1、http:/ 文库分享网单片机原理及应用 张兰红9第 1 章 微型计算机的基本概念1.1 微型计算机由哪几部分组成？每一部分各起何作用？解： 微型计算机由微处理器芯片、存储器芯片、输入输出接口电路芯片与总线组成。微处理器是微型计算机的核心，它通常包括 3 个基本部分： 算术逻辑部件 ALU(ArithmeticLogic Unit)，对传送到微处理器的数据进行算术运算或逻辑运算的电路，如执行加法、减法运算，逻辑与、逻辑或运算等。 工作寄存器组，用来存放操作数及运算的中间结果等。 控制部件，包括时钟电路和控制电路，时钟电路产生时钟脉冲，用于计算机各部分电路的同步定时；控制电路产生完成各种操作所需
2、的控制信号。存储器是微型计算机的重要组成部分，计算机有了存储器才具备记忆功能。IO 接口是沟通 CPU 与外部设备的不可缺少的重要部件。外部设备种类繁多，其运行速度、数据形式、电平等各不相同，常常与 CPU 不一致，所以要用 IO 接口作桥梁，起到信息转换与协调的作用。总线是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线。1.2 什么是 CPU？什么是主机？解：由于运算器、控制器是计算机处理信息的关键部件，所以常将它们合称为中央处理单元 CPU（Central Processing Unit，简称 CPU）。通常把运算器、控制器、存储器这三部分称为计算机的主机。1.3 何谓
3、计算机系统？何谓单板机？何谓单片机？解：计算机与外围设备、电源、系统软件一起构成应用系统，称为计算机系统。在一块印刷电路板上，集成了中央处理单元 CPU、只读存储器 ROM、随机存取存储器 RAM、I/O 接口、定时器/计数器、中断系统等功能部件，构成一台完整的微型计算机，称为单板机。在一块半导体芯片上，集成了中央处理单元 CPU、只读存储器 ROM、随机存取存储器 RAM、I/O 接口、定时器/计数器、中断系统等功能部件，构成一台完整的微型计算机，称为单片机。1.4 为什么要采用总线结构？芯片为什么要通过缓冲器才能挂在总线上？解：微型计算机采用总线结构后，芯片之间不需单独走线，大大减少了连接
4、线的数量。挂在总线上的芯片不能同时发送信息，否 则多个信息同时出现在总线上将发生冲突而造成http:/ 文库分享网出错。如果有几块芯片需要输出信息，就必须分时传送，为了实现这个要求，挂在总线上的各芯片必须通过缓冲器与总线相连。1.5 何谓程序计数器？程序计数器中存放的是什么内容？它对计算机的工作起什么作用？在什么情况下，程序的执行顺序发生转移？此时程序计数器的内容是怎么样的？解：程序计数器 PC 是管理程序执行次序的特殊功能寄存器。程序计数器 PC 中存放的是下一条要执行的指令的地址。它管理程序执行的次序。在执行转移指令的情况下，程序的执行顺序发生转移。此时程序计数器直接接受内部总线送来的数据
5、，并用该数据取代原有的内容。1.6 评价存储器有哪些重要的指标？为什么说存储器性能已成为计算机性能提高的关键？10解：存储器的重要指标是容量和存取速度。容量越大，则记忆的信息越多，计算机的功能就越强。存储器的存取速度比 CPU 的运算速度要低，所以存储器的工作速度是影响计算机工作速度的主要因素。1.7 综述存储器的种类、特点、用途和优缺点？（主要针对内存）解：按结构与使用功能分，内存储器可分为随机存取存储器 RAM 和只读存储器 ROM 两类。随机存取存储器 RAM 又称读写存储器，它的数据读取、存入时间都很短，因此，计算机运行时，既可以从 RAM 中读数据，又可以将数据写入 RAM。但掉电后
6、 RAM 中存放的信息将丢失。RAM 适宜存放原始数据、中间结果及最后的运算结果，因此又被称作数据存储器。只读存储器 ROM 读出一个数据的时间为数百纳秒，有时也可改写，但写入一个数据的时间长达数十 ms，因此在计算机运行时只能执行读操作。掉电后 ROM 中存放的数据不会丢失。ROM 适宜存放程序、常数、表格等，因此又称为程序存储器。只读存储器又可以分为下列四类： 掩膜 ROM：在半导体工厂生产时，已经用掩膜技术将程序做入芯片，用户只能读出其内容而不能改写。掩膜 ROM 只能应用于有固定程序且批量很大的产品中。 可编程只读存储器 PROM：用户可将程序写入 PROM，仅程序一经写入就不能改写。
7、 可擦除可编程只读存储器 EPROM：用户可将程序写入 EPROM 芯片。如果要改写程序，先用紫外灯照射芯片，擦去原先的程序，然后写入新程序。与 PROM 芯片一样，写入的速度很慢，且要用到高压，所以必须用特定的 EPROM 编程器写入信息。在计算机运行时只能执行读操作。 电擦除可编程只读存储器 EEPROM：这是近年发展起来的一种只读存储器。由于采用电擦除方式，而且擦除、写入、读出的电源都用十 5V，故能在应用系统中在线改写。但目前写入时间较http:/ 文库分享网长，约需 10ms 左右，读出时间约为几百 ns。1.8 何谓堆栈？为什么要设置堆栈？栈区是怎样确定的？数据进栈、出栈按照何种规
8、律？进栈用什么指令？出栈用什么指令？进栈、出栈时栈指针如何变化？通常栈底所指是什么内容？解：微型计算机中的堆栈是读写存储器 RAM 中的一个特殊的区域，是一组按照“先进后出”的方式工作的、用于暂存信息的存储单元。设置堆栈的目的是便于保护断点地址与现场信息。用堆栈指针指示堆栈所在的位置。数据进栈、出栈“按先进后出”的原则工作。进栈用 PUSH 指令，出栈用 POP 指令。进栈时指针向地址增加的方向变化，出栈时指针向地址减小的方向变化。栈底是最先进栈的信息所在的单元。1.9 请解释下列名词：（1） 字长，字，字节，BCD 码，ASCII 码。（2） 指令，指令地址，指令系统，程序。解：（1）一台计
9、算机一次所能处理的二进制代码的位数称为该计算机的字长。16 位二进制数称为一个字。8 位二进制数称为一个字节。二进制编码的十进制数，简称二十进制数，又称 BCD 码 (Binary Coded Decimal)。11ASCII 码是美国标准信息交换代码(American Standard Code for Information Interchange)的缩写。（2）指令：控制计算机进行各种操作的命令称为指令。指令地址：指令所在存储单元的地址。指令系统：一台计算机所具有的所有指令的结合，称为该计算机的指令系统。程序：一系列指令的有序集合称为程序。1.10 计算机中常用的计数制有哪些?解：二进制
10、、十进制(BCD)、十六进制。1.11 什么是机器码? 什么是真值?解：把符号数值化的数称为机器数或机器码，原来的数值叫做机器数的真值。1.12 完成下列数制的转换。(1)10100110B( )D( )H(2)0.11B( )D(3)253.25( )B( )H(4)10ll011.101B( )H( )BCD解：(1) 166，A6(2) 0.75(3) 11111101.01，FD.4(4) 5B.A，100100010110001001011.13 8 位和 16 位二进制数的原码、补码和反码可表示的数的范围分别是多少？http:/ 文库分享网解：8 位二进制数原码(127+127)、
11、16 位二进制数原码(32767+32767)8 位二进制数补码(128+127)、16 位二进制数补码(32768+32767)8 位二进制数反码(127+127)、16 位二进制数反码(32767+32767)1.14 写出下列真值对应的原码和补码的形式。(1) X111001lB(2) X71D(3) X+1001001B解：(1) 原码：11110011B 补码：10001101B(2) 原码：11000111B 补码：10111001B(3) 原码：01001001B 补码：01001001B1.15 写出符号数 10110101B 的反码和补码。解：11001010B，110010
12、11B1.16 已知 X 和 Y 的真值，求X 十 Y的补码(1) X1110111BY+l011010B(2) X56D Y21D12解；(1) 11100011B(2) 00100011B1.17 己知 X1101001B，Y1010110B用补码求 XY的值。解：11101101B1.18 请写出下列字符的 ASCII 码。4A3！解：34H，41H，33H，3DH，21H1.19 若给字符 4 和 9 的 ASCII 码加奇校验，应是多少?解：34H，B9H1.20 上题中若加偶校验，结果如何?解：B4H，39H1.21 计算下列表达式。(1) (4EH 十 10110101B) (0
13、.0101)BCD( )D(2) 4EH(24/08H 十B/2)( )B解：(1) 1295D(2) 101010Bhttp:/ 文库分享网13第 2 章 MCS51单片机的硬件结构2.1 请结合课本中 MCS51系列单片机的结构图，阐明其大致组成。解：按功能部件分，51 子系列单片机由 CPU、数据存储器 RAM、程序存储器 ROM、特殊功能寄存器、4 个并行 I/O 口、1 个串行口、定时器/计数器、中断系统等八个功能部件组成。CPU 由累加器 A、暂存器 1、2、ALU、PSW 等组成数据存储器由 RAM 地址寄存器、RAM 单元等组成。程序存储器指 EPROM 或 ROM。SFR 指
14、 P0、P1、P2、P3 锁存器、B、DPTR 等。2.2 综述 MCS51系列单片机各引脚的作用，并进行分类。解：(1) 主电源引脚Vcc：接+5V 电源正端。Vss：接+5V 电源地端。(2) 外接晶体引脚XTAL1：片内反相放大器输入端XTAL2： 片内反相放大器输出端(3) 输入输出引脚P0.0P0.7：P0 口的 8 个引脚。在不接片外存储器与不扩展 IO 接口时，作为准双向输入输出接口（在输入时需要附加条件的双向输入输出口，称为准双向 I/O 口）。在接有片外存储器或扩展I/O 接口时，P0 口分时复用为低 8 位地址总线和双向数据总线。P1.0P1.7：P1 口的8 个引脚。可作
15、为准双向 IO 接口使用。对于 52 子系列，P1.0 与 P1.1 还有第二种功能：P1.0 可用作定时器计数器2 的计数脉冲输入端 T2；P1.1 可用作定时器计数器 2 的外部控制端 T2EX。P2.0P2.7；P2 口的 8 个引脚。一般可作为准双向 IO 接口；在接有片外存储器或扩展 IO 接口且寻址范围超过 256 个字节时，P2 口用为高 8 位地址总线。P3.0P3.7；P3 口的 8 个引脚。 一般可作为准双向 IO 接口； P3 口的第二功能如表 21所示。表 21引脚 第二功能P3.0http:/ 文库分享网P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD
16、（串行输入口）RXD （串行输出口）INT0 （外部中断 0 请求输入端）INT1 （外部中断 1 请求输入端）T0 （定时器/计数器 0 计数脉冲输入端）T1 （定时器/计数器 1 计数脉冲输入端）WR （片外数据存储器写选通信号输出端）RD （片外数据存储器读选通信号输出端）142.3 EA 引脚的作用是什么？在下列四种情况下， EA 引脚各应该接何种电平？(1)只有片内 ROM。(2)只有片外 ROM。(3)有片内 ROM 和片外 ROM。(4)有片内 ROM 和片外 ROM，片外 ROM 所存为调试程序。解： EA VDD：片外程序存储器选用端。(1) EA =1。(2) EA =0。
17、(3) 若片外 ROM 和片内 ROM 编址不重叠，则EA =1。(4) 若片外 ROM和片内 ROM 编址重叠，则 访问片内ROM 时EA=1，访 问片外 ROM 时EA=0。2.4 MCS51系列单片机的引脚中有多少根I/O 线？它们与单片机对外的地址总线和数据总线之间有什么关系？其地址总线和数据总线各有多少位？对外可寻址的地址空间有多大？解：MCS51系列单片机有 4 个 I/O 端口，每个端口都是 8 位双向口，共占 32 根引脚。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
18、口分时作为低 8 位地址线和双向数据总线，P3 口作为控制线使用。地址和数据线分别是 16 位和 8 位，对外可寻址的地址空间是 64KB。2.5 程序计数器的符号是什么？MCS51系列单片机的程序计数器有几位？它的位置在哪里？解： 程序计数器的符号是 PC，MCS51系列单片机的程序计数器有 16 位，为一个专用寄存器。在CPU 内部。2.6 何谓程序状态字？它的符号是什么？它的位置在哪里？它各位的含义是什么？为 1、为 0各代表http:/ 文库分享网什么？各在何种场合有用？解：程序状态字是一个 8 位寄存器，它包含了程序运行的状态信息，它的符号是 PSW。它的位置在CPU 中。各位含义如
19、下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0C AC F0 RS1 RS0 O2 P(1)进位标志位 C(PSW.7)：作用：在执行某些算术操作类、逻辑操作类指令时，可被硬件或软件置位或清零。例如 8 位加法运算时，如果运算结果的最高位D7 有进位，则 C=1，否则 C0；又如 8 位减法运算时，如果运算结果的最高位D7 有借位，则 C1，否则 C0。(2)辅助进位标志 Ac(PSW.6)：作用：8 位加法运算时，如果低半字节的最高位 D3 有进位，则 Ac1，否则 Ac0；8 位减法运算时，如果 D3 有借位，则 Ac1，否则 Ac0。Ac 在作 BCD 码运算而进行二十进制调整时有用
20、。(3)软件标志 F0(PSW.5)作用：是用户定义的一个状态标志。可通过软件对它置位、或清零。编程时，也常测试其是否建起而进行程序分支。15(4)工作寄存器组选择位 RS1、RS0 (PSW.4、PSW.3)：作用：用软件置位或清零，以确定四组工作寄存器中的哪一组工作，它们与各组的对应关系为RS1 RS00 0 0 组（地址从 0007H）0 1 1 组（地址从 080FH）1 0 2 组（地址从 1017H）1 1 3 组（地址从 181FH）(5)溢出标志 OV(PSW.2)：作用：当执行算术运算时，由硬件置位或清零，以指示溢出状态。各种算术指令对该位的影响情况在指令系统中详细介绍。(6
21、)奇偶标志 P(PSW.0)：每执行一条指令，单片机都能根据 A 中 1 的个数的奇偶自动令 P 置位或清零：奇为 1，偶为0。此标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验传输的可靠性。2.7 MCS51系列单片机的内存由哪几部分组成？其编址与访问的规律是怎样的？解：MCS51系列单片机内存由程序存储器与数据存储器两个独立的空间。程序存储器的编址自 0000H 开始，最大可至 FFFFH。MCS51单片机有 3 种不同的芯片：片内有掩膜只读存储器的(如 8051、8 052)、片 内有 EPROM的(如 8751)和片内没有只读存储器的(如 8031、http:/ 文库分享网8032
22、)，而 ROM 的寻址范围为 64KB，所以片内程序存储器的容量远小于该数，可见如扩展片外存储器，其裕量是很大的。ROM 编址规律：程序存储器的编址规律为：先片内、后片外，片内、片外连续，二者一般不作重叠。根据 PC 的内容进行访问。片内 RAM 从 00H 开始编址，片外 RAM 从 0000H 开始，部分地址重叠（实际并不完全一样），若只需扩展少量片外 RAM，容量不超过 256 个单元，则也可以按照 8 位二进制编址，从 00H 开始，到 FFH 结束。由于访问片内外 RAM 所用的指令不一样，不会引起混淆。2.8 MCS51系列单片机片内RAM 有多少单元？有哪些用途？这些用途各占用哪
23、些单元？堆栈的栈区设在哪里？解：51 子系列片内 RAM 有 128B 单元，52 子系列片内 RAM 有 256B 单元。单片机片内 RAM 可分为：工作寄存器区，位寻址区，数据缓冲区三个区域。(1) 工作寄存器区：00H1FH单元为工作寄存器区。供用户编程时使用，临时寄存8 位信息。分为四组： 0 7 R R ，但同时只能有一组参与程序程序的运行，用 RS1，RS0 两位的状态来选择参与运行的工作寄存器组。(2) 位寻地址：20H2FH，对该区的每一位，都有一个位地址，共有 128 个位地址。(3) 数据缓冲区：30H7FH（52 子系列为 30HFFH），作为普通的 RAM 单元使用。(
24、4) 堆栈栈区一般设在 2FH 以上的单元。2.9 MCS51系列单片机在片内集成了哪些主要逻辑功能部件？各个逻辑部件的主要功能是什么？解：MCS51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，16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（Program Counter）、指令寄存器 IR（Instruction Register）、指令译码器 ID（Instruction
25、Decoder）、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。http:/ 文库分享网数据存储器（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。可实现对
26、5 个中断源的管理。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 MCS51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。2.10 8051 单片机的控制总线信号有哪些？各有何作用？解：独立的控制线一共有 4 条：（1）ALE/ PROG ：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，8
27、051在P0.7P0.0 引脚上输出片外存储器低位地址的同时在ALE/ PROG 上输出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出 P0.7P0.0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/ PROG 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） EA /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EA ，则允许使用片内 ROM；若EA 则允许使用片外 ROM。（3）PSEN ：片外 ROM 选通线，在执行访
28、问片外 ROM 的指令 MOVC 时，8051 自动在PSEN 上产生一个负脉冲，用于为片外 ROM 芯片的选通。其他情况下PSEN 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。2.11 何谓特殊功能寄存器？8031 有哪些特殊功能寄存器？试按其用途相关联的硬件功能单元（如CPU、并行 I/O 口、串行 I/O 口、定时器/计数器、中断控制等）进行分类。解：特殊功能寄存器也称专用寄存器。专用于控制、管理片内算术逻辑部件，并行 I/O 口，串行 I/O口，定时器/计数器，中断系统等功能模块的工作，用户在编程时可以置数设定，但不能移作它用。除 P
29、C 外，8031 有 18 个专用寄存器，其中 3 个为双字节寄存器，共占用 21 个字节，按其用途相关联的硬件功能单元可分：P0 口，堆栈指针、数据指针低字节，数据指针高字节，定时器/计数器/计数器 0 高、低字节，定时器/计数器 1 高、低字节，P1 口，电源控制、串行控制；串http:/ 文库分享网行数据缓冲器，P2 口，中断允许控制，P3 口，中断允许优先级控制，程序状态字，累加器，B 寄存器共 18 个专用寄存器。2.12 何谓时钟周期、指令周期、机器周期？针对 MCS51系列单片机，如采用 12MHZ 晶振，它们的频率和周期各是什么？解： 振荡器输出的振荡脉冲经二分频成为内部时钟信
30、号，用作单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信号，其周期称时钟周期。机器周期：6 个时钟周期构成一个机器周期。17指令周期：CPU 执行一条指令的时间。针对 MCS51系列单片机，采用 12MHZ 晶振，则振荡周期为 0.167us，时钟周期为 0.333us，频率为 6MHZ，机器周期为 1us，频率为 1MHZ，指令周期为 1us 到 4us，频率为 1MHZ 到 0.25MHz。2.13 综述 P0、P1、P2、P3 口各有哪几种功能。解：这 4 个接口可以并行输入或输出 8 位数据；也可按位使用，即每一根输入输出线都能独立地用作输入或输出。四个 8 位并行口的功能各不相同：P0 口是
31、三态双向口，通常称为数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部数据总线的读写操作，P0 口还用于输出外部数据存储器的低 8 位地址。由于是分时输出，故应在外部加地址锁存器将地址数据锁存，地址锁存信号用 ALE。P1 口是专门供用户使用的 I/O 接口，是准双向接口。P2 口是供系统扩展时作高 8 位地址线用，如果没有系统扩展，例如使用 8051/8751 单片机不扩展外部存储器时，P2 口也可以作为用户 I/O 线使用。P2 口也是准双向口。P3 口是双功能口，该口的每一位均可以独立地定义为第一 I/O 功能或第二 I/O 口功能。P3 口的第二功能如表 21所示。2.14 在读回端口数据时，为什么应读锁存器内容，而不宜读引脚电平？解：假如通过三态门从引脚上读回数据，有时会发生错误。例如用一根口线去驱动一个晶体管的基极，在向此口线输出 l 时，锁存器 Q1，但晶体管导通后，引脚上的电平已拉到低电平(0.7V)，从引脚读回数据会错读为 0。2.15 阐明“准双向口”这一名称所以要加用“准”字的理由。解：在执行输入操作时，如果锁存器原来寄存的数据 Q0。那么由于Q 1 将使 V1 导通，引脚被始终箝拉在低电平上，不可能输入高电平。为此，用作输入前，必须先用输出指令置
