单片机原理及应用第2版张兰红第3章80c51系列单片机的硬件基础知识.pptx

1、23:44:431第 3 章 80C51 系列单片机的硬件基础 8051 系列单片机概述3.180C51 系列单片机引脚功能3.280C51 系列单片机的编程结构3.3 80C51 系列单片机的存储器3.4 80C51 单片机的工作方式3.5 80C51 系列单片机的时序3.6 80C51 单片机最小应用系统3.723:44:432 单片机是一个大规模集成电路芯片，但仅有一块单片机不能完成特定的控制任务，只有当它与其他器件和设备有机地组合在一起并配以特定的程序时，才能构成一个真正的单片机应用系统，完成特定的任务。在单片机应用系统中单片机是核心器件，要设计单片机应用系统，必须首先掌握单片机的硬件

2、基础知识。23:44:4433.1 8051 系列单片机概述1980 年美国 INTEL 公司推出了高性能的 8 位单片机：MCS-51 系列单片机。系列单片机是指同一厂家生产的具有相同系统结构的多种型号的单片机。MCS-51 系列单片机又可分为 51 和 52 两个子系列。3.1.1 MCS-51 系列单片机23:44:454各个子系列所含有的芯片型号及其硬件资源的区别如表 3-1 所示。MCS-51 系列型号片内 ROM片内RAM定时器/计数器中断源数量51 子序列(基本型)8031无128B216 位580514KB 掩膜ROM128B216 位587514KB EPROM128B216

3、 位552 子序列(增强型)8032无256B316 位680528KB 掩膜ROM256B316 位6在不同型号的 MCS-51 系列单片机中，除片内存储器(ROM、RAM)容量与种类、定时器/计数器的个数、中断源的数量有所不同外，指令系统和芯片引脚是完全兼容的。23:44:455它们的主要硬件特性：(1)8 位 CPU。(2)片内带振荡器,振荡频率 fosc 范围为 1.2 12MHz；可有时钟输出。(3)128/256B 的片内数据存储器。(4)0/4/8KB 的片内程序存储器。(5)程序存储器的寻址范围为 64KB。(6)片外数据存储器的寻址范围为 64KB。(7)21/26 个字节专

4、用寄存器。23:44:466(8)4 个 8 位并行 I O 接口：P0、P1、P2、P3。(9)1 个全双工串行 I O 接口，可多机通信。(10)2/3 个 16 位定时器计数器。(11)中断系统有 5/6 个中断源，可编程为两级优先级。(12)111 条指令，含乘法指令和除法指令。(13)含布尔处理器，有强的位寻址、位处理能力。(14)片内采用单总线结构。(15)用单一+5V 电源。23:44:467早期的 MCS-51 系列单片机是采用 HMOS 工艺制造的，具有高速度、高密度的特点，但功耗较大。出于对降低功耗的要求，MCS-51 系列单片机后来推出的产品采用了 CMOS 和 HMOS

5、 结合的 CHMOS 工艺。采用 CHMOS 工艺制造的 51 子系列对应的低功耗产品分别为80C31、80C51、87C51，52 子系列对应的低功耗产品分别为80C32、80C52。23:44:468Features.Compatible with MCSR-51 Products4K Bytes of In-System Programmable(ISP)Flash Memory-Endurance:10,000 Write/Erase Cycles4.0V to 5.5V Operating RangeFully Static Operation:0 Hz to 33 MHzThree

6、-level Program Memory Lock1288-bit Internal RAM32 Programmable I/O LinesTwo 16-bit Timer/CountersSix Interrupt SourcesFull Duplex UART Serial ChannelLow-power Idle and Power-down ModesInterrupt Recovery from Power-down ModeWatchdog TimerDual Data PointerPower-off FlagFast Programming TimeFlexible IS

7、P Programming(Byte and Page Mode)Green(Pb/Halide-free)Packaging Option特点：特点：lAT89S51 是是 51 单片机家族中的一员，它可与家族单片机家族中的一员，它可与家族中其他单片机兼容中其他单片机兼容l该单片机片内有容量为该单片机片内有容量为 4K bytes 的的 Flash 存储器作存储器作为程序存储器使用可进行在线编程，寿命为为程序存储器使用可进行在线编程，寿命为 10000 次次的擦写操作。的擦写操作。l工作电压范围为工作电压范围为 4.0V-5.5 Vl支持全静态操作，工作频率范围为支持全静态操作，工作频率范围

8、为 0Hz-33MHzl三级程序存储器锁三级程序存储器锁l片内片内 RAM 容量为容量为 128 x 8-bitl32 个可编程个可编程 If0 口口l两个两个 16 位的定时位的定时/计数器计数器l6 个中断源个中断源l全双工通用异步串行通信通道全双工通用异步串行通信通道l低功耗的休眠和停电模式低功耗的休眠和停电模式l停电模式下的中断恢复停电模式下的中断恢复l看门狗定时器看门狗定时器l双双 DPTR 指针寄存器指针寄存器l断电标志断电标志l快速编程时间快速编程时间l灵活的在线编程灵活的在线编程 Byte 和和 Page 模式模式)l环保封装选择环保封装选择(无铅无铅/无卤化物无卤化物)(a)

9、技术特点英文描述 (b)技术特点中文翻译图 3-1 AT89C51 单片机技术手册中关于特点的概述23:44:489不同型号的 80C51 单片机，内部资源或多或少有些差异，我们在选择时，可从以下几个方面考虑：1.程序存储器 2.数据存储器3.功耗 4.体积 3.1.2 80C51 系列单片机的选择依据23:44:4910 程序存储器用于存放单片机应用系统的目标程序。通过编程器或直接在系统编程(ISP)将目标程序写入单片机。单片机的程序存储器目前供应的类型有 EPROM、OTPROM、Mask ROM 和 Flash EEPROM。容量有 1KB、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB 和

10、 64KB。由于 EPROM 型单片机使用不方便，现在己很少使用，普遍采用 Flash EEPROM 型单片机代替；OTP ROM 单片机在中小批量的单片机产品中使用较多；Mask ROM 型单片机由于其程序存储的高可靠性和低成本特点，适合于大批量的单片机应用场合。由于片内存储器成本的降低，目前趋向于选择具有大容量的片内程序存储器的单片机，片外不用再扩展程序存储器。1.程序存储器 23:44:4911 单片机片内数据存储器目前供应的类型有 SRAM 静态数据存储器，少数单片机片内有 EEPROM 非易失性数据存储器。51 子系列片内 RAM 有 128B，52 子系列片内RAM 有 256B，

11、52 子系列向下兼容 51 子系列，两者价格目前基本持平，选择 52 子系列在使用上更为方便、灵活。2.数据存储器 3.功耗 许多公司都供应低电压的 80C51 系列单片机，具有低功耗的特点，例如，Atmel 公司的 AT89LV51 和 AT89LV52，它的工作电压范围为 2.7 6V，可直接替换相应的 5V 工作电压芯片。23:44:49124.体积 在应用系统的空间有限时，可选择相应型号的 PLCC和 QFP 封装的单片机，外围芯片当然也要选择小型封装。在无外围扩展时也可选择非总线型的单片机，如 Atmel 公司的 AT89C4051、AT89C2051 和 AT89C1051，Phi

12、lips公司的 P87LPCXXX 系列。新一代高性能的 80C51 单片机增加了模/数转换器(A/D)、脉宽调制输出(PWM)、第二串行口、串行扩展总线(I2C BUS)、现场总线(CAN)，程序监视定时器(WDT)、在系统编程 ISP 等功能，使用户在进行单片机应用系统设计时有更大的选择范围。23:44:50133.2 80C51 系列单片机引脚功能在 80C51 系列单片机中，各种单片机的引脚是相互兼容的，只是功能略有差异。在器件引脚的封装上，80C51 系列单片机常用的封装有三种，分别为双列直插式 PDIP 40 脚封装、塑料扁平式 PQFP/TQFP 44 脚封装和带引线的塑料芯片封

13、装 PLCC 44 脚封装。23:44:5014图 3-2 PDIP 封装引脚 图图 3-3 PDIP物 实图3.2.1 引脚功能概述PDIP40393837363534333231302928272625242322211243 567891011121314151617181920(T2)P1.0(T2EX)P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST(RXD)P3.0(TXD)P3.1(INT1)P3.3(T0)P3.4(T1)P3.5(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL2XTAL1GNDVCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)

14、P0.4(AD4)P0.7(AD7)EA/VPPP2.4P2.5P2.6P2.7ALE/PROGPSENP2.1P2.0P2.2P2.3P0.5(AD5)P0.6(AD6)(INT0)P3.223:44:5015图 3-4 PQFP/TQFP 封装引脚图图 3-5 PQFP/TQFP 封装物实图P1.5 P1.6 P1.7 RST(RXD)P3.0NC(TXD)P3.1(T0)P3.4(T1)P3.5P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPNCPSENP2.7P2.6P2.5P1.4P1.3P1.2P1.1(T2 EX)P1.0(T2)NCVCCP0

15、.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL2XTAL1GNDGNDP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4123456789101112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 343231302928272625242333(INT0)P3.2(INT1)P3.3ALE/PROG23:44:5116图 3-6 PLCC/LCC 封装引脚图图 3-7 PLCC/LCC 封装物实图P1.5 P1.6 P1.7 RST(RXD)P3.0NC(TXD)P3

16、.1(T0)P3.4(T1)P3.5P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPNCPSENP2.7P2.6P2.5P1.4P1.3P1.2P1.1(T2 EX)P1.0(T2)NCVCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL2XTAL1GNDGNDP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4789101112131415161718 19 20 21 22 23 24 25 26 27 286 5 4 3 2 1 3837363534333231302939(INT0)P3.2(IN

17、T1)P3.3ALE/PROG44 43 42 41 4023:44:511780C51 单片机引脚主要分为主电源引脚、外接晶体引脚、输入输出引脚与控制引脚四类，以 PDIP封装的单片机为例，引脚介绍如下：1.主电源引脚(2 条)2.外接晶体引脚(2 条)3.输入/输出（I/O）引脚(32 条)4.控制引脚(4 条)23:44:51181.主电源引脚(2 条)VCC（40 脚）和 GND（20 脚）：分别接电源的正端和地端。不同型号单片机接入对应电压的电源，常压为+5V、低压为+3.3V。2.外接晶体引脚(2 条)XTAL1（19 脚）、XTAL2（18 脚）：XTAL1 为片内振荡电路的输入

18、端，XTAL2 为片内振荡电路的输出端。80C51 单片机的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，需在这两个脚外接石英晶体和振荡电容；另一种是外部时钟方式，即将 XTAL1 接地，外部时钟信号从 XTAL2 脚输入。23:44:52193.输入/输出（I/O）引脚(32 条)输入/输出（I/O）引脚共有 P0 口、P1 口、P2 口、P3口四组，每组 8 条引脚。(1)P0 口（39 脚 32 脚）：分别为 P0.0 P0.7，其中 P0.7 为最高位，P0.0 为最低位。这 8 条引脚有两种不同的功能：1)作为通用输入输出(I/O 口)使用。2)作为低 8 位的地址/数据复用总线。23:4

19、4:5220(2)P1 口（1 脚 8 脚）：分别为 P1.0 P1.7，其中 P1.7为最高位，P1.0 为最低位。P1 口引脚也有两种不同的功能：1)作为准双向 I/O 口使用。2)对 52 子序列单片机，P1.0 引脚的第二功能为 T2 定时器/计数器的外部输入，P1.1 引脚的第二功能为 T2EX 捕捉、重装触发，即 T2 的外部控制端。23:44:5221(3)P2 口（21 脚 28 脚）：P2 口的 8 条引脚也有两种不同的功能：1)准双向输入输出接口，每一位也可独立控制。2)在接有片外存储器或扩展 I O 接口时，P2 口作为高 8位地址总线。23:44:5222(4)P3 口

20、（10 脚 17 脚）：P3 口的 8 条引脚也有两种不同的功能：1)准双向输入输出接口，每一位同样可独立控制。2)P3 口的每一条引脚都有第二功能，如表 3-4 所示。引脚第二功能说 明P3.0RXD串行口输入P3.1TXD串行口输出P3.2外部中断 0 输入，低电平有效P3.3外部中断 1 输入，低电平有效P3.4T0定时器/计数器 0 的外部计数脉冲输入P3.5T1定时器/计数器 1 的外部计数脉冲输入P3.6片外数据存储器写允许，低电平有效P3.7片外数据存储器读允许，低电平有效INT0WRRD23:44:5323单片机通过 I/O 口表现出控制能力，在第一功能时可以实现对外围输入/输

21、出设备，如按键开关、键盘、发光二极管、数码管、液晶屏、电机、继电器等的控制。在单片机内部的存储器、接口电路等不够用而需要进行片外扩展时，这四组接口又表现出第二种功能，即作为对外扩展芯片的地址总线、数据总线与控制总线使用。每个端口的结构各部相同，它们在功能和用途上也存在差别。总结：23:44:5324自 动自 动暂 停暂 停程 序程 序过 程过 程水 位水 位单片机单片机电 机电 机排水 阀排水 阀重 量传重 量传感 器感 器注水 阀注水 阀洗涤 时 间 显 示洗涤 时 间 显 示状 态 指 示 灯状 态 指 示 灯状 态 指 示 灯状 态 指 示 灯电 源电 源开开/关关按钮 开 关按钮 开

22、关23:44:54254.控制引脚(4 条)(1)RST(Reset，9 引脚)：复位信号输入端。(2)ALE/(Address Latch Enable/Programming，30 引脚)：ALE 为地址锁存允许信号，配合 P0 口引脚的第二功能使用。为本引脚的第二功能，表示编程脉冲输入端。(3)/VPP(Enable Address/Voltage Pulse of Programing，31引脚)：片内片外程序存储器选择控制端。(4)(Program Strobe Enable，29 引脚)：片外程序存储器(ROM)选通线。PROGPROGPSEN23:44:54263.2.2 引脚与

23、内部功能模块的关系图 3-9 单片机引脚和内部功能模块之间的关系Vcc数据存储器RAMP0口程序存储器ROMRAMROMXTAL1XTAL2RSTEAPSENGNDALE特殊功能寄存器运算器控制器P2口P1口P3口串行口定时器/计数器中断系统P1.0P1.7P3.0P3.7P0.0P0.7P2.0P2.723:44:5527图 3-10 80C51 单片机对外三总线构成3.2.3 单片机对外扩展时三总线的构成地地址址总总线线(AB)数数据据总总线线(DB)用用户户I/O控控制制总总线线（CB）+5 V锁存器GRESETVCCVSSALEALEPSENEA P1.7P1.6P1.5P1.4P1.

24、3P1.2P1.1P1.0P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15D0D1D2D3D4D5D6D723:44:5528四个四个 I/O 端口端口 P0、P1、P2、P3 的作用总结：的作用总结：P2 口负责输出高口负责输出高 8 位地址，位地址，P0 口以分时方式承担输出低口以分时方式承担输出低 8 位地址信息和数据输入位地址信息和数据输入/输输出的 出的 双重任务。双

25、重任务。P3 口则作为和外设沟通的控制线，口则作为和外设沟通的控制线，P1 口可随意用作口可随意用作 I/O 口。口。51 系列单片机的对外三总线总结：系列单片机的对外三总线总结：AB(地址总线地址总线)：P2 口负责高口负责高 8 位地址，位地址，P0 口输出低口输出低 8 位地址。位地址。DB(地址总线地址总线)：P0 口作为口作为 8 位数据输入位数据输入/输出口。输出口。CB(地址总线地址总线)：P3 口作为和外设沟通的控制线。口作为和外设沟通的控制线。23:44:56293.3 80C51 系列单片机的编程结构 80C51 系列单片机的编程结构包括中央处理器(CPU)、内部存储器(R

26、OM、RAM)、并行 I/O 接口、片内外设(定时器/计数器、中断系统、串行口)、振荡器等部分，各部分之间通过片内总线进行连接。80C51 系列单片机内部采用单总线结构，地址、数据与控制信息都通过一组总线流通。编程结构，即是从编程人员角度所看到的单片机内部结构，该结构便于人们从软件编程的角度去了解单片机系统的操作和运行。23:44:5630图 3-11 80C51 系列片机的程 单编结构RAM地址寄存器数据存储器RAM程序计数器PC程序存储器ROM堆栈指针SP累加器A暂存器TMP寄存器B程序状态字寄存器PSW算术逻辑单元ALU指令寄存器IR指令译码器ID定时与控制电路振荡器P0口P1口P2口P

27、3口RAMROMCPU并行I/O口VccXTAL1XTAL2P0.0P0.7RSTEAPSENGNDALE串行口中断系统定时器/计数器片内外设P1.0P1.7P2.0P2.7P3.0P3.723:44:57311.中央处理器(CPU)80C51 系列单片机是 8 位 CPU，它是整个单片机的核心部件，主要完成运算和控制功能，由运算器和控制器组成。(1)运算器运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加器 A（Accumulator)、暂存器 TMP 以及程序状态字 PSW 组成，用于算术运算和逻辑运算。(2)控制器控制器由程序计数器 PC(Program Counter)、指令寄存器IR(Instru

28、ction Register)、指令译码器 ID(Instruction Decoder)、定时与控制电路等部分组成，使单片机各部分协调工作，从而完成指令规定的操作。23:44:5832程序计数器 PC(Program Counter)是一个 16 位的加 1 计数器，其中存放的是 ROM 中存储单元的地址。在开始执行程序时，给 PC 赋以程序中第一条指令所在的存储单元的地址，然后每从存储单元取一次内容，PC 中的内容就会自动加 1，以指向下一个存储单元，保证指令顺序执行。由此可见，程序计数器 PC 中存放的是下一条将要执行的指令所在的 ROM 存储单元的地址。23:44:58332.内部存储

29、器80C51 系列单片机的存储器有片内和片外之分。片内存储器集成在芯片内部；片外存储器（外部存储器)是专用的存储器芯片，需要通过单片机引脚提供的三总线(即 AB、DB 和 CB）与 80C51 连接。无论片内还是片外存储器，都可分为程序存储器和数据存储器。由于 80C51 单片机采用哈佛结构，因此程序存储器和数据存储器相互独立，有各自的寻址空间。23:44:5834片内数据存储器为随机存取存储器，用于存放可读写的数据，常称为片内 RAM。80C51 系列单片机的片内 RAM 共有 128/256B。片内程序存储器为只读存储器，用于存放程序指令、常数及数据表格，常称为片内 ROM。80C51 系

30、列单片机内部有 0/4/8KB 的ROM。用于存放程序，也可以存放一些原始数据和表格等。23:44:58353.并行输入/输出端口(I/O 口)80C51 片内有 4 个 8 位的 I/O 接口：P0、P1、P2 和 P3，每个 I/O 接口内部都有一个 8 位锁存器和一个 8 位驱动器，既可用作输出口，也可用作输入口。80C51 单片机没有专门的 I/O 口操作指令，而是把 I/O 口当作寄存器使用，通过传送指令实现数据的输入和输出操作。23:44:58364.片内外设(1)定时器/计数器51 子序列单片机中有两个 16 位的定时器/计数器，用于实现定时或外部计数的功能。(2)中断系统中断系

31、统的主要作用是对来自单片机内部或外部的中断请求进行处理，完成中断源所要求的任务。51 子系列共有 5 个中断源，其中外部中断源有 2 个，内部中断源有 3 个：2 个定时器/计数器中断源和 1 个串行口中断源。全部中断可分为高级和低级两个优先级别。23:44:5937(3)串行口80C51 单片机有一个全双工可编程串行口，用于实现单片机与外部设备之间的串行数据传送。5.振荡器振荡器用于产生单片机工作时所需的时钟脉冲。23:44:59383.3.2 在 Keil Vision 中观察寄存器例 3-1 加法汇编ORG 0000H ;设置起始地址MOV A,#6EH ;A=6EHADD A,#58H

32、 ;A=A+58H=C6H,PSW=44HMOV B,A ;B=C6HSJMP$;程序在原地循环END ;结束汇编23:44:59393.3.2 在 Keil Vision 中观察寄存器图 3-12 Vision 软件调试界面寄存器观察窗口命令窗口存储器观察窗口程序窗口反汇编窗口23:44:59403.3.2 在 Keil Vision 中观察寄存器(a)执行 MOV A,#6EH (b)执行 ADD A,#58H (c)执行 MOV B,A图 3-13 指令的执行和寄存器数值的变化23:45:00413.4 80C51 系列单片机的存储器 存储器是用来存放程序或者程序中所需的数据的。不同的单

33、片机，其存储器的类型与容量也不相同。3.4.1 半导体存储器1.随机存取存储器与只读存储器(1)随机存取存储器 RAM(Random Access Memory)。CPU既可以将该存储器中的信息(数据)读出又可以将需要写入的信息写入。(2)只读存储器 ROM(Read Only Memory)。CPU 只能读出存放在该存储器中的信息，不能写入。23:45:0042表 3-5 机存取存器只存器的照表随储与读储对23:45:00432.随机存取存储器的分类按照存储信息的方式，随机存取存储器又可分为以下两种：静态 RAM(SRAM：Static RAM)。只要有电加在存储器上，数据就能长期保留。动态 RAM(DRAM：Dynamic RAM)。写入的信息只能保留几 ms 的时间，因此每隔一定时间需要重新写入一次(称为“刷新”)，所以动态 RAM 的电路比较复杂。23:45:0044图 3-14