无题
单片机原理及应用
第1章 单片机概述
1.1单片机的概念及主要特点
- 简称单片微型计算机，是指在一块半导体芯片中集成中央处理器、存储器、基本I/O接口以及定时/计时器等必要部件的完整的微型计算机
1.2单片机的分类及发展趋势
1.2.1单片机发展现状
1.8位单片机
- 51及兼容型、非51型
2.16位单片机
- MSP430，特点：省电、超低功耗
3.32位单片机
- 代表产品RISC的ARM系列
1.2.2单片机的发展趋势
1.类型上
- 51单片机主频：12MHz、24MHz、6MHz
2.技术发展上
- 1）CPU核仍以CISC为主，但朝RISC演化
- 2）采用闪烁（Flash）或E²PROM存储器替代内EPROM
- 3）低功耗、低电压、低价位，如CPU部分工作于1.5~2.5V、I/O口工作于3.3~5V
1.3常见的主流单片机
1.3.1目前流行的51内核单片机
1.Intel公司的MCS-51系列单片机
- MCS-51子系列和MCS-51子系列
2.Atmel公司的89系列单片机
- 具有E²PROM可擦除技术、Flash存储器技术和优秀的生产工艺与封装技术
1.3.2目前流行的非51内核的单片机
- 1.TI公司的16位超低功耗型MSP430系列单片机
- 2.Motorola单片机
3.Freescale单片机
- 汽车微控制器市场保持第一
1.4单片机的应用领域
- 1.智能仪器仪表
- 2.机电一体化
- 3.实时控制
- 4.消费类电子产品
- 5.导航控制
- 6.终端及外部设备控制
第2章 AT89系列单片机的硬件体系结构
2.1AT89系列单片机概述
- 2.1..1AT89C51单片机
2.1.2AT89系列单片机的主要性能
- 1）与MCS-51单片机产品兼容
- 2）4KB可程序设计Flash内存
- 3）1000次以上擦鞋周期
- 4）全静态操作：最高24MHz（默认12MHz）
- 5）三级加密程序内存
- 6）32根可程序设计I/O口线（理论同时32位传输）
- 7）2个16位定时/计数器
- 8）5个中断源
- 9）全双工UART串行通道（可同时输入和输出）
- 10）低功耗空闲和掉电模式
2.1.3AT89系列单片机的主要品种
AT89C51
- 1）4KB程序存储器Flash
- 2）128B数据存储器
- 3）12MHz工作频率
- 4）2个定时/计数器
- 5）1个UART通道
- 6）无ISP
- 7）4.0~6.0V工作电压
- 8）DIP,PLCC，PQFP封装形式
2.1.4AT89系列单片机的型号编码
- 1.AT是前缀；89XXXXX是型号；YYYY是后缀
- 2.89CXXXX中，9表示内部含Flash内存，C表示位CMOS产品
- 3.后缀的第一个参数Y表示速度；第二个参数Y表示封装；第三个参数Y表示温度范围；第四个参数Y说明产品的处理情况
2.2AT89系列单片机的结构原理
- 2.2.1AT89系列单片机的基本组成
- 2.2.2AT89系列单片机的内部框图
2.2.3AT89系列单片机的CPU
CPU由运算器和控制器组成
1.运算器，以算术逻辑单元（ALU）为核心
- 1）ACC，最频繁的寄存器，一般用于存放参加运算的操作数和运算结果
- 2）B寄存器，专为乘法和除法指令而设置的，也可作为中间结果寄存器使用
3）PSW，一个8位寄存器，标志寄存器
- 1.CY：进位标志
- 2.AC：辅助进位标志
- 3.F0：用户标志位
- 4.RS1、RS0：寄存器区间选择控制位
- 5.OV：溢出标志
- 6.P：奇偶标志
- 7.PSW.1：程序状态字的第1位
2.控制器，包括程序计数器（PC）、堆栈指针寄存器（SP）、数据指针寄存器（DPTR）等
- 1）PC（16位），初始值位0000H
- 2）SP（原则上软件只读不写），初始化07H，但最好设置为60H
- 3）DPTR（51中唯一可读写），16位数据指针寄存器
2.3AT89系列单片机的存储器结构
哈弗结构，有单独的程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）
2.3.1AT89系列单片机的程序存储器
1.AT89系列单片机程序存储器ROM，正常工作时可读不可写，掉电数据不丢失
- 1）具有4KBFlash结构的电可擦除只读存储器
- 2）逻辑上仅一个64KB，内部与外部只能选择一个，最好不要外扩ROM
- 3）单片机引脚EA非的电平来选择，若接Vcc，当地址为0000H~0FFFH时，访问内部Flash；当地址为1000H~FFFFH时，则访问外部程序内存
2.AT89系列单片机程序存储器管理
- 1）系统复位后，PC的初始值为0000H（0~48字节有特殊用途，中断向量表），它的值代表单片机下一条（main程序）要执行的指令在ROM中存放的位置，用户不能直接对PC进行操作
2.3.2AT89系列单片机的数据存储器
- 1）数据存储器RAM用于存放程序中的“中间数据”或程序运行后的结果，掉点后会丢失
- 2）数据存储器分为两个地址空间：一个为内部128B内存空间；一个为外部扩展的64KB内存空间
1.内部数据存储器的结构，对于51系列，高128B被特殊功能寄存器占用
1）低128B RAM区
i）工作寄存器组区
- 最低32个单元，PSW中RS1、RS0确定当前采用哪一个工作寄存器，系统复位后，指向工作寄存器组0（07H）
ii）位寻址区
- 20H~2FH单元（16B）可供寻址，共128位
- 两种地址表示方式：位地址形式；“字节地址（20H~2FH）.位数”方式
iii）用户RAM区
- 30H~7FH共80个字节单元（但只有48B可供使用）
2）高128B的特殊功能寄存器（SFR）区
SFR使用方法
- i）使用位名称表示，例如：CY
- ii）使用SFR“名称.位”形式表示，例如：PSW.7
2.外部数据存储器，寻址空间可达64KB，地址范围是0000H~FFFFH（能不使用就不使用，消耗占用资源）
2.4AT89系列单片机的引脚功能
2.4.1外部引脚
1.输入输出引脚（C51共40个引脚，32个皆为输入输出口）
- P0、P1、P2、P3口4个8位并行I/O口
2.控制引脚
- 1）RST复位输入端（未复位，低电平；复位时，高电平（持续几个微秒））
2）ALE/PROG非地址所存允许/编程脉冲（用于发送地址信号（输出），高电平有效）
- 输出信号用于所存低字节地址
3）PSEN非外部程序存储器的选通信号（输出）（有效，则外部程序；无效，则内部数据）
- 用于读外部程序存储器的选通信号，低电平有效
4）EA非/Vpp外部程序存储器访问允许端/编程电源输入端（输入）（低电平有效，访问外部程序4KB；反则内部程序）
- 通过EA非从外部程序内存中读取代码
3.电源和时钟引脚（物理引脚）
4.外接晶体引脚（与时钟有关系）
- 1）内部振荡器：XTAL1、XTAL2同时使用
- 2）外部振荡器：只是用XTAL1
2.4.2片外总线结构
P0口的8个引脚既可以是地址总线（低8位），也可以是数据总线；P2口的8个引脚作为地址总线的高8位；P3口的8个引脚只能占用两个
- 1.地址总线，分时复用技术
- 2.数据总线
- 3.控制总线
2.5AT89系列单片机的I/O接口
2.5.1P0口，一个8位漏极开路的双向I/O口
1.P0口作为通用I/O口使用
- 1）I/O模式下作为输出口，P0需外接上来电阻（10kΩ左右）
- 2）在I/O模式下作为输入口使用时，在输入操作前应先向端口写“1”（P0=0xff）；称作“准双向口”
2.P0口作为低8位地址/数据复用总线使用
2.5.2P1口，无需多路转接电路MUX和外接上拉电阻
- 1.P1口作通用I/O使用
2.5.3P2口，作通用I/O口使用时，是一个准双向口
2.5.4P3口，一个多用途口，是一个准双向口
P3口引脚与复用功能
P3.0
- RXD（串行输入口）
P3.1
- TXD（串行输出口）
P3.2
- INT0（外部中断0）
P3.3
- INT1（外部中断1）
P3.4
- T0（定时器0的外部输入）
P3.5
- T1（定时器1的外部输入）
P3.6
- WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
- RD（外部数据存储器读选通）
2.6AT89S系列单片机内部看门狗定时器
2.7AT89系列单片机复位工作方式
- 当系出于正常工作状态时，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个震荡周期，约2μs）以上，则CPU就可以实现可靠复位
复位后寄存器的初始状态
寄存器
- PC
- ACC
- PSW
- SP
- DPTR
- P0、P1、P2、P3
- IP
- IENO
初始状态值
- 0000H
- 00H
- 00H
- 00H
- 07H
- 0FFH
- xxx00000B
- 0x00000B
寄存器
- TMOD
- TCON
- TH0
- TL0
- TH1
- TL1
- SCON
- PCON
- SBUF
初始状态值
- 00H
- 00H
- 00H
- 00H
- 00H
- 00H
- 00H
- 0xx00000B
- 不定
2.8AT89系列单片机的低功耗方式
省电工作方式（尽可能降低系统的功耗）
- 空闲方式
- 掉电方式
2.8.1空闲工作方式
- 1.任何中断请求都可以由硬件将PCON.0（IDL）清零而中止空闲工作方式
- 2.硬件复位
2.8.2掉电工作方式
- 当CPU执行一条置PCON.1位（PD）为1的指令后，系统进去掉电工作方式，但内部RAM区和特殊功能寄存器的内容被保留
- 退出掉电工作方式的唯一方法是硬件复位。复位后将所有的特殊功能寄存器的内容初始化，但不改变内部RAM区的数据
2.9AT89系列单片机的时序
时序，即指各种操作信号的时间序列，它表明了指令执行中各种信号之间的相互关系
2.9.1几个基本时序单位
- （1）时钟周期（12MHz=1/12μs），也称为振荡周期，定义为时钟脉冲频率（fosc）的倒数，是计算机中最基本的，最小的时间单位
- （2）状态周期（1/6μs），时钟周期经2分频后成为内部的时钟信号，用作单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信号，用S表示；一个状态周期有两个时钟周期
- （3）机器周期（1μs），完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期，一个机器周期有6个状态，包含12个振荡脉冲
- （4）指令周期（1~4μs），指CPU执行一条指令所需要的时间，一般由若干机器周期组成；一个指令周期包含1~4个机器周期
2.9.2CPU取指令和执行指令时序
- 大部分指令在整个指令执行过程中，在每个机器周期内ALE信号出现两次（有效）
第3章 单片机的指令系统及汇编语言程序设计
3.1 51系列单片机指令系统概述
- 指令就是要计算机执行某种操作的指令，一台计算机中所有指令的集合，称为这台计算机的指令系统
- 操作码字段表征指令的操作特性与功能，而地址马自担通常指定参与操作的操作数地址
精简指令系统RISC：单字节、双字节、三字节等不同长度的指令
- 单字节指令只有1字节
- 双字节指令包括2字节，操作码+操作数
- 三字节指令，操作码占1字节，操作占2字节
3.2 51系列单片机的寻址方式
顺序寻址、跳转寻址
3.2.1立即寻址（常数寻址）
为表示指令中的立即数，在操作数前面加“#”标志
- MOV A, #90H —— 指令功能是把90H这个数据送到累加寄存器A（即存放在程序存储器中）
3.2.2（最好的）寄存器寻址（寄存器数寻址）
MOV A, R0 —— 指令功能是把寄存器R0的内容传送到累加寄存器A中
- 1）通用寄存器，即R0~R7
- 2）部分专用寄存器，如累加器A和B寄存器，以及数据指针DPTR寄存器
3.2.3（不用）直接寻址（存储器数寻址）
存放在内部数据存储和特殊功能寄存器
寻址范围只限于内部RAM，SBUF是专用寄存器名
- 1）低128单元
- 2）专用寄存器
3.2.4寄存器间接寻址
- 1）内部数据RAM的寄存器间接寻址，采用寄存器R0、R1，如MOV A, @R0
2）外部数据RAM的寄存器间接寻址
- 1.采用R0、R1作为间接寄存器
- 2.采用16位的DPTR
3.2.5相对寻址（指令寻址）
将指令中给定的地址偏移量与PC的当前值相加，得到真正的程序转移地址
- 偏移量是一个带符号的8位二进制补码数，表示数的范围是-128~+127
3.2.6编制寻址
- 1）变址寻址只能对程序存储器进行寻址，范围达64KB
2）变址寻址的指令只有3条
- MOVC A, @A + DPTR
- MOVC A, @A + PC
- JMP@ A + DPTR
3.2.7位寻址
- 1）内部RAM中的位寻址区单元地址位20H~2FH，共16个单元128位，位地址是00H~7FH
- 2）专用寄存器的可寻址区，可以位寻址的专用寄存器共有11个，实有寻址位83位
第4章 C51程序设计
4.1 C51程序设计基础
4.1.1 C51语言特点和程序结构
1.C51语言功能上的特点
- （1）C51语言兼具高级语言和汇编语言的特点
- （2）C51语言简洁、运算丰富、数据结构众多
- （3）C51采用结构化设计程序，程序可移植性好
- （4）生成目标代码效率高
4.2 C51数据类型
4.2.1字符型
- unsigned char；单字节；0~255；无符号字符型
4.2.2整型
- unsigned int；双字节；0~65535；无符号整型
4.2.5位型
- bit型
- sbit型
4.2.6寄存器型
- sfr，字符型特殊功能寄存器类型，占用1字节单元
sfr16，双字节特殊功能寄存器类型，占用2字节单元
- 访问所有2字节特殊功能寄存器（DPTR）
4.3 C51运算量
4.3.1常量
- 1.整型常量
- 2.浮点型常量
- 3.字符型常量
4.字符串常量
字符串常量所占用的字节数位字符数加1
- 字符串中每个字符所占用1字节的存储空间，并在字符串尾部加一个结束符NULL
4.3.2变量
变量定义的一般格式：[存储类型] 数据类型 [存储器类型] 变量名1 [=初值]，变量名2 [=初值]……
1.存储类型
- （1）动态（auto）
- （2）外部（extern）
（3）静态（static）
- 静态变量在程序运行时始终占用存储单元
（4）寄存器（register）
- 用register定义的变量存放在CPU内部的RAM的寄存器中，处理速度快，但是可以定义变量的数目有限
2.数据类型
- char型，1字节
- int型，2字节
- bit型，1位
3.存储器类型
C51存储器类型和变量存放区域
存储器类型（关键字）
- data
- bdata
- idata
- pdata
- xdata
- code（需要初始化）
存储区域
- 内部RAM的00H~7FH区域（内部数据存储器）
- 内部RAM的20H~2FH区域
- 内部RAM的00H~7FH区域
- 外部RAM某一页的0~FFH区域
- 整个外部RAM的0~FFFFH区域
- 64KB的程序存储器区域
说明
- 直接寻址的内部RAM，存取速度最快
- 位寻址区、允许位和字节的混合访问
- 间接寻址访问，用@R0、@R1间接访问
- 用MOVX @R0、@R1间接访问
- 用MOVX @DPTR间接访问
- 用MOVC指令访问，变址寻址
4.变量名
- 变量名的第一个字符必须是字母或者下划线，不能以数字开头
4.3.3 C51扩展数据类型的变量定义
1.bit普通位变量
普通位变量用来定义存放在内部RAM可以位寻址区域的变量
严格来说只能是bdata的存储器类型
- 定义格式：bit [存储器类型] 变量名
2.sbit可位寻址的特殊位变量（无存储类型）
- 可位寻址的特殊位变量，SFR中可以位寻址的位，操作可以位寻址或者字节寻址
sbit来指定位变量的绝对地址
sbit的一般定义方法
（1）用于指定已定义的可位寻址的SFR或者20H~2FH单元的某一位
- sbit F0 = PSW^5;//定义F0为PSW.5
(2)指定可以位寻址的地址单元的某一位
- sbit dis_on = 0x20^0;
（3）直接指定可寻址的位地址
- sbit F0 = 0xd5;
3.sfr特殊功能寄存器变量
sfr直接指定8位的特殊功能寄存器的直接地址
- 定义格式：sfr 特殊功能寄存器名 = 绝对地址；
4.sfr16 16位特殊功能寄存器变量
sfr16定义16位的特殊功能寄存器的低端地址
- 定义格式：sfr16 16位特殊功能寄存器名 = 绝对地址的低端地址；
4.3.4 C51绝对地址访问
4.3.5存储模式
1.SMALL模式
- 默认变量存放在idata区域，片内数据存储器00H~07FH单元
2.COMPACT模式
- 默认变量存放在pdata区域，片外RAM的低256B空间
3.LARGE模式
- 默认变量存放在xdata区域，片外RAM的64KB空间
第5章 单片机应用系统的开发环境及仿真软件简介
第6章AT89系列单片机内部资源及应用
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