单片机原理和应用答案Word文档格式.docx
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2-16
设计一个按键电路。
当按键长按5s以上时，系统复位；
当按键短时间按时，系统控制LED灯的开关。
0.1解：
单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），简称单片机。
就是将微处理器（CPU）、存储器（存放程序或数据的ROM和RAM）、总线、定时器/计数器、输入/输出接口（I/O口）和其他多种功能器件集成在一块芯片上的微型计算机。
单片机的主要特点有：
（1）可靠性高
（2）便于扩展（3）控制功能强（4）低电压、低功耗（5）片内存储容量较小，除此之外，单片机还具有集成度高、体积小、性价比高、应用广泛、易于产品化等特点
0.2解：
当前单片机的主要产品有：
Intel的8051系列、Motorola的M68HC系列、Philips（飞利浦）的80C51系列、台湾义隆公司（EMC）EM78系列单片机、美国Microchip公司的PIC单片机系列、Atmel公司的AT90系列单片机Ubicom公司的Scenix单片机、日本爱普生科技公司的Epson单片机、Zilog公司的Z86系列、美国国家半导体公司NSCOP8单片机、台湾Winbond（华邦）的W78系列等。
MCS-51为主流产品。
MSP430的功能较强。
是一种特低功耗的Flash微控制器。
主要用于三表及超低功耗场合。
EM78系列单片机采用高速CMOS工艺制造，低功耗设计为低功耗产品，价格较低。
具有三个中断源、R-OPTION功能、I/O唤醒功能、多功能I/O口等。
具有优越的数据处理性能，采用RISC结构设计。
Microship单片机是市场份额增长较快的单片机。
它的主要产品是PIC系列8位单片机。
CPU采用RISC结构，运行速度快，价格低适于用量大、档次低、价格敏感的产品。
Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。
其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。
AVR是增强RISC内载Flash的单片机，单片机内部32个寄存器全部与ALU直接连接，突破瓶颈限制，每1MHz可实现1MIPS的处理能力，为高速、低功耗产品。
端口有较强的负载能力，可以直接驱动LED。
支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。
Scenix单片机除传统的I/O功能模块如并行I/O、UART、SPI、I2C、A/D、PWM、PLL、DTMF等，增加了新的I/O模块（如USB、CAN、J1850、虚拟I/O等）。
其特点是双时钟设置，指令运行速度较快，具有虚拟外设功能，柔性化I/O端口，所有的I/O端口都可单独编程设定。
Epson单片机主要为日本爱普生科技公司生产的LCD配套。
其单片机的特点是LCD驱动部分性能较好，低电压、低功耗。
Z8单片机是Zilog公司的主要产品，采用多累加器结构，有较强的中断处理能力。
价格低。
COP8单片机片内集成了16位A/D，内部使用了抗电磁干扰EMI（ElectroMagneticInterference）电路，在看门狗电路及单片机的唤醒方式上都有独到之处。
程序加密控制功能也比较好。
W78系列与标准的8051兼容，W77系列为增强型51系列，对8051的时序作了改进，在同样时钟频率下，速度提高2.5倍。
FlashROM容量从4KB到64KB，有ISP功能。
0.3解：
（1）第一阶段（1974—1976年）：
制造工艺落后，集成度低，而且采用了双片形式。
典型的代表产品有Fairchild公司的F8系列。
其特点是：
片内只包括了8位CPU，64B的RAM和两个并行口，需要外加一块3851芯片（内部具有1KB的ROM、定时器/计数器和两个并行口）才能组成一台完整的单片机。
（2）第二阶段（1977—1978年）：
在单片芯片内集成CPU、并行口、定时器/计数器、RAM和ROM等功能部件，但性能低，品种少，应用范围也不是很广。
典型的产品有Intel公司的MCS-48系列。
其特点是，片内集成有8位的CPU，1KB或2KB的ROM，64B或128B的RAM，只有并行接口，无串行接口，有1个8位的定时器/计数器，中断源有2个。
片外寻址范围为4KB，芯片引脚为40个。
（3）第三阶段（1979—1982年）：
8位单片机成熟的阶段。
其存储容量和寻址范围增大，而且中断源、并行I/O口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加，并且集成有全双工串行通信接口。
在指令系统方面增设了乘除法、位操作和比较指令。
其特点是，片内包括了8位的CPU，4KB或8KB的ROM，128B或256B的RAM，具有串/并行接口，2个或3个16位的定时器/计数器，有5～7个中断源。
片外寻址范围可达64KB，芯片引脚为40个。
代表产品有Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的MC6805系列，TI公司的TMS7000系列，Zilog公司的Z8系列等。
（4）第四阶段（1983年至今）：
16位单片机和8位高性能单片机并行发展的时代。
16位机的工艺先进，集成度高，内部功能强，运算速度快，而且允许用户采用面向工业控制的专用语言，其特点是，片内包括了16位的CPU，8KB的ROM，232B的RAM，具有串/并行接口，4个16位的定时器/计数器，有8个中断源，具有看门狗（Watchdog），总线控制部件，增加了D/A和A/D转换电路，片外寻址范围可达64KB。
代表产品有Intel公司的MCS-96系列，Motorola公司的MC68HC16系列，TI公司的TMS9900系列，NEC公司的783×
×
系列和NS公司的HPC16040等。
然而，由于16位单片机价格比较贵，销售量不大，大量应用领域需要的是高性能、大容量和多功能的新型8位单片机。
近年来出现的32位单片机，是单片机的顶级产品，具有较高的运算速度。
代表产品有Motorola公司的M68300系列和Hitachi（日立）公司的SH系列、ARM等。
0.4解：
面对工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。
单片机从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的，能最好的满足对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行以及非凡的控制品质要求。
0.5解：
选择原则：
主要从指令结构、运行速度、程序存储方式和功能等几个方面选择单片机。
Motorola是世界上最大的单片机厂商。
品种全、选择余地大、新产品多。
其特点是运行速度快，低价位，适用于量大、档次低、价格敏感的产品。
美国德州仪器（TI）公司生产的MSP430系列单片机是一种特低功耗的Flash微控制器。
在嵌入式系统低端的单片机领域，Intel公司的MCS-51形成了既具有经典性又不乏生命力的一个单片机系列。
许多半导体厂家、电器公司以MCS-51系列中的8051为基核，推出了许多兼容性的CHMOS单片机----80C51系列。
此外，还有Zilog、EM78、Senix、NEC、Epson、NS、三星、富士通、华邦、Philips、ARM等单片机。
第1章
1.1解：
PIC系列8位单片机是Microship公司的产品。
1.2解：
MCS-51单片机在片内集成了中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行I/O接口、串行I/O接口和中断系统等几大单元。
CPU是整个单片机的核心部件，由运算器和控制器组成。
运算器可以完成算术运算和逻辑运算，其操作顺序在控制器控制下进行。
控制器是由程序计数器PC（ProgramCounter）、指令寄存器IR（InstructionRegister）、指令译码器ID（InstructionDecoder）、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路组成。
CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。
程序存储器（ROM）用于存储程序、常数、表格等。
数据存储器（RAM）用于存储数据。
8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器T0和T1，均为二进制加1计数器。
可用于定时和对外部输入脉冲的计数。
8051的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级控制器IP等电路组成。
其中，IE用于控制5个中断源中哪些中断请求被允许向CPU提出，哪些中断源的中断请求被禁止；
IP用于控制5个中断源的中断请求的优先权级别。
I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力。
可分为串行和并行I/O接口。
1.3解：
80C51单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位双向口，共占32根引脚。
每个端口都包括一个锁存器（即专用寄存器P0～P3）、一个输入驱动器和输入缓冲器。
通常把4个端口称为P0～P3。
在无片外扩展的存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为双向通用I/O端口使用。
在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。
1.4解：
控制线一共有6条：
（1）ALE/
：
地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。
在访问片外存储器时，8051ＣＰＵ在P0.7～P0.0引脚上输出片外存储器低８位地址的同时在ALE/
上输出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低８位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7～P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。
在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/
上输出频率为fosc/6的脉冲序列。
该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。
（2）
/Vpp：
允许访问片外存储器／编程电源线，可以控制8051使用片内ＲＯＭ还是使用片外ＲＯＭ。
若
＝０，则允许使用片内ＲＯＭ；
＝１则允许使用片外ＲＯＭ。
（3）
片外ＲＯＭ选通线，在执行访问片外ＲＯＭ的指令ＭＯＶＣ时，8051自动在
上产生一个负脉冲，用于为片外ＲＯＭ芯片的选通。
其他情况下
线均为高电平封锁状态。
（4）RST/VPD：
复位／备用电源线，可以使８０５１处于复位工作状态。
1.５解：
指令：
人为输入计算机，由计算机识别并执行一步步操作的命令的形式称为指令。
程序：
一系列指令的有序集合称为程序。
程序在计算机中是按序执行的，CPU通过程序计数器PC控制程序的执行顺序，一般情况下程序是按序执行的，当执行转移、调用、返回等指令时，程序转移到相应的目的地址处执行。
CPU根据程序计数器PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，产生执行本条指令所需的全部信号，完成本条指令的执行。
1.6解：
（1）８０Ｃ５１在结构上的特点
８０Ｃ５１采用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Harvard结构。
（2）在物理和逻辑上的地址空间
存储器上设有４个存储器空间：
片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。
在逻辑上有３个存储器地址空间：
片内、片外统一的６４ＫＢ程序存储器地址空间，片内２５６Ｂ数据存储器地址空间，片外６４ＫＢ的数据存储器地址空间。
（3）访问格式
访问片内ＲＡＭ采用ＭＯＶ格式
访问片外ＲＡＭ采用ＭＯＶＸ格式
1.7解：
堆栈是一个特殊的存储区。
主要功能是暂时存放数据和地址，通常用来保护断点和现场。
它的特点是按照“先进后出”的存取数据。
堆栈指针SP是一个8位寄存器，是用于指示堆栈的栈顶地址的寄存器，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。
1.8解：
８０５１有21个特殊功能寄存器（PC除外），它们被离散地分布在内部RAM的80H～FFH地址单元中，共占据了128个存储单元，其中有83位可以位寻址。
特殊功能寄存器SFR的分布和功能见教材P18表1.2.2。
1.9解：
８０５１单片机的４个Ｉ／Ｏ口在结构上是基本相同的，但又各具特点。
这四个端口都是８位双向口，每个端口都包括一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。
在无片外扩展存储器的系统中，这四个端口的每一位都可以作为双向通用Ｉ／Ｏ端口使用。
在作为一般的通用Ｉ／Ｏ输入时，都必须先向锁存器写入“１”，使输出驱动场效应管ＦＥＴ截止，以免误读数据。
各自特点如下：
（1）P0口为双向8位三态I/O口，它既可作为通用I/O口，又可作为外部扩展时的数据总线及低8位地址总线的分时复用口。
作为通用I/O口时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器；
输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。
每个引脚可驱动8个TTL负载。
（2）P1口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，一般作通用I/O口使用，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线，作为输入时，锁存器必须置1。
每个引脚可驱动4个TTL负载。
（3）P2口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可直接连接外部I/O设备。
它与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。
一般作为外部扩展时的高8位地址总线使用。
（4）P3口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，它是双功能复用口，每个引脚可驱动4个TTL负载。
作为通用I/O口时，功能与P1口相同，常用第二功能。
作为第二功能使用时，各位的作用见教材P23表1.2.5所示。
1.10解：
数据指针DPTR是16位的专用寄存器，它由两个8位的寄存器DPH（高8位）和DPL（低8位）组成。
专门用来寄存片外RAM及扩展I/O口进行数据存取时的地址。
编程时，既可以按16位寄存器来使用，也可以按两个8位寄存器来使用（即高位字节寄存器DPH和低位字节寄存器DPL）。
DPTR主要是用来保存16位地址，当对64KB外部数据存储器寻址时，可作为间址寄存器使用，
1.11解：
程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。
各个标志位的意义如下：
PSW.7（Cy）：
进位标志位。
PSW.6（AC）：
辅助进位标志位，又称为半进位标志位。
PSW.5（F0）：
用户标志位。
PSW.4、PSW.3（RS1和RS0）：
寄存器组选择位。
PSW.2（OV）：
溢出标志位。
PSW.1（空缺位）：
此位未定义。
PSW.0（P）：
奇偶校验位。
1.12解：
开机复位后，ＣＰＵ使用的是第０组工作寄存器。
它们的地址是００Ｈ－０７Ｈ。
ＣＰＵ通过对程序状态字ＰＳＷ中ＲＳ１和ＲＳ０的设置来确定和改变当前工作寄存器组。
１.13解：
8051片内数据存储器有２５６Ｂ寻址空间。
存储器空间的地址范围为：
00Ｈ—－FFＨ
在这个存储器空间又可分为：
基本的数据存储区：
００Ｈ—－７ＦＨ，可划分为工作寄存器、位寻址区、堆栈与数据缓冲区。
ＳＦＲ空间：
８０Ｈ——ＦＦH
1.14解：
片内ＲＡＭ低１２８单元划分及主要功能如下：
（1）工作寄存器组（００Ｈ——１ＦＨ）
这是一个用寄存器直接寻址的区域，内部数据ＲＡＭ区的０—３１，共３２个单元。
它是４个通用工作寄存器组，每个组包含８个８位寄存器，编号为Ｒ０——Ｒ７。
（2）位寻址区（２０Ｈ——２ＦＨ）
１６个字节单元，共包含１２８位，这１６个字节单元既可以进行字节寻址，又可以实现位寻址。
主要用于位寻址。
（3）堆栈与数据缓冲区（３０Ｈ——７ＦＨ）
用于设置堆栈、存储数据。
1.15解：
程序存储器通过
/Vpp引脚选择。
数据存储器通过指令区分：
访问片内ＲＡＭ采用ＭＯＶ指令，访问片外ＲＡＭ采用ＭＯＶＸ指令。
1.16解：
时钟周期又称为振荡周期，由单片机内部振荡电路OSC产生，定义为OSC时钟频率的倒数。
时钟周期又称为节拍（用P表示）。
时钟周期是时序中的最小单位。
一个状态有两个节拍，
机器周期定义为实现特定功能所需的时间。
MCS-51的机器周期由12个时钟周期构成。
执行一条指令所需要的时间称为指令周期，指令周期是时序中的最大单位。
由于机器执行不同指令所需的时间不同，因此不同指令所包含的机器周期数也不尽相同。
MCS-51的指令可能包括1～4个不等的机器周期。
当MCS-51的主频为12MHz时，一个机器周期为1s。
执行一条指令需要的最长时间为4s。
1.17解：
8051单片机复位后机器的初始状态，即各寄存器的状态：
ＰＣ之外，复位操作还对其它一些特殊功能寄存器有影响，它们的复位状态如下：
寄存器
复位时内容
PC
0000Ｈ
TCON
0×
000000B
ACC
00H
TL0
B
TH0
PSW
TH1
SP
07H
DPTR
0000H
SCON
P0—P3
FFH
SBUF
不确定
TMOD
PCON
0000B
单片机复位方法有：
上电自动复位，按键电平复位和外部脉冲三种方式。
第2章
2.1解：
8051的指令系统由111条指令组成。
如果按字节数分类，有49条单字节指令46条双字节指令和16条三字节指令，以单字节指令为主；
如果按照指令执行时间分类，有64条单周期指令、45条双周期指令和２条四周期指令，以单周期指令为主。
8051的指令系统具有以下特点：
（1）存储效率高、执行速度快，可以进行直接地址到直接地址的数据传送，能把一个并行I/O口中的内容传送到内部RAM单元中而不必经过累加器A或工作寄存器Rn。
这样可以大大提高传送速度和缓解累加器A的瓶颈效应。
（2）用变址寻址方式访问程序存储器中的表格，将程序存储器单元中的固定常数或表格字节内容传送到累加器A中。
这为编成翻译算法提供了方便。
（3）在算术运算指令中设有乘法和除法指令
（4）指令系统中一些对I/O口进行操作的指令具有“读——修改——写”的功能。
这一功能指:
在执行读锁存器的指令时，CPU首先完成将锁存器的值通过缓冲器BUF2度入内部，进行修改、改变，然后重新写到锁存器中去。
这种类型指令包含所有的逻辑操作和位操作指令。
（5）8051单片机内部有一个布尔处理器，对为地址空间具有丰富的位操作指令。
布尔操作类指令有17条，包括布尔传送指令、布尔状态控制指令、布尔逻辑操作指令、布尔条件转移指令。
2.2解：
MCS-51单片机指令系统按功能可分为5类：
（1）数据传送指令
（2）算术运算指令
（3）逻辑运算和移位指令
（4）控制转移指令
（5）位操作指令
MCS-51单片机的指令系统提供了七种寻址方式，其对应的寻址范围如下表：
寻址方式
使用的变量
寻址范围
立即寻址
程序存储器
直接寻址
内部RAM低128个字节；
特殊功能寄存器SFR
寄存器寻址
R0~R7；
A、B、DPTR、C
寄存器间接寻址
@R0、@R1、SP
内部RAM、堆栈指针SP
@R0、@R1、@DPTR
外部RAM
变址寻址
@A+PC、@A+DPTR
相对寻址
PC+偏移量
位寻址
内部RAM低128B位寻址区
可位寻址的特殊功能寄存器位
2.3解:
访问特殊功能寄存器，应采用直接寻址、位寻址方式。
访问外部数据存储器，应采用寄存器间接寻址方式。
在0～255B范围内，可用寄存器R0、R1间接寻址：
MOVXA，@R0或MOVXA，@R1
MOVX@R0，A或MOVX@R1，A
在0～64KB范围内，可用16位寄存器DPTR间接寻址：
MOVXA，@DPTR
MOVX@DPTR，A
2.4解：
这条指令是在进行BCD码加法运算时，跟在“ADD”和“ADDC”指令之后，用来对BCD码的加法运算结果自动进行修正的，使其仍为BCD码表达形式。
在计算机中，遇到十进制调整指令时，中间结果的修正是由ALU硬件中的十进制修正电路自动进行的。
用户不必考虑何时该加“6”，使用时只需在上述加法指令后面紧跟一条“DAA”指令即可。
2.5解:
虽然内部RAM位寻址区的位地址范围00H～7FH与低128个单元的单元地址范围00H～7FH形式完全相同，但是在应用中可以通过指令的类型区分单元地址和位地址。
位寻址的操作只适用于下列位指令，而直接寻址操作对这些指令是无效的。
MOVC，bit
MOVbit，C
CLRbit
SETBbit
CPLbit
ANLC，bit
ANLC，/bit
JBbit，rel
JNBbit，rel
2.6解:
在实际应用中，可从寻址范围和指令长度两个方面来选择长跳转指令LJMP和短跳转指令AJMP、长调用指令LCALL和短调用指令ACALL。
长跳转LJMP在64KB范围内转移，而短跳转AJMP只能在2KB
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