单片机及接口技术
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❖ 51单片机的逻辑结构及信号引脚 ❖ 51单片机的内部存储器 ❖ 并行输入/输出口电路 ❖ 单片机时钟电路与时序 ❖ 单片机工作方式
1.单片机的逻辑结构及信号引脚
输入输出接口 （I/O）
控制与运算单元 （CPU）
单片机内部的基本结构
程序存储器 （ROM）
数据存储器 （RAM）
❖ 中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算 和控制工作。按其功能，中央处理器包括运算器和 控制器两部分电路。前者用于实现算术和逻辑运算， 后者保证单片机各部分能自动而协调的工作。
❖ 程序存储器（ROM 是只读存储器的英文缩写）用于 存放程序和原始数据。
❖ 数据存储器（RAM是随机存取存储器的英文缩写） 用于存放可读写的数据。
❖ 输入输出接口（I/O）是单片机与外界交换数据的 通道。需要单片机处理的数据、单片机处理后的数 据和控制命令都得通过I/O接口与外部设备交换。
♪几个基本概念
♪内部数据存储器
工作寄存器区
内部数据存储器
低128单元 位寻址区 （00H~7FH）
用户RAM区
高128单元 （80H~FFH）
专用寄存器区
1） 工作寄存器区
内部RAM块的00H～1FH区, 共分4个组, 每组有8个工作 寄存器R0～R7, 共32个内部RAM单元。寄存器和RAM地址的对 应关系下表所示。
m
n1
Di 10i im
2）. 二进制 特点：以2为底，逢2进位；只有0和1两个符号。 表示：
(B)2 Bn1 2n1 Bn2 2n2 B0 20 B1 21 Bm 2m
n1
Bi 2i im
3）. 十六进制
特点：以16为底，逢16进位；有0--9及A--F共16个 数字符号。
主要用于乘除运算，也可作为一般数据寄存器使用。 ❖ 程序状态字PSW
用于寄存指令执行的状态信息。 ❖ 数据指针DPTR
2.单片机的发展简史
★第一代单片机（1974-1976）:这是单片机发展的起步阶段。此时的单片 机采用双片形式，集成度低，制造工艺落后。典型代表产品有Fairchild公 司的F8和Mostek387公司的3870等。
★第二代单片机（1976-1978）:这是单片机的第二发展阶段。此时的单片 机已能在单块芯片内集成多个功能部件，但性能低，品种少，应用范围也 不是很广，典型产品有Intel公司的MCS-48系列单片机。
♪单片机的应用 是指在一个应用系统中，只用一个单片机。
测控系统
智能仪表
单机应用 机电一体化产品
智能接口
单片机应用
智能民用产品
功能集散系统：为满足工程系统多种外围功 能的要求而设置的多机系统
多机应用 并行多控制系统：解决工程应用系统的快 速性问题
局部网络系统
是指在一个应用系统中，使用多个单片机。
♪单片机分类
♪常用计数法
❖ 十进制——符合人们的习惯 ❖ 二进制——便于物理实现 ❖ 十六进制——便于识别、书写 ❖ 八进制
1）. 十进制
特点：以十为底，逢十进一；共有0-9十个数字符号。 表示：
D D 10n1 D 10n2 D 100
n1
n2
0
D 101 D 10m
1
n1
Si K i
im
其中：
Si -- S的第i位数码，可以是K个符号中任何一个； n,m -- 含义同前； K -- 基数； Ki -- K进制数的权
♪各进制数间的转换
1）. 非十进制数到十进制数的转换
按相应进位计数制的权表达式展开，再按十进制求 和。
例：10110010B = (?)10 13FAH = (?)10
管理单片机内算术逻辑部件、并行I/O口锁存器、串行口 数据缓冲器、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工 作。
专用寄存器介绍
❖ 程序寄存器PC 其内容为将要执行的指令地址。具有自动加1功能，
但它不可寻址。 ❖ 累加器A
功能：存放操作数；存放运算的中间结果；做数据传 送的 中转站；做变址寄存器使用。 ❖ B寄存器
❖ 工作寄存器共有4组，但在任一时刻CPU只使用1组，其它各 组不工作。当前寄存器工作组由程序状态字PSW中的PSW.3 （RS0）和PSW.4（RS1）两位来决定。CPU通过软件修改PSW 中RS0和RS1两位的状态, 就可任选一个工作寄存器工作, 这 个特点使MCS—51单片机具有快速现场保护功能, 对于提高 程序的效率和响应中断的速度是很有利的。若程序中并不要 4个工作寄存器组, 那么剩下的工作寄存器组所对应的单元 也可以作为一般的数据缓冲区使用。
XTAL2（18脚）: 接外部晶体的另一端。 在单 片机内部, 接至片内振荡器的反相放大器的输出端。 当采用外部时钟时, 对于HMOS单片机, 该引脚作为 外部振荡信号的输入端; 对于CHMOS芯片, 该引脚悬 空不接。
❖ 3. 控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有 RST/VPD、ALE / PROG.、 PSEN 和 EA/VPP 等4种形式。
低电平有效。
电平（有4）效E。A/VP（P 31脚）: 为访问外部程序存储器控制信号, 低
❖ 4. 输入/输出（I/O）引脚P0口、 P1口、 P2口及 P3口
（1） P0口（39脚～32脚）: P0.0～P0.7统称为 P0口。
（2） P1口（1脚～8脚）: P1.0～P1.7统称为P1 口, 可作为准双向I/O接口使用。
单片机及接口技术
第一章 单片机概述
1.单片机的概念 2.单片机的发展简史 3.单片机的应用 4.单片机与单片机系统
1.何谓单片机
❖ 一台能够工作的计算机要有这样几个部份构成： CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM （程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、 并行输出口等）。在个人计算机上，这些部份被分 成若干块芯片，安装在一个称之为主板的印刷线路 板上。而在单片机中，这些部分全部被做到一块集 成电路芯片中了，所以就称为单片微型计算机，简 称单片机。由于它常常是针对工业控制以及与控制 有关的数据处理而设计的，故又名为微控制器 （Microcontroller）。
工作寄存器组的选择表
❖ 2） 位寻址区
20H～2FH单元为位寻址区, 这16个单元（共计128位） 的每1位都有一个8位表示的位地址, 位地址范围为00H～ 7FH, 如下表所示。位寻址区的每1位都可当作软件触发器, 由程序直接进行位处理。通常可以把各种程序状态标志, 位控制变量存于位寻址区内。同样, 位寻址的RAM单元也 可以按字节操作作为一般的数据缓冲区使用。
0101 1000 1001.1100 5 8 9.C
4.单片机与单片机系统
❖ 单片机通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生产 的，在它上面集成的是一些作为基本组成部分的电 路，单片机只是一个芯片 。
❖ 单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电 路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。
第二章 单片机芯片的硬件结构
MCS—51系列单片机内部结构简化框图
♪ MCS-51的信号引脚
❖ 单片机的信号引脚是其内部功能模块与外围器件连 接的纽带。不同厂家生产的不同型号的单片机，由 于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目和排列是 不同的。 MCS—51系列单片机芯片均为40个引脚, HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装, 其引脚示意及功能分类如下图所示。 CMOS工艺制造 的低功耗芯片也有采用方型封装的, 但为44个引脚, 其中4个引脚是不使用的。
MCS—51系列单片机引脚及总线结构 (a) 管脚图； (b) 引脚功能分类
♪♪信号引脚介绍
❖ 1. 主电源引脚Vcc和Vss VCC（40脚）: 接+5 V电源正端; VSS（20脚）: 接+5 V电源地端。
❖ 2. 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）: 接外部石英晶体的一端。 在 单片机内部, 它是一个反相放大器的输入端, 这个放 大器构成了片内振荡器。 当采用外部时钟时, 对于 HMOS单片机, 该引脚接地; 对于CHMOS单片机, 该 引脚作为外部振荡信号的输入端。
（1） RST/VPD（9脚）: RST即为RESET, VPD为备用电 源, 所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
（2）ALE / PROG（30脚）: 当访问外部存储器时, ALE（允 许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出, 用于锁存 出现在P0口的低8位地址。
（3）PSEN（29脚）:源自文库片外程序存储器读选通信号输出端,
表示：
(H)16 Hn1 16n1 Hn2 16n2 H0 160 H1 161 Hm 16m
n1
Hi 16i im
进位计数制的一般表示
一般地，对任意一个K进制数S都可表示为
(S )k Sn1 K n1 Sn2 K n2 S0 K 0
S1 K 1 Sm K m
★按字长分： 4位单片机（1971～1974） 、8位单片机（1974～1982） 16位单片机（1982～1990） 、32位单片机（90年代以来）
★按控制应用需要分： ❖ 通用型单片机
内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用 需求，用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统。 ❖ 专用型单片机 针对一种产品或一种控制应用而专门设计的单片机芯片。
2）. 十进制到非十进制数的转换
❖ 十进制 → 二进制的转换： 整数部分：除2取余； 小数部分：乘2取整。
❖ 十进制 → 十六进制的转换： 整数部分：除16取余； 小数部分：乘16取整。
以小数点为起点求得整数和小数的各个位。
3）. 二进制与十六进制间的转换
❖ 用4位二进制数表示1位十六进制数
例： 10110001001.110 = (?)H
内部RAM中位地址表
❖ 3）用户RAM区 30H～7FH是数据缓冲区, 也即用户RAM区, 共80个单
元。MCS—52子系列片内RAM有256个单元, 前两个的单元 数与地址都和MCS—51子系列一致。 用户RAM区从30H～ FFH, 共208个单元。
♪♪高128单元 专用寄存器区，单元地址为80H～FFH，专用于控制、
★第三代单片机（1979-1982）:这是单片机发展成熟的阶段。这一时期生 产的单片机品种齐全，可以满足各种不同领域的需要。代表产品有Intel公 司的MCS-51系列单片机等。
★第四代单片机（1983年以后）:这是高速、高性能单片机发展的时代。 此时的单片机集成度高，工艺先进，内部功能强，速度快，应用渗透到人 们工作和生活的各个角落，几乎是“无所不在，无所不为”。代表产品有 Intel公司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900等。
（3） P2口（21脚～28脚）: P2.0～P2.7统称为 P2口, 一般可作为准双向I/O接口。
（4） P3口（10脚～17脚）: P3.0～P3.7统称为 P3口。
P3口第2功能表
2.单片机的内部存储器
❖ MCS—51单片机存储器分类及配置 MCS—51单片机存储器的分类从物理结构上可分
为: 片内、 片外程序存储器（8031和8032没有片内程 序存储器）与片内、 片外数据存储器4个部分; 从寻 址空间分布可分为: 程序存储器、 内部数据存储器 和外部数据存储器3大部分; 从功能上可分为: 程序存 储器、 内部数据存储器、 特殊功能寄存器、 位地 址空间和外部数据存储器5大部分。
♪ MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系
MCS51单片机
8031单片机 8051单片机 8751单片机 8032单片机 8052单片机 8752单片机
89C51单片机
3.单片机的应用特点
♪单片机的特点
❖ 长寿命 ❖ 体积小 ❖ 低电压与低功耗 ❖ 低噪声与高可靠性技术
总而言之，单片机具有集成度高、功能强、体积小、 功耗低、使用方便、价格低廉等优点。
❖ PROM ：称之为可编程只读存储器。它只能写入一 次，不允许修改或再次写入。
❖ EPROM：称之为可擦可编程只读存储器。用紫外线 擦除，可多次写入。
❖ EEPROM：称之与EPROM类似。但只要用电就可 擦除。写入和擦除的速度较慢。
❖ FLASH：称之为闪速存储器，与EEPROM类似，但 其读写的速度要快得多，集成度也高。
1.单片机的逻辑结构及信号引脚
输入输出接口 （I/O）
控制与运算单元 （CPU）
单片机内部的基本结构
程序存储器 （ROM）
数据存储器 （RAM）
❖ 中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算 和控制工作。按其功能，中央处理器包括运算器和 控制器两部分电路。前者用于实现算术和逻辑运算， 后者保证单片机各部分能自动而协调的工作。
❖ 程序存储器（ROM 是只读存储器的英文缩写）用于 存放程序和原始数据。
❖ 数据存储器（RAM是随机存取存储器的英文缩写） 用于存放可读写的数据。
❖ 输入输出接口（I/O）是单片机与外界交换数据的 通道。需要单片机处理的数据、单片机处理后的数 据和控制命令都得通过I/O接口与外部设备交换。
♪几个基本概念
♪内部数据存储器
工作寄存器区
内部数据存储器
低128单元 位寻址区 （00H~7FH）
用户RAM区
高128单元 （80H~FFH）
专用寄存器区
1） 工作寄存器区
内部RAM块的00H～1FH区, 共分4个组, 每组有8个工作 寄存器R0～R7, 共32个内部RAM单元。寄存器和RAM地址的对 应关系下表所示。
m
n1
Di 10i im
2）. 二进制 特点：以2为底，逢2进位；只有0和1两个符号。 表示：
(B)2 Bn1 2n1 Bn2 2n2 B0 20 B1 21 Bm 2m
n1
Bi 2i im
3）. 十六进制
特点：以16为底，逢16进位；有0--9及A--F共16个 数字符号。
主要用于乘除运算，也可作为一般数据寄存器使用。 ❖ 程序状态字PSW
用于寄存指令执行的状态信息。 ❖ 数据指针DPTR
2.单片机的发展简史
★第一代单片机（1974-1976）:这是单片机发展的起步阶段。此时的单片 机采用双片形式，集成度低，制造工艺落后。典型代表产品有Fairchild公 司的F8和Mostek387公司的3870等。
★第二代单片机（1976-1978）:这是单片机的第二发展阶段。此时的单片 机已能在单块芯片内集成多个功能部件，但性能低，品种少，应用范围也 不是很广，典型产品有Intel公司的MCS-48系列单片机。
♪单片机的应用 是指在一个应用系统中，只用一个单片机。
测控系统
智能仪表
单机应用 机电一体化产品
智能接口
单片机应用
智能民用产品
功能集散系统：为满足工程系统多种外围功 能的要求而设置的多机系统
多机应用 并行多控制系统：解决工程应用系统的快 速性问题
局部网络系统
是指在一个应用系统中，使用多个单片机。
♪单片机分类
♪常用计数法
❖ 十进制——符合人们的习惯 ❖ 二进制——便于物理实现 ❖ 十六进制——便于识别、书写 ❖ 八进制
1）. 十进制
特点：以十为底，逢十进一；共有0-9十个数字符号。 表示：
D D 10n1 D 10n2 D 100
n1
n2
0
D 101 D 10m
1
n1
Si K i
im
其中：
Si -- S的第i位数码，可以是K个符号中任何一个； n,m -- 含义同前； K -- 基数； Ki -- K进制数的权
♪各进制数间的转换
1）. 非十进制数到十进制数的转换
按相应进位计数制的权表达式展开，再按十进制求 和。
例：10110010B = (?)10 13FAH = (?)10
管理单片机内算术逻辑部件、并行I/O口锁存器、串行口 数据缓冲器、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工 作。
专用寄存器介绍
❖ 程序寄存器PC 其内容为将要执行的指令地址。具有自动加1功能，
但它不可寻址。 ❖ 累加器A
功能：存放操作数；存放运算的中间结果；做数据传 送的 中转站；做变址寄存器使用。 ❖ B寄存器
❖ 工作寄存器共有4组，但在任一时刻CPU只使用1组，其它各 组不工作。当前寄存器工作组由程序状态字PSW中的PSW.3 （RS0）和PSW.4（RS1）两位来决定。CPU通过软件修改PSW 中RS0和RS1两位的状态, 就可任选一个工作寄存器工作, 这 个特点使MCS—51单片机具有快速现场保护功能, 对于提高 程序的效率和响应中断的速度是很有利的。若程序中并不要 4个工作寄存器组, 那么剩下的工作寄存器组所对应的单元 也可以作为一般的数据缓冲区使用。
XTAL2（18脚）: 接外部晶体的另一端。 在单 片机内部, 接至片内振荡器的反相放大器的输出端。 当采用外部时钟时, 对于HMOS单片机, 该引脚作为 外部振荡信号的输入端; 对于CHMOS芯片, 该引脚悬 空不接。
❖ 3. 控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有 RST/VPD、ALE / PROG.、 PSEN 和 EA/VPP 等4种形式。
低电平有效。
电平（有4）效E。A/VP（P 31脚）: 为访问外部程序存储器控制信号, 低
❖ 4. 输入/输出（I/O）引脚P0口、 P1口、 P2口及 P3口
（1） P0口（39脚～32脚）: P0.0～P0.7统称为 P0口。
（2） P1口（1脚～8脚）: P1.0～P1.7统称为P1 口, 可作为准双向I/O接口使用。
单片机及接口技术
第一章 单片机概述
1.单片机的概念 2.单片机的发展简史 3.单片机的应用 4.单片机与单片机系统
1.何谓单片机
❖ 一台能够工作的计算机要有这样几个部份构成： CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM （程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、 并行输出口等）。在个人计算机上，这些部份被分 成若干块芯片，安装在一个称之为主板的印刷线路 板上。而在单片机中，这些部分全部被做到一块集 成电路芯片中了，所以就称为单片微型计算机，简 称单片机。由于它常常是针对工业控制以及与控制 有关的数据处理而设计的，故又名为微控制器 （Microcontroller）。
工作寄存器组的选择表
❖ 2） 位寻址区
20H～2FH单元为位寻址区, 这16个单元（共计128位） 的每1位都有一个8位表示的位地址, 位地址范围为00H～ 7FH, 如下表所示。位寻址区的每1位都可当作软件触发器, 由程序直接进行位处理。通常可以把各种程序状态标志, 位控制变量存于位寻址区内。同样, 位寻址的RAM单元也 可以按字节操作作为一般的数据缓冲区使用。
0101 1000 1001.1100 5 8 9.C
4.单片机与单片机系统
❖ 单片机通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生产 的，在它上面集成的是一些作为基本组成部分的电 路，单片机只是一个芯片 。
❖ 单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电 路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。
第二章 单片机芯片的硬件结构
MCS—51系列单片机内部结构简化框图
♪ MCS-51的信号引脚
❖ 单片机的信号引脚是其内部功能模块与外围器件连 接的纽带。不同厂家生产的不同型号的单片机，由 于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目和排列是 不同的。 MCS—51系列单片机芯片均为40个引脚, HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装, 其引脚示意及功能分类如下图所示。 CMOS工艺制造 的低功耗芯片也有采用方型封装的, 但为44个引脚, 其中4个引脚是不使用的。
MCS—51系列单片机引脚及总线结构 (a) 管脚图； (b) 引脚功能分类
♪♪信号引脚介绍
❖ 1. 主电源引脚Vcc和Vss VCC（40脚）: 接+5 V电源正端; VSS（20脚）: 接+5 V电源地端。
❖ 2. 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）: 接外部石英晶体的一端。 在 单片机内部, 它是一个反相放大器的输入端, 这个放 大器构成了片内振荡器。 当采用外部时钟时, 对于 HMOS单片机, 该引脚接地; 对于CHMOS单片机, 该 引脚作为外部振荡信号的输入端。
（1） RST/VPD（9脚）: RST即为RESET, VPD为备用电 源, 所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
（2）ALE / PROG（30脚）: 当访问外部存储器时, ALE（允 许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出, 用于锁存 出现在P0口的低8位地址。
（3）PSEN（29脚）:源自文库片外程序存储器读选通信号输出端,
表示：
(H)16 Hn1 16n1 Hn2 16n2 H0 160 H1 161 Hm 16m
n1
Hi 16i im
进位计数制的一般表示
一般地，对任意一个K进制数S都可表示为
(S )k Sn1 K n1 Sn2 K n2 S0 K 0
S1 K 1 Sm K m
★按字长分： 4位单片机（1971～1974） 、8位单片机（1974～1982） 16位单片机（1982～1990） 、32位单片机（90年代以来）
★按控制应用需要分： ❖ 通用型单片机
内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用 需求，用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统。 ❖ 专用型单片机 针对一种产品或一种控制应用而专门设计的单片机芯片。
2）. 十进制到非十进制数的转换
❖ 十进制 → 二进制的转换： 整数部分：除2取余； 小数部分：乘2取整。
❖ 十进制 → 十六进制的转换： 整数部分：除16取余； 小数部分：乘16取整。
以小数点为起点求得整数和小数的各个位。
3）. 二进制与十六进制间的转换
❖ 用4位二进制数表示1位十六进制数
例： 10110001001.110 = (?)H
内部RAM中位地址表
❖ 3）用户RAM区 30H～7FH是数据缓冲区, 也即用户RAM区, 共80个单
元。MCS—52子系列片内RAM有256个单元, 前两个的单元 数与地址都和MCS—51子系列一致。 用户RAM区从30H～ FFH, 共208个单元。
♪♪高128单元 专用寄存器区，单元地址为80H～FFH，专用于控制、
★第三代单片机（1979-1982）:这是单片机发展成熟的阶段。这一时期生 产的单片机品种齐全，可以满足各种不同领域的需要。代表产品有Intel公 司的MCS-51系列单片机等。
★第四代单片机（1983年以后）:这是高速、高性能单片机发展的时代。 此时的单片机集成度高，工艺先进，内部功能强，速度快，应用渗透到人 们工作和生活的各个角落，几乎是“无所不在，无所不为”。代表产品有 Intel公司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900等。
（3） P2口（21脚～28脚）: P2.0～P2.7统称为 P2口, 一般可作为准双向I/O接口。
（4） P3口（10脚～17脚）: P3.0～P3.7统称为 P3口。
P3口第2功能表
2.单片机的内部存储器
❖ MCS—51单片机存储器分类及配置 MCS—51单片机存储器的分类从物理结构上可分
为: 片内、 片外程序存储器（8031和8032没有片内程 序存储器）与片内、 片外数据存储器4个部分; 从寻 址空间分布可分为: 程序存储器、 内部数据存储器 和外部数据存储器3大部分; 从功能上可分为: 程序存 储器、 内部数据存储器、 特殊功能寄存器、 位地 址空间和外部数据存储器5大部分。
♪ MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系
MCS51单片机
8031单片机 8051单片机 8751单片机 8032单片机 8052单片机 8752单片机
89C51单片机
3.单片机的应用特点
♪单片机的特点
❖ 长寿命 ❖ 体积小 ❖ 低电压与低功耗 ❖ 低噪声与高可靠性技术
总而言之，单片机具有集成度高、功能强、体积小、 功耗低、使用方便、价格低廉等优点。
❖ PROM ：称之为可编程只读存储器。它只能写入一 次，不允许修改或再次写入。
❖ EPROM：称之为可擦可编程只读存储器。用紫外线 擦除，可多次写入。
❖ EEPROM：称之与EPROM类似。但只要用电就可 擦除。写入和擦除的速度较慢。
❖ FLASH：称之为闪速存储器，与EEPROM类似，但 其读写的速度要快得多，集成度也高。