1、单片机原理和应用答案C:Documents and SettingsAdministratorLocal SettingsTempRar$EX01.57801311习题参考答案.htm单片机原理及应用思考题与习题参考答案绪论 MCS-51单片机内部包含哪些主要功能部件？它们的作用是什么？2-2MCS-51单片机的EA、ALE和PSEN端的功能是什么？2-3程序计数器（PC）有多少位？它的主要功能是什么？2-4简述MCS-51单片机片内RAM区地址空间的分配特点。2-5 MCS-51单片机如何实现工作寄存器组R0R7的选择？2-6 单片机复位后，各特殊功能寄存器中的初始化状态是什么？2-7MCS
2、-51单片机的21个特殊功能寄存器中，哪些具有位寻址能力？2-8程序状态字寄存器（PSW）的作用是什么？MCS-51单片机的P3口具有哪些功能？2-10MCS-51单片机的片外总线是由哪些总线构成的？2-11MCS-51单片机对外有几条专用控制线？2-12单片机时钟电路有何用途？起什么作用？2-13什么是时钟周期、状态周期、机器周期和指令周期？当单片机时钟频率为12MHz时，一个机器周期是多少？ALE引脚的输出频率是多少？2-14什么时候需要复位操作？对复位信号有何要求？2-15按例2-3的要求画出对应的硬件电路图。2-16设计一个按键电路。当按键长按5s以上时，系统复位；当按键短时间按时，系
3、统控制LED灯的开关。0.1解：单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer），简称单片机。就是将微处理器（CPU）、存储器（存放程序或数据的ROM和RAM）、总线、定时器/计数器、输入/输出接口（I/O口）和其他多种功能器件集成在一块芯片上的微型计算机。单片机的主要特点有：（1）可靠性高（2）便于扩展（3）控制功能强（4）低电压、低功耗（5）片内存储容量较小，除此之外，单片机还具有集成度高、体积小、性价比高、应用广泛、易于产品化等特点0.2 解：当前单片机的主要产品有：Intel的8051系列、Motorola的M68HC系列、Philips（飞利浦）的80C51系列、
4、台湾义隆公司（EMC）EM78系列单片机、美国Microchip公司的PIC单片机系列、Atmel公司的AT90系列单片机Ubicom公司的Scenix单片机、日本爱普生科技公司的Epson单片机、Zilog公司的Z86系列、美国国家半导体公司NSCOP8单片机、台湾Winbond（华邦）的W78系列等。MCS-51为主流产品。 MSP430的功能较强。是一种特低功耗的Flash微控制器。主要用于三表及超低功耗场合。 EM78系列单片机采用高速CMOS工艺制造，低功耗设计为低功耗产品，价格较低。具有三个中断源、R-OPTION功能、I/O唤醒功能、多功能I/O口等。具有优越的数据处理性能，采用
5、RISC结构设计。Microship单片机是市场份额增长较快的单片机。它的主要产品是PIC系列8位单片机。CPU采用RISC结构，运行速度快，价格低适于用量大、档次低、价格敏感的产品。 Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。 AVR是增强RISC内载Flash的单片机，单片机内部32个寄存器全部与ALU直接连接，突破瓶颈限制，每1MHz可实现1MIPS的处理能力，为高速、低功耗产品。端口有较强的负载能力，可以直接驱动LED。支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。Scenix单片机除传统的
6、I/O功能模块如并行I/O、UART、SPI、I2C、A/D、PWM、PLL、DTMF等，增加了新的I/O模块（如USB、CAN、J1850、虚拟I/O等）。其特点是双时钟设置，指令运行速度较快，具有虚拟外设功能，柔性化I/O端口，所有的I/O端口都可单独编程设定。Epson单片机主要为日本爱普生科技公司生产的LCD配套。其单片机的特点是LCD驱动部分性能较好，低电压、低功耗。Z8单片机是Zilog公司的主要产品，采用多累加器结构，有较强的中断处理能力。价格低。COP8单片机片内集成了16位A/D，内部使用了抗电磁干扰EMI（Electro Magnetic Interference）电路，在
7、看门狗电路及单片机的唤醒方式上都有独到之处。程序加密控制功能也比较好。W78系列与标准的8051兼容，W77系列为增强型51系列，对8051的时序作了改进，在同样时钟频率下，速度提高2.5倍。Flash ROM容量从4KB到64KB，有ISP功能。0.3解：（1）第一阶段（19741976年）：制造工艺落后，集成度低，而且采用了双片形式。典型的代表产品有Fairchild公司的F8系列。其特点是：片内只包括了8位CPU，64B的RAM和两个并行口，需要外加一块3851芯片（内部具有1KB的ROM、定时器/计数器和两个并行口）才能组成一台完整的单片机。（2）第二阶段（19771978年）：在单片
8、芯片内集成CPU、并行口、定时器/计数器、RAM和ROM等功能部件，但性能低，品种少，应用范围也不是很广。典型的产品有Intel公司的MCS-48系列。其特点是，片内集成有8位的CPU，1KB或2KB的ROM，64B或128B的RAM，只有并行接口，无串行接口，有1个8位的定时器/计数器，中断源有2个。片外寻址范围为4KB，芯片引脚为40个。（3）第三阶段（19791982年）： 8位单片机成熟的阶段。其存储容量和寻址范围增大，而且中断源、并行I/O口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加，并且集成有全双工串行通信接口。在指令系统方面增设了乘除法、位操作和比较指令。其特点是，片内包括了8位的
9、CPU，4KB或8KB的ROM，128B或256B的RAM，具有串/并行接口，2个或3个16位的定时器/计数器，有57个中断源。片外寻址范围可达64KB，芯片引脚为40个。代表产品有Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的MC6805系列，TI公司的TMS7000系列，Zilog公司的Z8系列等。（4）第四阶段（1983年至今）： 16位单片机和8位高性能单片机并行发展的时代。16位机的工艺先进，集成度高，内部功能强，运算速度快，而且允许用户采用面向工业控制的专用语言，其特点是，片内包括了16位的CPU，8KB的ROM，232B 的RAM，具有串/并行接口，4个16位的定时器/
10、计数器，有8个中断源，具有看门狗（Watchdog），总线控制部件，增加了D/A和A/D转换电路，片外寻址范围可达64KB。代表产品有Intel公司的MCS-96系列，Motorola公司的MC68HC16系列，TI公司的TMS9900系列，NEC公司的783系列和NS公司的HPC16040等。然而，由于16位单片机价格比较贵，销售量不大，大量应用领域需要的是高性能、大容量和多功能的新型8位单片机。近年来出现的32位单片机，是单片机的顶级产品，具有较高的运算速度。代表产品有Motorola公司的M68300系列和Hitachi（日立）公司的SH系列、ARM等。0.4解：面对工控领域对象，嵌入到
11、工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。单片机从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的，能最好的满足对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行以及非凡的控制品质要求。0.5解：选择原则：主要从指令结构、运行速度、程序存储方式和功能等几个方面选择单片机。MCS-51为主流产品。Motorola是世界上最大的单片机厂商。品种全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。Microship单片机是市场份额增长较快的单片机。它的主要产品是PIC系列8位单片机。其特点是运行速度快，低价位，适用于量大、档次低、价格
12、敏感的产品。 美国德州仪器（TI）公司生产的MSP430系列单片机是一种特低功耗的Flash微控制器。主要用于三表及超低功耗场合。 在嵌入式系统低端的单片机领域，Intel公司的MCS-51形成了既具有经典性又不乏生命力的一个单片机系列。许多半导体厂家、电器公司以MCS-51系列中的8051为基核，推出了许多兼容性的CHMOS单片机-80C51系列。 此外，还有Zilog、EM78、Senix、NEC、Epson、NS、三星、富士通、华邦、Philips、ARM等单片机。第1章1.1解：MCS-51为主流产品。 MSP430的功能较强。是一种特低功耗的Flash微控制器。主要用于三表及超低功耗
13、场合。 EM78系列单片机采用高速CMOS工艺制造，低功耗设计为低功耗产品，价格较低。具有三个中断源、R-OPTION功能、I/O唤醒功能、多功能I/O口等。具有优越的数据处理性能，采用RISC结构设计。PIC系列8位单片机是Microship公司的产品。CPU采用RISC结构，运行速度快，价格低适于用量大、档次低、价格敏感的产品。 Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。 AVR是增强RISC内载Flash的单片机，单片机内部32个寄存器全部与ALU直接连接，突破瓶颈限制，每1MHz可实现1
14、MIPS的处理能力，为高速、低功耗产品。端口有较强的负载能力，可以直接驱动LED。支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。1.2解：MCS-51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，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 Decoder）、定时控制
15、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。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，均为二进制加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。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
16、中断源的中断请求的优先权级别。I/O接口是MCS-51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。1.3解：80C51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。每个端口都包括一个锁存器（即专用寄存器P0P3）、一个输入驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口称为P0P3。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口分时作为低8位地址线和双向数据总线。1.4解：控制线一共有6条：（1）ALE/：地址锁存允许/编
17、程线，配合P0口引脚的第二功能使用。在访问片外存储器时，8051在P0.7P0.0引脚上输出片外存储器低位地址的同时在ALE/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/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）/Vpp：允许访问片外存储器编程电源线，可以控制8051使用片内还是使用片外。若，则允许使用片内；若则允许使用片外。（3）：片外选通线，在执行访问片外的指令时，8051自动在上产生一个负脉冲，用于为
18、片外芯片的选通。其他情况下线均为高电平封锁状态。（4）RST/VPD：复位备用电源线，可以使处于复位工作状态。1.解： 指令：人为输入计算机，由计算机识别并执行一步步操作的命令的形式称为指令。程序：一系列指令的有序集合称为程序。程序在计算机中是按序执行的，CPU通过程序计数器PC控制程序的执行顺序，一般情况下程序是按序执行的，当执行转移、调用、返回等指令时，程序转移到相应的目的地址处执行。CPU根据程序计数器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，产生执行本条指令所需的全部信号，完成本条指
19、令的执行。1.6解：（1）在结构上的特点采用将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为Harvard结构。（2）在物理和逻辑上的地址空间存储器上设有个存储器空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。在逻辑上有个存储器地址空间：片内、片外统一的程序存储器地址空间，片内数据存储器地址空间，片外的数据存储器地址空间。（3）访问格式访问片内采用格式访问片外采用格式1.7解：堆栈是一个特殊的存储区。主要功能是暂时存放数据和地址，通常用来保护断点和现场。它的特点是按照“先进后出”的存取数据。堆栈指针SP是一个8位寄存器，是用于指示堆栈的栈顶地址的寄存器，它决定了堆栈
20、在内部RAM中的物理位置。1.8解：有21个特殊功能寄存器（PC除外），它们被离散地分布在内部RAM的80HFFH地址单元中，共占据了128个存储单元，其中有83位可以位寻址。特殊功能寄存器SFR的分布和功能见教材P18表1.2.2。1.9解：单片机的个口在结构上是基本相同的，但又各具特点。这四个端口都是位双向口，每个端口都包括一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。在无片外扩展存储器的系统中，这四个端口的每一位都可以作为双向通用端口使用。在作为一般的通用输入时，都必须先向锁存器写入“”，使输出驱动场效应管截止，以免误读数据。各自特点如下：（1）P0口为双向8位三态I/O口，它既可作为通用I/
21、O口，又可作为外部扩展时的数据总线及低8位地址总线的分时复用口。作为通用I/O口时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器；输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。每个引脚可驱动8个TTL负载。（2）P1口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，一般作通用I/O口使用，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线，作为输入时，锁存器必须置1。每个引脚可驱动4个TTL负载。（3）P2口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可直接连接外部I/O设备。它与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。一般作为外部扩展时的高8位地址总线使用。（4）P3口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，它是双
22、功能复用口，每个引脚可驱动4个TTL负载。作为通用I/O口时，功能与P1口相同，常用第二功能。作为第二功能使用时，各位的作用见教材P23表1.2.5所示。1.10解：数据指针DPTR是16位的专用寄存器，它由两个8位的寄存器DPH（高8位）和DPL（低8位）组成。专门用来寄存片外RAM及扩展I/O口进行数据存取时的地址。编程时，既可以按16位寄存器来使用，也可以按两个8位寄存器来使用（即高位字节寄存器DPH和低位字节寄存器DPL）。DPTR主要是用来保存16位地址，当对64KB外部数据存储器寻址时，可作为间址寄存器使用，1.11解：程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息，PS
23、W中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。各个标志位的意义如下：PSW.7（Cy）：进位标志位。PSW.6（AC）：辅助进位标志位，又称为半进位标志位。PSW.5（F0）：用户标志位。PSW.4、PSW.3（RS1和 RS0）：寄存器组选择位。PSW.2（OV）：溢出标志位。PSW.1（空缺位）：此位未定义。PSW.0（P）：奇偶校验位。1.12解：开机复位后，使用的是第组工作寄存器。它们的地址是。通过对程序状态字中和的设置来确定和改变当前工作寄存器组。.13解：8051片内数据存储器有寻址空间。存储器空间的地址范围为：00FF在这个存储器空间
24、又可分为：基本的数据存储区：，可划分为工作寄存器、位寻址区、堆栈与数据缓冲区。空间：H1.14解：片内低单元划分及主要功能如下：（1）工作寄存器组（）这是一个用寄存器直接寻址的区域，内部数据区的，共个单元。它是个通用工作寄存器组，每个组包含个位寄存器，编号为。（2）位寻址区（）个字节单元，共包含位，这个字节单元既可以进行字节寻址，又可以实现位寻址。主要用于位寻址。（3）堆栈与数据缓冲区（）用于设置堆栈、存储数据。1.15解：程序存储器通过/Vpp引脚选择。若，则允许使用片内；若则允许使用片外。数据存储器通过指令区分：访问片内采用指令，访问片外采用指令。1.16解：时钟周期又称为振荡周期，由单片
25、机内部振荡电路OSC产生，定义为OSC时钟频率的倒数。时钟周期又称为节拍（用P表示）。时钟周期是时序中的最小单位。一个状态有两个节拍，机器周期定义为实现特定功能所需的时间。MCS-51的机器周期由12个时钟周期构成。执行一条指令所需要的时间称为指令周期，指令周期是时序中的最大单位。由于机器执行不同指令所需的时间不同，因此不同指令所包含的机器周期数也不尽相同。MCS-51的指令可能包括14个不等的机器周期。当MCS-51的主频为12MHz时，一个机器周期为1s。执行一条指令需要的最长时间为4s。1.17解：8051单片机复位后机器的初始状态，即各寄存器的状态：之外，复位操作还对其它一些特殊功能寄
26、存器有影响，它们的复位状态如下：寄存器复位时内容寄存器复位时内容PC0000TCON0000000BACC00HTL000HB00HTH000HPSW00HTH100HSP07HTH100HDPTR0000HSCON00HP0P3FFHSBUF不确定TMOD000000BPCON00000B单片机复位方法有：上电自动复位，按键电平复位和外部脉冲三种方式。第2章2.1解：8051的指令系统由111条指令组成。如果按字节数分类，有49条单字节指令46条双字节指令和16条三字节指令，以单字节指令为主；如果按照指令执行时间分类，有64条单周期指令、45条双周期指令和条四周期指令，以单周期指令为主。80
27、51的指令系统具有以下特点：（1）存储效率高、执行速度快，可以进行直接地址到直接地址的数据传送，能把一个并行I/O口中的内容传送到内部RAM单元中而不必经过累加器A或工作寄存器Rn。这样可以大大提高传送速度和缓解累加器A的瓶颈效应。（2）用变址寻址方式访问程序存储器中的表格，将程序存储器单元中的固定常数或表格字节内容传送到累加器A中。这为编成翻译算法提供了方便。（3）在算术运算指令中设有乘法和除法指令（4）指令系统中一些对I/O口进行操作的指令具有“读修改写”的功能。这一功能指:在执行读锁存器的指令时，CPU首先完成将锁存器的值通过缓冲器BUF2度入内部，进行修改、改变，然后重新写到锁存器中去
28、。这种类型指令包含所有的逻辑操作和位操作指令。（5）8051单片机内部有一个布尔处理器，对为地址空间具有丰富的位操作指令。布尔操作类指令有17条，包括布尔传送指令、布尔状态控制指令、布尔逻辑操作指令、布尔条件转移指令。2.2解：MCS-51单片机指令系统按功能可分为5类： （1）数据传送指令 （2）算术运算指令 （3）逻辑运算和移位指令 （4）控制转移指令 （5）位操作指令 MCS-51单片机的指令系统提供了七种寻址方式，其对应的寻址范围如下表：寻址方式使用的变量寻址范围立即寻址程序存储器直接寻址内部RAM低128个字节；特殊功能寄存器SFR寄存器寻址R0R7；A、B、DPTR、C寄存器间接寻
29、址R0、R1、SP内部RAM、堆栈指针SPR0、R1、DPTR外部RAM变址寻址A+PC、A+DPTR程序存储器相对寻址PC+偏移量程序存储器位寻址内部RAM低128B位寻址区可位寻址的特殊功能寄存器位2.3解: 访问特殊功能寄存器，应采用直接寻址、位寻址方式。访问外部数据存储器，应采用寄存器间接寻址方式。在0255B范围内，可用寄存器R0、R1间接寻址：MOVX A，R0 或 MOVX A，R1MOVX R0，A 或 MOVX R1，A在064KB范围内，可用16位寄存器DPTR间接寻址：MOVX A，DPTRMOVX DPTR，A2.4解：这条指令是在进行BCD码加法运算时，跟在“ADD”
30、和“ADDC”指令之后，用来对BCD码的加法运算结果自动进行修正的，使其仍为BCD码表达形式。在计算机中，遇到十进制调整指令时，中间结果的修正是由ALU硬件中的十进制修正电路自动进行的。用户不必考虑何时该加“6”，使用时只需在上述加法指令后面紧跟一条“DA A”指令即可。2.5解: 虽然内部RAM位寻址区的位地址范围00H7FH与低128个单元的单元地址范围00H7FH形式完全相同，但是在应用中可以通过指令的类型区分单元地址和位地址。位寻址的操作只适用于下列位指令，而直接寻址操作对这些指令是无效的。MOV C，bitMOV bit，CCLR bit SETB bit CPL bit ANL C，bit ANLC，/bit JB bit，rel JNB bit，rel2.6解: 在实际应用中，可从寻址范围和指令长度两个方面来选择长跳转指令LJMP和短跳转指令AJMP、长调用指令LCALL和短调用指令ACALL。长跳转LJMP在64KB范围内转移，而短跳转AJMP只能在2KB
