电子系统设计（一） 单片机原理及设计基础,朱为 tel: 83792841 ,第一讲 51单片机原理及基本结构,主要内容： 一、概述 二、MCS-51单片机的结构 三、MCS-51单片机的功能单元介绍,一、单片机概述,单片微型计算机简称单片机,它是把组成微型计算机的各个部件:中央处理器，储存器,输入/输出接口电路,定时器/计数器等,制作在一块集成电路中,构成一个完整的微型计算机. 8位单片机占整个单片机市场的60%以上,8位单片机的旧的机种正在被淘汰,新的机型不断涌现.8位单片机以其功能强,品种多,正广泛应用于各个领域,是单片机的主流机种.随着集成电路工艺的不断改进,8位单片机的价格也在不断降低.,单片机的应用领域 工业方面: 电机控制,工业机器人,过程控制,数字控制 仪器仪表方面: 智能仪器,医疗器械,色谱仪,示 波器 民用方面: 电子玩具,高级电视游戏机,录像机,激光盘驱动 电讯方面: 调制解调器,智能线路运行控制. 导航与控制: 导弹控制,智能武器装置 数据处理: 图形终端,磁带机,打印机 汽车方面: 点火控制,变速器控制,排气控制,二、MCS-51单片机的结构,1、内部结构和主要功能 2、引脚功能说明 3、时钟、复位电路 4、I/O端口 5、存储器配置 6、最小系统 7、CPU时序,8031内部结构示意图,主要性能：,128字节片内数据RAM 32根可编程I/0口线 5个中断源（1个串口、2个定时器、2个外部中断） 1个可编程串行接口 2个独立的16位可编程定时/计数器 64K外部程序存储器空间 64K外部数据存储器空间,8031引脚功能介绍,VCC +5V GND 地 ALE地址锁存允许 /PSEN 程序存储器允许 EA/VPP为0访问外部程序存储器 为1访问内部程序存储器 RST复位信号输入 XTAL1、XTAL2 外部晶振 P0.0P0.7 I/O端口（P0口） P1.0P1.7 I/O端口（P1口） P2.0P2.7 I/O端口（P2口） P3.0P3.7 I/O端口（P3口）,1,2,3,4,5,7,6,8,9,10,11,12,13,14,15,16,18,19,17,20,21,22,24,23,25,26,27,29,28,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4,P1.5,P1.6,P1.7,RST,(RXD) P3.0,(TXD) P3.1,(INT0) P3.2,(INT1) P3.3,(T0) P3.4,(T1) P3.5,(WR) P3.6,(RD) P3.7,XTAL2,XTAL1,GND,VCC,P0.0(AD0),EA/VPP,P0.1(AD1),P0.2(AD2),P0.3(AD3),P0.4(AD4),P0.5(AD5),P0.6(AD6),P0.7(AD7),ALE/PROG,PSEN,P2.7(A15),P2.6(A14),P2.5(A13),P2.4(A12),P2.3(A11),P2.2(A10),P2.1(A9),P2.0(A8),8031引脚图,时钟、复位电路,时钟电路： 复位电路：,VSS,RST,I/O端口P0口,1P0端口总线IO端口，双向，三态，数据地址分时复用，该端口除用于数据的输入输出外，在8031单片机外接程序存储器时，还分时地输出输入地址指令。由于P0端口输出的信号无锁存，输入的信息有读端口引脚和读端口锁存器之分,P0.x引脚,P0端口的一位结构,P0端口结构：,P1端口结构：,P2端口结构：,D,锁存器,CL,Q,Q,MUX,读锁存器,读引脚,内部总线,写锁存器,控制,地址,Vcc,R,内部上拉电阻,P2.x引脚,1,P2.x,I/O端口P3口（双功能口）,P3.0 RXD 串行接口 P3.1 TXD P3.2 /INT0 外部中断输入 P3.3 /INT1 P3.4 T0 定时/计数器输入 P3.5 T1 P3.6 /WR 外部数据读、写 P3.7 /RD,I/O端口P3口（双功能口）,P3端口结构：,存储器组织,内部RAM组织,RS1 RS0 R0R7 0 0 0007H 0区 0 1 080FH 1区 1 0 1017H 2区 1 1 181FH 3区,PSW.7 PSW.0,程序状态字PSW,字节地址：,MSB,LSB,7FH,00H07H,08H0FH,10H17H,18H1FH,寄存器0组,寄存器1组,寄存器2组,寄存器3组,00,01,02,03,04,05,06,07,08,0F,10,18,20,28,30,38,40,48,50,58,60,68,70,78,17,27,37,47,57,67,77,1F,2F,3F,4F,5F,6F,7F,位 地 址,通用RAM区,位地址区,寄存器区,内部RAM,SFR寄存器（1）,特殊功能功能名称地址复位后 寄存器的状态 B*通用寄存器F0H 00H A *累加器E0H 00H PSW *程序状态寄存器 D0H 00H IP*中断优先寄存器 B8H00H P3*P3口数据寄存器 B0HFFH IE*中断允许寄存器 A8H00H P2*P2口数据寄存器 A0H FFH SBUF 串行口发送/接收缓冲器 99H 不定 SCON*串行口控制寄存器 98H 00H P1*P1口数据寄存器 90H FFH,SFR寄存器（2）,特殊功能 功能名称 地址 复位后 寄存器 的状态 TH1T1计数器高8位 8DH 00H TH0 T0计数器高8位 8CH 00H TL1 T1计数器低8位 8BH 00H TL0 T0 计数器低8位 8AH 00H TMOD 定时/计数器方式字寄存器 89H 00H TCON定时控制寄存器 88H 00H PCON 波特率选择寄存器 87H 00H DPH地址寄存器高8位 83H 00H DPL地址寄存器低8位 82H 00H SP堆栈指示器 81H 07H P0P0口数据寄存器 80H FFH,SFR中 的位地址,P1口,XTAL1,XTAL2,P3.0,P3.1,P3.2,P3.3,P3.4,P3.5,P3.6,P3.7,PSEN,EA,RST,8031,P2口,ALE,P0口,VCC,VSS,373,G,E,I/O口,A8A15,A0A7,地址 总线AB,D0D7数据 总线DB,8031最小系统,CPU时序外部程序存储器读,CPU时序外部数据存储器读,CPU时序外部数据存储器写,三、MCS-51单片机的功能单元介绍,1、中断系统 2、定时/计数器 3、串行接口,1、中断系统,1)、中断结构图 2)、中断控制寄存器 3)、中断响应条件 4)、中断响应过程 5)、中断响应示意图,1)、中断结构图,2)、中断控制寄存器,同级内部优先级 外部中断0 最高 定时器0 外部中断1 定时器1 串行口 最低,3)、中断的响应条件,中断源有请求，CPU允许所有中断源请求(EA1)，中断允许寄存器IE相应位置1。这样，在每个机器周期内，单片机对所有中断源都进行顺序检测，并可在任一个周期的S6期间，找到所有有效的中断请求，并对其优先级排队，只要满足下列条件： 1.无同级或高级中断正在服务；2.现行指令执行到最后一个机器周期且已结束；3.若现行指令为RETI或需访问特殊功能寄存器IE或IP的指令时，执行完该指令且紧随其后的另一条指令也已执行完。 单片机便在紧接着的下一个机器周期S1期间响应中断，否则将丢弃中断查询的结果。,4)、中断响应过程,单片机一旦响应中断，首先置位响应的优先级有效触发器，然后执行一个硬件子程序调用，把断点地址压入堆栈保护，然后将对应的中断入口地址值装入程序计数器PC，使程序转向该中断入口地址，以执行中断服务程序。单片机响应中断后，只保护断点而不保护现场(如累加器A、程序状态字寄存器PSW的内容)，且不能清除串行口中断标志TI和RI，也无法清除外部中断请求信号INT0和INT1。故用户在编制程序时应予以考虑。,程序存储器,LJMP,XX,XX,RETI,中断服务 程序,转移,001BH,T1中断 入口地址,中断服务 程序入口地址,5)、中断响应示意图,特定程序入口地址： 0000H 复位 中断向量地址 中断源0003H 外部中断0 000BH 定时器0 0013H 外部中断1 001BH 定时器1 0023H 串行口,2、定时/计数器,1）控制寄存器（TMOD、TCON） 2）工作方式0 3）工作方式1 4）工作方式2 5）工作方式3,定时器计数器简称定时器，其作用主要包括产生各种时标间隔、记录外部事件的数量等，是微机中最常用、最基本的部件之一。 803l单片机有2个16位的定时器计数器： 定时器0(T0)和定时器1(T1)。T0由2个定时寄存器TH0和TL0构成，T1则由TH1和TL1构成，它们都分别映射在特殊功能寄存器中，从而可以通过对特殊功能寄存器中这些寄存器的读写来实现对这两个定时器的操作。 用于定时器工作时，每一个机器周期定时寄存器自动加l，所以定时器也可看作是计量机器周期的计数器。由于每个机器周期为12个时钟振荡周期，所以定时的分辨率是时钟振荡频率的112。 用于计数器工作时，只要在单片机外部引脚T0(或T1)有从1到0电平的负跳变，计数器就自动加1。计数的最高频率为振荡频率的l24 。,1）、控制字,TF 中断请求标志(T0、T1)，高电平有效,M0,M1,C/T,GATE,M0,M1,C/T,GATE,T1 T0,GATE 1打开 0关闭,C/T 1计数状态 0定时状态,M1、M0 工作方式设置 00方式0 01方式1 10方式2 11方式3,TMOD控制字,fosc,振荡器,12,&,1,1,C/T=0,C/T=1,GATE,INT1引脚,T1引脚,控制(高有效),TL1 D0 D4,TH1 D0 D7,TF1,中断请求,T1,TR1,2）、方式0,13位方式，由TL1的低5位和TH1的8位构成13位计数器（TL1的高3位无效）,fosc,振荡器,12,&,1,1,C/T=0,C/T=1,GATE,INT1引脚,T1引脚,控制(高有效),TL1 D0 D7,TH1 D0 D7,TF1,T1,TR1,3）、方式1,16位方式，由TL1的8位和TH1的8位构成16位计数器,中断请求,fosc,振荡器,12,&,1,1,C/T=0,C/T=1,GATE,INT1引脚,T1引脚,控制(高有效),TF1,TR1,中断请求,TH1 (8位),TL1 (8位),4）、方式2,8位自动装入时