第1章单片机硬件系统
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第一章 单片机基础知识
第一章单片机入门知识概述1.1 单片机的发展历程单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。
综观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以“单片”解决问题，而不像多年前以MCS51/96等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。
单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中、低端应用领域（嵌入式高端应用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能处理器构成），在这些应用中，目前也出现了一些新的需求，主要体现在以下几个方面：（1）以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用钮扣电池供电，要求系统功耗尽可能低，如手持式仪表、水表、玩具等。
（2）随着应用的复杂，对处理器的功能和性能要求不断提高。
既要外设丰富、功能灵活，又要有一定的运算能力，能做一些实时算法，而不仅仅做一些简单的控制。
（3）产品更新速度快，开发时间短，希望开发工具简单、廉价、功能完善。
特别是仿真工具要有延续性，能适应多种MCU，以免重复投资，增加开发费用。
（4）产品性能稳定，可靠性高，既能加密保护，又能方便升级。
1. 单片机技术的发展特点自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。
纵观20年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。
（1）单片机寿命长这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。
随着半导体技术的飞速发展，MPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有20岁以上，产量仍是上升的。
这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。
单片机第一章第二章第三章
码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使
用高级语言进行开发；
·作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输
出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具
备10mA-20mA灌电流的能力；
·片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、
启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；
整理课件
属于RISC结构的有Microchip公司的PIC系列、 Atmel的AT90S系列、 Zilog的Z86系列、韩国三星 公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系 列等。
一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用 RISC型单片机；控制关系较复杂的场合，如通讯产品、 工业控制系统应采用CISC单片机。
整理课件
三、 单片机的特点、分类、及应用
1. 单片机的特点
（1）性价比高 （2）控制功能强 （3）高集成度、高可靠性、体积小 （4）低电压、低功耗
2. 单片机的分类
（1）按单片机内部程序存储器分类 片内无ROM型 片内带掩膜ROM（QTP）型、片内EPROM型、
片内一次可编写型（OTP型）和片内带Flash型等。 整理课件
（4）按单片机字长分类 4位、8位、16位、32位整理、课件和64位机
3. 单片机均可用单片机实现
四、MCS-51和8051、8031、89C51等的关系
MCS-51是指INTEL公司生产的一系列单片机的总称。
此系列包括好多品种，如8031，8051，8751， 8032，8052，8752等等。
系统。
单片机片内的各功能部件 通过内部总线相互连接，
集成在单片机内的这 些部件如何连接和进
第1章单片机概述
第1章 单片机概述1.1 单片机的概念1.1.1 单片机的定义单片机的全称是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer，SCM），也称为微控制器（Micro-Controller Unit，MCU），它是将中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）、数据存储器RAM（Random Access Memory，随机读写存储器）、程序存储器ROM（Read Only Memory，只读存储器）以及I/O（Input/Output，输入/输出）接口集成在一块芯片上，构成的一个计算机系统，其组成框图如图1.1所示。
单片机可用下面的“表达式”来表示：单片机 = MPU+ROM+RAM+I/O+功能部件图1.1 单片机的组成框图1.1.2 单片机的诞生单片机诞生于20世纪70年代末，具有代表性的事件是1976年Intel公司推出了MCS-48单片机系列的第一款产品：8048。
这款单片机在一个芯片内集成了超过17000个晶体管，包含一个CPU，1KB的EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory，可擦可编程只读存储器），64字节的RAM，27个I/O端口和一个8位的定时器。
8048很快就成为了控制领域的工业标准，它们起初被广泛用来替代诸如洗衣机或交通灯等产品中的控制部分。
1980年，Intel公司在MCS-48的基础上推出了MCS-51系列的第一款单片机8051，这款单片机的功耗、大小和复杂程度都比8048提高了一个数量级。
8051集成了超过60000个晶体管，拥有4KB的ROM，128B的RAM，32个I/O端口，一个串行通信接口和两个16位的定时器。
经过三十多年的发展，MCS-51系列单片机已经形成了一个规模庞大、功能齐全、资源丰富的产品群。
单片机原理与应用技术·2·1.1.3 单片机的应用领域单片机在我们的日常生活和工作中无处不在、无处不有：家用电器中的微波炉、洗衣机、电饭煲、豆浆机、电子秤；住宅小区的监控系统、电梯智能化控制系统；汽车电子设备中的ABS、GPS、ESP、TPMS；医用设备中的呼吸机，各种分析仪，监护仪，病床呼叫系统；公交汽车、地铁站的IC卡读卡机、滚动显示车次和时间的LED点阵显示屏；电脑的外设，如键盘、鼠标、光驱、打印机、复印机、传真机、调制解调器；计算机网络的通信设备；智能化仪表中的万用表、示波器、逻辑分析仪；工厂流水线的智能化管理系统，成套设备中关键工作点的分布式监控系统；导弹的导航装置，飞机上的各种仪表等。
第1章单片机简介
5.1 干簧管原理介绍
玻璃壳
簧片
簧片
触点
N S
惰性气体
N S
ON
OFF
OFF
ON
5.2 干簧管测试原理
N S
N S
匀速旋转
干簧管测试仪单片机系统的面板
单片机
＋5V
5.3 干簧管测试仪电路原理图与印制板图
电路原理图（PROTEL绘制）
2.1 单片机的应用特点
● 单片机主要为工业测控而设计，又称微控制器（Microcontroller)，具有高集成度、高可靠性、高性价比的特点。 ● 主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于嵌入式微型机应用系统。
2.3 单片机的发展趋势
★ 程序存储器和数据存储器分开的原因？
① 指令和数据分开存放，分开调取，不会相互混淆； ② 程序存储器和数据存储器使用不同工艺。程序存储器烧录后，运行时内容不改变，要求掉电保持，一般用ROM实现，集成度高，造价低；数据存储器运行时才赋值，一般用RAM实现，造价相对较高； ③ 程序存储器和数据存储器的宽度可以不一致，在CPU字长较短时，可实现单字节指令，提高单片机的可靠性； ④ 程序存储器和数据存储器可使用不同的总线，实现真正的流水作业； ⑤ 单片机面向测控领域，通常情况下，需要较大容量的程序存储器和较少的数据存储器，提高性价比。
印制板图（PROTEL软件绘制）
5.4 编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
印制板图1 (采用PROTEL软件绘制)
印制板图2 (采用PROTEL软件绘制)
编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
玻璃壳
簧片
簧片
触点
N S
惰性气体
N S
ON
OFF
OFF
ON
5.2 干簧管测试原理
N S
N S
匀速旋转
干簧管测试仪单片机系统的面板
单片机
＋5V
5.3 干簧管测试仪电路原理图与印制板图
电路原理图（PROTEL绘制）
2.1 单片机的应用特点
● 单片机主要为工业测控而设计，又称微控制器（Microcontroller)，具有高集成度、高可靠性、高性价比的特点。 ● 主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于嵌入式微型机应用系统。
2.3 单片机的发展趋势
★ 程序存储器和数据存储器分开的原因？
① 指令和数据分开存放，分开调取，不会相互混淆； ② 程序存储器和数据存储器使用不同工艺。程序存储器烧录后，运行时内容不改变，要求掉电保持，一般用ROM实现，集成度高，造价低；数据存储器运行时才赋值，一般用RAM实现，造价相对较高； ③ 程序存储器和数据存储器的宽度可以不一致，在CPU字长较短时，可实现单字节指令，提高单片机的可靠性； ④ 程序存储器和数据存储器可使用不同的总线，实现真正的流水作业； ⑤ 单片机面向测控领域，通常情况下，需要较大容量的程序存储器和较少的数据存储器，提高性价比。
印制板图（PROTEL软件绘制）
5.4 编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
印制板图1 (采用PROTEL软件绘制)
印制板图2 (采用PROTEL软件绘制)
编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
单片机原理及应用第1章 概述
整理课件
第1章 概 述 第四阶段是以嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是 一个正在迅速发展的阶段。
目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随 着Internet的发展和Internet技术与信息家电、工业控制 技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将 代表着嵌入式技术的真正未来。
整理课件
第1章 概 述
1.2 单片机的发展概况
1.2.1 数据总线位数的发展
1．4位单片机阶段
自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS1000后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例如美国国 家半导体公司(National Semiconductor)的COP402系列，日本电 气公司(NEC)的μPD75XX系列，美国洛克威尔公司(Rockwell)的 PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88 系列等。
的接口电路设计技术。
整理课件
第1章 概 述
单片机与嵌入式系统
• 嵌入式系统定义
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础， 并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作 系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现 对其他设备的控制、监视或管理等功能。
(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。
整理课件
第1章 概 述
1.3.2 单片机的优点及应用
(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。
第1章 概 述 第四阶段是以嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是 一个正在迅速发展的阶段。
目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随 着Internet的发展和Internet技术与信息家电、工业控制 技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将 代表着嵌入式技术的真正未来。
整理课件
第1章 概 述
1.2 单片机的发展概况
1.2.1 数据总线位数的发展
1．4位单片机阶段
自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS1000后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例如美国国 家半导体公司(National Semiconductor)的COP402系列，日本电 气公司(NEC)的μPD75XX系列，美国洛克威尔公司(Rockwell)的 PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88 系列等。
的接口电路设计技术。
整理课件
第1章 概 述
单片机与嵌入式系统
• 嵌入式系统定义
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础， 并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作 系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现 对其他设备的控制、监视或管理等功能。
(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。
整理课件
第1章 概 述
1.3.2 单片机的优点及应用
(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。
庄友谊《单片机原理及应用》单片机第1章
单片机原理及应用
庄友谊教授的经典著作《单片机原理及应用》深入浅出地介绍了单片机技术。 接下来我们将为您带来本书第一章的精彩内容。
单片机的基本概念与分类
基本概念
单片机是一种在一个芯片上集成了中央处理器（CPU）、存储器、外设和输入/输出（I/O） 接口的微型计算机系统。
分类
单片机按位宽划分可分为8位、16位、32位等。按指令集划分可分为CISC和RISC。按功能 可分为通用型和专用型。
2
并行通信
使用外部总线如地址总线、数据总线、控制总线进行数据传输，速度较快。
3
I2C
使用两根双向数据线（SDA，SCL），可连接多个设备，具有高速率、低功耗等 优点。
单片机的电源管理及低功耗设计技术
电源管理
单片机电源管理是一个关键性问题，涉及电 源、电池管理、电子开关、电源控制等，可 有效提高系统效率和延长电池寿命。
低功耗设计
单片机低功耗设计是为了满足电池供电应用、 电能管理、环保要求等，需要考虑待机功耗、 运行功耗、睡眠功耗等。
单片机调试与故障处理的方法与技巧
调试
调试单片机时常用的方法有仿真、在线调试、打 印调试、替换元件等，需掌握相关工具和技术。
故障处理
故障可能源于硬件、软件、接线、程序等，可采 用逐步排查法、替换法、观测法等，必要时可使 用万用表。
原理
应用
计时器是单片机中的重要外设，用于延时、定时 和计数。采用时钟信号和预设定数的方式来实现。
计时器可用于控制周期性操作，如PWM波产生、 脉冲计数、通信时序控制、定时检测等。
单片机通信技术的分类与应用
两种。
应用
通信技术广泛应用于单片机系统中，如串口通信、I2C、SPI、CAN总线等。
庄友谊教授的经典著作《单片机原理及应用》深入浅出地介绍了单片机技术。 接下来我们将为您带来本书第一章的精彩内容。
单片机的基本概念与分类
基本概念
单片机是一种在一个芯片上集成了中央处理器（CPU）、存储器、外设和输入/输出（I/O） 接口的微型计算机系统。
分类
单片机按位宽划分可分为8位、16位、32位等。按指令集划分可分为CISC和RISC。按功能 可分为通用型和专用型。
2
并行通信
使用外部总线如地址总线、数据总线、控制总线进行数据传输，速度较快。
3
I2C
使用两根双向数据线（SDA，SCL），可连接多个设备，具有高速率、低功耗等 优点。
单片机的电源管理及低功耗设计技术
电源管理
单片机电源管理是一个关键性问题，涉及电 源、电池管理、电子开关、电源控制等，可 有效提高系统效率和延长电池寿命。
低功耗设计
单片机低功耗设计是为了满足电池供电应用、 电能管理、环保要求等，需要考虑待机功耗、 运行功耗、睡眠功耗等。
单片机调试与故障处理的方法与技巧
调试
调试单片机时常用的方法有仿真、在线调试、打 印调试、替换元件等，需掌握相关工具和技术。
故障处理
故障可能源于硬件、软件、接线、程序等，可采 用逐步排查法、替换法、观测法等，必要时可使 用万用表。
原理
应用
计时器是单片机中的重要外设，用于延时、定时 和计数。采用时钟信号和预设定数的方式来实现。
计时器可用于控制周期性操作，如PWM波产生、 脉冲计数、通信时序控制、定时检测等。
单片机通信技术的分类与应用
两种。
应用
通信技术广泛应用于单片机系统中，如串口通信、I2C、SPI、CAN总线等。
1.1 单片机概述
第1章 单片机基础知识概述
随着单片机从早期的4位发展到8位、16位直至32位，单片 机的功能在不断增强，嵌入式应用能力也在不断提高。
然而，由于复杂系统的功能大都可以通过简单嵌入式系统 组合实现，而8位单片机以其价格低廉性能适中的特点， 已可满足简单嵌入式系统的要求。这表明，嵌入式应用领 域中大量需要的仍是8位单片机，在当前及以后的相当一 段时间内8位单片机仍将占据单片机应用的主导地位。
第1章 单片机基础知识概述
第二阶段：MCU（Micro Controller Unit）即微控制器阶段 ，其主要的技术发展方向是，不断推进在嵌入式系统中集 成各种外围电路与接口电路的能力，以满足智能化控制的 需求。在此阶段中，Philips公司以其在嵌入式应用方面的 强大实力，推出了基于MCS-51内核的微控制器系列产品 ，使单片机进入MCU阶段。
第1章 单片机基础知识概述
③ 低功耗。目前，市场上有一半以上的单片机产品已 CHMOS化，这类单片机具有功耗小的优点，许多单片机 已可以在2.2V电压下运行，有的能在1.2V或0.9V低电压 下工作，功耗为μW级。
④ 高性价比。随着单片机的应用越来越广泛，各单片 机厂家会进一步改进单片机的性能，从而增强产品的竞 争力。同时，价格也是各厂家竞争的一个重要方面。所 以，更高性价比的单片机会逐渐进入市场。
第1章 单片机基础知识概述
④ 汽车电子与航空航天电子系统。通常这些系统中的集中 显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统 及运行监视器（黑匣子）等，都是将单片机嵌入其中实现 系统功能。
第1章 单片机基础知识概述
⑤ 家用电器。单片机应用到消费类产品之中，能大大提高 它们的性价比，提高产品在市场上的竞争力。目前家用电 器几乎都是单片机控制的产品，例如，空调、冰箱、洗衣 机、微波炉、彩电、音响、家庭报警器及电子玩具等。
51单片机课件第一章
1.2.2单片机的发展趋势
（1）CPU功能增强
（2）内部资源增多 （3）引脚多功能化 （4）寻址范围增加 （5）超微型化
（6）低电压和低功耗
1.3 单片机应用
电讯方面
工业方面
汽车方面
民用方面 数据处理方面
仪表方面
1.4 MCS-51单片机
1.4.1 MCS-51系列单片机
MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片 机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如 8031，8051，8751，8032，8052，89C51等，其中 8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是 在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的， 所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机， 而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多 场合会看到8031的名称。
1.2 单片机的发展历史及发展趋势 1.2.1 单片机的发展历史 单片机的发展经历了由4位机到8位机,再到16位 机的发展过程，目前8位单片机仍在广泛使用。 第一代：1974~76，起步阶段 特点：制造工艺落后，集成度低，采用双片形式 典型代表：美国仙童（Fairchild）公司F8系列 第二代：1976~78，低性能单片机阶段 特点：性能低，品种少，应用范围不广（比较简单 场合） 典型代表：Intel公司的MCS-48型，8位单片机 采用8位CPU、2个 I/O口、8位定时器/计数器、简单 中断，寻址小于4K，且无串行口。
单片机系统
CPU
输 入 设 备
输 入 接 口 设 备
运算器 控制器
存储器 硬件系统
输 出 接 口 设 备
输 出 设 备
软
+
件 系
统
单片机内部结构示意图
第1章 MCS-51单片机结构
第1章 MCS-51单片机结构
1.2.2
外部数据存储器
用于存放随机读写的数据。 外部I/O口地址影像区。 MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口实行统一编址 ， 并使用相同的RD WR作选通控制信号，均使用 MOVX 指令访 问。 MCS-51 单片机最多可扩展64KB外部数据存储器
1.2.3 内部数据储存器
MCS-51仅能实现两个8位二进 制数的算术逻辑运算！
第1章 MCS-51单片机结构
2. 控制器
（1）组成： 定时与控制部件，复位电路，程序计数器 （PC），指令寄存器、指令译码器，数据指针 （DPTR）,堆栈指针（SP）等 （2）作用：产生计算机所需的时序，控制程序自动执行。
外RAM, EPROM, 外I/O CPU
第1章 MCS-51单片机结构
程序存储器中的几个特殊地址的使用：
地址
0000H 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H
用途
复位操作后的程序入口 外部中断0服务程序入口 定时器0中断服务程序入口 外部中断1服务程序入口 定时器1中断服务程序入口 串行口中断服务程序入口
串行口中断入口 T1中断入口 T0中断入口 中断入口 INT1
在8051/8751/89C51 片内，分别内置最低地 址空间的4KB ROM/EPROM程序储存器（内部程序储 存器），而在8031片内，则无内部程序储存器， 必须外部扩展EPROM。MCS-51单片机中64KB内、外 程序储存器的地址是统一编排的。
第1章 MCS-51单片机结构
8031单片机无内部程序存储器，地址从0000H～ EA 应始终接地， FFFFH都是外部程序存储空间。 对于内部有ROM的单片机（51、52系列） ， EA 引脚接高电平，使程序从内部ROM开始执行。当PC 值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存 储器空间。外部程序存储器地址空间为1000H～ FFFFH。 访问程序存储器使用MOVC指令。 单片机执行程序时由PC 指示地址, 复位时PC内 容为0000H, 由此, 程序必须从0号单元开始存放.
第1章 MCS-51单片机的组成及结构
21
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。
22
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。
25
▪ 调试——硬件仿真器
目标系统 硬件仿真器
开发软件 26
▪ 调试
开发软件 通信数据线 目标系统
27
▪ 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
28
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。
6
(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。
7
(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。
30
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Байду номын сангаас简 化，实现了真正的“系统单片机”的应用设计.
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。
22
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。
25
▪ 调试——硬件仿真器
目标系统 硬件仿真器
开发软件 26
▪ 调试
开发软件 通信数据线 目标系统
27
▪ 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
28
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。
6
(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。
7
(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。
30
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Байду номын сангаас简 化，实现了真正的“系统单片机”的应用设计.
第一章 单片机概述
智能控制
◆
实时工业控制
单片机还可以用于各种物理量的采集与控 制。电流、电压、温度、液位、流量等物理 参数的采集和控制均可以利用单片机方便地 实现。在这类系统中，利用单片机作为系统 控制器，可以根据被控对象的不同特征采用 不同的智能算法，实现期望的控制指标，从 而提高生产效率和产品质量。典型应用如机 床控制、电机转速控制、温度控制、自动生 产线等 。
单片机应用
汽车电子
◆机电一体化产品
机电一体化产品是集机械技术、微电子技 术、自动化技术和计算机技术于一体，具有 智能化特征的各种机电产品。单片机在机电 一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。 典型产品如机器人、数控机床、自动包装机 、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复 印机等。
单片机应用
1.4 单片机系统的开发过程
通常开发一个单片机系统可按以下几个步骤进行。
(1) 明确系统设计任务，完成单片机及其外围电路的选型工 作。 (2) 运用PROTEL、POWERPCB等软件设计系统原理图和PCB板， 经仔细检查PCB板后送工厂制作。 (3) 完成器件的安装焊接。 (4) 根据硬件设计和系统要求编写应用程序。 (5) 在线调试软硬件。
三种应用形态的比较 ：
系统机（多板机）
单板机
单片机
系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应 用于数据处理、办公自动化及辅助设计。 单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要 应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能 办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。
单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的 嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独 特的优势。
单片机在工业上的应用
数控车床
◆分布式系统的前端模块
在较复杂的工业系统中，经常要采用 分布式测控系统完成大量的分布参数的采 集。在这类系统中，采用单片机作为分布 式系统的前端采集模块，系统具有运行可 靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系 列优点。
◆
实时工业控制
单片机还可以用于各种物理量的采集与控 制。电流、电压、温度、液位、流量等物理 参数的采集和控制均可以利用单片机方便地 实现。在这类系统中，利用单片机作为系统 控制器，可以根据被控对象的不同特征采用 不同的智能算法，实现期望的控制指标，从 而提高生产效率和产品质量。典型应用如机 床控制、电机转速控制、温度控制、自动生 产线等 。
单片机应用
汽车电子
◆机电一体化产品
机电一体化产品是集机械技术、微电子技 术、自动化技术和计算机技术于一体，具有 智能化特征的各种机电产品。单片机在机电 一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。 典型产品如机器人、数控机床、自动包装机 、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复 印机等。
单片机应用
1.4 单片机系统的开发过程
通常开发一个单片机系统可按以下几个步骤进行。
(1) 明确系统设计任务，完成单片机及其外围电路的选型工 作。 (2) 运用PROTEL、POWERPCB等软件设计系统原理图和PCB板， 经仔细检查PCB板后送工厂制作。 (3) 完成器件的安装焊接。 (4) 根据硬件设计和系统要求编写应用程序。 (5) 在线调试软硬件。
三种应用形态的比较 ：
系统机（多板机）
单板机
单片机
系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应 用于数据处理、办公自动化及辅助设计。 单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要 应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能 办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。
单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的 嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独 特的优势。
单片机在工业上的应用
数控车床
◆分布式系统的前端模块
在较复杂的工业系统中，经常要采用 分布式测控系统完成大量的分布参数的采 集。在这类系统中，采用单片机作为分布 式系统的前端采集模块，系统具有运行可 靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系 列优点。
第一章 8051单片机基本结构
交道时，完成数据传送。
3）寄存器 B（ 8位寄存器）
作用：在乘法和除法运算中用作ALU的输入之一。乘法
运算时，ALU的两个输入分别为A、B，运算结果存放在A、B 寄存器中，其中A存放积的低8位，B则存放积的高8位。除法 运算时，被除数取自A，除数取自B；运算结果商数存于A， 而余数存于B。不作乘、除运算时，寄存器B可作通用寄存器
1）程序计数器（PC）
16位专用寄存器，寻址范围为64KB。 作用：存放CPU执行的下一条待执行指令的地址 工作原理： 当一条指令按照PC所指的地址从程序存储器中取 出后，PC会自动加1，指向下一条指令。 执行 有条件或无条件转移指令时，程序计数器将 被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。
PSW.1 PSW.0
CY
AC
F0
RS1 RS0 OV
-
P
P（PSW.0） 奇偶标志位
P标志表明累加器ACC中1的个数的奇偶性。在 每条指令执行完后，单片机根据ACC的内容对P 位 自动置位或复位。
若累加器ACC中有奇数个“1”，则P=1； 若累加器ACC中有偶数个“1”，则P=0。
PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0
CY
AC
F0
RS1 RS0 OV
-
P
CY是PSW中最常用的标志位。 由硬件或软件置位和清零。 在字节运算时：它表示运算结果是否有进位（或借位）。 加法时：有进位 Cy由硬件置“1” 即Cy=1；
无进位 CY被硬件清“0” 即Cy=0。
减法时：有借位 Cy由硬件置“1” 即Cy=1； 无借位 CY被硬件清“0” 即Cy=0。
定 时 控 制
第1章_单片机概述
1.3.1 Intel公司MCS-51系列单片机 1.3.2 Atmel公司MCS-51系列兼容单片机 1.3.3 Philips公司MCS-51系列兼容单片机
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第1章 单片机概述
1.3.4 Dallas公司MCS-51系列兼容单片机 1. 高速单片机 2. 安全单片机 1.3.5 Winbond公司MCS-51系列兼容单片机 台湾省Winbond(华邦)公司是亚洲半导体公司的杰出代 表，在国际上也享有较高的声誉。其生产的MCS-51系列 兼容单片机独具特色。其MCS-51系列兼容单片机分为： 标准系列，宽电压系列，Turbo-51系列，工业温度范围 系列，监控专用单片机。
1.2.2 单片机的发展趋势
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第1章 单片机概述
1.2.1 单片机的发展概况 (1) (2) (3) 大容量化 高性能化 小容量/低价格化
(4)
外围电路内装化
1.2.2 单片机的发展趋势
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第1章 单片机概述
1.3
常用MCS-51单片机及兼容机简介
目前，在国内市场上，Intel公司生产的MCS-51系列单片机已经比 较少见，取而代之的是其他公司生产的MCS-51系列兼容单片机。这 些公司主要有美国的Dallas、AMD、Atmel、ADI公司，荷兰的 Philips公司，德国的Siemens公司，日本的NEC公司，韩国的LG公 司以及我国台湾省的华邦(Winbond)公司等。
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第1章 单片机概述
1.2
单片机的历史与发展
自1971年微处理器研制成功后不久，就出现了单片机发展非 常繁荣的局面。单片机根据其基本操作处理的位数可以分为： 1位单片机、4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片 机。单片机经过30多年的发展，如今已经形成一个规格齐全、 品种繁多的大家族，单片机的潜力越来越被人们所重视。特 别是当前采用CMOS工艺制成的各种单片机，由于低功耗、使 用的温度范围大、抗干扰能力强，能满足一些特殊应用场合 的要求，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促进了单 片机性能的发展。1.2.1 单片机的发展概况
《单片机原理及应用》课件第1章 单片机基础知识
—属于微型机的一种 —具有一般微型机的基本组成和功能
AB—地址总线; CB—控制总线; DB—数据总线
1.1.1 单片机的基本概念
单片机在应用时通常处于被控系统的核心地位并融 入其中，即以嵌入的方式使用。为了强调其“嵌入” 的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器 （Embedded Micro-Controller Unit，EMCU）。
单片形成阶段
1976年，Intel推出MCS-48列单片机 ： 8位CPU、1KB ROM、64B RAM、27根I/O线和1个8位 定时器/计数器。 特点：存储器容量较小，寻址范围小(不大于4KB)， 无串行接口，指令系统功能不强。
10
1.2.1 单片机的发展历史
性能完善提高阶段
1980年，Intel推出MCS-51系列单片机： 8位CPU、4KB ROM、128B RAM、4个8位并行口、1个 全双工串行口、2个16位定时器/计数器。寻址范围 64KB，并有控制功能较强的布尔处理器。
“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。
12
1.2.1 单片机的发展历史
微控制器化完善阶段
近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、 ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行 扩展总线、控制网络总线和开发方式（在系统可编 程，ISP）等方面都有了进一步的增强。
特点：单片机的综合品质（如成本、性能、体系结构 、开发环境、供应状态）有了长足的进步。
15
1.3.1 MCS-51系列单片机-80C51系列单片机
Atmel公司，AT89系列，Flash存储器技术 Philips公司，80C552系列，含ADC 华邦公司，W78C51系列，高速低价 ADI公司，ADµC8xx系列，高精度ADC LG公司，GMS90/97系列，低压高速 Maxim公司，DS89C420系列，高速（50MIPS） Cygnal公司，C8051F系列，高速SOC
AB—地址总线; CB—控制总线; DB—数据总线
1.1.1 单片机的基本概念
单片机在应用时通常处于被控系统的核心地位并融 入其中，即以嵌入的方式使用。为了强调其“嵌入” 的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器 （Embedded Micro-Controller Unit，EMCU）。
单片形成阶段
1976年，Intel推出MCS-48列单片机 ： 8位CPU、1KB ROM、64B RAM、27根I/O线和1个8位 定时器/计数器。 特点：存储器容量较小，寻址范围小(不大于4KB)， 无串行接口，指令系统功能不强。
10
1.2.1 单片机的发展历史
性能完善提高阶段
1980年，Intel推出MCS-51系列单片机： 8位CPU、4KB ROM、128B RAM、4个8位并行口、1个 全双工串行口、2个16位定时器/计数器。寻址范围 64KB，并有控制功能较强的布尔处理器。
“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。
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1.2.1 单片机的发展历史
微控制器化完善阶段
近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、 ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行 扩展总线、控制网络总线和开发方式（在系统可编 程，ISP）等方面都有了进一步的增强。
特点：单片机的综合品质（如成本、性能、体系结构 、开发环境、供应状态）有了长足的进步。
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1.3.1 MCS-51系列单片机-80C51系列单片机
Atmel公司，AT89系列，Flash存储器技术 Philips公司，80C552系列，含ADC 华邦公司，W78C51系列，高速低价 ADI公司，ADµC8xx系列，高精度ADC LG公司，GMS90/97系列，低压高速 Maxim公司，DS89C420系列，高速（50MIPS） Cygnal公司，C8051F系列，高速SOC
第1章 单片机8051基础知识
计算机科学与技术系
外部时钟源
1.1 单片机的典型结构
外部事件计数
振荡器和时序 OSC
程序存储器 4KBROM
数据存储器 256B RAM/SFR
2×16位 定时器/计数器
89C51 CPU 64KB 总线 扩展控制器 内中断 外中断 控制 并行口 图 1-1 AT89S51/S52的基本组成功能框图 串行通信 可编程全双工 串行口
2.低128字节RAM ·通用工作寄存器区 ·位寻址区 ·用户RAM区 3．高128字节用户RAM区 为特殊功能寄存器SFR AT89S52有256字节 4．片外数据存储器的结构及操作 片外数据存储器和外围扩展电路统一编址，可寻址范围为64 KB。 片外数据存储器寻址空间的数据传送使用专门的MOVX指令。片外数据存储器只能 和累加器A交换数据，通过地址指针DPTR或工作寄存器Ri间接寻址。
计算机科学与技术系
第1章 单片机8051硬件基础知识
教学目的：了解80C51系列单片机的内部结构、工作 原理 、存储器结构、基本电路、内部资源等硬件 内容。
教学重点:1.内部主要组成及工作原理 ； 2.存储器结构特点； 3.I/O 的复用结构及应用特点； 4.时序及复位电路的作用。 教学难点： 1.特殊功能寄存器的作用； 2.堆栈及堆栈指针的作用; 3.单片机内部资源（定时器、中断、串行口）
1.3
单片机的存储器
1.3．1 存储器结构和地址空间
FFFF 64KB RAM (I/O) 89S51片内存储器 0FFF 100 FF 00 片外数据存储器 FF 80 7F 00
计算机科学与技术系 数据和程序 分开的结 构，称为 哈弗结构
FFFF 64KB ROM 1000 0FFF
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熟练掌握二进制与十六进制之间的转换。
规律：一般把四个二进制数放在一起转换成一 个十六进制数，转换时先把二进制数转换成十进 制数，再把十进制数转换成十六进制数。
h
7
什么是单片机
P0-P3
T
INT
定时器/计数器
中断系 统
并
CPU
串
行
行
I/
I/
O
O
口
存储 器
口
h
TxD RxD
8
单片机应用系统
单片机应用系统
1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地) 2、振荡电路：XTAL1、XTAL2 3、复位引脚：RST 4、并行口：P0、P1、P2、P3 5、EA：访问程序存储控制信号 6、PSEN：外部ROM读选通信号 7、ALE：地址锁存控制信号
P3口线的第二功能
h
13
时钟电路与复位电路
(1)时钟振荡电路
h
• •
产序振1原格中/个个定两时现功内2元前用计25生列频始。断，）时个/定能M部，于16数计2个H时，率数2串/1时。用存R8中计数个6ZR个A钟允6据行或户放位断器数AMM，单脉许和中计使可的M2，器H：定元冲晶表单断数Z用读定实：共时和，1
写数据，后
128个单元被
专用寄存器占
用。
11
8051单片机的基本组成
的各种功能部件，包括CPU（Central Processing
Unit）、存储器（memory）、基本输入/输出
（Input/Output，简称I/O）接口电路、定时/计数器
和中断系统等，都制作在一块集成芯片上，构成一个
完整的微型计算机。单片机内部基本结构如图1.7所
示。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求
XTAL2 XTAL1
VSS
1
40
2
39
3
38
4 5
8031
37 36
6
35
7 8051 34
8
33
9 10
8751
32 31
11
30
12 89C51 29
13
28
14
27
15
26
16
25
17
24
18
24
19
22
20
21
VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
设计的，故又称为微控制器（Micro-Controller Unit，
简称MCU）。
h
3
单片机的应用十分广泛，在工业控制、智能仪 器仪表、家用电器、通信系统、信息和通信产 品、办公自动化设备、商业营销设备、医疗设 备、汽车电子系统等领域，都有重要的用途。
学单片机需要什么基础？ 1）只需要掌握很基本的数电模电知识；
2）与以前所学的知识关联很少；
3）对各种器件的概念基本上是从0开始；
4）如果要用C语言编程，需h 具备简单的C语言基础；4
预备知识
1）电平特性
数字电路中只有两种电平： 高和低 （本课程中）定义单片机为TTL电平：高 +5V 低 0V
RS232电平：计算机的串口 高 -12V 低+12V
所以计算机与单片机之间通讯时需要加电平 转换芯片max232。
h
5
2）2进制与16进制的表示与转换
二进制的表示方式：
00
6
11
7
2 10
8
3 11
9
4 100
10
5 101
11
110 111 1000 1001 1010 1011
h
6
十六进制的表示方式： 是二进制的简短表示形式。
十进制中的0-15分别表示为十六进制的0、1、2、3、4、 5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F
14
时序
关于MCS-51系列单片机的时序概念有4个，可用定时单位来说明， 从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期，下面分别加以 说明。
1）节拍
把振荡脉冲的周期定义为节拍，用P表示，也就是晶振的振荡频率 fosc。
2）状态
振荡脉冲fosc经过二分频后，就是单片机时钟信号的周期，定义为状 态，用S表示。一个状态包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫P1， 后半周期对应的节拍叫P2。
中央处理器CPU：8位，运算和控制功能 内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，
用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。 内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。 定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。 并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。 串行口：一个全双工串行口。 中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2个，
串行中断1个） 时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ
h
12
MCS-51单片机信号引脚简介
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
RST RXD/ P3. 0 TXD/ P3.1 INT0/ P3.2 INT1/ P3.3
T0/ P3.4 T1/ P3.5 WR/ P3.6 RD/ P3.7
微控制器原理及应用
（C语言版）
无锡职业技术单片机硬件系统
本章内容
什么是单片机 MCS-51内部组成及信号引脚 单片机最小系统电路 MCS-51存储器结构
h
2
什么是单片机
单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简
称单片机，是指集成在一个芯片上的微型计算机，它
h
10
单片机硬件结构
时钟电路
T0 T1
ROM
RAM 定时计数器
CPU
复位电路
并行接口 串行接口
中断系统
P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1
h
• 并行I/O口：4个
• 8中位央的I处/O理口P器0、 PC1P、UP：2、8P位3。，
•
•
•
•
串双时内4用运功中5K个行工钟于部断算能B中口串电掩存R控和断O：行路膜放制M源控一口：R程系：（O个。制可序统M外全、：，
◆生产厂商：
美国微芯片公司:PIC16C××系列、PIC17C××系列、PIC1400系列， 美国英特尔公司的MCS-48和MCS-51系列， 美国摩托罗拉公司的MC68HC05系列和MC68HC11系列， 美国齐洛格公司的Z8系列， 日本电气公司的μPD78××系列， 美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的F8（3870）系列等。
单
接口
片 机
＋
电路 及外
设等
＋
软 件
硬件
单片机应用系统由硬件和软件组 成
硬件是应用系统的基础
软件是在硬件的基础上对其资源 进行合理调配和使用，从而完成 应用系统所要求的任务，二者相 互依赖，缺一不可
h
9
单片机种类
◆单片机的发展经历了由4位机到8位机,再到16位机的发展过程
◆目前8位单片机仍是单片机的主流机型；