1、单片机技术及应用电气工程学院彭世林1目 录第 1 章微型计算机基础知识 .31.1 微型计算机的组成及工作原理 .31.2 典型单片机产品简介 .51.3 单片机的应用模式 .81.4 单片机的应用 .81.5 数制与编码 .91.6 计算机数值数据表示与运算 .14第 2 章 MCS-51 系列单片机芯片结构 .192.1 MCS51 系列单片机的结构原理 .192.2 MCS51 单片机的存储器 .242.3 MCS51 单片机输入/输出（I/O）口 .282.4 单片机的工作方式 .31第 3 章 MCS-51 单片机指令系统 .363.1 MCS-51 单片机指令格式 .363.2 寻
2、址方式 .373.3 指令系统 .41第 4 章 汇编语言程序设计 .604.1 汇编语言程序设计概述 .604.2 顺序程序设计 .644.3 分支程序设计 .664.4 循环程序设计 .704.5 子程序设计 .72第 5 章 单片机存储器扩展技术 .775.1 存储器系统基本知识 .775.3 访问外部程序、数据存储器的时序 .805.4 存储器扩展的编址技术 .825.5 程序存储器（EPROM）的扩展 .875.6 数据存储器的扩展 .90第 6 章 单片机的中断与定时系统 .966.1 中断的基本概念 .966.2 MCS-51 单片机的中断系统 .966.3 MCS-51 单片机
3、的定时器/计数器 .996.3 MCS-51 单片机的定时器/计数器 .1036.4 中断系统的应用举例 .112第 7 章 单片机 I/O 口扩展及应用 .1167.1 I/O 口扩展概述 .1167.2 简单 I/O 口扩展 .1177.3 8255 可编程通用并行接口芯片 .1197.4 8155 可编程通用并行接口芯片 .1282第 8 章 单片机串行数据通信 .1398.1 串行通信的基础知识 .1398.2 MCS-51 单片机串行通信的控制寄存器 .1418.3 MCS-51 单片机串行通信工作方式 .1429.1 MCS-51 单片机与 D/A 转换器的接口和应用 .151第
4、9 章 单片机应用系统设计 .1663第 1 章微型计算机基础知识难点 微型计算机的组成 8051 与 80C51 的区别 计算机中数据的表示方法及其运算过程 要求 掌握 微处理器、微机、微机系统的概念 典型的单片机产品系列及各系列之间的区别 单片机系统的一般开发过程 计算机中数据的表示方法及其运算过程 了解 微型计算机的基本工作过程 ATMEL 公司单片机系列 单片机系统的应用方向 1.1 微型计算机的组成及工作原理1.1.1 微型计算机中的基本概念 1. 微处理器(Microprocessor) 微处理器通常指中央处理器，简写为 CPU。它由算术逻辑运算部件(ALU)、寄存器、程序计数器、
5、控制器、内部总线等组成。它采用大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI) 制作，具有体积小、功能强等特点。 典型的微处理器有 Intel 公司的 80X86 和 Pentium 系列，Zilog 公司的 Z 系列，Motorola 公司的 M6800 系列，IBM 公司的 PowerPC604 和 PC620，以及 NEC 公司的 UPD78 系列等。不同类型的 CPU 其特性不尽相同，如指令系统、运算速度、内部寄存器、存储寻址能力等，这些特性在微机应用系统设计选型中常常涉及。 2. 微型计算机 4微型计算机又简称微机，从结构上分析，以 CPU 为中心，再配置上RAM、ROM、输入
6、输出接口和总线便构成了微机。微型计算机具有运算、存储和与外部设备进行数据交换等功能，还可配有适当的外部设备，如键盘、显示器等。微型计算机的这一灵活的应用特点，是目前应用最广泛的。概括地说，微型计算机可分为单片微处理机和通用微型计算机两大类。 (1)单片微处理机 单片微处理机就是把 CPU、存储器、定时器/计数器和输入输出接口等部件都集成在一个电路芯片上，并具备一套功能完善的指令系统，有的型号的单片微处理机同时还具备数/模和模/数转换等功能部件。通常这些高性能的芯片都能应用在不同场合独立地处理程序，故简称单片机或单片处理机。 典型的单片处理机有 Intel 公司的 MCS-51、MCS-96 系
7、列，Motorola 公司的MC68HC11，Rockwell 公司的 65 系列等。有些高性能的单片机还支持高级语言，它们广泛应用在家用电器、智能化仪器和工业控制等领域。 (2)通用微型计算机 将不同用途的外设接口设计为独立的适配卡作为微机的接口配件，在微机内则采取总线插槽的形式，为外部设备提供总线接口。这样，在一台基本主机上就可以根据应用的要求，配置不同用途的外部设备。这种微机被称为通用微型计算机。 3. 微型计算机系统 在通用微型计算机上配上相应的软件系统，就构成了能适应不同应用要求的微型计算机系统。因此，在科学计算、企业管理、家庭和娱乐等方面得到了广泛应用。1.1.2 微机基本结构 微
8、型计算机的基本组成如图 1-1 所示，它由中央处理器（CPU ） 、存储器（Memory） 、输入输出接口（I/O 接口）和系统总线（BUS）构成。 图 1-1 微型计算机的基本组成1.1.3 微型计算机的基本工作过程 5每种型号的 CPU 都有自己的指令系统，每条指令一般由指令操作码(规定指令的操作类型)和操作数( 规定指令的操作对象)两部分组成。用户根据要完成的任务预先编好程序，再通过输入设备(如键盘)将程序送入存储器中。微型计算机开始工作后，首先将该程序在存储器中的起始地址送入微处理器中的程序计数器(PC)中，微处理器根据 PC 中的地址值找到对应的存储单元，并取出存放在其中的指令操作码
9、送入微处理器中的指令寄存器(IR)中，由指令译码器(ID)对操作码进行译码，并由微操作控制电路发出相应的微操作控制脉冲序列去取出指令的剩余部分(如果指令不止 1 个字节的长度)，同时执行指令赋予的操作功能。在取指过程中，每取出 1个单元的指令，PC 自动加 1，形成下一个存储单元的地址。以上为一条指令的执行过程，如此不断重复上述过程，直至执行完最后一条指令为止。 综上所述，微型计算机的基本工作过程是执行程序的过程，也就是 CPU 自动从程序存放的第 1 个存储单元起，逐步取出指令、分析指令，并根据指令规定的操作类型和操作对象，执行指令规定的相关操作。如此重复，周而复始，直至执行完程序的所有指令
10、，从而实现程序的基本功能，这就是微型计算机的基本工作原理。 1.2 典型单片机产品简介 1.2.1 MCS-51 单片机系列 MCS-51 系列单片机是 Intel 公司在 1980 年推出的高性能 8 位单片机，在目前单片机市场中，8 位单片机仍占主导地位。MCS-51 系列单片机以其良好的性能价格比，仍是目前单片机开发和应用的主流机型。 MCS-51 可分为两个子系列和 4 种类型，如表 1-1 所示。按资源的配置数量，MCS-51 系列分为 51 和 52 两个子系列，其中 51 子系列是基本型，而 52 子系列属于增强型。 表 1-1 MCS-51 系列单片机分类80C51 单片机系列
11、是在 MCS-51 系列的基础上发展起来的。早期的 80C51 只是 MCS-51系列众多芯片中的一类，但是随着后来的发展，80C51 已经形成独立的系列，并且成为当前 8位单片机的典型代表。 l 80C51 与 8051 的比较 （1）MCS-51 系列芯片采用 HMOS 工艺，而 80C51 芯片则采用 CHMOS 工艺。CHMOS6工艺是 COMS 和 HMOS 的结合，（2）80C51 芯片具有 COMS 低功耗的特点。例如 8051 芯片的功耗为 630mW,而 80C51 的功耗只有 120mW，这样低的功耗，用一粒纽扣电池就可以工作。低功耗对单片机在便携式、手提式或野外作业的仪器
12、仪表设备上使用十分有利。 （3）从 80C51 在功能增强方面分析，主要在以下几个方面做了增强。首先，为进一步降低功耗，80C51 芯片增加了待机和掉电保护两种工作方式，以保证单片机在掉电情况下能以最低的消耗电流维持。 （4）此外，在 80C51 系列芯片中，内部程序存储器除了 ROM 型和 EPROM 型外，还有E2PROM 型，例如 89C51 就有 4KB E2PROM。并且随着集成技术的提高，80C51 系列片内程序存储器的容量也越来越大，目前已有 64KB 的芯片了。另外，许多 80C51 芯片还具有程序存储器保密机制，以防止应用程序泄密或被复制。 1.2.2 MCS-96 系列单片
13、机 MCS-96 系列单片机是 Intel 公司在 1983 年推出的 16 位单片机，它与 8 位机相比，具有集成度高、运算速度快等特点。它的内部除了有常规的 I/O 接口、定时器计数器、全双工串行口外，还有高速 I/O 部件、多路 AD 转换和脉宽调制输出（PWM）等电路，其指令系统比MCS-51 更加丰富。 MCS-96 系列单片机的主要性能如表 1-2 所示。 表 1-2 MCS-96 系列单片机主要性能 1.2.3 ATMEL 公司单片机 表 1-3 AT89C51 系列单片机主要性能 7ATMEL 公司于 1992 年推出了全球第一个 3V 超低压 F1ash 存储器，并于 199
14、4 年以E2PROM 技术与 Intel 公司的 80C31 内核进行技术交换，从此拥有了 80C31 内核的使用权，并将 ATMEL 特有的 Flash 技术与 80C31 内核结合在一起，生产出 AT89C51 系列单片机。 ATMEL 公司的 AT89C51 系列单片机均以 MCS-51 系列单片机作为内核，同时，该系列的各种型号的产品又具有十分突出的个体特色，已经成为广大 MCS-51 系列单片机用户进行电子设计与开发的优选单片机品种，表 1-3 列出了 AT89C51 系列单片机的主要性能。 AT89C51 系列单片机是一种低功耗高性能 CMOS 型 8 位单片机，它除了具有与 MC
15、S-51系列单片机完全兼容的若干特性外，最为突出的优点就是其片内集成了 4KB 的F1ashPEROM(Programmable Erasable Read Only Memory)用来存放应用程序，这个 Flash 程序存储器除允许用一般的编程器离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程，并且还提供了对程序进行三级加密保护的功能。AT89C51 系列单片机的另一个特点是工作速度更高，晶振频率可高达 24MHz，1 个机器周期仅 500ns，比 MCS-51 系列单片机快了 1 倍。AT89C51 系列单片机除了 40 脚 DIP 封装品种外，还提供了 TQFP、SOIC 和 PQFP 等多种
16、封装形式的产品，它8同时提供商业级、工业级、汽车用产品和军用级等四类产品。1.3 单片机的应用模式1.3.1 单片机应用系统的结构单片机应用系统的结构通常分为以下三个层次。(1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。(2)单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统。时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机共同构成了单片机系统。(3)单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显示器、打印机等) 和串行通信口(RS232)以及应用程序等。单片机应用系统三个层次
17、的关系如图 1.2 所示。图 1.2 单片机应用系统三个层次的关系1.3.2 单片机系统的开发过程通常开发一个单片机系统可按以下 6 个步骤进行。(1) 明确系统设计任务，完成单片机及其外围电路的选型工作。(2) 设计系统原理图和 PCB 板，经仔细检查 PCB 板后送工厂制作。(3) 完成器件的安装焊接。(4) 根据硬件设计和系统要求编写应用程序。(5) 在线调试软硬件。(6)使用编程器烧写单片机应用程序，独立运行单片机系统。 1.4 单片机的应用单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强、运算速度快、控制灵活、抗干扰能力强、电源电压范围宽等特点，故在国民经济建设、军事及家用电器
18、、自动测控系统、智能仪表、机器人等领域均得到了广泛的应用。 根据目前的情况，单片机的应用大致可分成以下几类：91.单片机在机、电、仪一体化等智能产品中的应用 单片机具有小巧、低功耗、控制功能强的优点。把它做到产品的内部，取代部分电子元器件，可使产品体积缩小，功能增强，实现不同程度的智能化，这是其它任何计算机无法比拟的。=日常生活中含单片机的电器产品电子秤、便携式心率监护仪、中频电疗仪、高级玩具、电视机、洗衣机、电冰箱、电磁炉、微波炉、空调、家用防盗报警器等产品中都有单片机的用武之地。=智能化的仪器仪表这是国内目前应用单片机最多、最活跃的领域。在各类仪器仪表中（包括温度、湿度、流量、流速、电压、
19、频率、功率、厚度、角度、长度、硬度、元素测定等） ，引入单片机，使仪器仪表数字化、智能化、微型化，功能大大提高。如：精密数字温度计、湿度控制仪、智能流量监测控制仪、便携式流速仪、频率计、智能电度表、智能示波器、智能转速数字显示、黑匣子等。2.单片机在工业测控中的应用 单片机 I/O 线多，位指令丰富，逻辑操作能力强，特别适用于实时控制，既可作单机控制，又可作多级控制的前沿处理机，应用领域相当广泛。如：汽车工业中的应用（点火控制、反锁、牵引、转向、防盗等方面控制） 、液压机的控制、报警系统中的应用、烟叶水份测量仪、水电厂单元微机监控系统、啤酒生产线、汽车生产线、集体供暖锅炉自动控制、数控机床等方面。3.单片机在通信技术中的应用 比较高档的单片机都具有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用创造了很好的条件。如：在通信中完成频率合成、系统监控、信道搜索及自动调谐等任务、无线遥控、调制解调器、移动电话、程控交换技术、电话自动分路器等方面。 1.5 数制与编码1.5.1 数制的表示1.常用数制 在日常生活中人们最熟悉的是十进制数，但在计算机中，采用二进制数“0”和“1”可以很方便的表示机内的数据与信息。（1）十进制数 我们熟悉的十进制数有两个主要特点： 有十个不同的数字符号：0、1、2、9；
