单片机原理和应用ppt课件

江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室1单片机原理与应用单片机原理与应用主讲教师：江娟娟主讲教师：江娟娟1单片机原理与应用主讲教师：江娟娟1江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室2课程简介：课程简介：“单片机原理及应用”是一门实践性、应用性很强的技术基础课，通过本课程的学习，使学生较好地掌握MCS-51系列单片微型计算机的基本结构、工作原理、接口技术和应用等方面的知识。掌握单片机应用系统的设计和应用程序的设计方法，学习单片机应用于工业测控等方面的基本技术。并通过实践环节的学习，学会单片机应用系统的设计和调试方法。为将来从事自动测控技术、智能电器、电子、检测等工业领域相关工作，进行各种智能化电子产品的设计和研发等提供技术准备，奠定坚实的技术基础。2课程简介：“单片机原理及应用”是一门实践性、应用性很强的2江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室3单片机原理与应用第一章单片机概述第二章MCS-51单片机的硬件结构与工作第三章MCS-51单片机的指令系统与程序设计第四章MCS-51单片机的中断系统第五章MCS-51定时计数器及其应用第六章串行接口第七章MCS-51单片机的系统扩展第八章单片机应用系统接口技术3单片机原理与应用第一章单片机概述第二章MCS3江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室4第一章 单片机概述4第一章单片机概述4江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室5第二章 MCS-51单片机的硬件结构与工作原理5第二章MCS-51单片机的硬件结构与工作原理5江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室6第三章 MCS-51单片机的指令系统与程序设计6第三章MCS-51单片机的指令系统与程序设计6江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室7第四章 MCS-51单片机的中断系统7第四章MCS-51单片机的中断系统7江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室8第五章MCS51定时计数器及其应用8第五章MCS51定时计数器及其应用8江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室9第六章 串行接口9第六章串行接口9江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室10第七章 MCS-51单片机的系统扩展10第七章MCS-51单片机的系统扩展10江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室11第八章 单片机应用系统接口技术11第八章单片机应用系统接口技术11江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室12单片机原理与应用单片机原理与应用 本门课程主要的教学内容：本门课程主要的教学内容：n单片微型机的基本工作原理单片微型机的基本工作原理n汇编语言程序设计方法汇编语言程序设计方法n单片微型计算机应用单片微型计算机应用n单片微型计算机应用系统设计方法单片微型计算机应用系统设计方法学习方法？学习方法？掌握单片机应用系统硬件原理的分析方法。掌握单片机应用系统硬件原理的分析方法。单片机与外部设备连接的原理是什么？单片机与外部设备连接的原理是什么？掌握软件设计与调试的基本技能。掌握软件设计与调试的基本技能。12单片机原理与应用本门课程主要的教学内容：学习方法？12江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室13单片机学习邮箱：mcudsp_auts163密码：auts_mcu_dsp单片机学习网站网址：laogu21ic单片机参考书籍：李广弟，李广弟，单片机基础单片机基础（修订本）（修订本）北京：北京航空航天大学出版社，北京：北京航空航天大学出版社，2019年年13单片机学习邮箱：单片机学习网站网址：单片机参考书籍：13江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室14第一章单片机概述讲授内容：讲授内容：1.有关微型计算机、单片机的概念有关微型计算机、单片机的概念2.单片机的一般结构及特点单片机的一般结构及特点3.单片机的发展过程单片机的发展过程4.常用单片机系列简介常用单片机系列简介5.单片机的应用领域单片机的应用领域6.数制、码制复习数制、码制复习本章重点：本章重点：1.微处理器、微机和单片机的基本概念、单片机的结构特点微处理器、微机和单片机的基本概念、单片机的结构特点与应用。与应用。2.数制、码制数制、码制14第一章单片机概述讲授内容：14江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室15回回 顾：有关微型计算机的基础知识顾：有关微型计算机的基础知识 第一节第一节 微型计算机与单片机微型计算机与单片机 常见微型计算机的外形常见微型计算机的外形一、微型计算机、微处理器和单片机的概念一、微型计算机、微处理器和单片机的概念1 1、微型计算机的硬件结构、微型计算机的硬件结构15回顾：有关微型计算机的基础知识第一节微型计15江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室16 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成16微型计算机的硬件组成16江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室17主板显卡显卡声卡声卡存储器接口存储器接口网卡网卡输入输出输入输出接口接口内存条内存条微微型型计计算算机机系系统统通通常常由由多多块块印印刷刷电电路路板板制制成成17显卡声卡存储器接口网卡输入输出接口内存条CPU微17江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室18软软 件件+系系 统统 微型计算机的硬件内部结构微型计算机的硬件内部结构微型计算机系统微型计算机系统硬件系统硬件系统：构成微型计算机：构成微型计算机的实体和装置，如微处理器，的实体和装置，如微处理器，存储器，总线，存储器，总线，I/OI/O接口等；接口等；软件系统软件系统：微型计算机系统：微型计算机系统所使用的各种程序的总称，如所使用的各种程序的总称，如系统软件，应用软件等。系统软件，应用软件等。18软微型计算机的硬件内部结构微型计算机18江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室192 2、单片微型计算机、单片微型计算机 单片微型计算机的概念单片微型计算机的概念(P1.第一段第一段)单单硅硅晶晶片片CPU存储器存储器控制电路控制电路定时器定时器时钟电路时钟电路I/O口口简单地说，单片微型简单地说，单片微型计算机是指计算机是指集成在一集成在一个芯片上个芯片上的微型计算的微型计算机机。192、单片微型计算机单片微型计算机的概念(P1.第一段19江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室20微微处理处理器器（Microprocessor）微型计算机的控制和运算器部分；微型计算机的控制和运算器部分；微微控制控制器（器（MicrocontrollerUnit）为了强调单片机的控制特点，为了强调单片机的控制特点，将其称为微控制器；将其称为微控制器；微型计算机微型计算机（Microcomputer）有完整运算及控制功能的计算机，有完整运算及控制功能的计算机，包括微处理器、存储器、输入包括微处理器、存储器、输入/输出输出(I/O)接口电路以及输入接口电路以及输入/输出设备等输出设备等；单片机单片机(singlechipmicrocomputer)直译为单片微型计算机，它将直译为单片微型计算机，它将CPU、RAM、ROM、定时器、定时器/计数器、输入计数器、输入/输出输出(I/O)接口电路、中断、接口电路、中断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块大规模集成电路芯片上，具有一串行通信接口等主要计算机部件集成在一块大规模集成电路芯片上，具有一台计算机的属性，即组成单片微型计算机，简称为单片机台计算机的属性，即组成单片微型计算机，简称为单片机。单片机的形态只是一块芯片单片机的形态只是一块芯片，但是它已具有了微型计算机的组成结构和功能。，但是它已具有了微型计算机的组成结构和功能。由于单片机的结构特点，在实际应用中常常将它完全融入应用系统之中，故由于单片机的结构特点，在实际应用中常常将它完全融入应用系统之中，故而也有将单片机称为而也有将单片机称为嵌入式嵌入式微控制器微控制器(Embeddedmicrocontroller)。列举几个名称列举几个名称(P1.第二段第二段)20微处理器（Microprocessor）微型计算20江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室21二、单片机的一般结构及特点二、单片机的一般结构及特点从体系结构来看，一般一般单片机有单片机有2种基本结构形式：种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序存储器和数据存储器合用一个存储空间的结构，称为称为冯冯诺依曼结构诺依曼结构；另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈哈佛佛(Harvard)结结构构。目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构较多。第二节第二节 单片机的一般结构及特点单片机的一般结构及特点 1 1、单片机的基本结构、单片机的基本结构21二、单片机的一般结构及特点从体系结构来看，一般21江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室22一般根据控制应用需要，又可设计成通用型通用型单片机、专用型专用型单片机。(P1.第三段)通用型通用型单片机：是一种基本芯片，内部资源较丰富，性能全面且适应性强，能覆盖多种应用需求。专用型专用型单片机：专门针对某个特定产品或控制应用而专门设计的，设计时考虑系统结构最简化、软硬件资源利用最优化、可靠性和成本最佳化。2 2、单片机的内部结构、单片机的内部结构22一般根据控制应用需要，又可设计成通用型单片机、专用型单片22江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室23 单片机的中央处理器单片机的中央处理器(CPU)和通用微处理器基本相同，只是增设了和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制面向控制”的处理功能。例如：位处理、查表、多种跳转、乘除法运的处理功能。例如：位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理功能等，增强了控制的实用性和灵活性。算、状态检测、中断处理功能等，增强了控制的实用性和灵活性。23单片机的中央处理器(CPU)和通用微处理器23江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室243 3、单片机的特点、单片机的特点体积小，重量轻体积小，重量轻电源单一，功耗低电源单一，功耗低功能强，价格低功能强，价格低运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高4 4、单片机的芯片封装形式、单片机的芯片封装形式双列直插式双列直插式贴片式贴片式可可以以直直接接嵌嵌入入到到电子子产品品中中嵌入式嵌入式应用系用系统243、单片机的特点体积小，重量轻4、单片机的芯片封装形24江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室255 5、单片机应用系统、单片机应用系统掌握单片机应用系统硬件原理掌握单片机应用系统硬件原理的分析方法。的分析方法。单片机与外部设备连接的原理是什么？单片机与外部设备连接的原理是什么？掌握软件设计与调试的基本技能。掌握软件设计与调试的基本技能。255、单片机应用系统掌握单片机应用系统硬件原理25江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室26三、单片机的历史与发展三、单片机的历史与发展第一阶段:(1974-1976)单片机初级阶段，以仙童公司的F8为代表。第二阶段:(1976-1978)低性能单片机阶段，以MCS-48系列单片机为代表。第三阶段:(1978-至今)高性能单片机阶段，以MCS-51系列单片机为代表。第四阶段:(1982-至今)在8位单片机基础上，推出16位、32位单片机，是单片机向微控制器发展的阶段。第三节第三节 单片机的发展过程单片机的发展过程1 1、单片机的发展过程、单片机的发展过程单单片片机机的的发发展展经经历历了了由由1位位到到4位位，4位位到到8位位，再再到到16位位/32位位机机的的发发展过程。展过程。8位位指指的的是是什什么么？单片片机机CPU内内部部总线的的个个数数，即即有有多多少少条条总线，这也也就就决决定了定了单元的个数！元的个数！目前，目前，8位机仍是位机仍是单片机的主流机型，片机的主流机型，教学中教学中选用用MCS-51系列系列单片机，主片机，主要因要因为其通用性其通用性强强，应用广泛。用广泛。26三、单片机的历史与发展第一阶段:(1974-1976)26江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室27第四节第四节 常用单片机系列常用单片机系列 ATMEL单片机单片机 ATMEL公司所生产的ATMEL89系列单片机（简称89系列单片机），就是基于Intel公司的MCS-5l系列而研制的，该公司技术优势在于Flash存储器技术。应用较多的有：AT89C51系列STC89C51/52系列SST89系列AT-tiny、AT90/、ATmega等系列的AVR单片机这些都是一种可下载的Flash单片机，它和IBM微机通信进行下载程序十分方便。1 1、常用单片机系列的简介、常用单片机系列的简介27第四节常用单片机系列ATMEL单27江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室28Philips单片机单片机Philips公司的的单片机都属于MCS-51系列兼容的单片机。Maxim-Dallas单片机单片机WinBond单片机单片机Motorola单片机单片机其他公司的单片机其他公司的单片机1）NEC单片机；2）东芝单片机；3）Epson单片机；提示：经常上网查询，关注发展动态28Philips单片机28江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室29第五节第五节 单片机的应用领域单片机的应用领域 1 1、工业方面、工业方面电梯、生产工具、生产设备、黑匣子（安装于飞机、轮船上，用于实时保存重要的数据和参数）2 2、民用方面、民用方面数码照相机、电视机、收音机、空调、洗衣机、电饭煲等。一般电脑电饭煲，内部只有一个单片机，这种控制系统是单核嵌入；对于分体式空调，室内机与室外机中分别有1个单片机，为双核嵌入结构。29第五节单片机的应用领域1、工业方面电梯、生产工具29江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室303 3、电讯方面、电讯方面手机、CALL机、电话机、交换机4 4、汽车方面、汽车方面越高档的汽车越能见到单片机的应用。303、电讯方面手机、CALL机、电话机、交换机4、汽车方面30江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室315 5、数据处理方面、数据处理方面打印机等6 6、智能仪表方面、智能仪表方面智能化仪表内部基本上都是用单片机进行信息控制与处理，扩展了单片机在智能仪器中的应用。315、数据处理方面打印机等6、智能仪表方面智能化仪表内部基31江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室32（1）总线）总线(BUS)总线是连接总线是连接CPU与各功能部件并进行信息传递的公共通道。总线与各功能部件并进行信息传递的公共通道。总线通常分为三种，即数据总线通常分为三种，即数据总线(DB)地址总线地址总线(AB)和控制总线和控制总线(CB)。复习一复习一 微型计算机的基本结构及工作原理微型计算机的基本结构及工作原理 1.微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构微型计算机微型计算机由微处理器（由微处理器（CPU）、存储器、）、存储器、输入输出接输入输出接口（口（I/O接口）三部分组成，各部分用总线相连。接口）三部分组成，各部分用总线相连。32（1）总线(BUS)复习一微型计算机的基本结构及工32江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室33(2)输入输出输入输出(I/O)接口接口由于由于I/O设备中类繁多，它们在速度、电平、功率、信息设备中类繁多，它们在速度、电平、功率、信息形式等很多方面有很大差别，不能直接与形式等很多方面有很大差别，不能直接与CPU连接，必须经连接，必须经过过I/O接口电路解决它们之间的匹配问题。接口电路解决它们之间的匹配问题。(3)存储器存储器存储器分类存储器分类存储器存储的信息存储器存储的信息存储器的读写操作过程存储器的读写操作过程33(2)输入输出(I/O)接口33江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室34(4)微处理器（微处理器（CPU）运算器运算器寄存器阵列寄存器阵列控制器控制器内部总线内部总线2.复习基本概念与常用术语复习基本概念与常用术语（1）位）位(Bit)位是计算中构成信息的最小单位，表示二进制数位是计算中构成信息的最小单位，表示二进制数中的某个数位中的某个数位“0”或或“1”。Bit是是BinargDigit的缩写。的缩写。（2）字）字(Word)字是字是CPU与输入与输入/输出设备和存储器之间传送输出设备和存储器之间传送数据的基本单位，由若干位组成它与数据总线的宽度数据的基本单位，由若干位组成它与数据总线的宽度(根数根数)一一致。致。（3）字节）字节(Byte)一字节为一字节为8位位(bit)。34(4)微处理器（CPU）34江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室35（4）指令）指令(Instruction)：指规定计算机完成某种操作的命指规定计算机完成某种操作的命令。目前计算机只能直接识别由二进制编码的指令，即机器令。目前计算机只能直接识别由二进制编码的指令，即机器码码（5）指令系统）指令系统(InstnctionSet)：指一台计算机所能识别的全：指一台计算机所能识别的全部指令的集合。部指令的集合。（6）程序）程序(Progrom)：为完成特定任务而设计的一组指令有：为完成特定任务而设计的一组指令有序的集合。序的集合。（7）地址）地址(Address)地址指存贮单元的编号。地址指存贮单元的编号。（8）K和和KB计算机的存储器容量较大，计算机的存储器容量较大，K和和KB常用作计算常用作计算存储器存储器容量的单位容量的单位1K=210=1024;KB=1024Byte。（9）关于时序的概念关于时序的概念所谓时序，就是计算机在工作过程中，所谓时序，就是计算机在工作过程中，CPU控制器所发出控制器所发出的一系列控制信号在时间上的相互关系。的一系列控制信号在时间上的相互关系。35（4）指令(Instruction)：指规定计算机完35江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室36复习内容复习内容 二二 计算机系统中的数制、码制复习计算机系统中的数制、码制复习1.数制及其互换数制及其互换常用数制：十进制、二进制、十六进制和八进制常用数制：十进制、二进制、十六进制和八进制十进制：符合人们的习惯。十进制：符合人们的习惯。二进制：便于物理实现。二进制：便于物理实现。十六进制：便于识别、书写。十六进制：便于识别、书写。二进制二进制特点：以特点：以2 2为底（基数），逢为底（基数），逢2 2进位；只有进位；只有0 0、1 1两个符号。两个符号。（B）2=Bn-1*2n-1+Bn-2*2n-2+B0*20+B-1*2-1+.+B-m*2-m十六进制十六进制特点：以特点：以1616为底（基数），逢为底（基数），逢1616进位。进位。（B）16=Bn-1*16n-1+Bn-2*16n-2+B0*160+B-1*16-1+.+B-m*16-m36复习内容二计算机系统中的数制、码制复习1.数制及其36江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室37各进制数间的转换各进制数间的转换1)1)非十进制到十进制的转换非十进制到十进制的转换 方法：按相应进位计数制的权表达式展开（待转换的数按位展开，各方法：按相应进位计数制的权表达式展开（待转换的数按位展开，各位数乘以相应的权值，再进行相加运算）。位数乘以相应的权值，再进行相加运算）。10110010B=(?)1013FAH=(?)10二进制与十六进制的转换二进制与十六进制的转换方法：用方法：用4 4位二进制数表示位二进制数表示1 1位十六进制数。位十六进制数。例：例：010110001001.1100589.C十六进制与二进制的转换十六进制与二进制的转换方法：方法：84218421码码37各进制数间的转换二进制与十六进制的转换例：十六进制37江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室382 2）十进制到非十进制的转换）十进制到非十进制的转换 十进制到二进制转换：十进制到二进制转换：整数部分：除整数部分：除2取余；取余；小数部分：乘小数部分：乘2取整。取整。(12.125)10=(?)2十进制到十六进制转换：十进制到十六进制转换：整数部分：除整数部分：除16取余；取余；小数部分：乘小数部分：乘16取整。取整。以小数点为起点，求得整数和小数的各个位。以小数点为起点，求得整数和小数的各个位。382）十进制到非十进制的转换38江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室392.2.二进制数的运算二进制数的运算二进制数分为二进制数分为无符号无符号二进制数和二进制数和有符号有符号二进制数。运算分二进制数。运算分为算术运算和逻辑运算。为算术运算和逻辑运算。有符号数的定义有符号数的定义 计算机中有符号数的表示方法：计算机中有符号数的表示方法：将二进制数的将二进制数的最高位最高位定义为定义为符号位，符号位，符符号位号位=0，是是正数正数符号位符号位=1，是是负数负数 无符号数无符号数一个一个N位的无符号二进制数位的无符号二进制数X的表示范围为的表示范围为0,2n-1,若运算结果超出若运算结果超出这个范围这个范围,则产生溢出。则产生溢出。判别方法：运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）时，则判别方法：运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）时，则产生溢出。产生溢出。例：例：11111111+00000001100000000392.二进制数的运算有符号数的定义无符号数例39江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室40逻辑运算逻辑运算 与与,或或,非非,异或异或特点：按位运算，无进借位。特点：按位运算，无进借位。逻辑与逻辑与逻逻辑辑“与与”的的特特点点：凡凡是是与与“0”相相与与的的，都都是是0；与；与“1”相与的，原来是什么还是什么相与的，原来是什么还是什么机器数：连同符号位一起数值化了的数。机器数：连同符号位一起数值化了的数。真值：机器数所表示的真实的数值。真值：机器数所表示的真实的数值。+52=+0110100=0011010040逻辑运算与,或,非,异或逻辑“与”的特点：凡是与“40江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室41无符号数的算术运算无符号数的算术运算 加法：加法：1+1=0（有进位）（有进位）减法：减法：0-1=1（有借位）（有借位）乘法：乘以乘法：乘以2相当于左移一位相当于左移一位除法：除以除法：除以2相当于右移一位相当于右移一位例：例：00001011*0100=00101100B00001011/0100=00000010B 逻辑非逻辑非逻辑逻辑“非非”的特点：的特点：0的非是的非是1，1的非是的非是0。逻辑异或逻辑异或逻逻辑辑“异异或或”的的特特点点：两两个个状状态态不不相相同同，则则取取1；相同则取；相同则取0。逻辑或逻辑或逻逻辑辑“或或”的的特特点点：无无论论原原来来是是0还还是是1，只只要要和和1相或，就为相或，就为1；和；和0相或，还是它本身。相或，还是它本身。41无符号数的算术运算例：逻辑非逻辑“非”的特点：41江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室423.原码、反码、补码原码、反码、补码特点：特点：8位二进制数表示原码、反码、补码的范围(-127+127、-127+127、-128+127)补码的运算在在微微型型计计算算机机中中，带带符符号号数数用用补补码码表表示示，减减法法可可用用补补码码相相加加来来实实现，运算结果为补码。现，运算结果为补码。423.原码、反码、补码42江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室43主要内容主要内容：1.MCS-51单片机组成（结构、引脚功能）单片机组成（结构、引脚功能）2.MCS-51单片机存储器组织与操作单片机存储器组织与操作3.MCS-51单片机并行单片机并行I/O端口端口4.MCS-51单片机的时钟与定时单片机的时钟与定时5.MCS-51单片机的系统复位单片机的系统复位6.单片机的工作过程单片机的工作过程重点理解重点理解：1.MCS-51系列单片机存储器结构特点系列单片机存储器结构特点2.单片机特殊功能寄存器的作用单片机特殊功能寄存器的作用3.不同场合下单片机引脚的复用功能不同场合下单片机引脚的复用功能4.单片机的位处理功能及其作用单片机的位处理功能及其作用第二章MCS-51单片机的硬件结构与工作原理43主要内容：重点理解：第二章MCS-51单片机的硬件结43江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室44时钟源T0T1P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1时钟电路SFR和RAMROM定时/计数器CPU串行I/O口中断系统并行I/O口系统总线图图2-1MCS-51系列单片机片内结构系列单片机片内结构8位CPU、只读存储器EPROMROM、读写存储器RAM、并行IO口、串行IO口、定时器计数器、中断系统、振荡器和时钟电路等部分组成。各部分之间通过内部总线相连。第一节第一节MCS-51系列单片机的硬件结构系列单片机的硬件结构 一、单片机的硬件结构一、单片机的硬件结构课本课本11页图页图2-144时钟源T0T1P0P1P2P3T44江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室451 1、MCS-51单片机的基本组成单片机的基本组成中央处理单元中央处理单元CPU：8位，数据处理（运算）和控制功能（如位测试、置位、复位）。位，数据处理（运算）和控制功能（如位测试、置位、复位）。内部内部RAM：共有：共有128个个RAM单元（单元（52系列为系列为256B），用来存储单片机运行期间的工），用来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。内部内部ROM：4KBROM（8031无无ROM，8751有有4KBEPROM），用于存放程），用于存放程序、原始数据和表格。序、原始数据和表格。定时定时/计数器计数器:两个两个16位的定时位的定时/计数器，实现定时或计数的功能。计数器，实现定时或计数的功能。并行输入并行输入/输出输出I/O口：口：4个个8位的位的I/O口口P0、P1、P2、P3。串行口：一个全双工串行口。串行口：一个全双工串行口。中断控制系统：中断控制系统：5个中断源（外部中断个中断源（外部中断2个，定时个，定时/计数中断计数中断2个，串行中断个，串行中断1个）个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率是频率是6MHZ和和12MHZ。位处理器：布尔处理器，有较强的位处理功能。位处理器：布尔处理器，有较强的位处理功能。内部总线：上述部件通过总线连接起来，构成一个完整的计算机系统。芯片内的地址内部总线：上述部件通过总线连接起来，构成一个完整的计算机系统。芯片内的地址信号、数据信号和控制信号是通过总线传递的。信号、数据信号和控制信号是通过总线传递的。特殊功能寄存器：特殊功能寄存器：21个个SFR，用于，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。对片内各功能部件进行管理、控制、监视。451、MCS-51单片机的基本组成中央处理单元CPU：45江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室46中央处理器中央处理器CPU组成：组成：主要包括运算器和控制器两部分。主要包括运算器和控制器两部分。地位：地位：中央处理器（中央处理器（CPU）是单片机最核心的部分，是指挥中心和执行机构。）是单片机最核心的部分，是指挥中心和执行机构。功能：功能：读入、分析每条指令，根据指令要求，控制部件完成特定的功能。读入、分析每条指令，根据指令要求，控制部件完成特定的功能。CPU组成组成课本课本15页页CPU46中央处理器CPU组成：主要包括运算器和控制器两部分。地位46江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室47（1）是）是CPU中使用最频繁的中使用最频繁的8位寄存器，位寄存器，CPU中的数据传送大多通过中的数据传送大多通过A。（2）A是是ALU单元的数据处理源之一，又是单元的数据处理源之一，又是ALU运算结果的存放单元，运算结果的存放单元，如如ADDA,#data（3）因为）因为A用的最频繁，容易产生堵塞现象，这是累加器结构特有的瓶颈现象。用的最频繁，容易产生堵塞现象，这是累加器结构特有的瓶颈现象。（1）B是专门为执行乘除运算而设置的是专门为执行乘除运算而设置的8位寄存器。位寄存器。（2）不在执行乘除指令的情况下，可以把寄存器）不在执行乘除指令的情况下，可以把寄存器B当作一个普通的寄存器使用。当作一个普通的寄存器使用。（1）完成二进制数的加、减、乘、除四则运算）完成二进制数的加、减、乘、除四则运算（2）完成逻辑与、或、异或、循环、求补、清零等操作。）完成逻辑与、或、异或、循环、求补、清零等操作。（3）进行位处理操作，如置位、清零、求补、测试转移、逻辑与、或等。）进行位处理操作，如置位、清零、求补、测试转移、逻辑与、或等。（4）根据运算的结果改变程序状态字）根据运算的结果改变程序状态字PSW的值。的值。算术逻辑单元算术逻辑单元ALU累加器累加器A（ACC）寄存器寄存器B程序状态字程序状态字PSWPSW用来存放程序运行的状态信息。用来存放程序运行的状态信息。课本课本23页页47（1）是CPU中使用最频繁的8位寄存器，CPU中的数据传47江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室48课本课本16页页图图2-4PSW的格式的格式48课本16页图2-4PSW的格式48江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室49（1）PC内容为内容为下一条将要执行的指令在程序存储器中的地址下一条将要执行的指令在程序存储器中的地址。（2）PC是一个是一个16位位的计数器，寻址范围达的计数器，寻址范围达64KB。（3）PC没有地址，是不可寻址的（但物理上存在的），因此用户无法没有地址，是不可寻址的（但物理上存在的），因此用户无法对它进行读对它进行读/写。写。（4）PC有自动加有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。功能，从而实现程序的顺序执行。（5）可能通过转移、调用返回等指令改变）可能通过转移、调用返回等指令改变PC值，以实现程序的转移。值，以实现程序的转移。程序计数器程序计数器PC数据指针数据指针DPTR（1）DPTR是唯一一个用户可使用的是唯一一个用户可使用的16位寄存器，由两个位寄存器，由两个8位的寄存器位的寄存器DPH和和DPL组成。组成。（2）DPTR可作为可作为16位寄存器使用，也可作为位寄存器使用，也可作为2个独立的个独立的8位寄存器使用。位寄存器使用。（3）DPTR用户可读用户可读/写。如写。如MOV DPTR，#2000H（4）DPTR通常用来存放通常用来存放16位的地址，可访问片外位的地址，可访问片外RAM，也可访问，也可访问ROM中中的数据。的数据。如如MOVX A，DPTRMOVC A，A+DPTR课本课本18页页课本课本23页页49（1）PC内容为下一条将要执行的指令在程序存储器中的地址49江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室50二、二、MCS-51单片机的封装单片机的封装DIP封装DoubleIn-linePackage双列直插式封装40个引脚PLCC封装PlasticLeadedChipCarrier塑封J引线芯片封装44个引脚（4个空脚）QFG封装QuadFlatPackage四角扁平封装44个引脚（4个空脚）课本课本12、13页图页图2-2、2-350二、MCS-51单片机的封装DIP封装PLCC封装QFG50江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室51三、三、MCS-51单片机的信号引脚单片机的信号引脚P3P3口线的第二功能口线的第二功能课本课本13页页课本课本12页页图图2-251三、MCS-51单片机的信号引脚P3口线的第二功能课本151江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室52 40脚分三类：脚分三类：1、I/O口线口线32根根-MCS-51系列单片机系列单片机P0、P1、P2、P3共共32位，对应着芯片的位，对应着芯片的32根根引脚。引脚。2、控制线、控制线4根根nRST/VPD复位信号，晶振工作后复位信号，晶振工作后2个机器周期的高电平复位个机器周期的高电平复位CPU.nALE地址锁存信号访问外部存储器时该信号锁存低地址锁存信号访问外部存储器时该信号锁存低8位地址；无位地址；无RAM时，时，ALE为晶振为晶振6分频；分频；nPSEN*外部程序存储器读从程序存储器中取指令或读取数据时，该信号有效。外部程序存储器读从程序存储器中取指令或读取数据时，该信号有效。nEA*/VPP程序存储器有效地址，程序存储器有效地址，EA=1从内部开始执行程序；从内部开始执行程序；EA=0从外部开始从外部开始执行程序执行程序.3、电源引脚、电源引脚2根根VCC，VSS（GND）电源和地电源和地+5V电源供电。电源供电。4、时钟引脚时钟引脚2根根uXTAL1时钟振荡器输入端，内部振荡器输入端；时钟振荡器输入端，内部振荡器输入端；uXTAL2时钟振荡器输出端，内部振荡器输出端；时钟振荡器输出端，内部振荡器输出端；对于信号引脚的小结对于信号引脚的小结5240脚分三类：对于信号引脚的小结52江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室53引脚引脚功能功能电源源引脚引脚VCC40接接+5V电源正端源正端GND20接接+5V电源地端源地端外接外接晶体晶体引脚引脚XTAL119接外部石英晶体的一端。片内反相放大器的接外部石英晶体的一端。片内反相放大器的输入端入端XTAL218接外部石英晶体的一端。片内反相放大器的接外部石英晶体的一端。片内反相放大器的输出端出端I/O引引脚脚P0口口P0.0P0.73932准双向准双向I/O口使用口使用分分时复用复用为低低8位地址位地址总线和双向数据和双向数据总线P2口口P2.0P2.72128准双向准双向I/O口使用口使用用作高用作高8位地址位地址总线P1口口P1.0P1.718准双向准双向I/O口使用口使用P3口口P3.0P3.71017准双向准双向I/O口使用口使用可以将每一位用于第二功能可以将每一位用于第二功能控制控制引脚引脚30地址地址锁存有效信号存有效信号输出端出端在在编程期程期间，该引脚用作引脚用作编程脉冲程脉冲PROG的的输入端入端29片外程序存片外程序存储器器读选通信号通信号输出端，低出端，低电平有效平有效RST/VPD9上上电复位或掉复位或掉电保保护端端31片外程序存片外程序存储器器选用端用端53引脚功能电源VCC40接+5V电源正端GND20接+553江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室54P3.0、P3.1：又可以作为串行通讯的两条线；又可以作为串行通讯的两条线；P3.2、P3.3：既是既是I/O控制端子又作为外部中断的请求输入信号；控制端子又作为外部中断的请求输入信号；P3.4、P3.5：定时定时/计数器对外部事件进行计数的输入端；计数器对外部事件进行计数的输入端；P3.6、P3.7：单单片片机机与与外外部部的的数数据据存存储储器器进进行行数数据据传传输输时时的的选选通通控控制制信信号。号。P3口线的第二功能口线的第二功能除此之外，脚除此之外，脚30、脚、脚31和脚和脚9均可以被复用。均可以被复用。四、信号引脚的第二功能四、信号引脚的第二功能EPROM存储器程序固化所需要的信号存储器程序固化所需要的信号 以以89C51为例，其内部有为例，其内部有EPROM，要写入程序时，需要提供专门的编程，要写入程序时，需要提供专门的编程脉冲和编程电源。脉冲和编程电源。编程脉冲：编程脉冲：30脚脚,(ALE/PROG*)编程电压编程电压(+12V或者或者+5V)：31脚脚,(EA*/VPP)54P3.0、P3.1：又可以作为串行通讯的两条线；54江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室55一、一、MCS-51单片机的内部存储器单片机的内部存储器第二节第二节 MCS-51MCS-51单片机存储器组织与操作单片机存储器组织与操作 MCS-51系列单片机其存储结构特点是：系列单片机其存储结构特点是：在物理上在物理上有以下几个相互独立的存储空间，有以下几个相互独立的存储空间，片内程序存储器片内程序存储器(4KB)和片外程序存储器；和片外程序存储器；片内数据存储器片内数据存储器(128B)和片外数据存储器；和片外数据存储器；特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFR和位地址空间。和位地址空间。在逻辑上在逻辑上有三个彼此独立的地址空间：有三个彼此独立的地址空间：（1）片内外统一编地址的）片内外统一编地址的64KB程序存储器地址间；程序存储器地址间；（2）128字节的片内数据存储器地址空间；字节的片内数据存储器地址空间；（3）64KB片外数据存储器地址空间片外数据存储器地址空间55一、MCS-51单片机的内部存储器第二节MCS-555江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室56外部外部RAM外部外部ROM扩展外部扩展外部RAM和外部和外部ROM56外部RAM外部ROM扩展外部RAM和外部ROM56江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室571 1、程序存储器、程序存储器课本课本26页页图图2-6571、程序存储器课本26页图2-657江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室587个特殊单元：个特殊单元：0000H复位后复位后,PC=0000H.开始执行程序开始执行程序0003H外部中断外部中断0（INT0）入口）入口000BH定时器定时器0中断（中断（TF0）入口）入口0013H外部中断外部中断1（INT1）入口入口001BH定时器定时器1（TF1）入口）入口0023H串行口中断串行口中断TI/RI入口入口002BH定时计数器定时计数器2溢出或溢出或T2EX输入负跳变（输入负跳变（52系列）系列）MCS-5l单片机采用单片机采用16位位的程序计数器的程序计数器PC和和l6位的地址总线位的地址总线，64KB片片内、外的程序存储器空间连续、统一内、外的程序存储器空间连续、统一。587个特殊单元：0000H复位后,PC=0000H.58江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室592 2、数据存储器、数据存储器课本课本20页页课本课本17页页592、数据存储器课本20页课本17页59江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室60 数数据据存存储储器器地地址址空空间间由由内内部部和和外外部部数数据据存存储储器器空空间间组组成成。内内部部和和外外部部数数据据存储器空间存在重叠，通过不同指令来区别。存储器空间存在重叠，通过不同指令来区别。内内部部数数据据存存储储器器在在物物理理上上又又可可分分成成2部部分分：低低128字字节节RAM、专专用用寄寄存存器器SFR(高高128字节字节RAM仅仅80328052才有才有)。1.00H-1FH工作寄存器区工作寄存器区2.20H-2FH位位寻寻址址区区，既既可可进进行行字字节节寻寻址址，又又可可进进行行位位寻寻址址。这这16个单元共有个单元共有168128位。位。3.30H-7FH用户用户RAM区区4.片外数据存储器片外数据存储器0000HFFFFH范范围围为为64K字字节节，采采用用R0、R1或或DPTR寄寄存存器器间间址址方方式式访访问问。当当采采用用R0、R1间址时只能访问低间址时只能访问低256字节，采用字节，采用DPTR间址可访问整个间址可访问整个64K字节空间。字节空间。60数据存储器地址空间由内部和外部数据存储器空间组成。60江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室61特殊功能寄存器特殊功能寄存器 共共有有21个个专专用用寄寄存存器器SFR(SpecialFunctionalRegister)，它们离散地分布在它们离散地分布在80H0FFH单元中。单元中。程程序序计计数数器器PC不不占占据据RAM单单元元，在在除除PC外外的的专专用用寄寄存存器器SFR中，有中，有12个专用寄存器既可字节寻址，又可位寻址。个专用寄存器既可字节寻址，又可位寻址。注意：注意：（1)表中共有表中共有5个双字节寄存器。个双字节寄存器。（2)PC也为双字节寄存器，但是不在也为双字节寄存器，但是不在80H-FFH范围内。范围内。（3)表中，凡地址能被表中，凡地址能被8整除的寄存器都是可位寻址的寄存器整除的寄存器都是可位寻址的寄存器。课本课本21页页表表2-261特殊功能寄存器共有21个专用寄存器SFR(Spe61江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室62标识符标识符名名称称地址地址*Acc累加器累加器E0H*BB寄存器寄存器F0H*PSW程序状态字程序状态字D0HSP堆栈指针堆栈指针81HDPTR数据指针数据指针(DPH和和DPL)82H,83H*P0口口080H*P1口口190H*P2口口2A0H*P3口口3B0H*IP中断优先级寄存器中断优先级寄存器B8H*IE中断控制寄存器中断控制寄存器A8HTMOD定时器方式寄存器定时器方式寄存器89H*TCON定时器控制寄存器定时器控制寄存器88H标识符标识符名名称称地址地址TH0计数器计数器0高位高位8CHTL0计数器计数器0低位低位8AHTH1计数器计数器1高位高位8DHTL1计数器计数器1低位低位8BH*SCON串行口控制串行口控制98HSBUF串行数据缓冲器串行数据缓冲器99HPCON电源控制电源控制97H特殊功能寄存器地址空间特殊功能寄存器地址空间课本课本21页页表表2-262标识符名称地址*Acc累加器E0H*BB寄存器F62江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室631.累加器累加器ACC累加器累加器A在大部分的算术运算中存放某个操作数和运算结果。在大部分的算术运算中存放某个操作数和运算结果。2.寄存器寄存器B寄存器寄存器B主要用于与累加器主要用于与累加器A配合执行乘法和除法指令的操作。配合执行乘法和除法指令的操作。3.程程序序状状态态字字PSW8位位寄寄存存器器，用用来来存存放放程程序序状状态信信息息。某某些些指指令令的的执行行结果会自果会自动影响影响PSW的有关状的有关状态标志位，有些状志位，有些状态位可用指令来位可用指令来设置。置。特殊功能寄存器的功用特殊功能寄存器的功用D7D6D5D4D3D2D1D0CyACF0RS1RS0OV-PCY：进位标志位：进位标志位AC：半进位标：半进位标F0：用户标志位：用户标志位RS1、RS0：工作寄存器组选择：工作寄存器组选择OV：溢出标志：溢出标志P：奇偶标志：奇偶标志,A中中1的个数为奇数的个数为奇数P=1；否则；否则P=0。RS1RS0寄存器组内部RAM地址00寄存器组000H07H01寄存器组108H0FH10寄存器组210H17H11寄存器组318H1FH课本课本21页页631.累加器ACC累加器A在大部分的算术运算中存放某个63江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室644.堆堆栈栈指指针针SP堆堆栈是是在在片片内内数数据据RAM区区中中一一个个特特殊殊的的存存储区区，用用来来暂时存放数据和地址，它是按照存放数据和地址，它是按照“先先进后出后出”的原的原则存放数据。存放数据。栈指指针SP是是在在MCS-51中中存存放放当当前前的的堆堆栈栈顶所所指指存存储单元元地地址址的的一一个个8位位寄寄存存器器，每每存存入入(或或取取出出)一一个个字字节数数据据，SP就就自自动加加1(或或减减1)，SP始始终指指向向新新的的栈顶。堆堆栈共有两种操作：共有两种操作：进栈和出和出栈。不。不论是数据是数据进栈还是数据出是数据出栈，都是，都是对栈顶单元元进行的，即行的，即对栈顶单元的写和元的写和读操作。操作。MCS-51单片机的堆片机的堆栈是向上生成的：是向上生成的：进栈时，SP的内容增加的；出的内容增加的；出栈时，SP的内容是减少的。的内容是减少的。MCS-51的堆的堆栈区域可用区域可用软件件设置堆置堆栈指示器（指示器（SP）的）的值，在片内数据，在片内数据RAM区中予以定区中予以定义。系系统复复位位后后，SP内内容容为07H。如如不不重重新新定定义，则以以07H为栈底底，压栈的的内内容容从从08H单元元开开始始存存放放。通通过软件件对SP的的内内容容重重新新定定义，使使堆堆栈区区设定定在在片片内内数数据据RAM区中的某一区域内，堆区中的某一区域内，堆栈深度以不超深度以不超过片内片内RAM空空间为限。限。644.堆栈指针SP堆栈是在片内数据RAM区中一个特殊的64江娟娟江娟娟 安徽工程大学电气工程学院自动化教研安徽工程大学电气工程学院自动化教研室室65堆堆栈是是为子程序子程序调用和中断操作而用和中断操作而设立的。其具体功能有两个立的。其具体功能有两个:保保护断点断点和保和保护现场。在。在MCS-51单片机中，既有与子程序片机中，既有与子程序调用和中断程序相伴随用和中断程序相伴随自自动进栈和出和出栈，还有有对堆堆栈的的进栈和出和出栈指令（指令（PUSH、POP）操作。）操作。5.数数据据指指针针DPTR16位位的的专专用用寄寄存存器器，由由高高位位字字节节DPH和和低低位位字字节节DPL组组成成。可可作作为为一一个个16位位寄寄存存器器使使用用，也也可可以