学习任务一--51系列单片机(AT89S51)基础知识-《单片机应用技术》教学课件.ppt
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1、单片机应用技术学习任务一 51系列单片机(AT89S51)基础知识 学习目标任务说明任务说明 单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(有的单片机还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域具有广泛的应用。学习目标了解单片机的发展历史和应用范围;掌握A89S51的结构组成;熟悉单片机的存储结构;熟悉单片机的输入/输出(I/O)端口;掌握单片机编程语言。知识要求 学习目标能力要求
2、 能够根据控制需要连接相对简单的单片机外围电路;能够读懂简单的单片机控制程序。一、单片机概述 1.单片机简介 单片微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器(micro controller unit),单片机芯片常用英文母的缩写CU表示。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。一、单片机概述 单片机输出设备运算器输入设备控制器存储器一、单片机概述 1980年Intel公司8位高档CS-51系列单片机20世纪70年代,美国仙童半导体公F-8Intel otorola推出了性能更为优越的32位单片机1983年Intel公司16位CS-96系
3、列单片机Intel公司推出CS-48单片机系列 2.单片机的发展及应用二、51系列单片机(AT89S51)结构组成 微处理器微处理器(CPU)数据存储器数据存储器(FlashRA)程序存储程序存储器(器(RO)中断系统中断系统 8位的CPU,与通用CPU基本相同,同样包括了运算器和控制器两大部分,还有面向控制的位处理功能。数据存储器片内为128 B,片外最多可扩展64 KB。片内128 B的RAM以高速RAM的形式集成。中断系统具有6个中断源,常用5个,这些中断源可分为2级中断优先权。片内集成有4 KB的Flash存储器,如片内容量不够,片外可外扩至64 KB。二、51系列单片机(AT89S5
4、1)结构组成定时器定时器/计计数器数器看门狗定时看门狗定时器(器(WD)串行口串行口P1口、口、P2口、口、P3口、口、P0口口 片内有2个16位定时器/计数器(52子系列有3个),具有4种工作方式。片内有1个WD,当CPU由于干扰使程序陷入死循环或跑飞状态时,WD可使程序恢复正常运行。P1口、P2口、P3口、P0口为4个8位并行I/O端口。片内有1个全双工异步串行口,具有4种工作方式。可进行串行通信,扩展并行I/O端口,还可与多个单片机构成多机系统。二、51系列单片机(AT89S51)结构组成图1-2 AT89S51双列直插封装方式的引脚2.单片机的引脚功能二、51系列单片机(AT89S51
5、)结构组成 (1)XA1(19脚)。片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。用片内振荡器时,该引脚接外部石英晶体和微调电容。外接时钟源时,该引脚接外部时钟振荡器的信号。(2)XA2(18脚)。片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时,该引脚连接外部石英晶体和微调电容。当使用外部时钟源时,该引脚悬空。2)时钟引脚二、51系列单片机(AT89S51)结构组成 (1)RST(RESET,9脚)。复位信号输入端,高电平有效。在此引脚加上持续时间大于两个机器周期的高电平,可使单片机复位。正常工作时,此引脚电平应0.5V。当看门狗定时器溢出输出时,该引脚将输出长达96个时钟振荡周期的高电平。(2
6、)/VPP(enable address/voltage pulse of programing,31脚)。3)控制引脚二、51系列单片机(AT89S51)结构组成(2)外部时钟方式。使用现成的外部振荡器产生脉冲信号,常用于多片A89S51同时工作,以便于多片单片机之间的同步。外部时钟源直接接到XA1端,XA2端悬空,外部时钟方式的电路如图所示。二、51系列单片机(AT89S51)结构组成2)时钟周期、机器周期与指令周期(1)时钟周期。时钟周期是时钟控制信号的基本时间单位。若晶振频率为fosc,则时钟周期Tosc=1/fosc。例 如,fosc=6MHz,则Tosc=1/6 s。二、51系列单
7、片机(AT89S51)结构组成(2)机器周期。CPU完成一个基本操作所需时间为机器周期。单片机中常把执行一条指令的过程分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作,如取出指令、读或写数据等。二、51系列单片机(AT89S51)结构组成(3)指令周期。指令周期是指执行一条指令所需的时间。对于简单的单字节指令,取出指令立即执行,只需一个机器周期的时间。而有些复杂的指令,如转移、乘、除指令则需两个或多个机器周期。从指令执行时间看,单字节和双字节指令一般为单机器周期和双机器周期,三字节指令都是双机器周期,只有乘、除指令占用4个机器周期。二、51系列单片机(AT89S51)结构组成3)复位操作和复位电
8、路寄 存 器复位状态寄 存 器复位状态PC0000HTMOD00HACCOOHTCON00HB00HTH000HSP07HTL000HDPTR0000HTH1OOHP0-P3FFHTLI00H表1-1复位时片内各寄存器的状态二、51系列单片机(AT89S51)结构组成上电复位电路二、51系列单片机(AT89S51)结构组成按键复位电路三、单片机存储器结构 程序存储器地址空间 数据存储器地址空间 三、单片机存储器结构工作寄存器选择方式PSW.4(RS1)PSW.3(RS0)当前使用的工作寄存器组00第0 组(00H07H)01第1 组(08H0FH)10第2 组(10H17H)11第3 组(18
9、H1FH)三、单片机存储器结构表1-3内部RA位寻址区位地址单元地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H三、单片机存储器结构2)单片机的特殊功能寄存器SFR ACC,累加器
10、WDTSP堆栈指针AUXR1数据指针DPTR0和DPTR1B,B寄存器AUXR,辅助寄存器PSW三、单片机存储器结构表1-5AUXR各位功能D7D6D5D4D3D2D1D0_WDIDLEDISRTO_DISALE三、单片机存储器结构表1-6PSW各位功能D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV_P三、单片机存储器结构表1-7AUXR1各位功能D7D6D5D4D3D2D1D0_DPS三、单片机存储器结构2.单片机的程序存储器ROMROM用于存放程序及表格常数,读取ROM的指令为“MOVC”。AT89C51片内有4 KB的ROM,外部可用16位地址线扩展到最大64 KB的ROM
11、空间。片内ROM和外部扩展ROM是统一编址的。当芯片引脚EA为高电平时,程序计数器PC在0000H0FFFH(4 KB)地址时从内部ROM取指令,超过4 KB时,CPU自动转向外部ROM执行程序。如果EA为低电平(接地),则所有取指令操作均在外部ROM中进行,这时外部扩展的ROM从0000H开始编址。0000H单元是复位入口,单片机复位后,CPU总是从0000H单元开始执行程序。0000H0002H单元安排一条无条件转移指令,使之转向主程序的入口地址。四、单片机的输入/输出(I/O)端口 I/O端口就是输入/输出端口。AT89S51单片机拥有4个8位并行I/O端口,即P0、P1、P2和P3,每
12、个端口都是8位准双向口,共占32根引脚,每一条I/O线都能独立地用作输入或输出,每个端口都包括一个锁存器(即特殊功能寄存器P0P3)、一个输出驱动器和输入缓冲器,用作输出数据时可以锁存,用作输入数据时可以缓冲。四、单片机的输入/输出(I/O)端口P0口是一个双功能的8位并行端口,字节地址为80,位地址为80H87H。端口的各位具有完全相同但又相互独立的电路结构,P0口某一位的位电路结构如图所示。1P0口(P0.0P0.7)四、单片机的输入/输出(I/O)端口1)P0口用作地址/数据总线外扩存储器或I/O时,P0口作为单片机系统复用的地址/数据总线使用。当作为地址或数据输出时,控制信号为1,硬件
13、自动使转接开关MUX打向上面,接通反相器的输出,同时使与门处于开启状态。当输出的地址/数据信息为1时,与门输出为1,上方的场效应管导通,下方的场效应管截止,P0.x引脚输出为1;当输出的地址/数据信息为0时,上方的场效应管截止,下方的场效应管导通,P0.x引脚输出为0。输出电路是上、下两个场效应管形成的推拉式结构,大大提高了负载能力,上方的场效应管此时起到内部上拉电阻的作用。当P0口作为数据输入时,仅从外部存储器(或I/O)读入信息,对应的控制信号为0,UX接通锁存器的Q端。四、单片机的输入/输出(I/O)端口由于P0口作为地址/数据复用方式访问外部存储器时,CPU自动向P0口写入0FF,使下
14、方场效应管截止,上方场效应管由于控制信号为0也截止,从而保证数据信息的高阻抗输入,从外部存储器输入的数据信息直接由P0.x引脚通过输入缓冲器BUF2进入内部总线。具有高阻抗输入的I/O端口应具有高电平、低电平和高阻抗3种状态的端口。因此,P0口作为地址/数据总线使用时是一个真正的双向端口,简称双向口。四、单片机的输入/输出(I/O)端口(1)P0口作输出口使用时,来自CPU的“写”脉冲加在D锁存器的CP端,内部总线上的数据写入D锁存器,并由引脚P0.x输出。当D锁存器为1时,Q端为0,下方场效应管截止,输出为漏极开路,此时,必须外接上拉电阻才能有高电平输出;当D锁存器为0时,下方场效应管导通,
15、P0口输出为低电平。2)P0口用作通用I/O端口四、单片机的输入/输出(I/O)端口(2)P0口作输入口使用时,有两种读入方式:“读锁存器”和“读引脚”。当CPU发出“读锁存器”指令时,锁存器的状态由Q端经上方的三态缓冲器BUF1进入内部总线;当CPU发出“读引脚”指令时,锁存器的输出状态=1(即Q端为0),而使下方场效应管截止,引脚的状态经下方的三态缓冲器BUF2进入内部总线。四、单片机的输入/输出(I/O)端口 P1口 为 单功能的I/O端口,字节地址为 90H,位地址为 90H97H。P1口某一位的位电路结构如图1-11所示。2.P1口(P1.0P1.7)四、单片机的输入/输出(I/O)
16、端口(1)P1口作输出口使用时,若CPU输出1,Q=1,=0,场效应管截止,P1口引脚的输出为1;若CPU输出0,Q=0,=1,场效应管导通,P1口引脚的输出为0。(2)P1口作为输入口使用时,分为“读锁存器”和“读引脚”两种方式。“读锁存器”时,锁存器的输出端Q的状态经输入缓冲器BUF1进入内部总线;“读引脚”时,先向锁存器写1,使场效应管截止,P1.x引脚上的电平经输入缓冲器BUF2进入内部总线。(3)P1口由于内部上拉电阻,无高阻抗输入状态,故为准双向口。P1口“读引脚”输入时,必须先向锁存器写入1。四、单片机的输入/输出(I/O)端口3P2口(P2.0P2.7)P2口为双功能口,字节地
17、址为A0H,位地址为 A0H A7H。P2口某一位的位电路结构如图1-12所示。四、单片机的输入/输出(I/O)端口1)P2口用作地址总线 P2口用作地址总线时,在控制信号作用下,MUX与“地址”接通。当“地址”线为0时,场效应管导通,P2口引脚输出为0;当“地址”线为1时,场效应管截止,P2口引脚输出1。四、单片机的输入/输出(I/O)端口2)P2口用作通用I/O端口 P2口用作通用I/O端口时,在内部控制信号作用下,MUX与锁存器的Q端接通。CPU输出1时,Q=1,场效应管截止,P2.x引脚输出1;CPU输出0时,Q=0,场效应管导通,P2.x引脚输出0。P2口用作输入时,分“读锁存器”和
18、“读引脚”两种方式:“读锁存器”时,Q端信号经输入缓冲器BUF1进入内部总线;“读引脚”时,先向锁存器写1,使场效应管截止,P2.x引脚上的电平经输入缓冲器BUF2进入内部总线。四、单片机的输入/输出(I/O)端口 3)P2口的特点 P2口作为地址输出线时,P2口高8位地址与P0口输出的低8位地址寻址64 KB地址空间。作为通用I/O端口时,P2口为准双向口。功能与P1口一样。一般情况下,P2口大多作为高8位地址总线口使用,这时就不能再作为通用I/O端口使用了。四、单片机的输入/输出(I/O)端口4.P3口(P3.0P3.7)由于引脚数目有限,在P3口增加了第二功能。每一位都可以分别定义为第二
19、输入功能或第二输出功能。P3口字节地址为B0H,位地址B0HB7H。P3口某一位的位电路结构如图1-13所示。四、单片机的输入/输出(I/O)端口1)P3口用作第二输入/输出功能当选择第二输出功能时,该位的锁存器需要置1,使与非门为开启状态。当第二输出为1时,场效应管截止,P3.x引脚输出为1;当第二输出为0时,场效应管导通,P3.x引脚输出为0。当选择第二输入功能时,该位的锁存器和第二输出功能端均应置1,保证场效应管截止,P3.x引脚的信息由输入缓冲器BUF3的输出获得。四、单片机的输入/输出(I/O)端口2)P3口用作第一功能通用I/O端口 P3口用作第一功能通用输出时,第二输出功能端应保
20、持高电平,与非门开启。CPU输出1时,Q=1,场效应管截止,P3.x引脚输出为1;CPU输出0时,Q=0,场效应管导通,P3.x引脚输出为0。用作第一功能通用输入时,P3.x位的输出锁存器和第二输出功能均应置1,场效应管截止,P3.x引脚信息通过输入BUF3和BUF2进入内部总线,完成“读引脚”操作。当P3口用作第一功能通用输入时,也可执行“读锁存器”操作,此时信息由Q端进入并经过缓冲器BUF1进入内部总线。四、单片机的输入/输出(I/O)端口3)P3口的特点P3口内部有上拉电阻,无高阻抗输入态为准双向口。P3口作为第二功能的输出/输入或第一功能通用输入,均须将相应位的锁存器置1。实际应用中,
21、由于复位后P3口锁存器自动置1,满足第二功能所需的条件,所以不需任何设置工作就可以进入第二功能操作。当某位不作为第二功能用时,可作为第一功能通用I/O使用。引脚输入部分有两个缓冲器,第二功能的输入信号取自缓冲器BUF3的输出端,第一功能的输入信号取自缓冲器BUF2的输出端。四、单片机的输入/输出(I/O)端口表1-8P3口的第二功能定义引脚第二功能功能说明P3.0RXD串行数据输入口P3.1TXD串行数据输出口P3.2外部终端0输入P3.3外部终端1输入P3.4T0定时器0外部计数输入P3.5T1定时器1外部计数输入P3.6外部数据存储器写选通输出P3.7外部数据存储器读选通输出四、单片机的输
22、入/输出(I/O)端口注意准双向口仅有两个状态,而P0口作为总线使用,口线内没有上拉电阻,处于高阻“悬浮”态,故P0口为双向三态I/O端口。另外,准双向口作通用I/O的输入口使用时,一定要向该口先写入“1”。四、单片机的输入/输出(I/O)端口5.I/O端口的使用 下面讨论P1P3口与ED发光二极管的驱动连接问题。P0口与P1、P2、P3口相比,P0口的驱动能力较大,每位可驱动8个S输入,而P1、P2、P3口的每一位的驱动能力只有P0口的一半。当P0口某位为高电平时,可提供400 A的电流;当P0口某位为低电平(0.45 V)时,可提供3.2 mA的灌电流。如低电平允许提高,灌电流可相应加大,
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