《51單片機原理》PPT課件.ppt

2020 3 24 1 51單片機原理與應用 2020 3 24 2 主要內容 典型單片機 MCS 51 AT89C51 的性能 MCS 51內部結構 特點 工作方式 時序和最小應用系統(tǒng) 為后續(xù)學習AVR單片機應用系統(tǒng)設計 利用單片機解決工程實際問題打下堅實的基礎 重點在于基本概念 組成原理 特點及MCS 51的最小應用系統(tǒng) 難點在于時序 ISP下載技術 2020 3 24 3 預備知識 元器件實物圖 單片機芯片AT89C51AT89S51AT89S52AT89C2051 2020 3 24 4 通信芯片MAX232CPE時鐘芯片DS1302 2020 3 24 5 2020 3 24 6 2020 3 24 7 EEPROM24C02溫度傳感器18B20 AD變換器0832 穩(wěn)壓片78L05 2020 3 24 8 2020 3 24 9 晶振電阻和排電阻 2020 3 24 10 瓷片小電容 零壓力插座 萬用焊接板 儀器盒 2020 3 24 11 液晶字符顯示屏液晶圖形點陣顯示屏 2020 3 24 12 撥動開關 2020 3 24 13 紅外遙控用發(fā)射接受一體管繼電器 2020 3 24 14 三極管 2020 3 24 15 各類接插件 2020 3 24 16 2020 3 24 17 2020 3 24 18 遙控組件 超聲波發(fā)射接受頭 2020 3 24 19 雙路遙控組件 2020 3 24 20 8 8二極管點陣八段數(shù)碼管 2020 3 24 21 超聲波發(fā)射和接收一體化機 2020 3 24 22 電子萬年歷 2020 3 24 23 單片機學習板 2020 3 24 24 單片機學習板 2020 3 24 25 1 1MCS 51單片機硬件結構及引腳 MCS 51系列單片機都是以Intel公司最早的典型產(chǎn)品8051為核心 增加了一定的功能部件后構成的 因此 本章以8051為主介紹MCS 51系列單片機 1 1 1MCS 51單片機的內部結構MCS 51單片機的組成 CPU 進行運算 控制 RAM 數(shù)據(jù)存儲器 ROM 程序存儲器 I O口 串口 并口 內部總線和中斷系統(tǒng)等 組成框圖如下 2020 3 24 26 內部結構如下 2020 3 24 27 組成 運算器 控制器 8051的CPU包含以下功能部件 1 8位CPU 2 布爾代數(shù)處理器 具有位尋址能力 3 128B內部RAM數(shù)據(jù)存儲器 21個專用寄存器 4 4KB內部掩膜ROM程序存儲器 5 2個16位可編程定時器 計數(shù)器 6 32個 4 8位 雙向可獨立尋址的I O口 7 1個全雙工UART 異步串行通信口 8 5個中斷源 兩級中斷優(yōu)先級的中斷控制器 9 時鐘電路 外接晶振和電容可產(chǎn)生1 2MHz 12MHz的時鐘頻率 10 外部程序 數(shù)據(jù)存儲器尋址空間均為64KB 11 111條指令 大部分為單字節(jié)指令 12 單一 5V電源供電 雙列直插40引腳DIP封裝 1 中央處理器 CPU 2020 3 24 28 1 運算器組成 8位算術邏輯運算單元ALU ArithmeticLogicUnit 8位累加器A Accumulator 8位寄存器B 程序狀態(tài)字寄存器PSW ProgramStatusWord 8位暫存寄存器TMP1和TMP2等 功能 完成算術運算和邏輯運算 2 控制器組成 程序計數(shù)器PC ProgramCounter 指令寄存器IR InstructionRegister 指令譯碼器ID InstructionDecoder 堆棧指針SP 數(shù)據(jù)指針DPTR 定時控制邏輯和振蕩器OSC等電路 功能 CPU根據(jù)PC中的地址將欲執(zhí)行指令的指令碼從存儲器中取出 存放在IR中 ID對IR中的指令碼進行譯碼 定時控制邏輯在OSC配合下對ID譯碼后的信號進行分時 以產(chǎn)生執(zhí)行本條指令所需的全部信號 2020 3 24 29 MCS 51系列單片機配置一覽表 2020 3 24 30 2020 3 24 31 2 存儲器 MCS 51的存儲器可分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器 又有片內和片外之分 1 程序存儲器一般將只讀存儲器 ROM 用做程序存儲器 可尋址空間為64KB 用于存放用戶程序 數(shù)據(jù)和表格等信息 MCS 51單片機按程序存儲器可分為內部無ROM型 如8031 和內部有ROM型 如8051 兩種 連接時引腳有區(qū)別 程序存儲器結構如右圖所示 2020 3 24 32 2 數(shù)據(jù)存儲器 一般將隨機存儲器 RAM 用做數(shù)據(jù)存儲器 可尋址空間為64KB MCS 51數(shù)據(jù)存儲器可分為片內和片外兩部分 片外RAM 最大范圍 0000H FFFFH 64KB 用指令MOVX訪問 片內RAM 最大范圍 00H FFH 256B 用指令MOV訪問 又分為兩部分 低128B 00 7FH 為真正的RAM區(qū) 高128B 80 FFH 為特殊功能寄存器 SFR 區(qū) 如右圖所示 2020 3 24 33 內部RAM的20H 2FH單元為位尋址區(qū) 既可作為一般單元用字節(jié)尋址 也可對它們的位進行尋址 位地址為00H 7FH CPU能直接尋址這些位 稱MCS 51具有布爾處理功能 位地址分配如右表所示 2020 3 24 34 3 特殊功能寄存器 SFR MCS 51有21個特殊功能寄存器 也稱為專用寄存器 包括算術運算寄存器 指針寄存器 I O口鎖存器 定時器 計數(shù)器 串行口 中斷 狀態(tài) 控制寄存器等 它們被離散地分布在內部RAM的80H FFH地址單元中 不包括PC 共占據(jù)了128個存儲單元 構成了SFR存儲塊 其字節(jié)地址可被8整除的SFR可位尋址 SFR反映了MCS 51單片機的運行狀態(tài) 特殊功能寄存器分布如右表所示 2020 3 24 35 2 累加器A Accumulator 累加器A是8位寄存器 又記做ACC 是一個最常用的專用寄存器 在算術 邏輯運算中用于存放操作數(shù)或結果 3 寄存器B寄存器B是8位寄存器 是專門為乘除法指令設計的 也作通用寄存器用 1 程序計數(shù)器PC ProgramCounter 程序計數(shù)器PC在物理上是獨立的 它不屬于SFR存儲器塊 PC是一個16位的計數(shù)器 專門用于存放CPU將要執(zhí)行的指令地址 即下一條指令的地址 尋址范圍為64KB PC有自動加1功能 不可尋址 用戶無法對它進行讀寫 但是可以通過轉移 調用 返回等指令改變其內容 以控制程序執(zhí)行的順序 2020 3 24 36 4 工作寄存器內部RAM的工作寄存器區(qū)00H 1FH共32個字節(jié)被均勻地分成四個組 區(qū) 每個組 區(qū) 有8個寄存器 分別用R0 R7表示 稱為工作寄存器或通用寄存器 其中 R0 R1還經(jīng)常用于間接尋址的地址指針 在程序中通過程序狀態(tài)字寄存器 PSW 第3 4位設置工作寄存器區(qū) 5 程序狀態(tài)字PSW ProgramStatusWord 程序狀態(tài)字PSW是8位寄存器 用于存放程序運行的狀態(tài)信息 PSW中各位狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行的過程中自動形成的 但也可以由用戶根據(jù)需要采用傳送指令加以改變 其定義格式如下頁表所示 2020 3 24 37 其中 Cy 進借位標志 AC 輔助進借位標志 F0 用戶標志 RS1 RS0 工作寄存器組 區(qū) 選擇 如下表所示 OV 溢出標志位 有溢出時置1 P 奇偶標志位 A中有奇數(shù)個1時置1 2020 3 24 38 6 數(shù)據(jù)指針DPTR DataPointer 數(shù)據(jù)指針DPTR是16位的專用寄存器 即可作為16位寄存器使用 也可作為兩個獨立的8位寄存器DPH 高8位 DPL 低8位 使用 DPTR主要用作16位間址寄存器 訪問程序存儲器和片外數(shù)據(jù)寄存器 7 堆棧指針SP StackPointer 堆棧是一種數(shù)據(jù)結構 是內部RAM的一段區(qū)域 堆棧存取數(shù)據(jù)的原則是 后進先出 堆棧指針SP是一個8位寄存器 用于指示堆棧的棧頂 它決定了堆棧在內部RAM中的物理位置 MCS 51單片機的堆棧地址向大的方向變化 與微機堆棧地址向小的方向變化相反 系統(tǒng)復位后 SP初值為07H 實際應用中通常根據(jù)需要在主程序開始處對堆棧指針SP進行初始化 一般設置SP為60H 設立堆棧的目的是用于數(shù)據(jù)的暫存 中斷 子程序調用時斷點和現(xiàn)場的保護與恢復 2020 3 24 39 8 I O口專用寄存器 P0 P1 P2 P3 8051片內有4個8位并行I O接口P0 P1 P2和P3 在SFR中相應有4個I O口寄存器P0 P1 P2和P3 9 定時器 計數(shù)器 TL0 TH0 TL1和TH1 MCS 51單片機中有兩個16位的定時器 計數(shù)器T0和T1 它們由4個8位寄存器 TL0 TH0 TL1和TH1 組成 2個16位定時器 計數(shù)器是完全獨立的 可以單獨對這4個寄存器進行尋址 但不能把T0和T1當做16位寄存器來使用 10 串行數(shù)據(jù)緩沖器 SBUF 串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF用于存放需要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù) 它由兩個獨立的寄存器組成 發(fā)送緩沖器和接收緩沖器 要發(fā)送和接收的操作其實都是對串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF進行的 11 其他控制寄存器除上述外 還有IP IE TCON SCON和PCON等幾個寄存器 主要用于中斷 定時和串行口的控制 2020 3 24 40 I O接口是MCS 51單片機對外部實現(xiàn)控制和信息交換的必經(jīng)之路 用于信息傳送過程中的速度匹配和增加它的負載能力 8051內部有4個8位并行接口P0 P1 P2 P3 有1個全雙工的可編程串行I O接口 5 定時器 計數(shù)器8051內部有兩個16位可編程序的定時器 計數(shù)器 均為二進制加1計數(shù)器 分別命名為T0和T1 T0和T1均有定時器和計數(shù)器兩種工作模式 在定時器模式下 T0和T1的計數(shù)脈沖可以由單片機時鐘脈沖經(jīng)12分頻后提供 在計數(shù)器模式下 T0和T1的計數(shù)脈沖可以從P3 4和P3 5引腳上輸入 對T0和T1的控制由定時器方式選擇寄存器TMOD和定時器控制寄存器TCON完成 4 I O接口 2020 3 24 41 6 中斷系統(tǒng) 中斷 指CPU暫停原程序執(zhí)行 轉而為外部設備服務 執(zhí)行中斷服務程序 并在服務完后返回到原程序執(zhí)行的過程 中斷系統(tǒng) 指能夠處理上述中斷過程所需要的硬件電路 中斷源 指能產(chǎn)生中斷請求信號的源泉 8051可處理5個中斷源 2個外部 3個內部 發(fā)出的中斷請求 并可對其進行優(yōu)先權處理 外部中斷的請求信號可以從P3 2 P3 3 即和 引腳上輸入 有電平或邊沿兩種觸發(fā)方式 內部中斷源有3個 2個定時器 計數(shù)器中斷源和1個串行口中斷源 8051的中斷系統(tǒng)主要由中斷允許控制器IE和中斷優(yōu)先級控制器IP等電路組成 2020 3 24 42 1 1 2MCS 51單片機外部引腳 1 電源線GND 接地引腳 VCC 正電源引腳 接 5V電源 MCS 51系列單片機中 各類單片機都是相互兼容的 只是引腳功能略有差異 8051單片機有40個引腳 分為端口線 電源線和控制線三類 2 端口線P0 P3口 4 8 32條 1 P0口 P0 0 P0 7 8位雙向三態(tài)I O口 可作為外部擴展時的數(shù)據(jù)總線 低8位地址總線的分時復用口 又可作為通用I O口 每個引腳可驅動8個TTL負載 對EPROM型芯片 如8751 進行編程和校驗時 P0口用于輸入 輸出數(shù)據(jù) 2020 3 24 43 2 P1口 P1 0 P1 7 8位準雙向I O口 內部具有上拉電阻 可作為通用I O口 每個引腳可驅動4個TTL負載 3 P2口 P2 0 P2 7 8位準雙向I O口 內部具有上拉電阻 可作為外部擴展時的高8位地址總線 又可作為通用I O口 每個引腳可驅動4個TTL負載 對EPROM型芯片 如8751 進行編程和校驗時 用來接收高8位地址 4 P3口 P3 0 P3 7 8位準雙向I O口 內部具有上拉電阻 它是雙功能復用口 作為通用I O口時 功能與P1口相同 常用第二功能 每個引腳可驅動4個TTL負載 作為第二功能使用時 各位的作用如下頁表所示 2020 3 24 44 雙向口與準雙向口 1 準雙向一般只能用于數(shù)字輸入輸出 輸入時為弱上拉狀態(tài) 約50K上拉 端口只有兩種狀態(tài) 高或低 2 雙向除用于數(shù)字輸入輸出外還可用于模擬輸入輸出 模擬輸入時端口通過方向控制設置成為高阻輸入狀態(tài) 雙向端口有三種狀態(tài) 高 低或高阻 3 初始狀態(tài)和復位狀態(tài)下準雙向口為1 雙向口為高阻狀態(tài) 有帶些比較器的單片機 比較器的輸入端只能做在雙向口 不能做在準雙向口 所以軟件設計的第一步就是對I O口的設置 標準51內核單片機的IO口 P0口則為雙向三態(tài)輸入輸出口 P1 P2 P3是準雙向IO口 沒有方向控制 做輸入時需要先往端口數(shù)據(jù)寄存器寫1才行 2020 3 24 45 3 控制線 1 RST VPDRST VPD引腳是復位信號 備用電源線引腳 當8051通電時 在RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平 系統(tǒng)即初始復位 2020 3 24 46 地址鎖存允許 編程引腳 當訪問外部程序存儲器時 ALE的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié) 以便P0口實現(xiàn)地址 數(shù)據(jù)復用 當不訪問外部程序存儲器時 ALE端將輸出一個1 6時鐘頻率的正脈沖信號 ALE 是復用引腳 其第二功能是對EPROM型芯片 如8751 進行編程和校驗時 此引腳傳送52ms寬的負脈沖選通信號 程序計數(shù)器PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上 外部程序存儲器則把指令碼放到P0口上 由CPU讀入并執(zhí)行 3 VPP允許訪問片外程序存儲器 編程電源引腳 對于片內無程序存儲器的MCS 51單片機 如8031 必須接地 片內有程序存儲器的MCS 51單片機 如8051 必須接高電平 VPP是復用引腳 其第二功能是片內EPROM編程 校驗時的電源線 在編程時 VPP腳需加上21V的編程電壓 2 ALE 2020 3 24 47 4 XTAL1和XTAL2 XTAL1腳為片內振蕩電路的輸入端 XTAL2腳為片內振蕩電路的輸出端 8051的時鐘有兩種方式 一種是片內時鐘振蕩方式 但需在XTAL1和XTAL2腳外接石英晶體 頻率為1 2 12MHz 和振蕩電容 振蕩電容的值一般取10 30pF 典型值為30pF 另外一種是外部時鐘方式 即將XTAL1接地 外部時鐘信號從XTAL2腳輸入 如下圖所示 5 片外ROM選通線 在執(zhí)行訪問片外ROM的指令MOVC時 8051自動在引腳產(chǎn)生一個負脈沖 用于對片外ROM的選通 其他情況下 該引腳均為高電平封鎖狀態(tài) 2020 3 24 48 1 2MCS 51單片機的工作方式 MCS 51系列單片機的工作方式可分為 復位方式 程序執(zhí)行方式 單片執(zhí)行方式 掉電保護方式 節(jié)電工作方式和EPROM編程 校驗方式 1 2 1復位方式系統(tǒng)開始運行和重新啟動靠復位電路來實現(xiàn) 這種工作方式為復位方式 單片機在開機時都需要復位 以便CPU及其他功能部件都處于一種確定的初始狀態(tài) 并從這個狀態(tài)開始工作 MCS 51單片機在RST引腳產(chǎn)生兩個機器周期 即24個時鐘周期 以上的高電平即可實現(xiàn)復位 2020 3 24 49 復位電路有兩種 上電自動復位和上電 按鍵手動復位 如下圖所示 2020 3 24 50 復位后 8051的各特殊功能寄存器的初始狀態(tài)如下表所示 2020 3 24 51 1 2 2程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式是單片機基本工作方式 可分為連續(xù)執(zhí)行工作方式和單步執(zhí)行工作方式 1 連續(xù)執(zhí)行工作方式這是所有單片機都需要的一種方式 單片機復位后 PC值為0000H 因此單片機復位后立即轉到0000H處執(zhí)行程序 單片機按照程序事先編排的任務 自動連續(xù)地執(zhí)行下去 2 單步執(zhí)行工作方式這是用戶調試程序的一種工作方式 在單片機開發(fā)系統(tǒng)上有一專用的單步按鍵 或軟件調試環(huán)境 按一次 單片機就執(zhí)行一條指令 僅僅執(zhí)行一條 這樣就可以逐條檢查程序 發(fā)現(xiàn)問題進行修改 單步執(zhí)行方式是利用單片機外部中斷功能實現(xiàn)的 2020 3 24 52 節(jié)電工作方式是一種低功耗的工作方式 可分為空閑 等待 方式和掉電 停機 方式 是針對CHMOS類芯片而設計的 HMOS型單片機不能工作在節(jié)電方式 但它有一種掉電保護功能 1 HMOS單片機的掉電保護當VCC突然掉電時 單片機通過中斷將必須保護的數(shù)據(jù)送入內部RAM 備用電源VPD可以維持內部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失 2 CHMOS單片機的節(jié)電方式CHMOS型單片機是一種低功耗器件 正常工作時電流為11 22mA 空閑狀態(tài)時為1 7 5mA 掉電方式為5 50 A 因此 CHMOS型單片機特別適用于低功耗應用場合 它的空閑方式和掉電方式都是由電源控制寄存器PCON中相應的位來控制 1 2 3節(jié)電方式 2020 3 24 53 1 電源控制寄存器PCON PCON各位的定義如下表所示 IDL 空閑方式控制位 該位為1時 單片機進入空閑待機工作方式 PD 掉電方式控制位 為1時 單片機進入掉電工作方式 上面的IDL PD同時為1 則進入掉電工作方式 同時為0 則工作在正常運行狀態(tài) GF0 GF1 空閑方式 用戶可通過指令設定它們的狀態(tài) SMOD 為串行口波特率倍率控制位 用于串行通信 2020 3 24 54 2 空閑工作方式 將IDL位置為1 用指令MOVPCON 01H 則進入空閑工作方式 其內部控制電路如右圖所示 此時 CPU進入空閑待機狀態(tài) 中斷系統(tǒng) 串行口 定時器 計數(shù)器 仍有時鐘信號 仍繼續(xù)工作 退出空閑狀態(tài)有兩種方法 一是中斷退出 二是硬件復位退出 3 掉電工作方式 將PD置為1 用指令MOVPCON 02H 可使單片機進入掉電工作方式 此時振蕩器停振 只有片內的RAM和SFR中的數(shù)據(jù)保持不變 而包括中斷系統(tǒng)在內的全部電路都將處于停止工作狀態(tài) 退出掉電工作方式 只能采用硬件復位的方法 欲使8051從掉電方式退出后繼續(xù)執(zhí)行掉電前的程序 則必須在掉電前預先把SFR中的內容保存到片內RAM中 并在掉電方式退出后恢復SFR掉電前的內容 2020 3 24 55 1 2 4編程和校驗方式 編程和校驗方式用于內部含有EPROM的單片機芯片 如8751 一般的單片機開發(fā)系統(tǒng)都提供實現(xiàn)這種方式的設備和功能 編程的主要操作是將原始程序 數(shù)據(jù)寫入內部EPROM中 校驗的主要操作是在向片內程序存儲器EPROM寫入信息時或寫入信息后 可將片內EPROM的內容讀出進行校驗 以保證寫入信息的正確性 2020 3 24 56 1 3單片機的時序 時序 CPU在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序稱為時序 時序是用定時單位來描述的 MCS 51的時序單位有四個 分別是時鐘周期 節(jié)拍 狀態(tài) 機器周期和指令周期 1 3 1MCS 51的時序單位 1 時鐘周期 又稱為振蕩周期 節(jié)拍 用P表示 定義為單片機提供時鐘信號的振蕩源 OSC 的周期 它是時序中的最小單位 2 狀態(tài) 用S表示 單片機振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后即得到整個單片機工作系統(tǒng)的狀態(tài) 一個狀態(tài)有兩個節(jié)拍 前半周期對應的節(jié)拍定義為P1 后半周期對應的節(jié)拍定義為P2 2020 3 24 57 3 機器周期 通常將完成一個基本操作所需的時間稱為機器周期 MCS 51中規(guī)定一個機器周期包含12個時鐘周期 即有6個狀態(tài) 分別表示為S1 S6 若晶振為6MHz 則機器周期為2 s 若晶振為12MHz 則機器周期為1 s 4 指令周期 執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期 它是時序中的最大單位 一個指令周期通常含有1 4個機器周期 指令所包含的機器周期數(shù)決定了指令的運算速度 機器周期數(shù)越少的指令 其執(zhí)行速度越快 以機器周期為單位 指令可分為單周期 雙周期和四周期指令 2020 3 24 58 1 3 2MCS 51指令的取指 執(zhí)行時序 指令的集合稱為程序 執(zhí)行程序的過程就是執(zhí)行指令的過程 單片機執(zhí)行任何一條指令時都可以分為取指階段和執(zhí)行階段 在取指階段 CPU從程序存儲器中取出指令操作碼 送指令寄存器 再經(jīng)指令譯碼器譯碼 產(chǎn)生一系列控制信號 完成本指令規(guī)定的操作 單周期和雙周期指令的取指時序圖如下頁圖所示 ALE信號是用于鎖存低8位地址的選通信號 每出現(xiàn)一次該信號 單片機即進行一次讀指令操作 當指令為多字節(jié)或多周期指令時 只有第一個ALE信號進行讀指令操作 其余的ALE信號為無效操作 或讀操作數(shù)操作 2020 3 24 59 2020 3 24 60 1 3 3訪問片外ROM RAM指令的時序 1 外部程序存儲器讀時序從外部程序存儲器讀取指令 必須有兩個信號進行控制 ALE信號和信號 外部ROM讀選通脈沖 2020 3 24 61 2 外部數(shù)據(jù)存儲器讀時序第一個機器周期是取指周期 是從ROM中讀取指令數(shù)據(jù) 第二個機器周期才開始讀取外部數(shù)據(jù)存儲器RAM中的內容 有三個信號進行控制