8051單片機工作原理單片機入門經(jīng)典教程

1、第一課：初識單片機 記得在我們網(wǎng)站的論壇里，曾經(jīng)有一位網(wǎng)友問了一個問題，什么是單片機？單片機是怎樣的一個東東？單片機可以實現(xiàn)些什么功能？它主要應用在哪些領域？在我們單片機自學網(wǎng)的網(wǎng)上課堂的第一節(jié)課，我們就上面的這些問題與大家先做一個初步的探討。在進入課程的講解之前，大家先一起來看看單片機吧。下圖是一片40腳的89c51及一片20腳的89c2051的單片機。 單片機的外形從上圖中我們已初步認識了，那么什么叫單片機呢？ 所謂單片機，通俗的來講，就是把中央處理器cpu（central processing unit），存儲器（memory），定時器，i/o（input/output）接口電路等一些計

2、算機的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。單片機又稱為“微控制器mcu”。中文“單片機”的稱呼是由英文名稱“single chip microcomputer”直接翻譯而來的。 單片機的主要分類：1、 按應用領域可分為：家電類，工控類，通信類，個人信息終端類等等；2、 按通用性可分為：通用型和專用型。 通用型單片機的主要特點是：內(nèi)部資源比較豐富，性能全面，而且通用性強，可履蓋多種應用要求。所謂資源豐富就是指功能強。性能全面通用性強就是指可以應用在非常廣泛的領域。通用型單片機的用途很廣泛，使用不同的接口電路及編制不同的應用程序就可完成不同的功能。小到家用電器儀器儀表，大到機器設備和

3、整套生產(chǎn)線都可用單片機來實現(xiàn)自動化控制。 專用型單片機的主要特點是：針對某一種產(chǎn)品或某一種控制應用而專門設計的，設計時已使結(jié)構(gòu)最簡，軟硬件應用最優(yōu)，可靠性及應用成本最佳。專用型單片機用途比較專一，出廠時程序已經(jīng)一次性固化好，不能再修該的單片機。例如電子表里的單片機就是其中的一種。其生產(chǎn)成本很低。 在我們的這個網(wǎng)上課堂中，介紹的是mcs-51系列單片機，mcs-51單片機也是一種通用單片機，其結(jié)構(gòu)及原理對所有的單片機都適用。3、 按總線結(jié)構(gòu)可分為總線型和非總線型。如我們常常見到的89c51單片機就是總線結(jié)構(gòu)，在后面講解單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，我們就可以看到，89c51單片機內(nèi)部有數(shù)據(jù)總線，地址總線，

4、還有控制總線（wr，rd，ea，ale等）。從上圖中看到的20引腳的89c2051單片機，就是一種非總線型的。其外部的引腳很少，可使成本降低。單片機特點：（1） 受集成度限制，片內(nèi)存儲器容量較小，一般內(nèi)rom：8kb以下；（2） 內(nèi)ram：256kb以內(nèi)。（3） 可靠性高（4） 易擴展（5） 控制功能強（6） 易于開發(fā)單片機的發(fā)展過程： 1971年intel 公司研制出世界上第一個4位的微處理器； 1973年intel 公司研制出8位的微處理器8080； 1976年intel 公司研制出mcs-48系列8位的單片機，這也是單片機的問世。 80年代初，intel 公司在mcs-48單片機基礎上，

5、推出了mcs-51單片機。也就是說，51單片機最早的出現(xiàn)是在80年代初微處理器與單片機：微處理器： 計算機系統(tǒng)核心部件（cpu）并不是一臺完整的計算機單片機： 將cpu和其它接口電路集成在一個芯片之中，使其具有計算機的基本功能。 從上面的描述可知，微處理器只是一個cpu，而單片機則是由cpu與其它的接口電路組合而成的，所以cpu不等于單片計算機。也可以這樣說，cpu只是計算機其中的一個部件而已。主要的單片機廠商：我國目前最常用的單片機有如下幾家：intel- (mcs51系列,mcs96系列)atmel- (at89系列,mcs51內(nèi)核)microchip- (pic系列)motorola-

6、(68hcxx系列)zilog- (z86系列)philips- (87,80系列,mcs51內(nèi)核)siemens- (sab80系列,mcs51內(nèi)核)nec- (78系列)epson- (系列) 在我們網(wǎng)站的論壇，同時在其它網(wǎng)站我看到很多朋友都在討論一個問題：學8位的51單片機有前途嗎？ 是的，在現(xiàn)今的單片機領域中，單片機的種類層出不窮，功能也越來越強，從表層看來好象學8位的51單片機已不符合現(xiàn)在的發(fā)展需求。讓人感覺到“沒有前途”。做過單片機開發(fā)的朋友都知道，其實在大部份的工控或測控設備中，8位的51單片機還能足夠滿足大部份的控制要求，加之51單片機的價格優(yōu)勢。這就使8位的51單片機在以后很

7、長的一段時間內(nèi)還有存在的空間，也就是說還是單片機應用的一個主流。試想一下，在戰(zhàn)場上，原本可以用高炮實現(xiàn)打擊的目標我們可能會用導彈去打嗎？再者，如果把51單片機學好了，以后轉(zhuǎn)行去學習或應用其它的單片機，也就是一個了解及熟悉的過程了。因為mcs-51單片機是一個通用的單片機，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及工作原理與其它的單片機都是相通的。第二課：mcs-51單片機簡述 mcs51是指由美國intel公司（對了，就是大名鼎鼎的intel）生產(chǎn)的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括了好些品種，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機都是在805

8、1的基礎上進行功能的增、減、改變而來的，所以人們習慣于用8051來稱呼mcs51系列單片機，而8031是前些年在我國最流行的單片機，所以很多場合會看到8031的名稱。intel公司將mcs51的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051為核心的單片機，當然，功能或多或少有些改變，以滿足不同的需求，其中89c51就是這幾年在我國非常流行的單片機，它是由美國atmel公司開發(fā)生產(chǎn)的。以后我們將用89c51、89s51來完成一系列的實驗。mcs-51系列單片機mcs-51系列單片機分為兩大系列，即51子系列與52子系列。51子系列：基本型，根據(jù)片內(nèi)rom的配置，對應的芯片為8031、

9、8051、8751、895152子系列：增強型，根據(jù)片內(nèi)rom的配置，對應的芯片為8032、8052、8752、8952這兩大系列單片機的主要硬件特性如下表：從上表中可以看到，8031、8031、8032、80c32片內(nèi)是沒有rom的，對應著上表看，我們可以發(fā)現(xiàn)，51系列的單片機的ram大小為128b，52系列的ram大小為256b，51系列的計數(shù)器為兩個16位的，52系列的計數(shù)器為三個16位計數(shù)器。51系列的中斷源為5個，52系列的中斷源為6個。8051與80c51的區(qū)別： 80c51單片機是在8051的基礎上發(fā)展起來的，也就是說在單片機的發(fā)展過程中是先有8051，然后才有80c51的。 8

10、051單片機與80c51單片機從外形看是完全一樣的，其指令系統(tǒng)、引腳信號、總線等完全一致（完全兼容），也就是說在8051下開發(fā)的軟件完全可以在80c51上應用，反過來，在89c51下開發(fā)的軟件也可以在8051上應用。這兩種單片機是完全可移植的。 既然這兩種單片機外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)都一樣，那它們之間的主要差別在哪里呢？ 8051與80c51單片機的主要差別就在于芯片的制造工藝上。80c51的制造工藝是在8051基礎上進行了改進。 8051系列單片機采用的是hmos工藝：高速度、高密度； 80c51系列單片機采用的是chmos工藝：高速度、高密度、低功耗； 也就是說80c51單片機是一種低功耗單片機。

11、 經(jīng)常有網(wǎng)友問我們，我想學單片機，但單片機的類型很多，我該學哪種型號的單片機呢？ 這里我提點我自已的想法，個人認為，初學單片機最好從8051開始，因為51單片機是一種通用型的單片機，性價比較高，雖然是8位的單片機，但現(xiàn)在應用的量及范圍還很大。同時，因51單片機發(fā)展的歷史長，學習的資料相對較多而且較完善。致于用哪個具體型號的單片機？你可以用89c51來做實驗，也可以用89s51或者2051來做實驗，這個就不太重要了，前面說了，51單片機是一種通用型單片機，即然是通用，那么它的指令系統(tǒng)都是一樣的，不同的是它的制造工藝及內(nèi)部資源有點差別，這個是結(jié)合實際需要選型的問題了。所以，學習單片機，你可以只選擇

12、一種型號，例如at89s51或者at89c2051。思考題：1、mcs-51系列單片機各種芯片的配置有何不同？2、mcs-51單片機內(nèi)部程序存儲器rom和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器ram的空量分別是多少？3、8051與80c51的差別在哪里？第三課：單片機相關(guān)常用名詞解釋總線:指能為多個部件服務的信息傳送線，在微機系統(tǒng)中各個部件通過總線相互通信。地址總線（ab）：地址總線是單向的，用于傳送地址信息。地址總線的寬度為16位，因此基外部存儲器直接尋址64k，16位地址總線由p0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址（a0a7），p2口直接提供高8位地址（a8a15）。數(shù)據(jù)總線（db）：一般為雙向，用于cpu與存儲器，c

13、pu與外設、或外設與外設之間傳送數(shù)據(jù)信息（包括實際意義的數(shù)據(jù)和指令碼）。數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由p0口提供?？刂瓶偩€（cb）：是計算機系統(tǒng)中所有控制信號的總稱，在控制總線中傳送的是控制信息。由p3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立的控制總線，reset、ea、ale、psen組成。存儲器： 用來存放計算機中的所有信息：包括程序、原始數(shù)據(jù)、運算的中間結(jié)果及最終結(jié)果等。只讀存儲器（rom）： 只讀存儲器在使用時，只能讀出而不能寫入，斷電后rom中的信息不會丟失。因此一般用來存放一些固定程序，如監(jiān)控程序、子程序、字庫及數(shù)據(jù)表等。rom按存儲信息的方法又可分為以下幾種1、掩膜rom： 掩膜rom也稱固定rom，

14、它是由廠家編好程序?qū)懭雛om（稱固化）供用戶使用，用戶不能更改內(nèi)部程序，其特點是價格便宜。2、可編程的只讀存儲器（prom）： 它的內(nèi)容可由用戶根據(jù)自已所編程序一次性寫入，一旦寫入，只能讀出，而不能再進行更改，這類存儲器現(xiàn)在也稱為otp（only time programmable）。3、可改寫的只讀存儲器eprom： 前兩種rom只能進行一次性寫入，因而用戶較少使用，目前較為流行的rom芯片為eprom。因為它的內(nèi)容可以通過紫外線照射而徹底擦除，擦除后又可重新寫入新的程序。4、可電改寫只讀存儲器（eeprom）： eeprom可用電的方法寫入和清除其內(nèi)容，其編程電壓和清除電壓均與微機cpu的

15、5v工作電壓相同，不需另加電壓。它既有與ram一樣讀寫操作簡便，又有數(shù)據(jù)不會因掉電而丟失的優(yōu)點，因而使用極為方便?，F(xiàn)在這種存儲器的使用最為廣泛。隨機存儲器（ram）： 這種存儲器又叫讀寫存儲器。它不僅能讀取存放在存儲單元中的數(shù)據(jù)，還能隨時寫入新的數(shù)據(jù)，寫入后原來的數(shù)據(jù)就丟失了。斷電后ram中的信息全部丟失。因些，ram常用于存放經(jīng)常要改變的程序或中間計算結(jié)果等信息。ram按照存儲信息的方式，又可分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。1、靜態(tài)sram：其特點是只要有電源加于存儲器，數(shù)據(jù)就能長期保存。2、動態(tài)dram：寫入的信息只能保存若干ms時間，因此，每隔一定時間必須重新寫入一次，以保持原來的信息不變?？涩F(xiàn)場改

16、寫的非易失性存儲器： 這種存儲器的特點是：從原理上看，它們屬于rom型存儲器，從功能上看，它們又可以隨時改寫信息，作用又相當于ram。所以，rom、ram的定義和劃分已逐漸的失去意義。1、快擦寫存儲器（flash） 這種存儲器是在eprom和eeprom的制造基礎上產(chǎn)生的一種非易失性存儲器。其集成度高，制造成本低于dram，既具有sram讀寫的靈活性和較快的訪問速度，又具有rom在斷電后可不丟失信息的特點，所以發(fā)展迅速。2、鐵電存儲器fram 它是利用鐵電材料極化方向來存儲數(shù)據(jù)的。它的特點是集成度高，讀寫速度快，成本低，讀寫周期短。 時鐘周期：計算機在時鐘信號的作用下，以節(jié)拍方式工作。因此必須

17、有一個時鐘發(fā)生電路，輸入微處理器的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。機器周期：機器完成一個動作所需的時間稱為機器周期，一般由一個或一個以上的時鐘周期組成。在我們講述的mcs-51系列單片機中，一個機器周期由12個時鐘周期組成。指令周期：執(zhí)行一條指令（如“mov a，#34h”，該指令的含義是將立即數(shù)34h傳送到微處理器內(nèi)的累加器a中）所需時間稱為指令周期，它由一個到數(shù)個機器周期組成。指令周期的長短取決于指令的類型，即指令將要進行的操作步聚及復雜程度。匯編： 是能完成一定任務的機器指令的集合。二進制數(shù): 只有0和1兩個數(shù)碼，基數(shù)為二。16進制數(shù): 采用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、a、b、c

18、、d、e、f等16個數(shù)碼，其中a-f相應的十進數(shù)為10-15，基數(shù)是16。指令: 是計算機所能執(zhí)行的一種基本操作的描述，是計算機軟件的基本單元。字節(jié)：8位二進制數(shù)組成一個字節(jié)，在存儲器中以字節(jié)為單位存儲信息。字：2個字節(jié)組成一個字。雙字：2個字組成一個雙字。補碼：機器數(shù)可用不同的碼制來表示，補碼表示法是最常用的一種，正數(shù)采用符號絕對值表示，即數(shù)的最高有效位為0，數(shù)的其余部分則表示數(shù)的絕對值；負數(shù)的表示要麻煩一些，先寫出與該負數(shù)相對應的正數(shù)的補碼表示，然后將其按位求反，最后在末位加1，就可以得到該負數(shù)的補碼表示了。段地址：8086cpu將1mb的存儲器空間分成許多邏輯段，每個段最大限制為64kb

19、，段地址就是邏輯段在主存中的起始位置。為了能用16位寄存器表示段地址，8086規(guī)定段地址必須是模16地址，即為xxxx0h形式，省略低4位0，段地址就可以用16位數(shù)據(jù)表示，它通常被保存在16位的段寄存器中。偏移地址：存單元距離段起始位置的偏移量簡稱偏移地址，由于限定每段不超過64kb，所以偏移地址也可以用16位數(shù)據(jù)表示。物理地址：在1m字節(jié)的存儲器里，每一個存儲單元都有一個唯一的20位地址，稱為該存儲單元的物理地址，把段地址左移4位再加上偏移地址就形成物理地址。代碼段：程序員在編制程序時要把存儲器劃分成段，代碼段用來存放程序的指令序列，代碼段的段地址存放在cs中，指令指針寄存器ip指示代碼段中

20、指令的偏移地址，處理器利用cs:ip取得下一條要執(zhí)行的指令。數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)段存放當前運行程序所用的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)段的段地址存放在ds中。附加段：附加段是附加的數(shù)據(jù)段，也用于數(shù)據(jù)的保存，另外，串操作指令將附加段作為其目的操作數(shù)的存放區(qū)域。附加段的段地址存放在es中。堆棧段：堆棧段是堆棧所在的主存區(qū)域，堆棧段的段地址存放在ss中，堆棧指針寄存器sp指示堆棧棧頂?shù)钠频刂?，處理器利用ss:sp操作堆棧中的數(shù)據(jù)。堆棧：堆棧是一個后進先出的主存區(qū)域，位于堆棧段中，使用ss段寄存器記錄其段地址。它只有一個出入口，即當前棧頂，棧頂是地址較小的一端（低端），它用堆棧指針寄存器sp指定。堆棧有兩種以字為單位的基本操作

21、，對應兩條基本指令：進棧指令push和出棧指令pop。偽指令：匯編語言程序的語句除指令外還包括偽指令和宏指令，偽指令又稱為偽操作，它不象機器指令那樣是在程序運行期間由計算機來執(zhí)行的，它是在匯編程序?qū)υ闯绦騾R編期間由匯編程序處理的操作，完成諸如數(shù)據(jù)定義、分配存儲區(qū)、指示程序結(jié)束等功能。宏指令：宏是源程序中一段有獨立功能的程序代碼，它只需要在源程序中定義一次，就可以多次調(diào)用，調(diào)用時只需要用一個宏指令語句就可以了。宏指令是用戶自定義的指令，在編程時將多次使用的功能用一條宏指令來代替。子程序：子程序又稱為過程，它相當于高級語言中的過程和函數(shù)。在一個程序的不同部分，往往要用到類似的程序段，這些程序段的功

22、能和結(jié)構(gòu)形式都相同，只是某些變量的賦值不同，此時就可以把這些程序段寫成子程序形式，以便需要時可以調(diào)用它；某些常用的特定功能的程序段也可編制成子程序的形式供用戶使用。中斷：中斷是一種使cpu中止正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去處理特殊事件的操作，這些引起中斷的事件稱為中斷源，它們可能是來自外設的輸入輸出請求，也可能是計算機的一些異常事故或其它內(nèi)部原因。中斷處理程序：當中斷發(fā)生時，處理器中止當前正在運行的程序，而轉(zhuǎn)到處理特殊事件的程序段中去執(zhí)行，這種處理中斷的子程序就是中斷處理程序，又稱為中斷服務程序。中斷處理程序的入口地址被安排在中斷向量表中。bios中斷：在存儲器系統(tǒng)中，從地址0fe000h開始的8k r

23、om中裝有bios（basic input/output system）例行程序。駐留在rom中的基本輸入輸出程序bios提供了系統(tǒng)加電自檢、引導裝入、主要i/o設備的處理程序以及接口控制等功能模塊來處理所有的系統(tǒng)中斷。bios中斷給程序員編程帶來很大方便，程序員不必了解硬件i/o接口的特性，可直接用指令設置參數(shù)，然后中斷調(diào)用bios中的程序。暫存器: 用來暫存由數(shù)據(jù)總線或通用寄存器送來的操作數(shù)，并把它作為另一個操作數(shù)。中斷: 中斷是單片機實時地處理內(nèi)部或外部事件的一種內(nèi)部機制。當某種內(nèi)部或外部事件發(fā)生時，單片機的中斷系統(tǒng)將迫使cpu暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去進行中斷事件的處理，中斷處理完畢后

24、，又返回被中斷的程序處，繼續(xù)執(zhí)行下去。掉電保護: 指在正常供電電源掉電時，迅速用備用直流電源供電，以保證在一段時間內(nèi)信息不會丟失，當主電源恢復供電時，又自動切換為主電源供電。寄存器尋址: 操作數(shù)在寄存器中，由指令操作碼中的rrr三位的值和psw中rs1及rs0的狀態(tài)，選中某個工作寄存器區(qū)的某個寄存器，然后進行相應的指令操作。波特率: 即每秒鐘傳送二進制數(shù)的位數(shù)， 波特率越高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣仍娇?。d/a轉(zhuǎn)換: 即將二進制數(shù)量轉(zhuǎn)換成與其量值成正比的電流信號或電壓信號。a/d轉(zhuǎn)換: 即將模擬量轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字量，然而送計算機處理。串行方式: 指數(shù)據(jù)的各位分時傳送，只需一條數(shù)據(jù)線，外加一條公共信號地線

25、和若干條控制信號線。并行方式: 指數(shù)據(jù)的各位同時傳送，每一條數(shù)據(jù)都需要一條傳輸線。偽指令: 用于告訴匯編程序如何進行匯編的指令，它既不控制機器的操作也不被匯編成機器代碼，只能為匯編程序所識別并指導匯編如何進行。sleep modi 睡覺模式: 保證程序內(nèi)部運行，但與外部的傳輸?shù)葎幼饕淹Ｖ沟囊环N運行模式。linking 連接: 把編譯后生成的 *.obj 文件與其它 *.obj文件合并成機器能識別的機器文件。ic:輸入與輸出共用一條傳輸線，而時鐘由另一條線控制的一種串行傳輸方式。sfr 特殊功能寄存器區(qū): 8051 把 cpu 中的專用寄存器、并行端口鎖存器、串行口與定時器/計數(shù)器內(nèi)的控制寄存器

26、集中安排到一個區(qū)域，離散地分布在地址從 80h 到 ffh 范圍內(nèi)，這個區(qū)域稱為特殊功能寄存器區(qū) sfr。 這一節(jié)的目的是讓大家對單片機相關(guān)的概念做一個感性的了解，具體的內(nèi)容我們將在后面的相關(guān)章節(jié)做詳細的講解。第四課：計算機中數(shù)的表示及運算數(shù)字： 談到數(shù)字，有很多同學可能會覺的很可笑，數(shù)字？不就是1234.這些嗎？是的，在日常的生活當中，我們用的一般都是十進制，但在計算機中，它只能識別二進制數(shù)，所以在這里我還得跟大家共同分析一下：1、十進制： 十進制就是基數(shù)為“十”，所使用的數(shù)碼為09共10個數(shù)字。逢十進一。是我們每天都會運用到的，在這里就不多談了。2、二進制： 二進制的基數(shù)為“二”，其使用的

27、數(shù)碼只有0和1兩個。在計算機中容易實現(xiàn)，在常用的的實現(xiàn)方式中如：可以用電路的高電平表示1，低電平表示0；或者三極管截止時集電極的輸出表示1，導通時集電極輸出表示0。 3、十六進制：由于二進制位數(shù)太長，不易記憶和收寫，所以人們又提出了十六進制的書寫形式。我們在匯編語言中多數(shù)用十六進制。 計算機只識別和處理數(shù)字信息，數(shù)字是以二進制數(shù)表示的；它易于物理實現(xiàn)，同時，資料存儲、傳送和處理簡單可靠；運算規(guī)則簡單，使邏輯電路的設計、分析、綜合、方便，使計算器具有邏輯性。一、 用數(shù)制及轉(zhuǎn)換1、各種進位計數(shù)及其表示方法數(shù)字符號：0、1、2、9 數(shù)碼。數(shù)碼的個數(shù)基數(shù)。進位規(guī)則：逢十進一例如，十進制數(shù)，10個數(shù)碼；

28、采用“逢十進一”30681 = 3104+0103+6102+8101+1100例如，二進制數(shù)，2個數(shù)碼，采用“逢二進一”（11010100）2 = 127+126+025+124+023+122+021+020總之，n進制數(shù)，n個數(shù)碼，“逢n進一”2、數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換 任意進制之間相互轉(zhuǎn)換，整數(shù)部分和小數(shù)部分必須分別進行，十進制轉(zhuǎn)換成二進制短除取余法十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制小數(shù)乘2取整法。二進制轉(zhuǎn)換成十進制展開求和法。（101101）2 = 125+024+123+122+021+120= 32+0+8+4+0+1= 45二進制轉(zhuǎn)換成八進制、十六進制與此類似。二、 機器數(shù)及其編碼1、 機器數(shù)與真

29、值機器只認識二進制數(shù)：0、1。這是因為，電路狀態(tài)常有兩個，如通、斷；高電平、低電平；可用0、1表示。這種0、1、0、11在機器中的表現(xiàn)形式機器數(shù)。一般為8位。2、 機器數(shù)的編碼及運算 對帶符號數(shù)而言，有原碼、反碼、補碼之分，計算機內(nèi)一般使用補碼。1） 原碼將數(shù)“數(shù)碼化”，原數(shù)前“+”用0表示，原數(shù)前“-”用1表示，數(shù)值部分為該數(shù)本身，這樣的機器數(shù)叫原碼。設x原數(shù)；則x原 = x（x 0）x原 = 2n-1 x （x 0），n為字長的位數(shù)。如，+3原 = 00000011b-3原 = 27 - （-3） = 10000011b0有兩種表示方法：00000000 +010000000 -0原碼最大

30、、最小的表示：+127、-1282） 反碼規(guī)定正數(shù)的反碼等于原碼；負數(shù)的反碼是將原碼的數(shù)值位各位取反。x反 = x （x 0）x反 =（2n 1）+ x （x 0）如，+4反 = +4原 = 00000100 b-4反 = (28 1)+(-5) = 11111111- 00000101 = 11111010 b反碼范圍：-128 +127兩個0； +0 00000000 b-0 11111111 b3） 補碼補碼的概念：現(xiàn)在是下午3點，手表停在12點，可正撥3點，也可倒撥9點。即是說-9的操作可用+3來實現(xiàn)，在12點里：3、-9互為補碼。運用補碼可使減法變成加法。規(guī)定：正數(shù)的補碼等于原碼。負

31、數(shù)的補碼求法：1）反碼 + 12）公式：x補 = 2n + x （x0）如，設x = - 0101110 b ， 則x原 = 10101110 b則x補 = x反 + 1 = 11010001 + 00000001 = 11010010 b如，+6補 = +6原 = 00000110 b-6補 = 28 + （-6） = 10000000 00000110 = 11111010 b8位補碼的范圍 128 +127。0 的個數(shù)：只一個，即00000000而10000000 b是-128的補碼。原碼、反碼、補碼對照表：表1-2 p104）補碼的運算當x0時，x補= x反=x原 x補補 = x原x補

32、+ y補 = x+y 補 x-y 補= x+（-y）補例：已知 x=52 y=38 求x-y計算機在做算術(shù)運算時，必需檢查溢出，以防止發(fā)生錯誤5）運算的溢出問題 資料字長（位數(shù)）有一定限制，所以資料的表示應有一個范圍。如字長8位時； 補碼范圍-128+127若運算結(jié)果超出這個范圍，便溢出。例：錯：兩個負數(shù)相加和為正數(shù)。可見：結(jié)果正確（無溢出）時，cs+1 = cs結(jié)果錯誤（溢出）時，cs+1 cs溢出判斷：溢出 = cs+1 cs（即結(jié)果是0為無溢出；1為有溢出）1、 十進制數(shù)的編碼對機器：二進制數(shù)方便，對人 ：二進制數(shù)不直觀，習慣于十進制數(shù)。在編程過程中，有時需要采用十進制運算，但機器不認識

33、十進制數(shù)。怎么辦？可以將十進制的字符用二進制數(shù)進行編碼：這叫做二進制數(shù)對十進制編碼bcd碼。上述每4位二進制數(shù)表示一個十進制字符，這4位中各位的權(quán)依次是：8、4、2、18421 bcd碼。bcd碼的運算：（1）bcd碼加法規(guī)則兩個bcd數(shù)相加時，“某位”的和小于10則保持不變；兩個bcd數(shù)相加時，“某位”的和大于9，則和數(shù)應加6修正。（2）bcd碼減法規(guī)則兩個bcd數(shù)相減時，“某位”的差未發(fā)生借位，則差數(shù)保持不變；兩個bcd數(shù)相減時，“某位”發(fā)生了借位，其差應減6修正。這里“某位”指bcd數(shù)中的“個位”、“十位”、“百位”、三、 字符信息的表示計算機能識別0、1、0、1、；這些0、1、0、1、

34、有的代表數(shù)值，有的僅代表要處理的信息（如字母、標點符號、數(shù)字符號等文字符號），所以，計算機不僅要認識各種數(shù)字，還要能識別各種文字符號。人們事先已對各種文字符號進行二進制數(shù)編碼：如，美國信息交換標準碼ascii碼，用一個字節(jié)表示一個字符。低7位是字符的ascii碼值；最高位是通信時的校驗位。思考題：真值與碼值有何區(qū)別？原碼、反碼、補碼三者之間如何換算？第五課：常用邏輯電路常用邏輯電路 在邏輯電路中，輸入和輸出只有兩種狀態(tài)，即高電平和低電平。通常以邏輯“1”和“0”表示電平高低。1、 與門是一個能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯乘運算的、多端輸入、單端輸出的邏輯電路。邏輯解釋： 即如右邊圖所示，當開關(guān)a與b當中只有全部

35、閉合（即為高電平1）時，才會有輸出（即燈泡才會亮）所以在與門電路中，只有輸入的全部條件為高電平“1”時輸會有輸出。語言表達為：“有0出0，全1出1”2、 或門 是一個能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯加運算的、多端輸入、單端輸出的邏輯電路。邏輯解釋： 即如右邊圖所示，當開關(guān)a與b當中只要有一個開關(guān)閉合（即為高電平1）時，就會有輸出（即燈泡才會亮）所以在或門電路中，只要輸入的為高電平“1”就會有輸出。語言表達為：“有1出1，全0出0”。3、 非門是一個能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯非運算的、單端輸入、單端輸出的邏輯電路。非就是反，就是否定，也就是輸入與輸出的狀態(tài)總是相反。邏輯解釋： 如右邊圖所示，當開關(guān)k斷開時燈亮，開關(guān)閉合時燈滅。如

36、以開關(guān)斷開為燈亮，開關(guān)接通為滅為結(jié)果，則開關(guān)k與燈泡的因果關(guān)系為非邏輯關(guān)系。語言表達為：“有0出1，有1出0”。復合邏輯門電路：4與非門將一個與門與一個非門聯(lián)接起來就構(gòu)成了一個與非門。根據(jù)與門和非門的邏輯功能，可以列出與非門邏輯關(guān)系真值表。其邏輯功能的特點是：“當輸入全為1，輸出為0；只要輸入有0，輸出就為1”。5或非門將一個或門與一個非門聯(lián)接起來就構(gòu)成了一個或非門。根據(jù)或門和非門的邏輯功能，可以列出與非門邏輯關(guān)系真值表。其邏輯功能的特點是：“當輸入全為0，輸出為1；只要輸入有1，輸出就為0”。6異或門異或門只有兩個輸入端和一個輸出端，。其邏輯功能的特點是：“當兩個輸入端一個為0，另一個為1時

37、輸出為1，當兩個輸入端均為1或均為0時，輸出為0”。真值表如下：異或門的作用是：把兩路信號進行比較，判斷是否相同。當兩路輸入信號不同，即一個為高電平，一個為低電平時，輸出為高電平。反之當兩個輸出端信號相同時，即為高電平或低電平時，輸出為低電平”。觸發(fā)器： 觸發(fā)器是計算機記憶裝置的基本單元，它具有把以前的輸入記憶下來的功能，一個觸發(fā)器能儲存一位二進制代碼。下面我們簡單的來介紹計算機中常用的幾中觸發(fā)器。1r-s觸發(fā)器r-s觸發(fā)器的邏輯符號如下圖所示，它有兩個輸入端，兩個輸出端。其中，s為置位信號輸入端，r為復位信號輸入端；q和q非為輸出端。規(guī)定q為高、q非為低時，該觸發(fā)器為1狀態(tài)；反之為0狀態(tài)。其

38、真值表如下。2d觸發(fā)器d觸發(fā)器又稱數(shù)據(jù)觸發(fā)器，它的邏輯符號如下圖所示，r、s分別為強制置0、置1端，觸發(fā)器的狀態(tài)是由時鐘脈沖clk上升沿到來時d端的狀態(tài)決字。當d=1時，觸發(fā)器為1狀態(tài)；反之為0狀態(tài)。其真值表如下3j-k觸發(fā)器j-k觸發(fā)器的邏輯符號如下，r、s分別為強制置0、置1端。k為同步置0輸入端。觸發(fā)器的狀態(tài)是由時鐘脈沖clk下降沿到來時j、k端的狀態(tài)決定，其真值表如下j-k觸發(fā)器的邏輯功能比較全面，因此在各種寄存器、計算器、邏輯控制等方面應用最為廣泛。但在某些情況，如二進制計數(shù)、移位元、累加等，多用d觸發(fā)器。由于d觸發(fā)器線路簡章，所以大量應用于移位寄存器等方面。寄存器： 寄存器是由觸發(fā)

39、器組成的，一個觸發(fā)器是一個一位寄存器。多個觸發(fā)器就可以組成一個多位的寄存器。由于寄存器在計算機中的作用不同，從而被命名不同，常用的有緩沖寄存器、移位寄存器、計數(shù)器等。下面我們就簡單的來介紹下這些寄存器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理。1緩沖寄存器 它是用來暫存某個數(shù)據(jù)，以便在適當?shù)臅r間節(jié)拍和給定的計算步驟將數(shù)據(jù)輸入或輸出到其它記憶單元中去，下圖是一個并行輸入、并行輸出的4位緩沖器的電路原理圖，它由4個d觸發(fā)器組成。 啟動時，先在清零端加清零脈沖，把各觸發(fā)器置0，即q端為0。然后，把數(shù)據(jù)加到觸發(fā)器的d輸入端，在clk時鐘信號作用下，輸入端的信息就保存在各觸發(fā)器中（d0d3）。2移位寄存器 移位寄存器能將所儲

40、存的數(shù)據(jù)逐位向左或向右移動，以達到計算機運行過程中所需的功能，請看下圖 啟動時，先在清零端加清零脈沖，使觸發(fā)器輸出置0。然后，第一個數(shù)據(jù)d0加到觸發(fā)器1的串行輸入端，在第一個clk脈沖的上升沿q0=q0，q1=q2。q3=q0。其后，第二個數(shù)據(jù)d1加到串行輸入端，在第二個clk脈沖到達時，q0=q1，q1=q0，q2=q3=0。以此類推，當?shù)谒膫€clk來到之后，各輸出端分別是q0=q3，q1=q2，q2=q1，q3=q0。輸出數(shù)據(jù)可用串行的形式取出，也可用并行開式取出。3計數(shù)器 計數(shù)器也是由若干個觸發(fā)器組成的寄存器，它的特點是能夠把存款在其中的數(shù)據(jù)加1或減1。計數(shù)器的種類也很多，有行波計數(shù)器、

41、同步計數(shù)器等，下面我們就以行波計數(shù)器向大家作個介紹。下圖就是一個由j-k觸發(fā)器組成的行波計數(shù)器的工作原理圖。這種計數(shù)器的特點是：第一個時鐘脈沖促使其最低有效位加1，使其由0變1；第二個時鐘脈沖促使最低有效位由1變0。同時推動第二位，使其由0變1；同理，第二位由1變0時又去推動第三位，使其由0變1，這樣有如水波前進一樣逐位進位下去。上圖中的這個計數(shù)器是4位的，因此可以計015的數(shù)。如果要計更多的數(shù)，需要增加位數(shù)，如8位計數(shù)器可計0255的數(shù)，16位則可計065535的數(shù)。4三態(tài)門（三態(tài)緩沖器） 為減少信息傳輸線的數(shù)目，大多數(shù)計算機中的信息傳輸線均采用總線形式，即凡要傳輸?shù)耐愋畔⒍甲咄唤M傳輸線

42、，且信息是分時傳送的。在計算機中一般有三組總線，即數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。為防止信息相互干擾，要求凡掛在總線上的寄存器或內(nèi)存等，它的傳輸端不僅能呈現(xiàn)0、1兩個信息狀態(tài)，而且還應能呈現(xiàn)第三種狀態(tài)高阻抗狀態(tài)（又稱高阻狀態(tài)），即此時好像它們的輸出被斷開，對總線狀態(tài)不起作用，此時總線可由其它器件占用。三態(tài)門即可實現(xiàn)上述的功能，它除具有輸入輸出端之外，還有一控制端，請看下圖。當控制端e=1時，輸出=輸入，此時總線由該器件驅(qū)動，總線上的數(shù)據(jù)由輸入數(shù)據(jù)決定；當控制端e=0時，輸出端呈高阻抗狀態(tài)，該器件對總線不起作用。當寄存器輸出端接至三態(tài)門，再由三態(tài)門輸出端與總線連接起來，就構(gòu)成三態(tài)輸出的級沖寄存器。

43、如下圖所示就是一個4位的三態(tài)輸出緩沖寄存器。由于這里采用的是單向三態(tài)門，所以數(shù)據(jù)只能從寄存器輸出到數(shù)據(jù)總線。如果要實現(xiàn)雙向傳送，則要用雙向三態(tài)門。 在這里有個問題問下大家，前面我們已把觸發(fā)器，寄存器的概念跟大家講解了一下，那么觸發(fā)器、寄存器、內(nèi)存，這三者之間是一個什么樣的關(guān)系呢？答：通過前面的學習，我們知道觸發(fā)器是計算機記憶裝置的基本單元，一個觸發(fā)器能儲存一位二進制代碼。寄存器是由觸發(fā)器組成的。一個觸發(fā)器就職一個一位的寄存器，多個觸發(fā)器就可以組成一個多位的寄存器。內(nèi)存是由大量寄存器組成的，其中每一個寄存器就稱為一個存儲單元。它可以存放一個有獨立意義的二進制代碼。第六課：51單片機的結(jié)構(gòu)及其組成

44、 在前面的五節(jié)課當中，我們講述的都是一些基礎概念的知識，從這節(jié)開始，我們就正式的切入到我們所在學習的對象-51單片機。 學習單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之前，我們先了解下我們現(xiàn)在正在使用的計算機的幾大組成部份：計算機的五個組成部份：運算器：用于實現(xiàn)算術(shù)和邏輯運算。計算機的運算和處理都在這里進行；控制器：是計算機的控制指揮部件，使計算機各部份能自動協(xié)調(diào)的工作；存儲器：用于存放程序和數(shù)據(jù)；（又分為內(nèi)存儲器和外存儲器，內(nèi)存儲器就如我們電腦的硬盤，外存儲器就如我們的u盤）輸入設備：用于將程序和數(shù)據(jù)輸入到計算機（例如我們電腦的鍵盤、掃描儀）；輸出設備：輸出設備用于把計算機數(shù)據(jù)計算或加工的結(jié)果以用戶需要的形式顯示或保

45、存（例如我們的打印機）。注：1、通常把運算器和控制器合在一起稱為中央處理器（central processing unit）,簡稱cpu。2、通常把外存儲器、輸入設備和輸出設備合在一起稱之為計算機的外部設備。 上面講的是我們的個人辦公計算機，那么51單片機的內(nèi)部又有些什么部件組成呢？1、中央處理單元（8位） 數(shù)據(jù)處理、測試位，置位，復位 位操作2、只讀存儲器（4kb或8kb） 永久性存儲應用程序，掩模rom、eprom、eeprom3、隨機存取內(nèi)存（128b、128b sfr） 在程序運行時存儲工作變量和資料4、并行輸入/輸出口（i / o）（32條） 作系統(tǒng)總線、擴展外存、i / o接口芯片

46、5、串行輸入/輸出口（2條） 串行通信、擴展i / o接口芯片6、定時/計數(shù)器（16位、加1計數(shù)） 計滿溢出、中斷標志置位、向cpu提出中斷請求，與cpu之間獨立工作7、時鐘電路 內(nèi)振、外振。8、中斷系統(tǒng)五源中斷、2級優(yōu)先。結(jié)構(gòu)特點：mcs-51系列單片機為哈佛結(jié)構(gòu)（而非普林斯頓結(jié)構(gòu)）1）內(nèi)rom：4kb2）內(nèi)ram：128b3）外rom：64kb4）外ram：64kb5）i / o線： 32根（4埠，每埠8根）6）定時/計數(shù)器：2個16位可編程定時/計數(shù)器7）串行口：全雙工，2 根8）寄存器區(qū)：工作寄存器區(qū)、在內(nèi)128b ram中，分4個區(qū)，9）中斷源：5源中斷，2級優(yōu)先10）堆棧：最深12

47、8b11）布爾處理機：位處理機，某位單獨處理12）指令系統(tǒng)：五大類，111條 上圖就是我們要研究學習的對象，51單片機摧部結(jié)構(gòu)圖了。大家看看上圖，中間的一條雙橫線就是51單片機的內(nèi)部總線了。其它的部件都是通過內(nèi)部的總線與cpu相聯(lián)接的，在第一節(jié)課時我們已跟大家講述過，8051單片機是總線結(jié)構(gòu)的。下面我們就51單片機內(nèi)部的單個部件與大家進行講解。中央處理器（cpu）： 剛跟大家講過，需要提醒的是mcs-51的cpu能處理8位二進制數(shù)或代碼。cpu是單片機的主要核心部件，在cpu里面包含了運算器、控制器以及若干寄存器等部件給成。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ram）： mcs-51單片機芯片共有256個ram單

48、元，其中后128單元被專用寄存器占用（稍后我們詳解），能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。因此通常所說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指前128單元，簡稱內(nèi)部ram。地址范圍為00hffh（256b）。是一個多用多功能數(shù)據(jù)存儲器，有數(shù)據(jù)存儲、通用工作寄存器、堆棧、位地址等空間。內(nèi)部程序存儲器（rom）： 在前面也已講過，mcs-51內(nèi)部有4kb/8kb字節(jié)的rom（51系列為4kb，51系列為8kb），用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格。因此稱之為程序存儲器，簡稱內(nèi)部ram。地址范圍為0000hffffh（64kb）。定時器/計數(shù)器 51系列共有2個16位的定時器/計數(shù)器（52系列共

49、有3個16位的定時器/計數(shù)器），以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。定時時靠內(nèi)部分頻時鐘頻率計數(shù)實現(xiàn)，做計數(shù)器時，對p3.4（t0）或p3.5（t1）端口的低電平脈沖計數(shù)。并行i/o口 mcs-51共有4個8位的i/o口（p0、p1、p2、p3）以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。具體功能在后面章節(jié)中將會詳細論述。串行口 mcs-51有一個可編程的全雙工的串行口，以實現(xiàn)單片機和其它設備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為移位器使用。rxd（ p3.0）腳為接收端口，txd（p3.1）腳為發(fā)送端口。中斷控制系統(tǒng) mcs-51單片機的中斷功能較

50、強，以滿足不同控制應用的需要。51系列有5個中斷源（52系列有6個中斷源），即外中斷2個，定時中斷2個，串行中斷1個，全部中斷分為高級和低級共二個優(yōu)先級別，優(yōu)先級別的設置我們也將在后面進行詳細的講解。定時與控制部件 mcs-51單片機內(nèi)部有一個高增益的反相放大器，基輸入端為xtal1輸出端為xtal2。mcs-51芯片的內(nèi)部有時鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列。思考題：1、mcs-51單片機的片內(nèi)總體結(jié)構(gòu)9個部件分別是什么？名起什么作用？這9大部件之間有什么聯(lián)系？2、怎樣通過mcs-51單片機片內(nèi)總體結(jié)構(gòu)圖來區(qū)分8051、8751、8031芯片？第七課：51

51、單片機的引腳當我們拿到一塊單片機芯片時，看到這么多的“大腿”，他們都有干什么用的？在這節(jié)課我們就針對這個問題進行講解。引腳功能： mcs-51是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳分布請參照-單片機引腳圖： l p0.0p0.7 p0口8位雙向口線（在引腳的3932號端子）。 l p1.0p1.7 p1口8位雙向口線（在引腳的18號端子）。 l p2.0p2.7 p2口8位雙向口線（在引腳的2128號端子）。 l p3.0p3.7 p2口8位雙向口線（在引腳的1017號端子）。 這4個i/o口具有不完全相同的功能，大家可得學好了，其它書本里雖然有，但寫的太深，初學者很難理解，這里都是按我

52、自已的表達方式來寫的，相信你也能夠理解。p0口有三個功能： 1、外部擴展存儲器時，當做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的d0d7為數(shù)據(jù)總線接口） 2、外部擴展存儲器時，當作地址總線（如圖1中的a0a7為地址總線接口） 3、不擴展時，可做一般的i/o使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。 p1口只做i/o口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。p2口有兩個功能： 1、擴展外部存儲器時，當作地址總線使用 2、做一般i/o口使用，其內(nèi)部有上拉電阻；p3口有兩個功能： 除了作為i/o使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置，具體功能請參考我們后面的引腳說明。 有內(nèi)部eprom的單片機

53、芯片（例如8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳的形式提供的， 即：編程脈沖：30腳（ale/prog） 編程電壓（25v）：31腳（ea/vpp） 接觸過工業(yè)設備的兄弟可能會看到有些印刷線路板上會有一個電池，這個電池是干什么用的呢？這就是單片機的備用電源，當外接電源下降到下限值時，備用電源就會經(jīng)第二功能的方式由第9腳（即rst/vpd）引入，以保護內(nèi)部ram中的信息不會丟失。 （注：這些引腳的功能應用，除9腳的第二功能外，在“新動力2004版”學習套件中都有應用到。） 在介紹這四個i/o口時提到了一個“上拉電阻”那么上拉電阻又是一個什么東東呢？他起什么作

54、用呢？都說了是電阻那當然就是一個電阻啦，當作為輸入時，上拉電阻將其電位拉高，若輸入為低電平則可提供電流源；所以如果p0口如果作為輸入時，處在高阻抗狀態(tài)，只有外接一個上拉電阻才能有效。ale/prog 地址鎖存控制信號： 在系統(tǒng)擴展時，ale用于控制把p0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。（在后面關(guān)于擴展的課程中我們就會看到8051擴展 eeprom電路，在圖中ale與74ls373鎖存器的g相連接，當cpu對外部進行存取時，用以鎖住地址的低位地址，即p0口輸出。ale有可能是高電平也有可能是低電平，當ale是高電平時，允許地址鎖存信號，當訪問外部存儲器時，ale信號負跳變（即由正變負）將p0口上低8位地址信號送入鎖存器。當ale是低電平時，p0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致。關(guān)于鎖存器的內(nèi)容，我們稍后也會介紹。在沒有訪問外部存儲器期間，ale以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當訪問外部存儲器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。從這里我們可以看到，當系統(tǒng)沒有進行擴展時ale會以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時鐘，或者外部定時脈沖使用。porg為編程脈沖的輸入端：在第五課 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成中，我們已知道，在8051單片機內(nèi)部有一個4