第一節(jié)單片機的基本結(jié)構(gòu)和用途

第一節(jié)單片機的基本結(jié)構(gòu)和用途第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)機（桌面應用）屬于通用計算機，主要應用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動化及輔助設(shè)計。單片機（嵌入式應用）屬于專用計算機，主要應用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等應用系統(tǒng)。

單片機體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應用形態(tài)對于滿足嵌入式應用需求具有獨特的優(yōu)勢。第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2單片機的發(fā)展過程及產(chǎn)品近況1.2.1單片機的發(fā)展過程單片機技術(shù)發(fā)展過程可分為三個主要階段：

◆單芯片微機形成階段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機。8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個8位定時/計數(shù)器。

特點是：存儲器容量較小，尋址范圍小（不大于4K），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強。

第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

◆性能完善提高階段

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強的布爾處理器。

特點是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進一步突出?，F(xiàn)在，MCS-51已成為公認的單片機經(jīng)典機種。第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2單片機產(chǎn)品近況﹡STC單片機，宏晶科技8051單片機全球第一品牌中國大陸本土MCU領(lǐng)航者/*ATMEL公司融入Flash存儲器技術(shù)的AT89系列；﹡Philips公司的80C51、80C552系列；﹡華邦公司的W78C51、W77C51高速低價系列；﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；﹡LG公司的GMS90/97低壓高速系列；﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC單片機?！?/p>

80C51系列單片機產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成，近年來推出的與80C51兼容的主要產(chǎn)品有：第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

◆非80C51結(jié)構(gòu)單片機新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間，近年來推出的非80C51系列的主要產(chǎn)品有：﹡ATMEL公司的AVR單片機（8位，16位）；﹡Microchip的PIC系列RISC單片機（8位，16位，32位）；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗單片機。32位單片機ARM7，ARM9，可以運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)和WINCE操作系統(tǒng)。第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3單片機的特點及應用領(lǐng)域1.3.1單片機的特點

近期推出的單片機產(chǎn)品，內(nèi)部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴展總線、控制網(wǎng)絡總線和開發(fā)方式（如在系統(tǒng)編程ISP）等方面都有了進一步的增強。

◆控制性能和可靠性高實時控制功能特別強，其CPU可以對I/O端口直接進行操作，位操作能力更是其它計算機無法比擬的。另外，由于CPU、存儲器及I/O接口集成在同一芯片內(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時受干擾的影響較小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機的可靠性非常高。第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月◆體積小、價格低、易于產(chǎn)品化

單片機芯片即是一臺完整的微型計算機，對于批量大的專用場合，一方面可以在眾多的單片機品種間進行匹配選擇；同時還可以專門進行芯片設(shè)計，使芯片的功能與應用具有良好的對應關(guān)系；在單片機產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機引腳已減少到8個或更少。從而使應用系統(tǒng)的印制板減小、接插件減少、安裝簡單方便。第8頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2單片機的應用領(lǐng)域

◆智能儀器儀表

單片機用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月◆機電一體化產(chǎn)品機電一體化產(chǎn)品是集機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機電產(chǎn)品。單片機在機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機器人、數(shù)控機床、自動包裝機、點鈔機、醫(yī)療設(shè)備、打印機、傳真機、復印機等。第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月◆實時工業(yè)控制單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現(xiàn)期望的控制指標，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應用如電機轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動生產(chǎn)線等。第11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月◆分布式系統(tǒng)的前端模塊

在較復雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊，系統(tǒng)具有運行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點。第12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月◆家用電器家用電器是單片機的又一重要應用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具等。

另外，在交通領(lǐng)域中，汽車、火車、飛機、航天器等均有單片機的廣泛應用。如汽車自動駕駛系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)、黑匣子等

。第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.180C51系列概述2.1.1MCS-51系列（1）MCS-51是Intel公司生產(chǎn)的一個單片機系列名稱。屬于這一系列的單片機有多種，如：﹡8051/8751/8031；﹡8052/8752/8032；﹡80C51/87C51/80C31﹡80C52/87C52/80C32等

。

第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）該系列生產(chǎn)工藝有兩種：CHMOS是CMOS和HMOS的結(jié)合，既保持了HMOS高速度和高密度的特點，還具有CMOS的低功耗的特點。在產(chǎn)品型號中凡帶有字母“C”的即為CHMOS芯片，CHMOS芯片的電平既與TTL電平兼容，又與CMOS電平兼容。

一是HMOS工藝（高密度短溝道MOS工藝）。二是CHMOS工藝（互補金屬氧化物的HMOS工藝）。第15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）在功能上，該系列單片機有基本型和增強型兩大類：增強型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C31第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）在片內(nèi)程序存儲器的配置上，該系列單片機有三種形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(無片內(nèi)程序存儲器)。如：﹡80C51有4K字節(jié)的掩膜ROM；﹡87C51有4K字節(jié)的EPROM；﹡80C31在芯片內(nèi)無程序存儲器。第17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.280C51系列

﹡

Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；STC的：89C51、89C52、89C2051等；

﹡ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；

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Philips、華邦、等公司的許多產(chǎn)品。80C51是MCS-51系列中CHMOS工藝的一個典型品種；其它廠商以8051為基核開發(fā)出的CMOS工藝單片機產(chǎn)品統(tǒng)稱為80C51系列。當前常用的80C51系列單片機主要產(chǎn)品有：第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.380C51典型產(chǎn)品資源配置第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1MCS_51系列單片機介紹所謂單片機是指在一塊硅片上集成了中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM或EPROM)、定時／計數(shù)器、中斷控制器以及各種I／O接口，也就是集成

在一塊芯片上的計算機。第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月INTEL公司的8051單片機結(jié)構(gòu)框圖由圖可知，在一塊芯片上包含了九個部件，它們分別為：CPU、振蕩器電路、中斷控制、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、128字節(jié)的特殊功能寄存器區(qū)、4個I／O口(32根I／O

線)、兩個16位定時／計數(shù)器、一個串行接口。第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月RAM和ROM的概念（1）本課程主要介紹INTEL公司出產(chǎn)的MCS_51系列單片機，該系列單片機是目前性能價格比最佳，應用較多的8位微機系列產(chǎn)品。它們包括8051、8751和8031三種。介紹這三種單片機芯片前，先了解一下RAM和ROM的概念。RAM是能夠?qū)⒊绦蚝蛿?shù)據(jù)讀出和寫入的存儲器，可分靜態(tài)和動態(tài)兩種。一般小容量存儲器采用靜態(tài)SRAM，而較大容量存儲器采用動態(tài)DRAM。靜態(tài)和動態(tài)RAM在停電后記憶內(nèi)容都會消失。這給工業(yè)控制用微機帶來不便。采用由小型電池支持的CMOS靜態(tài)RAM可以使停電后記憶內(nèi)容保持下來。第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月RAM和ROM的概念（2）ROM主要可分為掩膜ROM和PROM兩類。掩膜ROM在制造時就用掩膜工藝將存儲內(nèi)容一起制成，此后再也不能變更；而PROM則在制成芯片后，用戶能將存儲內(nèi)容寫入芯片。PROM分四種：一種為PROM，PROM在采用高壓脈沖寫入內(nèi)容后再也不能消去，而另一種EPROM芯片上卻有一個能通過紫外線的小窗口．當需要擦除已寫入的內(nèi)容時，將小窗口對著一定頻譜的紫外光線光源照射一定時間(15min左右)。就可擦除寫入的所有信息。要重新寫入信息，需插在專用編程器上，在＋25V編程電壓下，用高壓脈沖寫入。第三種為EEPROM(E2PROM)，它可以在不脫機的情況下用芯片內(nèi)產(chǎn)生的電脈沖進行擦洗改寫，它完全使用單電源＋5V供電不要求任何編程高壓。還有一種FLASH閃存型ROM，它可在專用編程器上即擦即寫，而且讀寫速度快?，F(xiàn)在已經(jīng)支持ISP在線下載了！第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月8051、8751和8031三種單片機型號的區(qū)別8051片內(nèi)有4KB的ROM。用戶將已開發(fā)好的程序交給芯片制造廠商，在制造芯片時用掩膜工序?qū)⒂脩舫绦驅(qū)懭隦OM。顯然用戶本身是無法將自己的程序?qū)懭?051芯片的。程序一經(jīng)寫入片內(nèi)ROM，用戶也無法改變程序。所以8051用在批量較大(1000片以上)時，經(jīng)濟上才合算。8751片內(nèi)有4KB的EPROM。用戶可以用高壓脈沖將用戶程序?qū)懭肫瑑?nèi)EPROM。所以當用戶的程序不長時使用這種芯片可簡化電路。由于EPROM可通過照射紫外線抹去原有程序進行改寫，所以這類芯片也可用于程序的開發(fā)工作。8031片內(nèi)無ROM或EPROM，使用時必須配置外部的程序存儲器EPROM。這三種單片機芯片引腳相容，均可尋址64KB的外部程序存儲器和64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器。第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題1.ROM和RAM的區(qū)別如何，為什么軟件程序存在ROM中？2.MCS-51系列單片機中，片內(nèi)無ROM的機型是

，有4KBROM的機型是

，而有4KBEPROM的機型是

。3.8051單片機芯片上包含了九個部件，它們分別為：CPU、振蕩器電路、

、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、

、4個I／O口(32根I／O

線)、兩個16位定時／計數(shù)器、一個串行接口。第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2MCS-51系列單片機芯片引腳功能第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MCS-51系列單片機芯片引腳功能

I/O口線（1）這40根引腳按功能可分為三部分：⑴I/O口線4個8位并行I/O口，它們的引腳為：P0.0~P0.7、P1.0~P1.7、P2.0~P2.7、P3.0~P3.7，共32根引腳，這32根引腳中P0口在單片機需要對外擴展功能芯片時，它擔任地址／數(shù)據(jù)復用的總線口，即它的8根線既是8根數(shù)據(jù)線，又是8根地址線（低八位）。在這種情況下，擴展所需的高位地址線由P2口提供。圖示第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MCS-51系列單片機芯片引腳功能

I/O口線（2）P3口既可作為一般的I/O口使用，必要時，它還可用作串行通信的接口、定時器的外部計數(shù)輸入端、外部中斷請求輸入端和外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫選通信號輸出端，所以

它的引腳具有第二功能：P3.0RXD（串行輸入）；P3.1TXD（串行輸出）；P3.2/INT0（外部中斷0輸入）；P3.3/INT1（外部中斷1輸入）；P3.4T0（定時器0外輸入端）；P3.5T1（定時器1外輸入端）；P3.6/WR（外部RAM寫選通）；P3.7/RD（外部RAM讀選通）；這種一口多用的功能是單片機很重要的特點。在單片機需要對外擴展時，只有P1口以及部分作為第一功能使用的P3口引線，才能用作用戶I/O線。圖示第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MCS-51系列單片機芯片引腳功能

控制線（1）①

ALE地址鎖存允許當單片機訪問外部存儲器時，輸出信號ALE用于鎖存P0口輸出的低8位地址A0～A7，單片機需要對外擴展功能芯片時，P0擔任地址／數(shù)據(jù)復用的總線口，即它的8根線既是8根數(shù)據(jù)線，又是8根地址線（低八位）。那么P0口何時傳送低八位地址，何時傳送八位二進制數(shù)據(jù)，就是靠ALE地址鎖存允許線來協(xié)調(diào)。第29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MCS-51系列單片機芯片引腳功能

控制線（2）②/EA程序存儲器選擇8051和8751片內(nèi)都有4KB的ROM，單片機是執(zhí)行自身芯片內(nèi)部4KB容量的ROM中的程序，還是執(zhí)行外部ROM的程序，由/EA的電平高低來決定。/EA＝0，單片機只訪問外部程序存儲器。對內(nèi)部無程序存儲器的單片機8031，/EA必須接地。/EA＝1，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器，若地址超過內(nèi)部程序存儲器的范圍，單片機將自動訪問外部程序存儲器。對內(nèi)部有程序存儲器的單片機，/EA應接高電平。第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MCS-51系列單片機芯片引腳功能

控制線（3）③/PSEN片外程序存儲器讀選通線此信號為低電平時，才允許讀外部程序存儲器的程序。它與外部程序存儲器的數(shù)據(jù)輸出選通線/OE相連。外部RAM寫選通線/WR、讀選通線/RD由于P3口具有第二功能，其中P3.6為/WR，是外部RAM寫選通線。P3.7為/RD，是外部RAM讀選通線。所以只有當/RD或/WR為低電平時，才能讀或?qū)懲獠繑?shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)。第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MCS-51系列單片機芯片引腳功能

控制線（4）④RST復位信號輸入RST的作用是使單片機內(nèi)部特殊功能寄存器清零和復位，與個人電腦的復位按鈕的功能相似。MCS-51單片機通常采用上電自動復位和上電與按鍵復位兩種方式。復位后，單片機將回到開始工作的初始狀態(tài)。

第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月MCS-51系列單片機芯片引腳功能

電源及時鐘VSS為接地線，VCC接＋5V。XTAL1和XTAL2接晶振或外部振蕩信號源，圖中為外接晶振方式，晶振可在1.2MHZ至12MHZ之間選擇。晶振頻率越高，程序執(zhí)行速度越快。第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3單片機的用途機電一體化系統(tǒng)的微機系統(tǒng)一般分三種類型：工業(yè)控制機，可編程控制器（PLC），和單片機系統(tǒng)。工業(yè)控制機實際上就是加強了抗干擾能力的個人電腦，多用于在要求很高的實時控制及復雜的過程控制、高速運算及大量數(shù)據(jù)處理的場合，如智能機器人、導航系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和數(shù)控加工中心等?？删幊炭刂破魇菑碾姎饫^電接觸控制發(fā)展而來的，它可以代替成千上萬的繼電器，這樣可使機械設(shè)備的電氣控制柜的體積大大縮小，而且還大大提高了電氣控制的可靠性。由于可編程控制器是專為工作環(huán)境條件較惡劣