微机控制系统与应用

第二功能
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0外部脉冲输入）
P3.5
T1（定时/计数器1外部脉冲输入）
P3.6பைடு நூலகம்
/WR（外部RAM写信号）
P3.7
/RD（外部RAM读信号）
P0口、P2口和P3口的第二功能用法：各端口的第二功能完全是自动的，
读锁存器
地址/数据 控制
Vcc
内部总线 写锁存器
D P0.X Q CL 锁存器 /Q
多路器
P0.X 引脚
读引脚
图2.3 P0端口的位逻辑结构图
14
[P1口]：8位准双向I/O端口。
准双向：当端口作为输入口时，要先向锁存器写1，才能够
正确的读入引脚的信息；由于51系列复位后四个锁存器都置
＃FF，所以一般可以直接作为双向口使用 。
例如：XRL P0, A
[读引脚]：一般都是以I/O口作为源操作数。执行指令时，打开三态门，
输入引脚的状态。在执行指令后，口锁存器的状态与引脚相同。但一旦
给口锁存器写入某一状态后，锁存器的状态不一定同引脚的状态相一致。
例如：MOV A, P0
16
图2.4所示为单片 机系统扩展时的片外 三总线结构图。 [地址总线AB]：16位， P2口传送A8A15， P0口（锁存后）传送 A0A7。 [数据总线DB]：8位， 由P0口传送D0D7。 [控制总线CB]：由P3 口的第二功能和PSEN、 EA、ALE、RST组成。
再读下一个操作码
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6
[P2口]：当无片外存储器时，P2口可做为一个8位准双向I/O端口使用。
在访问片外存储器时，P2口传送高8位地址信息。
[P3口]： 8位准双向I/O端口。系统扩展时，P3口各引脚具有表2.2所
示的第二功能。
引脚号 10 11 12 13 14 15 16 17
表2.2 P3口各引脚的第二功能定义
I/O功能
8
2.2 硬件结构和引脚功能
【总线】 计算机中所有器件共同享用的连线。所有器件的数据线全部接到 公用的线上，即相当于各个器件并联起来，并且分时工作。 数据总线、控制总线、地址总线
9
2.2 硬件结构和引脚功能
2.2.1 硬件部分（8051）
10
2.2.2 引脚功能
（a）引脚排列
（b）逻辑符号
图2.2 MCS-51单片机引脚图
第二章 MCS-51单片机结构原理
2.1 MCS-51系列单片机概述 2.2 硬件结构和引脚功能 2.3 中央处理器与存储器组织 2.4 复位方式与掉电保护 2.5 其它内部资源
1
2.1 MCS-51系列单片机概述
微型计算机技术主要形成两大分支 通用微处理器（MPU）：
用在海量数值计算方面，以满足数字 模拟、仿真、数字信号处理、 图像分析、人工智能等领域的要求 微控制机（MCU）： 用来满足快速实时地信号采集、判断、处理、参数控制
被处理的数据可能有这么几种情况： 1·常数（如MOV TH0，#10H）10H即定时常数。 2·地址（如MOV DPTR，#1000H），即地址1000H送入DPTR。 3·方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。 4·实际输出值 （如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：
MOV P1，#0FFH ；要灯全暗，则执行指令：MOV P1，#00H ），这 里0FFH和00H都是实际输出值。又如用于LED的字形码，也是实际输出 的值。
64KB
2
4
1
5
8032
无
256B
64KB
64KB
3
4
1
6
8052
8KB
256B
56KB
64KB
3
4
1
6
8752
8KB
256B
56KB
64KB
3
4
1
6
83C252
无
256B
64KB
64KB
3
4
1
7
80C252 8KB
256B
56KB
64KB
3
4
1
7
87C252 8KB
256B
56KB
64KB
3
4
1
7
19
2.3 中央处理器与存储器组织
2 控制单元 由定时控制逻辑、指令寄存器、译码器、数据地址指针寄存器DPTR、
程序计数器PC组成。 单片机程序执行过程： （1）根据PC，从程序存储器中取出一条指令，送入指令寄存器，PC
指向下一条指令的存放地址； （2）对指令寄存器中的指令译码，产生相应的操作命令、控制信号，
注 1：805X 和 80C252 中片内程序存储器为 ROM，875X 和 87C252 中片内程序存储器为
EPROM。
注 2：8XC252 还集成有高速 I/O、PWM 输出等功能。
6
2.2 硬件结构和引脚功能
【指令、地址、数据】 一串‘0’和‘1’组成的序列
指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的 指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者 更改。例如：MOV A, R0 机器码为11101000
时钟电路产生单片
机工作所需的时序节
拍。
XTAL2 XTAL1 MCS-51单片机
Vss
图2.7 外部时钟电路 21
2.3 中央处理器与存储器组织
[振荡信号]：XTAL2引脚的信号，为石英晶体或外部振荡信号，振荡频 率常用6MHz、11.0592MHz或12MHz，用fosc表示，对应的周期称为 振荡周期。
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2.2 硬件结构和引脚功能
MCS-51系列单片机有40个引脚，按功能分为4类： 1 电源
[Vcc]：+5V电源 [Vss]：接地端 2 晶体振荡 [XTAL1]：晶体震荡电路的反相输入端 [XTAL2]：晶体震荡电路的反相输出端 3 控制信号 [EA/Vpp]：片内、外程序存储器选择（输入信号）/编程电源
读取所需的操作数； （3）对操作数执行指令规定的运算，将运算结果存入指定的寄存器
或存储单元，并修改PSW中的标志位； （4）返回（1），循环执行。
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2.3 中央处理器与存储器组织
振荡器
XTAL2
P1
时钟发
生器
P2
XTAL1
XTAL2 图2.6 MCS-51单片机时钟电路
3 时钟电路与时序
Vcc 外部振荡器信号
4
2.1 MCS-51系列单片机概述
[MCS-51系列单片机]：
由美国Intel公司在20世纪70年代开发，其核心技术公开给 Philips,Siemens,AMD,Atmel等著名IC制造厂商，已有100 多种型号的51系列单片机问世。20世纪80年代，51系列单 片机在我国开始使用，目前已成为家用电器、仪器仪表、工 业测控等领域使用的主流单片机。
[时钟信号]：时钟发生器的输出信号P1、P2，是单片机的工作时序节拍， P1控制算术逻辑运算的操作，P2控制寄存器之间的数据传输，频率为 fosc/2，周期等于2倍振荡周期，称为时钟周期/状态。
[机器周期]：由6个时钟周期（12个振荡周期，分为6个状态）组成，是 指令执行的最小单位。
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状态周期 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 OSC状态节拍 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 P1P2 时钟
图2.4 MCS-51单片机片外三总线结构图 17
2.3 中央处理器与存储器组织
2.3.1 中央处理器
MCS-51系列单片机的中央处理器由运算单元、控制单元和时钟电 路组成。 1 运算单元
由算术/逻辑运算部件ALU、暂存器1、暂存器2、累加器ACC、寄 存器B、状态寄存器PSW组成。
[ALU]：算术/逻辑运算 [暂存器1、2]：暂存运算的中间结果 [ACC]：存放参与运算的数据和运算结果 [B]：乘法运算存放一个乘数和积的高8位，除法运算存放除数和余 数，其它指令运算时可做暂存器使用
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2.3 中央处理器与存储器组织
D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 C YA CF OR S 1 R S 0 O V X P
图 2 . 5 P S W 格 式 及 意 义
[PSW]：状态字寄存器，存放运算结果的状态标志 CY：进位标志；位处理器C（位运算时与ACC类似） AC：辅助进位标志，主要用于2-10进制运算 FO：用户自定义标志 RS1，RS0：工作寄存器R0～R7选择 00 选用第0组工作寄存器（00H～07H）为R0～R7； 01 选用第1组工作寄存器（08H～0FH）为R0～R7； 10 选用第2组工作寄存器（10H～17H）为R0～R7； 11 选用第3组工作寄存器（18H～1FH）为R0～R7。 OV：溢出标志，主要用于补码运算 X：保留位 P：奇偶标志（奇校验，为1时表明结果中“1”的个数为奇数个）
[PSEN]：外部程序存储器读选通信号（输出信号） ，低电平有效。 [RST/VPD]：复位信号（输入信号） ，高电平（持续2个机器周期
以上）有效。Vcc掉电时，可外接备用电源。
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2.2 硬件结构和引脚功能
4 I/O端口 [P0口]：在当无片外存储器时，P0口做为一个8位双向I/O端口使用。 访问片外存储器时，P0口做为一个8位双向I/O端口，在ALE信号配 合下，分时传送低8位地址信息和8位数据信息。
地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据。 内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单 元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有 的（详见程序的执行过程）。
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2.2 硬件结构和引脚功能
数据：这是由微处理机处理的对象。 数据在各种不同的应用场合中表达的含义各不相同，一般而言，
3
2.1 MCS-51系列单片机概述
单片机的历史发展过程： 第一代单片机（1976年）：实现了单个芯片上的计算机集成 ，以Intel 的MCS-48为代表，技术特点是采用了专门的结构设计，将CPU以及外围 单元集成在一块芯片上；指令系统设计面向控制功能的要求，具有很强的 控制功能。 第二代单片机：以Intel的MCS-51系列为代表，技术特点是完善了外部 总线；在指令系统中增加了位操作指令；并在指令系统中增加了条件和无 条件跳转指令。 第三代单片机：技术特点是全速发展单片机的控制功能。这一时期的综 合特点是发展了非总线形单片机，尽可能将外围接口电路做在片内形成单 片机系统；并推出了具有串行扩展总线的产品；以及发展了具有良好控制 功能的控制网络总线。
2
2.1 MCS-51系列单片机概述
什么是单片机？
【计算机构成 】 ：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、并行口等）
【单片机(Single Chip Micro Computer)】：是在一个芯片上集成了一台 计算机的主要组成部件，如CPU、RAM、ROM（EPROM）、计数/定 时器、I/O接口等，高档系列中还集成有A/D、D/A、PWM、高速I/O 等扩展部件。
ALE 机器周期
机器周期
读操作码 读下一个操作码 再读下一个操作码 （丢掉）
S1 S2 S3 S4 S5 S6
a）单字节单周期指令，例：INC A
读操作码
读第二字节 读下一个操作码
（第一字节）
S1 S2 S3 S4 S5 S6
b）双字节单周期指令，例：ADD A，#data
读操作码
读下一个操作码（丢掉）
5
2.1 MCS-51系列单片机概述
表 2.1 MCS-51 系列单片机性能表
型号
片内存储容量 程序存储 数据存储
片外存储容量 程序存储 数据存储
I/O 特性 计数器 并口 串口
中断源
8031
无
128B
64KB
64KB
2
4
1
5
8051
4KB
128B
60KB
64KB
2
4
1
5
8751
4KB
128B
60KB
（输出信号） 。 “0”：CPU只访问片外ROM “1”：根据指令可访问片内、外ROM 8751编程时，接21V编程电源
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2.2 硬件结构和引脚功能
[ALE/PROG]：地址锁存允许（输出信号）/编程脉冲（输入信号） ALE输出为脉冲信号，其频率是振荡频率的1/6。 “1”：P0口传送低8位地址（A0A7） “0”：P0口传送数据信息 8751编程时，输入编程脉冲
不需要用指令来转换。
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读锁存器
地址/数据 控制
Vcc
内部总线 写锁存器
D P0.X Q CL 锁存器 /Q
多路器
P0.X 引脚
读引脚
图2.3 P0端口的位逻辑结构图
[读端口]：也称为读锁存器，是从锁存器中读数据，进行处理，并把处
理后的数据重新写入锁存器，这类指令称为“读－修改－写指令”。一
般当目的操作数为I/O口或I/O中的一位时，为此类指令。