含那些主要逻辑功能部件。

2 51系列单片机的EA端子有何用途。

3 简答51系列单片机存贮器的4个物理空间和3个逻辑空间，如何访问不同的存贮空间。

4 简述51系列单片机片内RAM 的空间分配。

§2.3 51系列单片机并行I/O 端口结构
一、 P1口结构及功能
cc U V
5+X .1P DB 内部内部读锁存器信号
口线内部结构
1P 7
~0X =
图2
功能：准双向I/O 口
作输入之前要先输出1，断开下拉电子开关 有读锁存器功能，可防止误读
拉电流能力：<0.1mA
灌电流能力：<10mA
二、 P2口结构及功能
功能：准双向I/O 口
作输入之前要先输出1，断开下拉电子开关 有读锁存器功能，可防止误读
拉电流能力：<0.1mA
灌电流能力：<10mA
第二功能：高8位地址线A 15~8
cc U V
5+X .2P DB 内部内部读锁存器信号
口线内部结构2P 7~0X =
图3
三、 P3口结构及功能
功能：准双向I/O 口
作输入之前要先输出1，断开下拉电子开关 有读锁存器功能，可防止误读
拉电流能力：<0.1mA
灌电流能力：<10mA
第二功能：串行口等
cc U V
5+X .3P DB 内部内部读锁存器信号
口线内部结构3P 第二输入功能
7~0X =
图4
四、 P0口结构及功能
功能：1. 准双向I/O 口
2. 数据总线
3. 低8位地址总线A 7~0
cc U V 5+X .0P DB 内部内部读锁存器信号
口线内部结构
0P 数据线
上掷，作地址：与门敞开，电子开关控制/1=7~0X =
图5
明确某口线作输入之前要先输出1—准双向含义 知道P0、P2、P3口线的第二功能
明确P1、P2、P3口线内部有约50Ωk 的上拉电阻
知道NMOS 电子开关的特性：栅极接受高电平时导通； 接受低电平时断开。

§2.4 51系列单片机时序和复位
一、晶振频率f osc
MHz 6f osc =，MHz 0592
.11，MHz 12
晶体石英
osc
f 1S 2S 3
S 4S 5S 6S 1
P 2
P 时钟频率发生器系列单片机振荡频率及51
图6
二、时钟频率2
1P ,P 、时钟周期（状态周期） osc 2P 1P f 5.0f f ==，1P f 与2P f 错开︒180。

时钟频率的倒数称为时钟周期，也叫。

三、机器周期
六个状态周期组成一个。

四、指令周期
机器周期是指令周期的基本单位。

就是说，1个指令周期最少包括1个机器周期。

按照包括机器周期的个数，实际指令周期分为单周期、
双周期和四周期共三种。

总结
建立晶振频率、时钟频率、时钟周期、机器周期、指令周期等概念
知道晶振频率二分频为两相时钟频率；
知道一个机器周期包括两个时钟周期；
知道一个指令周期包括1个、2个或4个机器周期；
知道51系列单片机使用了指令交叉执行技术，即在当前指令尚未执行完毕前已经开始下一条指令的取指操作。

所以51系列单片机很多指令长度为双字节，但执行时间为单周期。

大大提高了工作速度。

§2.5 51系列单片机的复位
一、复位要求
给Reset引脚一个脉宽不小于2个机周的正脉冲例：晶振频率f osc=12MHz时，机器周期s
Tμ
=，则要求
1
加在Reset引脚的脉宽不小于s
2μ。

在正脉冲期间，单片机完成复位任务，使有关的寄存器、计数器等成为特定状态。

正脉冲结束时，单片机开始执行程序。

1R Ωk 1Button
U 5V
21o
图7 复位电路
二、复位方法
0)0(u c =+
V 5)(u c =∞
按照三要素法
τ-∞-++∞=/t c c c c e )](u )0(u [)(u )t (u
代入0)0(u c =+和V 5)(u c =∞有
V )e 1(5)t (u /t c τ--=
电阻R 上的电压即AT89C51单片机Reset 引线的输
入电压为
V e 5)t (u V 5)t (u /t c R τ-=-=
在刚上电时，V 5)t (u R =。

随着时间进行，)t (u R 要
按照负指数曲线下降。

当下降到V 2)t (u 1R =时，高电平变为低电平，单片机开始执行程序。

t1就是有效复位时间。

令
V 2V e
5)t (u /t 1R 1==τ- 由此求出 5.2e /t 1=τ
τ≈τ=5.2ln t 1
例：晶振频率f osc =12MHz 时，机器周期s 1T
μ=，要求加在Reset 引脚的脉宽s 2t 1μ≥，则有
s 1026-⨯≥τ
若电阻Ω=k 10R
，则可求出电容值 pF 200F 102101010
2C 1036=⨯=⨯⨯≥--
为保险起见，通常取电容C=F 1μ。

电阻R2以电容放电不过快为宜，通常取Ω=k 1R 1。

三、复位影响
除SBUF 以外的20个SFR
四、复位结果
P0～P3口全1,SP=07H,其余有效位全0。

五、上电复位与带电复位的比较
上电复位后内部RAM 数值不定
带电复位后内部RAM 数值不变
复位要求：给Reset 引脚一个脉宽不小于2个机周的正
脉冲
复位方法：上电复位： RC 自然充电
带电复位： 手压按钮强迫电容放电，松开
后再次自然充电
复位影响：除SBUF 以外的20个SFR
复位结果：大部为0，小部为1
上电复位与带电复位的比较：
上电复位后内部RAM数值不定
带电复位后内部RAM数值不变作业：
9
12
13
14。