第1章MCS51单片机的组成及结构

(3) 单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片 上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾， 采用了引脚功能复用的方法。引脚处于何种功能，可由指令来设 置或由机器状态来区分。
(4) 单片机的外部扩展能力强。在内部的各种功能部分不能 满足应用需求时，均可在外部进行扩展(如扩展ROM、RAM，I/O 接口，定时器/计数器，中断系统等)，与许多通用的微机接口芯片 兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。
单片机原理及应用
任课教师：张倩 西安交通大学城市学院
概述
1 单片机的基本概念 2 单片机的发展概况 3 单片机的特点及应用 4 常用单片机系列介绍
1. 单片机的基本概念
图1.1 微机组成结构框图
图1.2 单片机组成框图
(1) 将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路和相应实时控制 器件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，简称单片机。
▪ 第五阶段(1990至今) ——全面发展阶段。适合不同领域要 求的单片机，如各种高速、大存储容量、强运算能力的8 位 /16位/32位通用型单片机，还有用于单一领域的廉价的专用 型单片机。
需要提及的是，单片机的发展虽然按先后顺序经历了4 位、8位、16位的阶段，但从实际使用情况看，并没有出 现推陈出新、以新代旧的局面。4位、8位、16位单片机仍 各有应用领域，如4位单片机在一些简单家用电器、高档玩 具中仍有应用，8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流 地位，16位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用。
单片机应用系统的外设都是面向用户的，且千差万别， 种类很多。单片机的I/O接口实际上是向用户提供的与外设连 接的物理界面。
2 单片机的发展概况
▪ 第一阶段(1974—1976)——初始阶段。以4位单片机为主， 功能比较简单。如1975年美国TI公司推出第一台4位单片机 TMS-1000。
▪ 第二阶段(1976—1978)——探索阶段。单芯片形式，低档8 位单片机。如1976年美国Intel公司生产的MCS-48系列单片 机，这是第一台完全的8位单片机。MCS-48的推出是在工控 领域的探索，此后，各种8位单片机纷纷应运而生。
存储器
输出设备
控制器
运算器
▪ 微处理器：运算器和控制器集成在一个芯片上；
▪ 单片机是什么？
单片机是单片微型计算机的简称，它是在一块半导体芯片上，集成了CPU、 存储器、I/O(Input/Output)接口、中断系统和定时器等计算机必备部件，所构成 的一个完整的数字电子计算机。
1.1.2 单片机的开发与开发工具
(2) 通用微机中存储器组织结构主要针对增大存储容量和 CPU对数据的存取速度。
单片机中存储器的组织结构比较简单，存储器芯片直接 挂接在单片机的总线上，CPU对存储器的读写按直接物理地址 来寻址存储器单元，存储器的寻址空间一般都为64 KB。
(3) 通用微机中I/O接口主要考虑标准外设(如CRT、标准键 盘、鼠标、打印机、硬盘、光盘等)。用户通过标准总线连接 外设，能达到即插即用。
3．开发手段：
硬件调试：编制出简单的单元调试程序使系统运行， 用示波器、万用表也可使用逻辑分析仪。软件调试目前多用 KEIL51软件，它集编辑、编译、仿真为一体，支持汇编、 PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用，是目 前对单片机进行调试最好的软件之一。
4．开发工具：
设计一种通用的调试程序工具，把开发系统的CPU和 RAM暂时出借给用户控制板（控制系统），利用开发系统进 行调试，然后把调试好的程序固化到EEPROM中。
1.2 MCS-51单片机的组成及结构
1.2.1 内部结构框图
MCS-51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存 储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器 等功能部件。图中SP是堆栈寄存器，PC是程序计数器，PSW 是状态标志寄存器，DPTR是地址指针。
图2.1 MCS-51单片机内部结构框图
(2) 微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路由总线有机地连接 在一起的整体，称为微型计算机。
(3) 微型计算机与外围设备、电源、系统软件一起构成的系 统，称为微型计算机系统。
单片机与通用计算机的区别
▪ 通用计算机系统主要满足海量、高速数值处理，兼顾控制 功能；单片机系统主要满足测控对象的控制功能，兼顾数 值处理。
3 单片机的特点及应用
1） 单片机的特点
(1) 单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。ROM称为 程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。RAM则为数 据存储器，用作工作区及存放用户数据。
(2) 采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机有 更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。
（1）把8031芯片和EEPROM拔掉，通过仿真头插上虚拟单片 机（开发系统）。
（2）功能：硬件电路的检查与诊断；用户程序的输入与修改； 程序的运行调试：单步、断点和连续等；程序能固化到 EPROM中等。
▪ 硬件电路做成目标板
运用PROTEL、POWERPCB等软件
▪ 程序设计
通常是C语言或者汇编语言，在特定的集成开发环境 （IDE）中编程调试，比如应用最广泛的KEIL uVision2
▪ (4) 商用产品。如自动售货机、电子收款机、电子秤等。
▪ (5) 家用电器。如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、 音响设备等。
第1章 MCS-51单片机的组成及结构
1.1 微型计算机与单片机 1.1.1 单片机 ▪ 计算机：运算器、控制器、数据（程序）存贮器和输入／输出接
口四大部分；
输入设备
PSW.3 PSW.2
……
P=1表示累加器中1的个数为 奇
PSW.1 PSW.0
2. 控制器与时钟电路
▪
控制器是CPU的神经中枢，它包括：指令寄存器IR、
指令译码器ID、16位地址指针DPTR及16位程序计数器PC、
堆栈指针SP等。
▪
工作过程：CPU从程序存储器中取出指令后送入指令寄
存器IR中，经指令译码器译码产生一种或几种电平信号与系
2）SST89X564XX器件带有72/40KByte的片内 FlashEEROM，内存储器，8个中断源，4个优先级，3 个定时/计数器，功能更加强大。
3）以CPU为核心，将A/D，D/A，前置电路和显示接口电路 等全部进行嵌入设计后，烧写在一个芯片中，从而使系统简 化，实现了真正的“系统单片机”的应用设计.
51子系列主要有8031、8051、8751三种机型。它们的指令系 统与芯片引脚完全兼容，差别仅在于片内有无ROM或EPROM。
52子系列主要有8032、8052、8752三种机型。52子系列与51 子系列的不同之处在于：片内数据存储器增至256字节；片内程 序存储器增至8 KB (8032无)；有3个16位定时/计数器，6个中断源。 其它性能均与51子系列相同。
2 ） 单片机在控制领域的优点
(1) 体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地 组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。
(2) 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控 制任务，因而能获得最佳的性能价格比。
(3) 抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下 都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。
表1.1 PSW寄存器各位功能、标志符号、位地址
功能 *进位标志 辅助进位标志 用户标识 *寄存器组选择MSb *寄存器组选择LSb *溢出标志 保留
*奇偶标志
标志
位地址
CY=1表示有进借位 AC=1表示有半进借位
PSW.7 PSW.6
F0 RS1工作寄存器组选择
PSW.5 PSW.4
RS0工作寄存器组选择 OV=1有溢出
▪ 第三阶段(1978—1982)——完善阶段。提高电路的集成度， 增加8位单片机的功能。如Intel公司在MCS-48基础上推出 了完善的高档8位单片机系列MCS-51。
▪ 第四阶段(1982—1990) ——巩固和发展阶段。巩固发展8位 单片机、推出16位单片机、向微控制器发展，强化了智能控 制器的特征 。 如将ADC、DAC、集成到单片机 。
▪ 把程序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来，计 算机工作时只要给出程序中第一条指令的地址，控制器就 可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取出指令、分析 指令、执行指令，直到执行完全部指令为止。
微型计算机执行程序的过程
▪ 微型计算机执行程序的过程就是逐条执行指令的过程。由于 执行每一条指令，都包括取指令与执行指令两个基本阶段， 所以，微机的工作过程，也就是不断地取指令和执行指令的 过程。
(4) 可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统 的效率和可靠性大为提高。
3）单片机的应用范围：
(1) 工业控制。单片机可以构成各种工业控制系统、数据采 集系统等。如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控 制等。
▪ (2) 仪器仪表。如智能仪器、医疗器械、数字 示波器等。
▪ (3) 计算机外部设备与智能接口。如图形终端机、传真机、 复印机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机、智能终端机等。
1．开发的定义：
从提出任务到定型生产、投入使用的过程称为开发。这包括 对总体方案的论证、硬件系统设计与调试、软件系统的编程与 调试，最后直到目标样机的调试成功和现场投入使用等，
2．开发的特点：
软件和硬件不可分割，即在应用系统的硬件设计时，同时 生成软件设计框图和实现方法；或者考虑到编程的组态、易维 护等原因反过来修改硬件设计。
▪ 时钟的产生 两种方式：内部方式和外部方式，如图所示。
芯片类型 HMOS型 CHMOS型
表1.2 单片机外部时钟接法表
接
XTAL1
接地 接片外振荡脉冲输入端(带上拉电
阻)
法
XTAL2
接片外振荡脉冲输入端(带上拉电 阻)
悬浮
3 微型计算机的工作原理
▪ 指令是对计算机发出的一条条工作命令，命令它执行规定 的操作，程序是实现既定任务的指令序列。
▪ 17+15的加法运算程序如下：
存wk.baidu.com地址 机器语言程序 汇编语言程序
注释
0000H 0002H
74 11 24 0F
MOV A,#11H ADD A,#0FH
1.2.2 CPU结构
1 运算器
运算部件以算术逻辑单元ALU为核心，包括累加器ACC、 寄存器B、暂存器、状态标志寄存器PSW等许多部件。它能实现 数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。
• 算术逻辑单元ALU与累加器A、寄存器B
算术逻辑单元不仅能完成8位二进制的加、减、乘、除、 加1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算，还能对8位变量 进行逻辑运算，并具有数据传输、程序转移等功能。累加器 (ACC,简称累加器A)为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁 的寄存器。进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多来自于A， 运算结果也常送回A保存。寄存器B是为ALU进 行乘除法运算而 设置的。若不作乘除运算时，则可作为通用寄存器使用。
MCS-51的应用特性
1．温度范围：民品0oC～70oC，工业级为-40oC～85oC，而军品 级为-55oC～125oC。
2．有多种产品型号可供选择：从学习MCS-51系列单片机来讲， 以8051为例，然后逐步深入。
1）选用增强型如8XC52系列的芯片。例如89C52，片内有8K字 节的E2PROM；89C55芯片中有3个16位定时计数器，片内有 20K字节的E2PROM并具有两级程序保密系统。
▪ 调试——硬件仿真器
目标系统 硬件仿真器
开发软件
▪ 调试
开发软件
通信数据线
目标系统
▪ 程序下载——使用ISP（In System Program在系统
编程）ISP软件
下载线
目标系统
1.1.3 MCS-51的应用特性
MCS-51系列单片机已有十多种产品，可分为两大系列：51 子系列和52子系列。
统时钟统一在CPU定时与控制电路中组合，形成按一定时间
节拍变化的电平和脉冲控制信号。
▪ 作用：对内协调各部件的工作，例如数据传送、存储、运算、 输出等；对外发出时序控制信号，例如地址锁存ALE、外部 程序存储器选通/PSEN（“/”表示低电平有效，以后类同）、 以及/RD和/WR信号等。
▪ 时钟是时序的基础，MCS-51的时钟电路由片内的反相放大 器和外接的两个电容和晶体振荡器而构成。