微机原理课程设计.docx
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微机原理课程设计
单片机与80C51单片机
摘要
单片机作为一种特殊的微型计算机，与我们常用的个人计算机不同，其只包含一个电路芯片，但是它却包含了CPU，内存储器，输入输出接口，是微型计算机的功能部件的集成体。
单片机系统是硬件和软件结合的产物。
软件即指根据单片机应满足的功能编写的汇编程序。
对具体的单片机系统的设计就应包含对硬件和软件的设计。
单片机中较为典型的是80C51,它是由美国Intel公司生产的MCS-51的典型产品之一。
通过对其硬件和指令系
统的介绍，了解其是怎样工作的，以及他的工作特点。
关键词：
单片机，单片机系统，80C51单片机
Abstract
SCMasaspecialminiaturecomputer,andweusedapersonalcomputer,itcontainsonlyonecircuitchip,butitcontainsaCPU,memory,inputandoutputinterfaces,isthefunctionofthemicrocomputercomponentintegration.SCMsystemisacombinationofhardwareandsoftwareproducts.AccordingtotheSCMsoftwarereferstothefunctionofcompilation.OnthespecificMCUsystemdesignshouldincludethedesignofsoftwareandhardware’sisthemoretypicalof80C51,itisbyAmericanIntelcompanyMCS-51productionoftypicalproductsof.Throughthehardwareandtheinstructionsystemispresented,whichistounderstandhowtowork,aswellasthehallmarkofhiswork.
Keywords:
singlechip,microcomputersystem80C51
引言
科技的进步需要技术不断的提升。
一块大而复杂的模拟电路花费了您巨大的精力，繁多的元器件增加了您的成本。
而现在，只需要一块几厘米见方的单片机，写入简单的程序，就可以使您以前的电路简单很多。
相信您在使用并掌握了单片机技术后，不管在您今后开发或是工作上，一定会带来意想不到的惊喜。
单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。
它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。
微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？
纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。
以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。
在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。
这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。
所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。
第一章单片机
1.1单片机的概述
1.1.1单片机的定义
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。
从上世纪80年代，由当时的4位、8为单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。
1.1.2单片机的历史及发展概况
单片微型计算机，简称“单片机”，也叫“MCU”（MicroControllerUnit，微控制器），她不是一台机器，而是一块集成电路芯片。
单片机是采用超大规模集成电路把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、冲断系统、定时器/计数器、AD转换器、通信接口和普通I/O口等集成到一块硅片上，构成的一个微型的、完整的计算机系统。
单片机的CPU相当于PC机的CPU，单片机的数据存储器RAM相当于PC机的内存，单片机的程序存储器ROM相当于PC机的硬盘，单片机的I/O口相当于PC机的显卡、网卡、扩展卡等的插槽……可见，麻雀虽小五脏俱全。
单片机的CPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）是单片机的核心部件，由控制单元、算术逻辑单元和寄存器单元等部分组成，实现逻辑运算。
根据数据总线的宽度和一次可处理的数据字节长度可分为8位CPU、16位CPU和32位CPU等。
单片机的位数也是根据单片机内部的CPU位数决定的，如8位单片机使用的8位CPU，16位单片机使用的是16位CPU，以此类推。
笔者看到有些书都把单片机称作微处理器是不准确的，微处理器只是计算机系统里的一个核心部件而已。
而单片机是一个完整的计算机系统，把它称为微控制器更准确些。
单片机自诞生以来，以其性能稳定、低电压低功耗、经久耐用、体积小、性价比高、控制能力强、易于扩展等优点，广泛应用于各个领域。
先后出现了4位单片机、8位单片机、16位单片机、32位单片机，在这几类单片机里最受追捧的是8位单片机，仍是目前单片机应用的主流。
随着电子技术的迅速发展，单片机的功能也越来越强大。
1975年，美国德州仪器公司（TI公司）首次推出4位单片机——TMS-1000单片机，标志着单片机诞生。
1976年Intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，使单片机发展进入一个新阶段。
MCS-48系列单片机内部集成了8位CPU、多个并行I/O口、8位定时器/计数器、小容量的RAM和ROM等，没有串行通信接口，操作简单。
1980年，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机，这就是当前大名鼎鼎的“51单片机”的祖先。
MCS-51系列单片机比MCS-48系列单片机有明显提高，内部增加了串行通信接口，具备多级中断处理系统，定时器/计数器由8位扩展为16位，扩大了RAM和ROM的容量。
MCS-51系列8位单片机因为性能可靠、简单实用、性价比高而深受欢迎，被誉为“最经典的单片机”。
各高校单片机教材都是以MCS-51系列8位单片机为内容教授单片机课程。
1983年，16为单片机问世，因为性价比不理想并未得到普及应用，主要应用于比较复杂的控制系统以及早期嵌入式系统。
进入90年代之后，随着集成电路技术的高速发展，32位单片机应运而生，嵌入式系统因此而得到推广。
单片机的诞生和应用，是控制电路设计的一次革命，让复杂的控制电路变得简单，让使用传统电路设计方法不可行的控制电路变成可行，让傻瓜产品变成智能产品……，当前热门的DSP技术和ARM技术都是单片机发展的产物。
应用单片机，就得先学会单片机编程。
单片机编程包括两项内容：
一是在开发软件上将C语言代码或汇编语言代码编译成hex文件;二是使用相应的单片机程序下载软件和下载线（编程器）将hex文件下载到单片机上。
单片机编程语言有两种：
汇编语言和C语言。
目前最流行的是C语言。
不同的单片机其开发软件是不一样的，如51单片机使用的是Kiel软件;PIC单片机使用的是MPLABIDE软件;AVR单片机使用的是ICCAVR软件或者AVRStudio软件，等等。
至于单片机程序下载软件和下载线（编程器）那就五花八门了，到处都有。
当程序下载到单片机后，单片机的外围电路满足要求时，程序便被执行，单片机就永不停歇的跑起来了。
1.1.3单片机的发展趋势
单片机的发展趋势是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。
为满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不同需求的产品。
1．CPU的改进
（1）增加CPU的数据总线宽度。
例如，各种16位单片机和32位单片机，其数据处理能力要优于8位单片机。
另外，8位单片机内部采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机。
（2）采用双CPU结构，以提高数据处理能力。
2．存储器的发展
（1）片内的程序存储器现在普遍采用闪速（Flash）存储器。
Flash存储器能在+5V下读／写，既有静态RAM的读／写操作简便，又有在掉电时数据不会丢失的优点。
使用片内Flash存储器，单片机可不用片外扩展程序存储器，大大简化了其应用系统结构。
（2）加大存储容量。
目前有的单片机片内程序存储器容量可达128KB甚至更多。
3．片内I/O的改进
（1）增加并行口的驱动能力，以减少外部驱动芯片。
有的单片机可以直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LED和VFD（荧光显示器）。
（2）有些单片机设置了一些特殊的串行I/O功能，为构成分布式、网络化系统提供了方便条件。
4．低功耗化
8位单片机产品已CMOS化，CMOS芯片的单片机具有功耗小的优点，而且为了充分发挥低功耗的特点，这类单片机普遍配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式。
在这些状态下低电压工作的单片机，其消耗的电流仅在μA或nag量级，非常适合于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其他消费类电子产品。
5．外围电路内装化
随着集成电路技术及工艺的不断发展，把所需的众多外围电路全部装入单片机内，即系统的单片化是目前单片机发展趋势之一。
例如，美国Cigna公司的C8051F0208位单片机，内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟周期，峰值处理能力为25MIPS。
片上集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测、看门狗、多种类型的串行接口（两个UART、SPI）等。
一片芯片就是一个“测控”系统。
综上所述，单片机正在向多功能、高性能、高速度（时钟达40MHz）、低电压（2.7V即可工作）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据存储器容量不断增大的方向发展。
1.1.4单片机的应用领域
1.家用电器领域
目前国内各种家用电器已普遍采用单片机控制取代传统的控制电路，做成单片机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭煲、电视机、录像机及其他视频、音像设备的控制器。
2.办公自动化领域
现代办公室中所使用的大量通信、信息产品多数都采用了单片机，如通用计算机系统中的键盘译码、磁盘驱动、打印机、绘图仪、复印机、电话、舌、传真机及考勤机等。
3.智能产品领域
单片机微处理器与传统的机械产品相结合，使传统机械产品结构简化、控制智能化构成新一代的机电一体化的产品O例如传真打字机采用单片机，可以取代近千个机械器件；缝纫机采用单片机控制，可执行多功能自动操作、自动调速，控制缝纫花样的选择。
51单片机还可以应用于智能仪表，用单片机微处理器改良原有的测量、控制仪表，能使仪表数字化、智能化·多功能化、综合化。
而测量仪器中的误差修正、线性化等问题也可迎刃而解。
4、测控系统
使用单片机微处理器可以设计各种工业控制系统、环境控制系统、数据控制系统、例如温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统等。
在目前数字控制系统的简易控制机中，采用单片机可提高可靠性，增强其功能、降低成本。
5.智能接口
微电脑系统，特别是较大型的工业测控系统中，除外围装置（打印机、键盘、磁盘CRT）外，还用许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口。
这些外围装置与接口如果完全由主机进行管理，势必造成主机负担过重，降低执执行速度，如果采用单片机进行接口的控制和管理，单片机微处理器与主机可以并行工作，会大大地提高系统的执行速度。
如在大型数据采集系统中，用单片机对模拟/数字转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预先处理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。
在通信接口中采用单片机可对数据进行编码译码、分配管理、接收/发送控制等。
6.商业营销领域
在商业营销系统中已广泛使用的电子秤、收款机、条形码阅读器、仓储安全监测系统主要由于这种系统有明显的抗病菌侵害、抗电磁干扰等高可靠性能的保证。
7.工业自动化
如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，这些系统除一些小型工控机外，许多都是以单片机为核心的单机或多机网络系统，如工业机器人的控制系仃走系统、擒拿系统等节已等节点构成的多机网络系统
8.汽车电子与航空航天电子系纤统。
通常在这些电子系统中的集中显示系统:
动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统及运行监视器等，都要构成冗余的网络系统。
单片机的应用意义绝不限于它的功能及所带来的经济效益上。
更重要的意义在于，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。
这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称为“微控制技术”。
这标志着一种全新概念的建立。
随着单片机应用技术的推广、普及，微控制技术必将不断发展、日益完善、更加充实。
1.2单片机的结构和原理
1.2.1单片机内部结构：
微处理器（CPU）主要由：
运算器、数据总线、控制器组成。
运算器内部我们不去细研究只要知道组成，关键是如何控制它使用它，而我们能操作的只有累加器A、寄存器B、程序状态字寄存器PSW；而控制器是计算机的指挥中心，如人脑的神经中枢，有必要搞清它的组成和原理。
控制器包括：
1.指令部件
包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器等；
①程序计数器PC：
（Program Counter）
程序是指令的集合，计算机运行时，通常按顺序执行存放在存储器中的程序。
先由PC指出当前要执行指令的地址，每当该指令取出后，PC的内容自动加1（除转移指令外），指向按顺序排列的下一条指令的地址。
在正常情况下，CPU按顺序逐条地执行指令。
如遇转移指令（JMP）、调用子程序指令（CALL）或返回指令（RET）等，这些指令就会把下一条指令的地址直接置入PC中。
程序计数器的位数决定了CPU所能寻址的存储空间。
②指令寄存器IR（Instruction Register）
它用来存放当前要执行的指令内容，它包括操作码和地址码两部分。
操作码送往指令译码器；地址码送往操作数地址形成电路。
③指令译码器ID:
（Instruction Decoder）
它是分析指令功能的部件。
堆栈指示器SP（Stack Pointer）
堆栈指针是专用的寄存器，堆栈区一般设置在内存单元区RAM。
堆栈中的数据是以“后进先出”的结构方式处理的。
对于处理中断、调用子程序非常方便。
实现堆栈的方式有两种，既硬件堆栈和软件堆栈；常用软件堆栈。
软件堆栈是开辟某一内存区域作为堆栈，如MOV SP，#70H；就是将栈顶设置在70H（相当于门牌号）单元（注：
CPU上电复位后SP的地址为07H单元，应在主程序开始时将SP的地址设置在RAM区的上端如70H），程序运行时栈顶由CPU的堆栈指针SP自动管理，读者不需搞清原理，但要留有足够空间便于程序压栈（PUSH）和出栈 （POP）。
如使用中断时要注意压栈和出栈操作。
PUSH XX；POP XX；SP指针相应加1或减1。
2.时钟系统
在微型机中，一般都使用石英电源|稳压器一旦通电，脉冲源立即以固定的频率重复发出矩行脉冲。
两个相邻脉冲前沿的时间间隔，称为一个时钟周期或T.它是CPU操作的最小时间单位。
由12个时钟周期组成一个机器周期。
一条指令的取出和执行所需时间称为指令周期。
3.数据指针DPTR
它是一个16位寄存器，由高位字节DPH和低位字节DPL组成。
它的功能是存放16位的地址。
作为访问外部程序存储器和外部数据存储器时的地址指针。
4.寄存器区
单片机8051的内部有两片寄存器区，一片在片内RAM区的低端，占00-1FH共32个单元，每8个单元为一组或一区（用R0-R7表示8个寄存器），共4组，究竟 用哪一区，由特殊功能寄存器PSW中的RS1，RS0的取值决定，该寄存器区称为工作寄存器或通用寄存器区。
另一片在内部RAM的高端，占80H-0FFH共128个单元，叫特殊寄存器区。
这些特殊寄存器的用法以后详解。
1.2.2单片机的原理
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。
存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。
程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。
第二章80C51单片机
2.180C51家族的简介
虽然目前单片机的品种很多，但其中最具代表性的当属Intel公司的MCS-51单片机系列。
MCS-51以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。
MCS-51系列的典型芯片是80C51（CHMOS型的8051）。
为此，众多的厂商都介入了以80C51为代表的8位单片机的发展，如Philips、Siemens（Inline）、Dallas、ATMEL等公司，我们把这些公司生产的与80C51兼容的单片机统称为80C51系列。
特别是在近年来，80C51系列又有了许多发展，推出了一些新产品，主要是改善单片机的控制功能，如内部集成了高速I/O口、ADC、PWM、WDT等，以及低电压、微功耗、电磁兼容、串行扩展总线和控制网络总线性能等。
ATMEL公司研制的89CXX系列是将flashmemory（EEPROM）集成在80C51中，作为用户程序存储器，并不改变80C51的结构和指令系统。
Philips公司的83/87CXX系列不改变80C51的结构、指令系统，省去了并行扩展总线，属于非总线的廉价性单片机，特别适合于家电产品。
Inline（原Siemens半导体）公司推出的C500系列单片机在保持与80C51兼容的前提下，增强了各项性能，尤其是增强了电磁兼容性能，增加了CAN总线接口，特别适用于工业控制、汽车电子、通信和家电领域。
鉴于80C51系列在硬件方面的的广泛性、代表性和先进性以及指令系统的兼容性，可用其作为本教材的介绍对象；至于其他类型的单片机，在深入学习和掌握了80C51单片机之后再去学习已不是什么难事。
80C51单片机系列芯片如表1-1所列。
表中列出了80C51单片机系列的芯片型号，以及它们的技术性能指标，可以对它们的基本情况有一个概括的了解。
下面在这个表的基础上对80C51系列单片机作进一步说明。
2.1.151子系列和52子系列
80C51系列又分为51和52两个字系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。
其中51子系列市基本型，而52子系列则书增强型。
52子系列功能增强的具体方面，从表1-1所内容中可以看出：
片内ROM葱4KB（千字节）增加到8KB；
片内RAM从128B增加到256B；
定时器/计数器从2个增加3个；
中断源从5个增加到6个。
表1-180C51系列单片机分类表
系列典型芯片片内ROM形式片内RAM并行I/O口定时器/计数中段源串行I/O
51子系列80C31无128B4*82*1651
80C514KB掩膜ROM128B4*82*1651
87C514KBEPPROM128B4*82*1651
89C514KBEEPROM128B4*82*1651
52子系列80C32无256B4*83*1661
80C528KB掩膜ROM256B4*83*1661
87C528KBEPPROM256B4*83*1661
89C528KBEEPROM256B4*83*1661
205189C20512KBEEPROM128B2*82*1651
2.1.2.片内ROM存储器配置形式
80C51单片机片内程序存储器有多种配置形式，即：
无、掩膜ROM（厂家一次性写入的ROM）、EPROM和EEPROM（Flash）。
这几种配置形式对应着不同的单片机芯片，它们各有特点，也各有其适用场所，在使用时应根据需要进行选择。
目前较普遍采用的表述方式是：
内部程序存储器有两种配置形式，它们是OTP（onetimeprogrammable,一次性可编程）和MTP（multi-timesprogrammable，多次性可编程）。
注意两种表述方式的异同。
2.280C51的硬件结构
2.2.1引脚功能
40个引脚大致可分为4类：
电源、时钟、控制和I/O引脚。
⒈电源:
⑴VCC-芯片电源，接+5V；
⑵VSS-接地端；
⒉时钟:
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
⒊控制线:
控制线共有4根，
⑴ALE/PROG:
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
①ALE功能：
用来锁存P0口送出的低8位地址
②PROG功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
⑵PSEN:
外ROM读选通信号。
⑶RST/VPD:
复位/备用电源。
①RST（Reset）功能：
复位信号输入端。
②VPD功能：
在Vcc掉电情况下，接备用电源。
⑷EA/Vpp:
内外ROM选择/片内
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