单片机系统综合设计与实践课件1

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。
标识符 ACC B 名称 累加器 B寄存器 地址 0E0H 0F0H 标识符 IE TMOD 名称 允许中断控制 定时器/计数器方式控制 地址 0A8H 89H
PSW
SP DPTR P0 P1 P2 P3 IP
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MCS—51系列部分单片机配置一览表
2-2 中央处理器 CPU
中央处理器是单片机 内部的核心部件, 它决定 了单片机的主要功能特性。 它由运算部件和控制 部件两大部分组成。
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一、运算器
运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心, 加上累 加器A、 寄存器B、 暂存器TMP1和TMP2、 程序状 态寄存器PSW及专门用于位操作的布尔处理机组成 的, 它能实现数据的算术逻辑运算, 位变量处理和数 据传送操作。
88H
8CH 8AH 80H 8BH 98H 99H 97H
说明：
PC： 程序地址寄存器（16位），始终指向下一条指令的内存地址。 访问范围：00000FFFFH
ACC： 累加器（8位），专门存放操作数或运算结果。
B ： SP： 8位，专门为乘除法而设置的寄存器。 堆栈指针（8位），始终指向堆栈的栈顶位置。 遵循“先进后出”的原则。 DPTR： 数据地址指针（16位），存放程序存储器或外部数据存储器的
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思考：外接晶振为12 MHz时, MCS—51单片机的4个
时间周期的具体值为多少？
答： 振荡周期=1/12 μ s;
状态周期=1/6 μ s;
机器周期=1
指令周期=1-4
μ s;
μ s。
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2. MCS - 51 指令的取指/执行时序
(1) 读外部程序ROM时序
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(2) 写外部数据RAM的时序
截止
2. P1口
P1口只有一种通用输 入输出I/O接口功能。
不需要外接电阻；但
P1口是准双向口，其特点 是在输入数据时，应先把 口置1(写1)使输出级的场 效应管V1截止，引脚处于
悬浮状态，才可作高阻输
入。
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3、P2口 P2口也是一准双向口。 它具有通用I/O接口或 高8位地址总线输出两 种功能。
● 30H-7FH是数据缓冲区, 也即用户RAM区, 共 80个单元。 ● 用户RAM区又可分为数据区和堆栈区
7FH
MCS—51单片机堆栈区不是固定的,且堆
堆栈区
栈属向上生长型， 为了避开工作寄存器区和
位寻址区, 一般设在30H以后的范围内。
30H
数据区
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四、特殊功能寄存器SFR
SFR又称为专用寄存器。 它专用于控制、 管理单片机内算术逻辑部
等部件。
CPU执行指令时, 由程序存储器中读取的指令代 码送入指令存储器, 经译码器译码后由定时与控制电 路发出相应的控制信号, 完成指令所指定的操作。
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2-3 存储器和特殊功能寄存器
一、MCS—51单片机存储器分类及配置 MCS-51单片机的存储器结构为哈佛结构，既：程序存储器和 数据存储器分开寻址。
寄存器区选择
0
0 1 1
0
1 0 1
0区
1区 2区 3区
奇 偶 标 志 位
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思考: 访问内部数据存储器与外部数据存储器的区别?
1、地址不同。
内部数据存储器的地址为8位（00H-7FH） 外部数据存储器的地址为16位（0000H-FFFFH）
2、访问内/外部存储器使用的指令不同。
访问内部数据存储器
程序状态字
堆栈指针 数据指针 口0 口1 口2 口3 中断优先级控制
0D0H
81H 83H和82H 80H 90H 0A0H 0B0H 0B8H
TCON
TH0 TL0 TH1 TL1 SCON SBUF PCON
定时器/计数器控制
定时器/计数器0（高字节） 定时器/计数器0（低字节） 定时器/计数器1（高字节） 定时器/计数器1（低字节） 串行控制 串行数据缓冲器 电源控制
课程内容
单片机原理与应用
单片机应用系统(仪表)硬件电路原理及编程 单片机应用系统示例
任务书及要求
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第一章
单片机概述
单片机历史和发展
单片机应用情况
单片机开发
1-1Hale Waihona Puke Baidu单片机的发展概况
★单片机的概念
单片机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路和相应实时控制 件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，简称单片
当作为准双向通用I/O
接口使用时, 其工作原
理与P1相同。
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4、P3口
◆当P3口作为通用I/O接口时, 第2功能输出线为高电平, 使与非门3的 输出取决于口锁存器的状态。 在这种情况下, P3口仍是1个准双向口,
它的工作方式、 负载能力均与P1、 P2口相同。
◆当P3口作为第2功能使用 时，其锁存器Q端必须为高 电平, 否则V1管导通, 引 脚被箝位在低电平, 无法 输入或输出第2功能信号。 当Q端为高电平时, P3口的
机。
★ 单片机的发展历史和发展趋势
4位单片机 （1971-1974） 低档8位单片机 （1974-1978） 高档8位单片机 （1978-1982） 16位单片机 （1982-1990）
新一代单片机
（90年代以来）
发展趋势: 单片机在集成度、 功能、 速度、 可靠性、 应用领域等全方位向更高水平发展。
2、软件模拟开发系统
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第二章
MCS－51单片机的结构
基本组成（内部资源）
存储器的配置
I/O口的应用功能
时序及电路
2-1 MCS - 51单片机的内部结构(8051)
存储器
CPU
I/O接口
说明:
中央处理机CPU (8位) 存储器: 片内数据存储器RAM (128个字节) 片内程序存储器EPROM（4 KB） I/O接口: 4个8位并行口(P0、P1、P2、P3口） 1个串行I/O接口。 2个16位定时器/计数器。 5个中断源二级优先权的中断系统
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3. 复位电路
（a）上电复位电路
(b) 开关复位电路
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复位后内部寄存器状态
在RST/VPD端持续给出2个机器周期的高电平就可以完成复位操作。
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三、I/O的特点
1. P0口： P0口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复
用口，也可作为通用I/O接口。
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（1）地址/数据分时复用功能
当P0口作为地址/数据分时复用总线时，可分为两种情况：一种 是从P0口输出地址或数据，另一种是从P0口输出数据。
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（2）通用I/O接口功能
1. 机器周期和指令周期
（1） 振荡周期: 也称时钟周期, 是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡 源的周期。
（2） 状态周期: 每个状态周期为时钟周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频 后得到的。
（3） 机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期S1~S6, 也就是 12 个时 钟周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。 （4） 指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。 每条指令 执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指 令、双周期指令和四周期指令。
重点
重点
二、程序存储器
计算机的工作是按照事先编制好的程序命令一条条循序执 行的, 程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格 常数, 它由只读存储器ROM或EPROM组成。 程序运行的入口地址 MCS—51单片机程序存储器中有复位和中断源共6个固定
的入口地址, 用户不能更改。
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MCS—51单片机复位、 中断入口地址
3．输入 / 输出引脚
P0-P3口 4．控制线
(1)ALE/PROG：地址锁存有效信号输出
(2)PSEN：片外程序存储器读选通信号 (3)RST/VPD：RST即为RESET，VPD为备用电源
(4)EA/VPP(31脚)：片外程序存储器选用端
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P3口第二功能表
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2-6 单片机工作的基本时序
访问外部数据存储器
MOV指令
MOVX指令
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思考：
什么叫哈佛结构？ 程序存储器用来存放什么？ 程序运行的入口地址是什么？ 内部数据存储器分为哪几个部分？
位寻址区有多少个位？
堆栈指针SP有多少位？堆栈是向（大、小）地址生长？
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2-4 输入/输出口（I/O口）
四个(P0、P1、P2、P3)双向8位I/O口，共32根I/O口线。 每个I/O线均由锁存器，输出电路和输入缓冲器组成。所 以每个I/O既可作输入又可作输出；每一条口线可独立用 作输入又可用作输出。
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1-2 单片机的应用
应用特点
体积小：基本功能部件满足要求 可靠性高：BUS大多在内部；易采取电磁屏蔽 功能强：实时响应速度；I/O直接操作 使用方便：硬件设计简单；提供开发工具资料 性能价格比高：电路板小；接插件少 易产品化：研制周期短
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应用： 量大面广
机电一体化：电脑缝纫机 智能仪表：测量仪 实时控制：汽车 家电：（MOTOROLA） 网络通信：通信协议集成其中 计算机外设：键盘、打印机 保健产品：按摩器 多机应用
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1-3 单片机的开发和开发工具
一、单片机应用系统开发条件
单片机芯片 开发工具 资料手册
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二、单片机应用系统的开发过程
系统需求调查； 可行性分析； 系统方案设计；
系统建造；
系统调试； 系统方案局部修改、再调试； 生成正式产品。
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三、单片机应用系统设计的基本原则与方法
一、设计原则：
①可靠性高 ②性能价格比高
● 在输出数据时，由于T1截止，输出级是漏极开路电路，要使"1"信号正 常输出，必须外接上拉电阻。 ● P0口作为通用I/O口使用时，是准双向口。其特点是在输入数据时， 应先把口置1(写1)，此时锁存器的Q端为0，使输出级的两个场效应管T1、 T2均截止，引脚处于悬浮状态，才可作高阻输入。
R
“1”
“0”
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用户关心 1. 算术逻辑单元ALU 2. 累加器ACC（Accumulator） 3. 寄存器B 4. 程序状态字PSW（Programe D7
Cy
State D2
OV
Word） D1
…
D6
AC
D5
F0
D4
RS1
D3
RS0
D0
P
PSW
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二、控制器
控制部件是单片机的神经中枢, 它包括定时和 控制电路、 指令寄存器、 译码器以及信息传送控制
二、一般设计方法
①确定系统功能与性能 ②确定系统基本结构 ③硬件设计 ④软件设计 1)任务确定
③操作简便
④设计周期短
2) 软件结构设计
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四、单片机应用系统的调试
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五、单片机开发系统
1、通用型单片机开发系统
EPROM 读出/固化器
应 用 系 统
仿 真 器
单
片
机
RS232
计算机
在线仿真器
从物理结构上可分为: 片内、 片外程序存储器
片内、 片外数据存储器 4个部分
仪表中的存储器资源：片内程序存储器和片内数据存储器。
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从寻址空间分布可分为:
程序存储器
内部数据存储器 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 外部数据存储器 5大部分。 第22页
口线状态就取决于第2功能
输出线的状态。
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思考：
1、P0口是一个三态双向口，可作为（）分时复用口，也可 作为（）接口。 2、P1口仅具有（）功能。
3、P2口具有（）或（）功能。
4、P3口具有（）或（）功能。
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2-5 外部引脚说明
1．主电源引脚 VCC：接+5V VSS：接地 2．外接晶体引脚 XTAL1、XTAL2
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一、I/O口的应用功能
P0：系统扩展 一般I/O口（输出时，需接上拉电阻）
P1： 专供用户使用的I/O口
P2： 系统扩展
通用I/O口
P3： 功能口，每位独立定义
通用I/O口
红 字 为 仪 表 中 的 用 法 。
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二、I/O的负载能力
P0可驱动8个LSTTL负载
P1-P3可驱动4个LSTTL负载。
0000H单元开始取指 令来执行程序。
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三、内部数据存储器
MCS—51系列单片机的内部
数据存储器由读写存储器RAM组
成, 用于存储数据。
内部数据存储器RAM块共分
为工作寄存器区、 位寻址区和 数据缓冲区3个部分。
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1、工作寄存器和RAM地址对照表
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2、位寻址区
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3、数据缓冲区
地址。可分DPH和DPL两个独立8位寄存器。
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程序状态字PSW
PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0 C 进 位 标 志 位 AC 辅 助 进 位 标 志 位 F0 用 户 自 定 义 标 志 位 RS1 RS0 OV 溢 出 标 志 位 --P