单片机教案(第1章 组成原理)

单片机原理及应用（第二章MCS-51单片机的组成原理）第1页共28页第二章MCS-51单片机组成原理(初识单片机)MCS-51系列单片机是美国Intel公司生产的高档8位机，在这个系列中常用的、最典型的有下列三种产品：1、8031单片机；2、8051单片机；3、8751单片机。2-1MCS-51单片机的内部结构框图：一、中央处理器CPU（8位机）由运算器和控制器组成，是单片机的核心：（1）运算器ALU：完成二进制的算术运算和逻辑运算功能；（2）控制器：在时钟脉冲的作用下，对指令进行译码，控制单片机系统的各部件协调有序的工作。二、片内ROM主要用于存放程序、原始数据和表格等内容，也称为：程序存储器或片内ROM。(在MCS-51系列中：8031单片机，片内无ROM；8051单片机，片内有4KB的掩膜ROM；8751单片机，片内有4KB的EPROM)。三、片内RAM（256个字节单元）单片机原理及应用（第二章MCS-51单片机的组成原理）第2页共28页（1）高128个的字节单元组成了21个特殊功能的寄存器SFR，其功能已有专门规定，用户不能乱用；（2）低128个的字节单元，作随机存取单元，供用户使用。(有时指片内RAM为128B就是这个意思)四、定时器/计数器（2×16位）片内有2个16位的定时/计数器(T0，T1)，并能以其定时或计数的结果对系统进行控制。五、并行I/O接口（4×8位）片内有4个8位并行I/O接口(P0，P1，P2，P3)。它们可双向使用。（1）P0口通常用作8位数据总线或低8位的地址总线的信息传送；（2）P1口一般作通用数据I/O接口使用；（3）P2口通常用作高8位地址总线的信息传送；（4）P3口常用于以第2功能(有8种)的输入或输出的形式。六、串行接口片内有2个1位的串行接口，TXD为输出口，RXD为输入口，它们还可编程为一个全双工(双向同步信息传送)的通用异步串行接口模式(UART)。七、中断控制系统MCS-51有5个中断源：（1）2个外部中断源；（2）2个定时器/计数器中断源；（3）1个串行中断源。八、重要功能（1）可以寻址64KB的片外ROM和64KB的片外RAM；（2）具有位操作功能(逻辑处理)的位寻址功能。2-2CPU的结构单片机原理及应用（第二章MCS-51单片机的组成原理）第3页共28页CPU是单片机的核心，它由两大部分所组成：运算器和控制器。一、运算器1、算术/逻辑部件：（1）完成算术运算。如：加、减、乘、除运算；（2）完成逻辑运算。如：与、或、非、异或等；（3）将运算结果的特征量，作为下一步操作指令的依据。2、累加器A：(8位寄存器)（1）在算/逻运算中用于存放操作数或结果（2）与外部存储器交换信息时要经过A；（3）与I/O接口交换信息时也要经过A。3、寄存器B：(8位寄存器)（1）做乘法运算时，用来寄存乘数或积的高位字节；（2）做除法运算时，用来寄存除数或余数；（3）不做上述运算时，可做通用寄存器使用。4、程序状态标志寄存器PSW：(8位寄存器)（1）进位标志位Cy(D7位)：做加、减运算时，若运算结果在最高位有进位或借位时，Cy被硬件自动置“1”，反之则自动置“0”。（2）辅助进位标志位AC：(半进位标志位，D6位)①做加、减运算时，若低4位有向高4位进位或借位时，AC被硬件自动置“1”，反之则自动置“0”。②CPU常根据AC的状态对BCD码的运算结果进行调整。单片机原理及应用（第二章MCS-51单片机的组成原理）第4页共28页（3）用户标志位F0(D5位)：用户可用软件对F0位，置“1”或置“0”，以决定程序的走向。（4）工作寄存器组选择标志位RS1、RS0(D4、D3位)：用户通过软件改变RS1和RS0的组合内容，来选择片内RAM中4组工作寄存器组之一。RS1RS0选定的当前使用的工作寄存器组（区）片内RAM地址通用寄存器名称00第0组00H~07HR0~R701第1组08H~0FHR0~R710第2组10H~17HR0~R711第3组18H~1FHR0~R7（5）溢出标志位OV(D2位)：当运算的结果超过8位二进制数的允许范围时，OV由硬件自动置“1”，反之置“0”。（6）空缺位(D1位)：此位未定义。（7）奇偶校验标志位P(D0位)：MCS-51采用偶校验，当A累加器中1的个数为奇数时，P被硬件置为“1”，反之被置为“0”。二、控制器控制器主要由定时控制逻辑电路和各种控制寄存器组成，它们严格按照定时电路的各种译码指令完成规定的操作。1、指令寄存器IR和指令译码器ID(8位)IR主要用于寄存指令代码，并通过ID将指令代码译出由控制电路产生相应的控制信号。2、程序计数器PC单片机原理及应用（第二章MCS-51单片机的组成原理）第5页共28页是一个十六位的寄存器，专门用于寄存CPU将要执行的指令地址(即下一条指令的地址)，所以PC会自动加1。PC可寻址64KB范围的ROM。注意PC本身没有地址，因此用户无法对其进行读写，但可以通过相应的指令改变其内容，实现程序的转移。3、堆栈指针(寄存器)SP(8位)堆栈：只有一个数据进/出端口且按照“先进后出”原则管理的存储器。栈底：堆栈存储器的底部。此时的堆栈指针为SP。栈顶：存储器的数据入口处。空栈时，栈顶的地址等于栈底的地址(两者重合)。随着数据的不断进栈，栈顶的地址也不断的增加(上浮)。数据进栈的操作：首先SP+1，送入SP，然后再向堆栈存储器写入数据；数据出栈的操作：首先从堆栈存储器读出数据，然后SP-1，送入SP。堆栈指针(寄存器)SP：就是专门用于寄存指示堆栈存储器地址的寄存器。4、数据指针(地址)寄存器DPTR(16位)是一个十六位的专用寄存器，它由两个8位的寄存器DPH（高8位）和DPL（低8位）组成。专门用来寄存片外RAM及扩展I/O口进行数据存取用的地址。三、寄存器和特殊功能寄存器R1、工作寄存器MCS-51共有32个工作寄存器(在片内RAM的00H～1FH的地址单元中)，分为四个组(区)，每个组(区)有8个寄存器，分别用R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7表示。(由前面的表中可以看出)每个时刻只有一个区工作，而且由程序状态标志寄存器RS1、RS0来决定。当RS1RS0=00时，选定的当前的工作器组为第0组(区)，它们的地址分别为00H～07H,对应的通用寄存器的名称分别为R0～R7。注意：R0、R1不仅做工作寄存器用外，还经常用于做间接寻址的地址指针。单片机原理及应用（第二章MCS-51单片机的组成原理）第6页共28页2、特殊功能寄存器SFR(专用寄存器)MCS-51共有21个特殊功能寄存器（除PC外），离散地分布在片内RAM的80H～0FFH的地址单元中，共占据了128个存储单元，构成了SFR存储块。将其地址由大到小排列如下(关于寻址方式将在下一章讨论)特殊功能寄存器功能名称地址单元内复位后初态是否可以位寻址B寄存器F0H00H可以A累加器E0H00H可以PSW程序状态D0H00H可以标志寄存器IP中断优先级B8HXXX00000B可以控制寄存器P3P3口数据寄存器B0HFFH可以IE中断允许A8H0XX00000B可以控制寄存器P2P2口数据寄存器A0HFFH可以SBUF串行口发送/接收99H不定不可以数据缓冲寄存器SCON串行口控制寄存器98H00H可以P1P1口数据寄存器90HFFH可以TH1T1计数器8DH00H不可以高8位寄存器TH0T0计数器8CH00H不可以高8位寄存器TL1T1计数器8BH00H不可以低8位寄存器单片机原理及应用（第二章MCS-51单片机的组成原理）第7页共28页TL0T0计数器8AH00H不可以低8位寄存器TMOD定时器/计数器89H00H不可以方式控制寄存器TCON定时器控制寄存器88H00H可以PCON电源控制寄存器87H00H不可以DPH地址寄存器高8位83H00H不可以DPL地址寄存器低8位82H00H不可以SP堆栈指针寄存器81H07H不可以P0P0口数据寄存器80HFFH可以以上21个特殊功能寄存器，它们的地址能被8整除的都可以位寻址。上面已介绍了B、A、PSW、SP及DPTR，其它的将在以后的章节中分别读者讨论。2—3MCS-51单片机存储器半导体存储器1.几个基本概念1.数的本质和物理现象。我们知道，计算机可以进行数学运算，这可令我们非常的难以理解，计算机吗，我们虽不了解它的组成，但它总只是一些电子元器件，怎么可以进行数学运算呢？我们做数学题如37+45是这样做的，先在纸上写37，然后在下面写45，然后大脑运算，最后写出结果，运算的原材料：37、45和结果：82都是写在纸上的，计算机中又是放在什么地方呢？为了解决这个问题，先让我们做一个实验：这里有一盏灯，我们知道灯要么亮，要么不亮，就有两种状态，我们可以用’0’和’1’来代替这两种状态，规定亮为’1’，不亮为’0’。现在放上两盏灯，一共有几种状态呢？我们列表来看一下：状态表达00011011请大家自已写上3盏灯的情况000001010011100101110111单片机原理及应用（第二章MCS-51单片机的组成原理）第8页共28页我们来看，这个000，001，101不就是我们学过的的二进制数吗？本来，灯的亮和灭只是一种物理现象，可当我们把它们按一按的顺序排更好后，灯的亮和灭就代表了数字了。让我们再抽象一步，灯为什么会亮呢？看电路1，是因为输出电路输出高电平，给灯通了电。因此，灯亮和灭就可以用电路的输出是高电平还是低电平来替代了。这样，数字就和电平的高、低联系上了。（请想一下，我们还看到过什么样的类似的例子呢？（海军之）灯语、旗语，电报，甚至红、绿灯）2.位的含义：通过上面的实验我们已经知道：一盏灯亮或者说一根线的电平的高低，可以代表两种状态：0和1。实际上这就是一个二进制位，因此我们就把一根线称之为一“位”，用BIT表示。3.字节的含义：一根线可以表于0和1，两根线可以表达00，01，10，11四种状态，也就是可以表于0到3，而三根可以表达0-7，计算机中通常用8根线放在一起，同时计数，就可以表过到0-255一共256种状态。这8根线或者8位就称之为一个字节（BYTE）。不要问我为什么是8根而不是其它数，因为我也不知道。（计算机世界是一个人造的世界，不是自然界，很多事情你无法问为什么，只能说：它是一种规定，大家在以后的学习过程中也要注意这个问题）1.存储器的工作原理：1、存储器构造存储器就是用来存放数据的地方。它是利用电平的高低来存放数据的，也就是说，它存放的实际上是电平的高、低，而不是我们所习惯认为的1234这样的数字，这样，我们的一个谜团就解开了，计算机也没什么神秘的吗。图2图3让我们看图2。这是一个存储器的示意图：一个存储器就象一个个的小抽屉，一个小抽屉里有八个小格子，每个小格子就是用来存放“电荷”的，电荷通过与它相连的电线传进单片机原理及应用（第二章MCS-51单片机的组成原理）第9页共28页来或释放掉，至于电荷在小格子里是怎样存的，就不用我们操心了，你可以把电线想象成水管，小格子里的电荷就象是水，那就好理解了。存储器中的每个小抽屉就是一个放数据的地方，我们称之为一个“单元”。有了这么一个构造，我们就可以开始存放数据了，想要放进一个数据12，也就是00001100，我们只要把第二号和第三号小格子里存满电荷，而其它小格子里的电荷给放掉就行了（看图3）。可是问题出来了，看图2，一个存储器有好多单元，线是并联的，在放入电荷的时候，会将电荷放入所有的单元中，而释放电荷的时候，会把每个单元中的电荷都放掉，这样的话，不管存储器有多少个单元，都只能放同一个数，这当然不是我们所希望的，因此，要在结构上稍作变化，看图2，在每个单元上有个控制线，我想要把数据放进哪个单元，就给一个信号这个单元的控制线，这个控制线就把开关打开，这样电荷就可以自由流动了，而其它单元控制线上没有信号，所以开关不打开，不会受到影响，这样，只要控制不同单元的控制线，就可以向各单元写入不同的数据了，同样，如果要某个单元中取数据，也只要打开相