《单片机原理》 讲稿 生物医学工程
1 《单片机原理》 讲稿 生物医学工程
第一章 基础知识 1.1单片机的历史及发展概况 单片机--一-单片微型计算机简称为单片机，它是把组成微型计 算机的各种功能部件：中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储 器ROM,I/0接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作 在一块集成芯片上而构成的一个完整的微型计算机。由于它的结构与 指令功能都是按照工业控制要求设计的，故有称为单片微控制器（或 单片微型计算机)。 单片机发展的三个阶段：单片机作为微型计算机的一个分支，其 产生与发展主要分为三个阶段： 1.初级单片机，代表芯片MCS-48。单片机内部集成有8位CPU、 并行I/0口、8位定时器/计数器、RAM等，无串行口，寻址范围不大 于4K。 2.高性能单片机，典型芯片MCS-51。片内继承有串行I/0口， 具有多级中断系统，定时器/计数器为16位，片内RAM和ROM容量相 对增大，寻址范围可达64K。该类单片机在我国大量使用。 3.8位单片机巩固、完善及16位单片机推出阶段，典型芯片 MCS-96。CPU为16位，片内RAM/ROM容量进一步增大，集成有高速 输入/输出部件、多级中断、多通道A/D等。 4.32位单片机阶段（嵌入系统）。32位单片机已进入实用阶段 (ARM系统)。 2
2 第一章 基础知识 1.1 单片机的历史及发展概况 单片机-----单片微型计算机简称为单片机，它是把组成微型计 算机的各种功能部件：中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储 器 ROM，I/O 接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作 在一块集成芯片上而构成的一个完整的微型计算机。由于它的结构与 指令功能都是按照工业控制要求设计的，故有称为单片微控制器（或 单片微型计算机）。 单片机发展的三个阶段：单片机作为微型计算机的一个分支，其 产生与发展主要分为三个阶段： 1. 初级单片机，代表芯片 MCS-48。单片机内部集成有 8 位 CPU、 并行 I/O 口、8 位定时器/计数器、RAM 等，无串行口，寻址范围不大 于 4K。 2. 高性能单片机，典型芯片 MCS-51。片内继承有串行 I/O 口， 具有多级中断系统，定时器/计数器为 16 位，片内 RAM 和 ROM 容量相 对增大，寻址范围可达 64K。该类单片机在我国大量使用。 3. 8 位单片机巩固、完善及 16 位单片机推出阶段，典型芯片 MCS-96。CPU 为 16 位，片内 RAM/ROM 容量进一步增大，集成有高速 输入/输出部件、多级中断、多通道 A/D 等。 4. 32 位单片机阶段（嵌入系统）。32 位单片机已进入实用阶段 （ARM 系统）
1.2单片机的应用 单片机是为了实现控制功能而设计的一种微型计算机，其应用首 先是控制功能。实现手段为嵌入方式，即嵌入到对象环境中作为一种 智能控制单元。其应用已深入到我们生活的各个方面。 1.仪器仪表中的应用 温度、湿度、流量、流速、压力、厚度、电压、电流、频率等的 测量仪表。 优点：数字化、智能化、微型化，功能提高。 2.网络通讯。 3.测控系统。 4.日用家电。 1.3具体应用实例 测控线路 测控处理 GPRS模 及传感器 器(CPU) 块 数据服务 NTERNET网络 电讯网络 器 电力线 3 耦合线路 耦合线路
3 1.2 单片机的应用 单片机是为了实现控制功能而设计的一种微型计算机，其应用首 先是控制功能。实现手段为嵌入方式，即嵌入到对象环境中作为一种 智能控制单元。其应用已深入到我们生活的各个方面。 1. 仪器仪表中的应用 温度、湿度、流量、流速、压力、厚度、电压、电流、频率等的 测量仪表。 优点：数字化、智能化、微型化，功能提高。 2. 网络通讯。 3. 测控系统。 4. 日用家电。 1.3 具体应用实例 测控线路 及传感器 测控处理 器（CPU） GPRS 模 块 数据服务 INTERNET 网络 电讯网络 器 耦合线路 耦合线路 电力线
第二章单片机的结构原理与简单应用 提要：MCS-51单片机的硬件结构与工作原理。熟悉、理解单片 机硬件结构对于应用设计者是十分重要的，因为它是单片机应用系统 设计的基础。本章，我们要全面了解MCS-51单片机的硬件功能、系 统结构、存储器结构、I/0口、复位电路、CPU时序、CPU引脚功能 和单片机的工作方式等。 MCS-51系列单片机是Intel公司生产的一系列单片机的总称， 这一系列的单片机包含有很多品种，如8031、8051、8751、8032、 8052、8752等。功能有增有减，指令兼容。 2.1MCS-51单片机结构原理与简单应用 介绍MCS-51单片机的硬件结构，特别是面向用户的一些硬件结 构，并将从硬件设计和程序设计的角度来分析MCS-51单片机的硬件 结构，重点介绍其应用特性和外部特性，即从用户的角度来分析：单 片机向我们提供了哪些资源及如何使用这些资源。 2.1.1MCS-51单片机硬件结构的特点 1.ROM和RAM 存储器类型 掩模ROM EPROM RAM 单片机系列 8031 128B 8051 4KB 128B 8751 4KB 128B 8032 256B 5
5 第二章 单片机的结构原理与简单应用 提要：MCS-51 单片机的硬件结构与工作原理。熟悉、理解单片 机硬件结构对于应用设计者是十分重要的，因为它是单片机应用系统 设计的基础。本章，我们要全面了解 MCS-51 单片机的硬件功能、系 统结构、存储器结构、I/O 口、复位电路、CPU 时序、CPU 引脚功能 和单片机的工作方式等。 MCS-51 系列单片机是 Intel 公司生产的一系列单片机的总称， 这一系列的单片机包含有很多品种，如 8031、8051、8751、8032、 8052、8752 等。功能有增有减，指令兼容。 2.1 MCS-51 单片机结构原理与简单应用 介绍 MCS-51 单片机的硬件结构，特别是面向用户的一些硬件结 构，并将从硬件设计和程序设计的角度来分析 MCS-51 单片机的硬件 结构，重点介绍其应用特性和外部特性，即从用户的角度来分析：单 片机向我们提供了哪些资源及如何使用这些资源。 2.1.1 MCS-51 单片机硬件结构的特点 1. ROM 和 RAM 存储器类型 单片机系列 掩模 ROM EPROM RAM 8031 / / 128B 8051 4KB / 128B 8751 / 4KB 128B 8032 / / 256B
8052 8KB 256B 2.1/0口 MCS-51有32根I/0线，形成4个端口：P0、P1、P2和P3口， 有的口线是多功能I/0线。 3.中断与堆栈 MCS-51有5个中断源：内部3个，外部2个，分为2个中断优 先级。 堆栈位置是可以编程的，堆栈深度可以达128B。 4.定时器/计数器、寄存器区 MCS-51有2个16位的定时器/计数器，通过编程实现4种工作 模式，4个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中 断或子程序嵌套。 5.指令系统 +、-、X、/、逻辑、数据传送、堆栈操作。 6.外部程序存储器和数据存储器寻址空间 MCS-51:DATA,64K:CODE,64K. 7.布尔处理器 8.串行通讯口. 1个全双工串行异步通讯口。 2.1.2MCS-51单片机引脚及片外总线结构 1.引脚功能 40--VCC,外部电源，接+5V电源电压： 6
6 8052 8KB / 256B 2. I/O 口 MCS-51 有 32 根 I/O 线，形成 4 个端口：P0、P1、P2 和 P3 口， 有的口线是多功能 I/O 线。 3. 中断与堆栈 MCS-51 有 5 个中断源：内部 3 个，外部 2 个，分为 2 个中断优 先级。 堆栈位置是可以编程的，堆栈深度可以达 128B。 4. 定时器/计数器、寄存器区 MCS-51 有 2 个 16 位的定时器/计数器，通过编程实现 4 种工作 模式，4 个通用工作寄存器区，共 32 个通用寄存器，以适应多种中 断或子程序嵌套。 5. 指令系统 +、-、X、/、逻辑、数据传送、堆栈操作。 6. 外部程序存储器和数据存储器寻址空间 MCS-51： DATA，64K；CODE，64K。 7. 布尔处理器 8. 串行通讯口. 1 个全双工串行异步通讯口。 2.1.2 MCS-51 单片机引脚及片外总线结构 1. 引脚功能 40---VCC，外部电源，接+5V 电源电压；
20一VSS,接地引脚： 18、19-----XTAL1、XTAL2外部晶体接入脚； 9-----RST/VPD,复位引脚和备用电源接入脚。VCC掉电期间，9 脚接入电源，以保持片内的RAM数据。VCC加电期间为复位信号接入 端。 30----ALE/PROG,访问外部存储器时，ALE的输出用于锁存地址 的低位字节。对于EPROM型的单片机，在EPROM编程期间，此引脚用 于输入编程脉冲。 29---PSEN,外部程序存储器的选通信号。从外部程序存储器取 指令期间，每个机器周期PSEN两次有效。 31---EA/VPP,EA为高电平，访问内部存储器，当PC(程序计数 器)值超过0FFFH后(8051/8751/80C51)或1FFFH(对8052)时， 将自动转向执行外部程序存储器内的程序。EA为低电平，则只访问 外部程序存储器。 对EPROM型的单片机(8751)，在EPROM编程期间，该引脚加编 程电压。 3239----P0口，双向8位三态I/0口，在外接存储器时，与 地址总线的低8位及数据总线分时复用，能以吸收电流的方式驱动8 个LSTTS负载。 18-----P1口，8位准双向I/0口。P1口能驱动（吸收或输出） 4个LSTTS负载。对EPROM编程和校验期间，接收低8位地址。 2128-P2口，8位准双向I/0口。访问外部存储器时，作为 1
7 20—VSS，接地引脚； 18、19-----XTAL1、XTAL2 外部晶体接入脚； 9-----RST/VPD，复位引脚和备用电源接入脚。VCC 掉电期间，9 脚接入电源，以保持片内的 RAM 数据。VCC 加电期间为复位信号接入 端。 30----ALE/PROG，访问外部存储器时，ALE 的输出用于锁存地址 的低位字节。对于 EPROM 型的单片机，在 EPROM 编程期间，此引脚用 于输入编程脉冲。 29----PSEN，外部程序存储器的选通信号。从外部程序存储器取 指令期间，每个机器周期 PSEN 两次有效。 31---EA/VPP，EA 为高电平，访问内部存储器，当 PC（程序计数 器）值超过 0FFFH 后（8051/8751/80C51）或 1FFFH（对 8052）时， 将自动转向执行外部程序存储器内的程序。EA 为低电平，则只访问 外部程序存储器。 对 EPROM 型的单片机（8751），在 EPROM 编程期间，该引脚加编 程电压。 32~39-----P0 口，双向 8 位三态 I/O 口，在外接存储器时，与 地址总线的低 8 位及数据总线分时复用，能以吸收电流的方式驱动 8 个 LSTTS 负载。 1~8------P1 口，8 位准双向 I/O 口。P1 口能驱动（吸收或输出） 4 个 LSTTS 负载。对 EPROM 编程和校验期间，接收低 8 位地址。 21~28----P2 口，8 位准双向 I/O 口。访问外部存储器时，作为
扩展电路的高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和校验 期间，P2口接收高8位地址。P2口可以驱动（吸收或输出电流）4 个LSTTL负载。 1017--P3口，8位准双向I/0口，为复用多功能口。P3能驱 动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。 10----RXD,11—TXD: 12--INT0,13--INT1,14---T0,15---T1,16---WR,17--RD 恩 思 g 2.MCS-51单片机的片外总线结构 AB--地址总线，宽度为16位，可直接寻址64K字节。16位地 址总线的构成：P0口提供低8位地址，P2口提供高8位地址。 DB一数据总线，宽8位，有P0口提供。 CB一控制总线，由P3口的第二功能和状态，RESET,EA,ALE, PSEN等。 8
8 扩展电路的高 8 位地址总线送出高 8 位地址。在对 EPROM 编程和校验 期间，P2 口接收高 8 位地址。P2 口可以驱动（吸收或输出电流）4 个 LSTTL 负载。 10~17---P3 口，8 位准双向 I/O 口，为复用多功能口。P3 能驱 动（吸收或输出电流）4 个 LSTTL 负载。 10----RXD，11—TXD； 12---INT0，13----INT1，14----T0，15---T1，16---WR，17---RD 2. MCS-51 单片机的片外总线结构 AB---地址总线，宽度为 16 位，可直接寻址 64K 字节。16 位地 址总线的构成：P0 口提供低 8 位地址，P2 口提供高 8 位地址。 DB—数据总线，宽 8 位，有 P0 口提供。 CB—控制总线，由 P3 口的第二功能和状态，RESET，EA，ALE， PSEN 等
2.1.3MCS-51单片机片内总体结构 RAM P0口 P2口 程序存储器 CPU 控 P1▣ 串行口 定时器 中断 特殊功能 制部 计数器 系统 积存器 件 P3口 CB 图1MCS-51内部结构图 2.1.4存储器、特殊功能寄存器及位地址空间 1.程序存储器 功能：存放程序和表格常数，以程序计数器PC为地址指针。PC 为16位，程序存储器的操作完全由P℃控制。（程序运行的开始地址 为0H)。 FFFFH 外部 程序 存储 器 1000H OFFFH 内部 外部 EA=1 EA=0 0000H 图2MCS-51程序存储器 9
9 2.1.3 MCS-51 单片机片内总体结构 图 1 MCS-51 内部结构图 2.1.4 存储器、特殊功能寄存器及位地址空间 1.程序存储器 功能：存放程序和表格常数，以程序计数器 PC 为地址指针。PC 为 16 位，程序存储器的操作完全由 PC 控制。（程序运行的开始地址 为 0H）。 图 2 MCS-51 程序存储器 CPU 控 制 部 件 RAM P0 口 P2 口 程序存储器 P1 口 串行口 定时器 计数器 中 断 系统 特殊功能 积存器 P3 口 CB 外部 程序 存储 器 1000H FFFFH 内部 EA=1 外部 EA=0 0FFFH 0000H
2.内部数据存储器 编址：OH7FH。 工作寄存器，00H1FH,共分4个区，每区有8个工作积存器R0R7。 程序当前使用的工作寄存器可通过编程选择。 FFH RAM 特殊功 (8032 能寄存 或 8052) 器 80H 7FH 数据缓冲 区 30H 2FH 位寻 址区 20H 1FH 工作 寄存 器 00H 图3MCS-51内部存储器 位寻址区，20H20奶奶们，和H,共16个单元，16个单元的每 一个位均有一个8位的地址。比如20H单元的D0位的位地址为0；./H, 20H单元的D7位的位地址为07H,而21H单元的D0位的位地址为08H, 以此类推。 数据缓冲区：30H7FH单元。 特殊功能寄存器，其主要的功能为对片内的个功能模块进行管 理、控制、监视。 PC-程序计数器，ACC--累加器，PSW-程序状态字寄存器， o
10 2. 内部数据存储器 编址： 0H~7FH。 工作寄存器，00H~1FH，共分 4个区，每区有 8个工作积存器 R0~R7。 程序当前使用的工作寄存器可通过编程选择。 图 3 MCS-51 内部存储器 位寻址区，20H~20 奶奶们,和 H，共 16 个单元，16 个单元的每 一个位均有一个 8 位的地址。比如 20H 单元的 D0 位的位地址为 0;./H， 20H 单元的 D7 位的位地址为 07H，而 21H 单元的 D0 位的位地址为 08H， 以此类推。 数据缓冲区：30H~7FH 单元。 特殊功能寄存器，其主要的功能为对片内的个功能模块进行管 理、控制、监视。 PC---程序计数器，ACC---累加器，PSW---程序状态字寄存器， 工作 寄存 器 00H 1FH 位寻 址区 20H 2FH 数据缓冲 区 30H 7FH 特殊功 能寄存 器 RAM （ 8032 或 8052） 80H FFH
SP---堆栈指针，DPTR一数据指针(DPH,DPL),16位， PO,P1,P2,P3,IP,IE,TMOD,THO,TLO,TH1,TL1 SCON一串行口控制寄存器， SBUF--串行口数据寄存器， PC0N--电源管理及波特率选择寄存器。 PSW各位的意义： D7 D6 D5 D4 D3 D2 DI DO CY AC FO RS1 RSO ov P CY---进位标志位，在执行加法或减法运算指令时，如果运算结 果的最高位(D7)有进位或借位，CY位由硬件置“1”，否则，由硬 件置“0”。 AC---辅助进位或借位。 F0--用户标志位。 RS1,RS0--工作寄存器选择位， 0,0----00H07H: 0,1--- 08H-OFH; 1,0----10H17H: 1,1----18h1FH. 0V---溢出标志位。当进行补码运算时，如有溢出，即当运算结 果超出8位数所能够表示的-128+127范围时，0V位由硬件自动置1， 否则，置0V位为0。 P-----奇偶校验标志位。每条指令执行完成后，该位始终跟踪
11 SP----堆栈指针，DPTR—数据指针（DPH，DPL），16 位， P0，P1，P2，P3，IP，IE，TMOD，THO，TL0，TH1，TL1 SCON—串行口控制寄存器， SBUF---串行口数据寄存器， PCON---电源管理及波特率选择寄存器。 PSW 各位的意义： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY AC F0 RS1 RS0 OV / P CY----进位标志位，在执行加法或减法运算指令时，如果运算结 果的最高位（D7）有进位或借位，CY 位由硬件置“1”，否则，由硬 件置“0”。 AC---辅助进位或借位。 F0---用户标志位。 RS1，RS0----工作寄存器选择位， 0，0-----00H~07H； 0，1---- 08H~-0FH； 1，0-----10H~17H; 1, 1-----18h~1FH. OV----溢出标志位。当进行补码运算时，如有溢出，即当运算结 果超出 8 位数所能够表示的-128~+127 范围时，OV 位由硬件自动置 1， 否则，置 OV 位为 0。 P------奇偶校验标志位。每条指令执行完成后，该位始终跟踪