1、单片机讲义第 1 章 单片机硬件系统本章要点 80C51 系列单片机内部结构 外部引脚功能 存储空间配置和功能 片内 RAM 结构和功能 特殊功能寄存器的用途和功能 程序计数器 PC 的作用和基本工作方式 I/O 端口结构、工作原理及功能 时钟和时序 复位电路、复位条件和复位后状态 低功耗工作方式的作用和进入退出的方法1.1 概 述1.1.1 单片机及单片机应用系统1. 微型计算机及微型计算机系统微型计算机（Microcomputer）简称微机，是计算机的一个重要分类。人们通常按照计算机的体积、性能和应用范围等条件，将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机等。微型计算机不但具有其它计
2、算机快速、精确、程序控制等特点，最突出的是它还具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜等优点。个人计算机简称 PC（Personal Computer）机，是微型计算机中应用最为广泛的一种，也是近年来计算机领域中发展最快的一个分支。由于 PC 机在性能和价格方面适合个人用户购买和使用，目前，它已经像普通家电一样深入到了家庭和社会生活的各个方面。微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统是指构成微机系统的实体和装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。其中，运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（Central Proce
3、ssing Unit） ，简称 CPU，是微机的核心部件。 CPU 配上存放程序和数据的存储器、输入/输出（Input/Output，简称 I/O）接口电路以及外部设备即构成微机的硬件系统。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称。人们通过它对整机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统与硬件系统共同构成完整的微机系统，两者辅相成，缺一不可。微型计算机系统组成示意图如图 1.1 所示。软件系统硬 件 系 统控 制 器运 算 器存 储 器输入设备CPU微 型 计 算 机 系 统输入接口电路输出接口电路输出设备图 1.1 微型计算机系统组成示意图下面把组成计算机
4、的 5 个基本部件作简单说明。1) 运算器 运算器是计算机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行。2) 控制器控制器是计算机的指挥控制部件，它控制计算机各部分自动、协调地工作。运算器和控制器是计算机的核心部分，常把它们合在一起称之为中央处理器，简称 CPU。3) 存储器存储器是计算机的记忆部件，用于存放程序和数据。存储器又分为内存储器和外存储器。实训中使用的 EPROM2764 便是存贮器。4) 输入设备输入设备用于将程序和数据输入到计算机中，如键盘等。5) 输出设备输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果，以用户需要的形式显示或打印出来，如显示器、打印机等。通
5、常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称之为计算机的外部设备，简称“外设” 。2单片微型计算机单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括 CPU（Central Processing Unit） 、随机存取存储器 RAM（Random Access Memory） 、只读存储器 ROM（Read-only Memory） 、基本输入/输出(Input/Output)接口电路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机内部结构示意图如图 1.2 所示。 C P U存 储 器并行I/O
6、接口定 时 器 / 计 数 器 中 断 系 统P0P3 TXDRXDT INT并行I/O接口图 1.2 单片机内部结构示意图 单片机实质上是一个芯片。在实际应用中，通常很难将单片机直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。3单片机应用系统及组成单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显 示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。本书的实训电路板也是一个单片机的应用系统，它除了有单片机芯片以外，还有许多的外围电路，如果再配以后续章节所讲的一系列的实训程序，便可以完成很多功能。所以说，单片机应用系统是由
7、硬件和软件组成的，硬件是应用系统的基础，软件则在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可。单片机应用系统的组成如图 1.3 所示。单片机接 口电 路及 外设 等硬 件单 片 机 应 用 系 统软件图 1.3 单片机应用系统的组成 由此可见，单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解单片机，并能够将二者有机结合起来，才能形成具有特定功能的应用系统或整机产品。 自从 1974 年美国 Fairchild 公司研制出第一台单片机 F8 之后，迄今为止，单片机经历了由 4 位机到 8 位机再到 16 位机的发展过程。单片机制造商很多，
8、主要有美国的Intel、Motorola、Zilog 等公司。目前，单片机正朝着高性能、多品种方向发展。近年来，32 位单片机已进入了实用阶段，但是由于 8 位单片机在性能价格比上占有优势，而且 8 位增强型单片机在速度和功能上向现在的 16 位单片机挑战，因此在未来相当长的时期内，8位单片机仍是单片机的主流机型。1.1.2 MCS-51 单片机系列尽管各类单片机很多，但无论是从世界范围或是从全国范围来看，使用最为广泛的应属 MCS-51 单片机。 基于这一事实，本书以应用最为广泛的 MCS-51 系列 8 位单片机（8031、8051、8751 等）为研究对象，介绍单片机的硬件结构、工作原理
9、及应用系统的设计。MCS-51 单片机系列共有十几种芯片，如表 1.1 所示。表 1.1 MCS-51 系列单片机分类表子系列片内 ROM形式 片内ROM容量片内RAM容量寻址范围I/O特性 中断源无 ROMEPROM计数器并行口串行口51子系列803180518751 4 KB128 B264 KB216481 580C3180C5187C514 KB128 B264 KB216481 552子系统803280528752 8 KB256 B264 KB316481 680C3280C5287C528 KB256 B264 KB316481 6表中列出了 MCS-51 单片机系列的芯片型号，
10、以及它们的技术性能指标，使我们对它们的基本情况有了一个概括的了解。下面我们就在这个表的基础上对 MCS-51 系列单片机作进一步说明。151 子系列和 52 子系列MCS-51 系列又分为 51 和 52 两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中，51 子系列是基本型，而 52 子系列则属增强型。52 子系列功能增强的具体方面，从表 1.1所列内容中可以看出：(1) 片内 ROM 从 4 KB 增加到 8 KB。(2) 片内 RAM 从 128 B 增加到 256 B。(3) 定时/计数器从 2 个增加到 3 个。(4) 中断源从 5 个增加到 6 个。在 52 子系列的内部 ROM
11、 中，以掩膜方式集成有 8 KBBASIC 解释程序，这就是通常所说的 8052-BASIC。这意味着单片机已可以使用高级语言。该 BASIC 与基本 BASIC 相比，增加了一些控制语句，以满足单片机作为控制机的需要。 2单片机芯片半导体工艺MCS-51 系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是 HMOS 工艺，即高速度、高密度、短沟道 MOS 工艺。另外一种是 CHMOS 工艺，即互补金属氧化物的 HMOS 工艺。表 1.1 中，芯片型号中带有字母“C”的，为 CHMOS 芯片，其余均为一般的 HMOS 芯片。CHMOS 是 CMOS 和 HMOS 的结合，除保持了 HMOS 高速度和高密
12、度的特点之外，还具有CMOS 低功耗的特点。例如 8051 的功耗为 630 mW，而 80C51 的功耗只有 120 mW。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上，低功耗是非常有意义的，因此，在这些产品中必须使用CHMOS 的单片机芯片。3片内 ROM 存储器配置形式MCS-51 单片机片内程序存储器有三种配置形式，即掩膜 ROM、EPROM 和无 ROM。这三种配置形式对应三种不同的单片机芯片,它们各有特点，也各有其适用场合，在使用时应根据需要进行选择。一般情况下，片内带掩膜型 ROM 适用于定型大批量应用产品的生产；片内带 EPROM 适合于研制产品样机；外接 EPROM 的方式适用于研制
13、新产品。最近， Intel 公司又推出片内带 EEPROM 型的单片机，可以在线写入程序。1.2 MCS-51 单片机结构和原理1 .2.1 MCS-51 单片机的内部组成及信号引脚MCS-51 单片机的典型芯片是 8031、8051、8751。8051 内部有 4 KB ROM，8751 内部有4KB EPROM，8031 内部无 ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。因此，以8051 为例，说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。18051 单片机的基本组成8051 单片机的基本组成请参见图 1.4。下面介绍各部分的基本情况。 1) 中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完
14、成运算和控制功能。MCS-51 的 CPU 能处理 8 位二进制数或代码。2) 内部数据存储器（内部 RAM）8051 芯片中共有 256 个 RAM 单元，但其中后 128 单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前 128 单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前 128 单元，简称内部 RAM。CPU时 钟 电 路P0 P3P2P1 TXD RXD INT0 INT1并 行 接 口 串 行 接 口 中 断 系 统定 时 /计 数 器RAMROMT0 T1图 1.4 MCS-51 单片机结构框图3) 内部程序存储器（内部 ROM）8051 共有 4 KB
15、掩膜 ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存储器，简称内部 ROM。4) 定时/计数器8051 共有两个 16 位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。5) 并行 I/O 口MCS-51 共有 4 个 8 位的 I/O 口（P0、P1、P2、P3） ，以实现数据的并行输入/输出。在实训中我们已经使用了 P1 口，通过 P1 口连接 8 个发光二极管。6) 串行口MCS-51 单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。7) 中断控制系统M
16、CS-51 单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051 共有 5 个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。8) 时钟电路MCS-51 芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为 6 MHz 和 12 MHz。从上述内容可以看出，MCS-51 虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。2. MCS-51的信号引脚MCS-51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请参见图 1.5。1)
17、信号引脚介绍P0.0 P0.7： P0 口 8 位双向口线。P1.0 P1.7 ：P1 口 8 位双向口线。P2.0 P2.7 ：P2 口 8 位双向口线。P3.0 P3.7 ：P3 口 8 位双向口线。 P1.01.2P1.23.34P1.45.56P1.67.78RST/VPD9X 3.010TD P.1IN0 3.212IT1 P.30 3.414T1 P.55WR 3.616D P.77XTAL21819VS20 P2.021.1P2. 23.34P2.425.56P2.627.78PSEN29ALE/ROG30A/VP10.732P.60.534P.450.336P.270.138P
18、. 9VC408031 8051 8751ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE 用于控制把 P0 口输出的低 8 位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于 ALE 是以晶振 1/6 的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。：外部程序存储器读选通信号。在读外部 ROM 时，有效（低电平） ，以实现外部PSENROM 单元的读操作。：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对 ROM 的读操作限定在外部程序存A储器；当信号为高电平时，对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期
19、以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTAL1 和 XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。VSS：地线。VCC：+5 V 电源。以上是 MCS-51 单片机芯片 40 条引脚的定义及简单功能说明，读者可以对照实训电路找到相应引脚，在电路中查看每个引脚的连接使用。2) 信号引脚的第二功能由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的。例如，MCS-51 系列把芯片引脚数目限定为 40 条，但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此就出现了需要与可能的矛盾。如何解决这个矛
20、盾？“兼职”是惟一可行的办法，即给一些信号引脚赋以双重功能。如果把前述的信号定义为引脚第一功能的话，则根据需要再定义的信号就是它的第二功能。下面介绍一些信号引脚的第二功能。 (1) P3 口线的第二功能。P3 的 8 条口线都定义有第二功能，详见表 1.2。(2) EPROM 存储器程序固化所需要的信号。有内部 EPROM 的单片机芯片（例如 8751） ，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚以第二功能的形式提供的，即：编程脉冲：30 脚（ALE/ ）编程电压（25 V）：31 脚（ /VPP）表 1.2 P3 口各引脚与第二功能表引脚 第二功能 信号名称P3.0
21、RXD 串行数据接收P3.1 TXD 串行数据发送P3.2 外部中断0申请P3.3 外部中断1申请P3.4 T0 定时/计数器0的外部输入P3.5 T1 定时/计数器1的外部输入P3.6 外部RAM 写选通P3.7 外部RAM 读选通(3) 备用电源引入。MCS-51 单片机的备用电源也是以第二功能的方式由 9 脚（RST/VPD）引入的。当电源发生故障，电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部 RAM 提供电压，以保护内部 RAM 中的信息不丢失。以上把 MCS-51 单片机的全部信号引脚分别以第一功能和第二功能的形式列出。对于各种型号的芯片，其引脚的第一功能信号是相同的，所不同的只在引脚的
22、第二功能信号。 对于 9、30 和 31 三个引脚，由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号，因此不会发生使用上的矛盾。但是 P3 口的情况却有所不同，它的第二功能信号都是单片机的重要控制信号。因此，在实际使用时，都是先按需要选用第二功能信号，剩下的才以第一功能的身份作数据位的输入/输出使用。1.2.2 MCS-51 内部数据存储器MCS-51 单片机的芯片内部有 RAM 和 ROM 两类存储器，即所谓的内部 RAM 和内部 ROM，首先分析内部 RAM。1. 内部数据存储器低 128 单元8051 的内部 RAM 共有 256 个单元，通常把这 256 个单元按其功能划分为两部分：低128 单元（单元地址 00H7FH）和高 128 单元（单元地址 80HFFH） 。图 1.6 所示为低 128单元的配置图。
