单片机：嵌入式微控制器的开发入门
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16
单片机发展的状况
当前流行8位、16位和32位三大类产品 1. 8位单片机：使用数量最大的一类单片机。特点：成本低，
性能又能满足大多要求。如MCS-51、PIC和AVR系列； 2. 16位单片机：适合数据运算的场合。但由于价格的居高，
其数据运算功能又不如32位机，所以发展处于停滞状态。 具有代表性有MCS-96系列、台湾的“凌阳”16位单片机； 3. 32位单片机：当前高档次单片机发展的一个方向，具有超 强的数据处理能力、合理的价格。其核心技术基本被美国 ARM公司所垄断。具有代表性的产品是ARM系列（ARM-7、 ARM-9）。
算、逻辑运算、控制转移和布尔操作5大类。
27
1.2 : MCS-51 单片机内部方框图
时钟电路
CPU 处理器
4KROM 程序存储器
256BRAM 数据存储器
2X16位 定时/计数器
64KB总线 扩展控制器
可编程I/O 端口P0-3
可编程 串行口
28
美国intel公司生产的MCS-51系列 芯片及制造工艺
17
AT89 系列单片机介绍
AT89系列单片机是美国ATMEL公司生产的8位Flash系列单 片机，与INTEL公司生产的MCS-51单片机兼容，使市场的 主流产品。其特点如下：
1. 片内含有Flash程序存储器，开发编程方便； 2. 全面兼容8051，引脚完全相同可直接取代8751； 3. 具有静态时钟方式、降低系统功耗，适合便携式系统； 4. Flash程序存储器可以多次快速擦写，适合学习、开发；
型号 8031 8051 8751
片内ROM 片内RAM I/O口线
无
128B+SFR 8×4
掩膜4KB 128B+SFR 8×4
EPROM 4KB 128B+SFR 8×4
备注
DIP 40脚 DIP 40脚 DIP 40脚
返回
29
1.3：MCS-51单片机的引脚定义
通过对引脚的了解，认识MCS-51单片机的内部 结构和工作特点； 准确把握引脚定义是系统硬件设计的依据。
对此引脚施加一个（大于两个时钟周期的）高电平使单片机
复位。
Vcc
Vcc
VR
Vcc
（Ic）
C Ic
R
C
MCS-51
RST
R
t
T
35
具有上电复位和手动复位功能的电路
Vcc
复位按钮 100 Ω 1K～10K
10UF MCS-51
RST
36
在复位状态下： 1. 程序指针PC=0000H； 2. 堆栈指针SP=07H； 3. SFR的内容全变为“0”； 4. P0～P3四个端口输出“全1”（FFH）； 5. RAM内容不变。
例如：AT89C51-24PI
22
课程目录
第一章：MCS-51系列单片机的基本硬件结构、特点； 第二章：MCS-51单片机指令系统及时序； 第三章：单片机内部主要功能模块工作原理及应用 第四章：MCS-51单片机系统的扩展及应用；
23
第一章：MCS-51系列单片机的基本硬件结构
本章内容 了解MCS-51单片机的硬件结构、特点。 重点掌握内部RAM、ROM的结构，使用方 法及注意事项。
5/2
8K+256
8/3
8K+256
8/3
20K
8/3
20K
8/3
其它 低电压版本 低电压版本 低电压版本
低电压版本（2.7～6V）
19
2. 低档型：
除了I/O端口减少外，其它部件同AT89C51。全部采用 DIP20封装。
型号 AT89C1051 AT89C2051
ROM/RAM 中断源/定时器
2. PIC系列 美国微芯片公司（microchip）。 当前市场份额增长最快的产品，采用哈弗总线结构、二级 流水作业、精简指令指令系统以及多种内嵌模块（WDT、 ADC、CCP模块等）。
3. AVR系列 美国Atmel公司。 一种新推出的高性能、高速度和低功耗 产品，性能类似于 PIC系列。常见的有TA90系列。
1K+64
3/2
2K+128
5/2
其它 无串口
20
3. 高档型： 在标准型的基础上增加了功能模块。
其中显著特点是他们的flash程序存储器都可以通过SPI串 行接口实现“在线编程”，都具备Watchdog，双数据指针。
型号 AT89S53 AT89S8252
ROM/RAM 12K+128 8K+128
12
单片机外形图（AT89C51）
13
PIC16F877 单片机构成的电梯控制系统
14
单片机 PIC16F877
15
三种主要的8位单片机性能比较
1. MCS-51系列 美国Intel公司研制（现已停产、转让）。 应用最为广泛、最成熟的产品。配套的各种开发系统非常 丰富。其核心技术已经被其他厂家购买，并开发出多种 “升级”的系列产品。目前应用较多的有AT89系列；
公司生产的8XC552系列等（与51指令系统全兼容）为代 表第3代高档单片机。
10
嵌入式计算机系统
在工业控制、家电产品、智能仪表、汽车电子等领域进行 智能化设计时，将嵌入到被控制对象（如：家电、汽车、 机床等）中的、已经失去了原有通用计算机形态及功能的 专用计算机称之为“嵌入式计算机系统”。
在这些被控制对象中，往往要求嵌入式计算机系统要有极 小的体积和极低的成本，要有极小的功耗和较高的可靠性。 因此以单片机为代表的嵌入式计算机系统（也称嵌入式微 控制器）极大的满足了这种市场的需求。反过来，市场的 需要也迫使单片机去不断完善、发展，使其分类越来越细， 品种越来越多。
中断源 9 9
AT89S4D12 4K+128
9
其它
2K的E2PROM RAM为flash 5个I/O端口
21
AT89系列单片机的产品分类： 1. 商业用产品。用“C”标注。使用温度范围 0～70℃； 2. 工业用产品。用“ I ”标注。使用温度范围 -40～85℃； 3. 汽车用产品。用“ A”标注。使用温度范围 -40～125℃； 4. 军 用 产 品。用“ M”标注。使用温度范围 -55～150℃；
5
序论
1. 什么是“单片机”？ 2. 为什么要学习这门课程？ 3. 这门课程对我们今后的发展将起什么作用？
6
微机原理与单片机技术
单片机的诞生标志着计算机的发展已经形成了 通用计算 机系统和嵌入式计算机系统两大分支。 作为嵌入式控制器，单片机的设计理念是：微型化、低成 本、低功耗及具有很好的性价比。是通用计算机所无法取 代的。 广泛的应用于家用电器、汽车电子、机器人、工业控制及 仪表设计、办公自动化等重要的场合。 对于一个当代工程师，对于单片机的掌握程度已经成为直 接影响其事业发展的重要因数。
【思考题】PC=0000H 意味着什么？
Vpd 功能：当单片机掉电时，此引脚可以接入备用电源向 单片机内部的RAM供电，防止RAM中的数据丢失。
37
② ALE/PROG（30脚）： 以系统时钟 fosc 的1/6的频率，周期性输出方波脉冲。
a. 系统扩展时，作为外部存储器低八位地址的锁存信号； b. 可为系统提供一个频率为 fosc/6 的方波信号； c. EPROM型单片机编程时编程输入脉冲（第二功能）。
MCS -51
18ຫໍສະໝຸດ Baidu
19
34
3，控制与电源复用引脚：
①RST / V pd（9脚）：复位信号输入，高电平有效。
复位操作可以确保CPU从程序的开始端运行程序；
微处理器在“上电”时必须对其施行“复位”操作，以避免
电源从0V至5V时电源的过度性造成系统“混乱”。而MCS-
51单片机不具备“上电复位”功能。因此，必须通过外部
第二章：MCS-51单片机指令系统及时序（4学时） 111条指令的分类、寻址方式、伪指令及使用中的注意事项。 了解指令的相关时序，为扩展系统的硬件设计打好基础；
3
第三章：MCS-51单片机内部模块的功能介绍（8学时） 掌握单片机内部并行I/O端口、定时/计数器、串行接口及中断 系统的结构、工作原理和编程方法，掌握 “查询”和“中断” 两种方法的使用及编程。
7
8
9
单片机的特点
在结构上：不仅将计算机主板上的主要器件尽可能的包含 到自身的芯片中，还集成了放大器、比较器、A/D转换器 和PWM电路等等。用它来设计一个智能化的产品可以进 一步简化外围电路，系统硬件尽可能的实现“单片化” 。
以美国intel公司开发的单片机为例： 1. 以MCS-48为代表的第一代产品； 2. 以MCS-51为第二代产品的过程； 3. 现在又出现了以ATMEL公司生产的AT89系列、PHILIPS
MCS-51单片机的逻辑符号图
返回上一次 31
MCS-51单片机的引脚定义（40脚的DIP封装）：
1，主电源引脚：Vcc（+5V--- 40脚）和 Vss （GND 20脚）；
输入 +9V
1
3
7805
2
输出 VCC +5V
40
MCS -51
VCC +5V
由三端集成稳压器7805 构成的单片机电源电路
24
本章目录
1.1 MCS-51单片机的主要性能和特点 1.2 MCS-51单片机内部方框图 1.3 MCS-51单片机的引脚定义 1.4 MCS-51单片机的存储器的配置
25
1.1 MCS-51单片机的主要性能和特点
( 以AT89C51为例 ) 内部程序存储器ROM ：4K的flash程序存储器； 内部数据存储器RAM：256B（128B的RAM+21B的SFR）； 寄存器区：4个寄存器区，每个区有R0-R7八个工作寄存器； 8位并行输入输出端口：P0、P1、P2和P3； 定时/计数器：2个16位的定时/计数器 T0、T1； 串型口：全双工串行端口（RXD：接收端、TXD发送端）；
18
AT89系列单片机的分类： 1. 标准型：
除了程序存储器由EPROM升级到Flash工艺，其它基 本同intel公司的8051。
型号 AT89C51 AT89LV51 AT89C52 AT89LV52 AT89C55 AT89LV55
ROM/RAM 中断源/定时器
4K+128
5/2
4K+128
单片机原理及综合设计
—— 嵌入式微控制器的开发入门
1
单片机综合设计总体安排
总学时：理论课+实验课=72学时 其 中：理论课：24学时；
实验课：48学时。
2
理论课主要内容及课时安排
（24学时）
第一章：MCS-51系列单片机的基本硬件结构（4学时） 介绍51单片机内部硬件的基本结构。重点掌握数据寄存器 RAM、程序存储器ROM的结构特点及使用方法；
11
通用计算机与单片机在硬件结构上的比较
微型计算机系统
CPU 数据RAM 程序ROM 中断控制器
单片机系统
系统总线（DB、AB、CB）
并行I/O 串型端口 定时/计数器 扩展I/O端口
MCS-51单片机
微型计算机的组成框图 （由多个IC芯片组装在一个主电路板上）
所有基本单元都组装 在一个IC芯片上
返回 26
中断系统：设有5个中断源（T0、T1、Int0、Int1、ES）； 系统扩展能力：可外接64K的 ROM 和64K的 RAM； 堆栈：设在RAM单元、位置可以浮动（通过指针SP来确定 堆栈在RAM中的位置）系统复位时SP=07H； 布尔处理机：配合布尔运算的指令进行各种逻辑运算； 指令系统：111条指令。按功能可分为数据传送、算术运
20 引脚图
32
33
2，外接晶体引脚：XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚） 两脚之间接入一个晶体震荡器，单片机就以此晶体的频率 开始工作（其频率范围为：0～24MHz）。 频率越高，单片机的工作速度就越快，但单片机的功耗就 要增加，其产生的高次谐波也会对系统内部的模拟电路 （如ADC）产生严重的干扰。
第四章：MCS-51单片机系统的扩展及应用（8学时）； 系统扩展的几种方法。外部程序、数据存储器的扩展，A/D、 D/A转换器与单片机的接口电路及编程方法。单片机的键盘扫 描/动态显示接口电路，单片机的监控电路等。
4
本门课程的要求
深刻掌握单片机的硬件结构及特点（RAM、ROM、特殊功能 寄存器SFR、定时器、并行和串行口、中断系统，）。 熟练掌握指令系统。掌握“寻址方式” 是学习汇编程序设计 的关键。 掌握中断原理，学会使用中断的方法编程； 掌握单片机与外围电路的接口。掌握MOVX指令的时序是接口 电路设计的关键。 要有一本好的参考书。
30
1.3：MCS-51单片机的外形和逻辑符号
AT89C51
ATMEL
FLASH型
87C51
EPROM型
MCS-51单片机外型图（DIP-40封装）
VCC RST XTAL1
P0口 XTAL2 /EA /PSEN ALE
P1口 P3口 RXD TXD /INT0 /INT1 P2口 T0 T1 /WR /RD GND
单片机发展的状况
当前流行8位、16位和32位三大类产品 1. 8位单片机：使用数量最大的一类单片机。特点：成本低，
性能又能满足大多要求。如MCS-51、PIC和AVR系列； 2. 16位单片机：适合数据运算的场合。但由于价格的居高，
其数据运算功能又不如32位机，所以发展处于停滞状态。 具有代表性有MCS-96系列、台湾的“凌阳”16位单片机； 3. 32位单片机：当前高档次单片机发展的一个方向，具有超 强的数据处理能力、合理的价格。其核心技术基本被美国 ARM公司所垄断。具有代表性的产品是ARM系列（ARM-7、 ARM-9）。
算、逻辑运算、控制转移和布尔操作5大类。
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1.2 : MCS-51 单片机内部方框图
时钟电路
CPU 处理器
4KROM 程序存储器
256BRAM 数据存储器
2X16位 定时/计数器
64KB总线 扩展控制器
可编程I/O 端口P0-3
可编程 串行口
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美国intel公司生产的MCS-51系列 芯片及制造工艺
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AT89 系列单片机介绍
AT89系列单片机是美国ATMEL公司生产的8位Flash系列单 片机，与INTEL公司生产的MCS-51单片机兼容，使市场的 主流产品。其特点如下：
1. 片内含有Flash程序存储器，开发编程方便； 2. 全面兼容8051，引脚完全相同可直接取代8751； 3. 具有静态时钟方式、降低系统功耗，适合便携式系统； 4. Flash程序存储器可以多次快速擦写，适合学习、开发；
型号 8031 8051 8751
片内ROM 片内RAM I/O口线
无
128B+SFR 8×4
掩膜4KB 128B+SFR 8×4
EPROM 4KB 128B+SFR 8×4
备注
DIP 40脚 DIP 40脚 DIP 40脚
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1.3：MCS-51单片机的引脚定义
通过对引脚的了解，认识MCS-51单片机的内部 结构和工作特点； 准确把握引脚定义是系统硬件设计的依据。
对此引脚施加一个（大于两个时钟周期的）高电平使单片机
复位。
Vcc
Vcc
VR
Vcc
（Ic）
C Ic
R
C
MCS-51
RST
R
t
T
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具有上电复位和手动复位功能的电路
Vcc
复位按钮 100 Ω 1K～10K
10UF MCS-51
RST
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在复位状态下： 1. 程序指针PC=0000H； 2. 堆栈指针SP=07H； 3. SFR的内容全变为“0”； 4. P0～P3四个端口输出“全1”（FFH）； 5. RAM内容不变。
例如：AT89C51-24PI
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课程目录
第一章：MCS-51系列单片机的基本硬件结构、特点； 第二章：MCS-51单片机指令系统及时序； 第三章：单片机内部主要功能模块工作原理及应用 第四章：MCS-51单片机系统的扩展及应用；
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第一章：MCS-51系列单片机的基本硬件结构
本章内容 了解MCS-51单片机的硬件结构、特点。 重点掌握内部RAM、ROM的结构，使用方 法及注意事项。
5/2
8K+256
8/3
8K+256
8/3
20K
8/3
20K
8/3
其它 低电压版本 低电压版本 低电压版本
低电压版本（2.7～6V）
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2. 低档型：
除了I/O端口减少外，其它部件同AT89C51。全部采用 DIP20封装。
型号 AT89C1051 AT89C2051
ROM/RAM 中断源/定时器
2. PIC系列 美国微芯片公司（microchip）。 当前市场份额增长最快的产品，采用哈弗总线结构、二级 流水作业、精简指令指令系统以及多种内嵌模块（WDT、 ADC、CCP模块等）。
3. AVR系列 美国Atmel公司。 一种新推出的高性能、高速度和低功耗 产品，性能类似于 PIC系列。常见的有TA90系列。
1K+64
3/2
2K+128
5/2
其它 无串口
20
3. 高档型： 在标准型的基础上增加了功能模块。
其中显著特点是他们的flash程序存储器都可以通过SPI串 行接口实现“在线编程”，都具备Watchdog，双数据指针。
型号 AT89S53 AT89S8252
ROM/RAM 12K+128 8K+128
12
单片机外形图（AT89C51）
13
PIC16F877 单片机构成的电梯控制系统
14
单片机 PIC16F877
15
三种主要的8位单片机性能比较
1. MCS-51系列 美国Intel公司研制（现已停产、转让）。 应用最为广泛、最成熟的产品。配套的各种开发系统非常 丰富。其核心技术已经被其他厂家购买，并开发出多种 “升级”的系列产品。目前应用较多的有AT89系列；
公司生产的8XC552系列等（与51指令系统全兼容）为代 表第3代高档单片机。
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嵌入式计算机系统
在工业控制、家电产品、智能仪表、汽车电子等领域进行 智能化设计时，将嵌入到被控制对象（如：家电、汽车、 机床等）中的、已经失去了原有通用计算机形态及功能的 专用计算机称之为“嵌入式计算机系统”。
在这些被控制对象中，往往要求嵌入式计算机系统要有极 小的体积和极低的成本，要有极小的功耗和较高的可靠性。 因此以单片机为代表的嵌入式计算机系统（也称嵌入式微 控制器）极大的满足了这种市场的需求。反过来，市场的 需要也迫使单片机去不断完善、发展，使其分类越来越细， 品种越来越多。
中断源 9 9
AT89S4D12 4K+128
9
其它
2K的E2PROM RAM为flash 5个I/O端口
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AT89系列单片机的产品分类： 1. 商业用产品。用“C”标注。使用温度范围 0～70℃； 2. 工业用产品。用“ I ”标注。使用温度范围 -40～85℃； 3. 汽车用产品。用“ A”标注。使用温度范围 -40～125℃； 4. 军 用 产 品。用“ M”标注。使用温度范围 -55～150℃；
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序论
1. 什么是“单片机”？ 2. 为什么要学习这门课程？ 3. 这门课程对我们今后的发展将起什么作用？
6
微机原理与单片机技术
单片机的诞生标志着计算机的发展已经形成了 通用计算 机系统和嵌入式计算机系统两大分支。 作为嵌入式控制器，单片机的设计理念是：微型化、低成 本、低功耗及具有很好的性价比。是通用计算机所无法取 代的。 广泛的应用于家用电器、汽车电子、机器人、工业控制及 仪表设计、办公自动化等重要的场合。 对于一个当代工程师，对于单片机的掌握程度已经成为直 接影响其事业发展的重要因数。
【思考题】PC=0000H 意味着什么？
Vpd 功能：当单片机掉电时，此引脚可以接入备用电源向 单片机内部的RAM供电，防止RAM中的数据丢失。
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② ALE/PROG（30脚）： 以系统时钟 fosc 的1/6的频率，周期性输出方波脉冲。
a. 系统扩展时，作为外部存储器低八位地址的锁存信号； b. 可为系统提供一个频率为 fosc/6 的方波信号； c. EPROM型单片机编程时编程输入脉冲（第二功能）。
MCS -51
18ຫໍສະໝຸດ Baidu
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34
3，控制与电源复用引脚：
①RST / V pd（9脚）：复位信号输入，高电平有效。
复位操作可以确保CPU从程序的开始端运行程序；
微处理器在“上电”时必须对其施行“复位”操作，以避免
电源从0V至5V时电源的过度性造成系统“混乱”。而MCS-
51单片机不具备“上电复位”功能。因此，必须通过外部
第二章：MCS-51单片机指令系统及时序（4学时） 111条指令的分类、寻址方式、伪指令及使用中的注意事项。 了解指令的相关时序，为扩展系统的硬件设计打好基础；
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第三章：MCS-51单片机内部模块的功能介绍（8学时） 掌握单片机内部并行I/O端口、定时/计数器、串行接口及中断 系统的结构、工作原理和编程方法，掌握 “查询”和“中断” 两种方法的使用及编程。
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单片机的特点
在结构上：不仅将计算机主板上的主要器件尽可能的包含 到自身的芯片中，还集成了放大器、比较器、A/D转换器 和PWM电路等等。用它来设计一个智能化的产品可以进 一步简化外围电路，系统硬件尽可能的实现“单片化” 。
以美国intel公司开发的单片机为例： 1. 以MCS-48为代表的第一代产品； 2. 以MCS-51为第二代产品的过程； 3. 现在又出现了以ATMEL公司生产的AT89系列、PHILIPS
MCS-51单片机的逻辑符号图
返回上一次 31
MCS-51单片机的引脚定义（40脚的DIP封装）：
1，主电源引脚：Vcc（+5V--- 40脚）和 Vss （GND 20脚）；
输入 +9V
1
3
7805
2
输出 VCC +5V
40
MCS -51
VCC +5V
由三端集成稳压器7805 构成的单片机电源电路
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本章目录
1.1 MCS-51单片机的主要性能和特点 1.2 MCS-51单片机内部方框图 1.3 MCS-51单片机的引脚定义 1.4 MCS-51单片机的存储器的配置
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1.1 MCS-51单片机的主要性能和特点
( 以AT89C51为例 ) 内部程序存储器ROM ：4K的flash程序存储器； 内部数据存储器RAM：256B（128B的RAM+21B的SFR）； 寄存器区：4个寄存器区，每个区有R0-R7八个工作寄存器； 8位并行输入输出端口：P0、P1、P2和P3； 定时/计数器：2个16位的定时/计数器 T0、T1； 串型口：全双工串行端口（RXD：接收端、TXD发送端）；
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AT89系列单片机的分类： 1. 标准型：
除了程序存储器由EPROM升级到Flash工艺，其它基 本同intel公司的8051。
型号 AT89C51 AT89LV51 AT89C52 AT89LV52 AT89C55 AT89LV55
ROM/RAM 中断源/定时器
4K+128
5/2
4K+128
单片机原理及综合设计
—— 嵌入式微控制器的开发入门
1
单片机综合设计总体安排
总学时：理论课+实验课=72学时 其 中：理论课：24学时；
实验课：48学时。
2
理论课主要内容及课时安排
（24学时）
第一章：MCS-51系列单片机的基本硬件结构（4学时） 介绍51单片机内部硬件的基本结构。重点掌握数据寄存器 RAM、程序存储器ROM的结构特点及使用方法；
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通用计算机与单片机在硬件结构上的比较
微型计算机系统
CPU 数据RAM 程序ROM 中断控制器
单片机系统
系统总线（DB、AB、CB）
并行I/O 串型端口 定时/计数器 扩展I/O端口
MCS-51单片机
微型计算机的组成框图 （由多个IC芯片组装在一个主电路板上）
所有基本单元都组装 在一个IC芯片上
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中断系统：设有5个中断源（T0、T1、Int0、Int1、ES）； 系统扩展能力：可外接64K的 ROM 和64K的 RAM； 堆栈：设在RAM单元、位置可以浮动（通过指针SP来确定 堆栈在RAM中的位置）系统复位时SP=07H； 布尔处理机：配合布尔运算的指令进行各种逻辑运算； 指令系统：111条指令。按功能可分为数据传送、算术运
20 引脚图
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2，外接晶体引脚：XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚） 两脚之间接入一个晶体震荡器，单片机就以此晶体的频率 开始工作（其频率范围为：0～24MHz）。 频率越高，单片机的工作速度就越快，但单片机的功耗就 要增加，其产生的高次谐波也会对系统内部的模拟电路 （如ADC）产生严重的干扰。
第四章：MCS-51单片机系统的扩展及应用（8学时）； 系统扩展的几种方法。外部程序、数据存储器的扩展，A/D、 D/A转换器与单片机的接口电路及编程方法。单片机的键盘扫 描/动态显示接口电路，单片机的监控电路等。
4
本门课程的要求
深刻掌握单片机的硬件结构及特点（RAM、ROM、特殊功能 寄存器SFR、定时器、并行和串行口、中断系统，）。 熟练掌握指令系统。掌握“寻址方式” 是学习汇编程序设计 的关键。 掌握中断原理，学会使用中断的方法编程； 掌握单片机与外围电路的接口。掌握MOVX指令的时序是接口 电路设计的关键。 要有一本好的参考书。
30
1.3：MCS-51单片机的外形和逻辑符号
AT89C51
ATMEL
FLASH型
87C51
EPROM型
MCS-51单片机外型图（DIP-40封装）
VCC RST XTAL1
P0口 XTAL2 /EA /PSEN ALE
P1口 P3口 RXD TXD /INT0 /INT1 P2口 T0 T1 /WR /RD GND