MCS51单片机原理及应用教程.docx
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MCS51单片机原理及应用教程
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MCS-51 单片机原理及应用教程
清华大学出版社 刘迎春 主编
本书主要内容
单片机基础知识 单片机的组成与结构分析 MCS-51 单片机的指令系统 单片机的程序设计 MCS-51单片机的中断系统 定时/计数器 单片机的串行通信及接口 MCS-51单片机的系统扩展 接口技术 MCS-51兼容机及串行总线扩展
第1章 单片机的基础知识 章 ?
▲微型计算机的系统组成 微型计算机的系统组成 ?
▲单片机概述 单片机概述 ?
▲不同计数制之间的转换 ?
▲数的表示方法 数的表示方法 ?
▲思考练习题 思考练习题
1.1 微型计算机的系统集成
主机 硬件系统 运算器 控制器 主存储器 外存储器 输入设备 输出设备 操作系统 系统软件 微型计算机系统 汇编程序 装配程序 调试程序 …… 汇编语言 BASIC 语言 程序设计语言 FORTRAN 语言 C 语言 …… 财务软件 应用软件 教学软件 管理软件 ……
外部设备
软件系统
1.1 微型计算机的系统组成 1.1.1 主机 主机一般由运算器、控制器和主存储器组成。
1. 运算器
运算器是进行算术和逻辑运算的部件,它由完成加法运算的加法器、 存放操作数和运算结果的寄存器和累加器等组成。
2. 控制器
它是整个计算机硬件系统的指挥中心,根据不同的指令产生不 同的动作,指挥整个机器有条不紊地自动地进行工作。
3. 主存储器
主存储器又称为内存储器,它由大量的存储单元组成,用以 存储大量的数据及程序。
1.1.2 外部设备 1. 输入设备
目前常用的有键盘、软驱、磁带机、光驱等
2. 输出设备
常用的有显示器、打印机、绘图仪等
3.外存储器
常用的外存有磁带、磁盘、光盘,其中磁盘又可分为硬盘及软 盘。
1.2 单片机概述 1.
2.1 单片机的发展概况 第一阶段 (1971~1976
第二阶段 (1976~ 1979
第五 阶段 (1990 至今
第四阶段 (1982~ 1990
第三阶段 (1979~1982
1.2.2 单片机的应用
1. 在工业测控中的应用
2. 在智能产品中的应用
3. 在计算机网络与通信技术中的应用
1.2.3 单片机的发展趋势
1.3 不同计数制之间的转换
1.3.1 十进制数
一个十进制数,它的数值是由数码0,1,2,…,8,9来表示的。
数 码所处的位置不同,代表数的大小也不同。
例如:
53478=5×104+3×103+4×102+7×101+8×100,对应于:
万 千 百 十 第 十有控 5
4
3
3
4
2
7
1
8
0
10 10 10 10 10
1.3.2 二进制数
二进制是按“逢二进一”的原则进行计数的。
二进制数的基为“2”, 即其使用的数码为0、1,共两个。
二进制数的权是以2为底的幂。
例如:
10110100=1×27+0×26+1×25+1×24+0×23+1×22+0×21+0×20, 对应于:
第有控 1 0 1
6
1
5 4
0
3
1
0
0
1
2
7
2
2
2 2
2
2
2
2
0
其各位的权为1,2,4,8,…,即以2为底的0次幂、1次幂、2次 幂等。
(101101002= 1×27+0×26+1×25+1×24+0×23+1×22+0×21+0×20=180
1.3.3 十六进制数
十六进制数的基为16,即基数码共有l6个:
0,1,2,3,4,5,6,7, 8,9,A,B,C,D,E,F。
其中A,B,C,D,E,F分别代表值 为十进制数中的10,11,12,13,14,15。
十六进制的权为以16为 底的幂。
例如:
4F8E=4×163+F×162+8×161+E×160=20366,对应于:
十十有控 4
3
F
2
8
1
E
0
16 16 16 16
常用计数制表示数的方法比较
十进制 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 二进制 0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 10000 十六进制 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 10
1.3.4 不同进制数之间的转换
1. 十进制数转换成二进制数的方法
除二取余法
就是用2去除该十进制数,得商和余数,此余数为二进制代码的最小 有效位(LSB或最低位的值;再用2除该商数,又可得商数和余数,则 此余数为LSB左邻的二进制代码(次低位。
依此类推,从低位到高位 逐次进行,直到商是0为止,就可得到该十进制数的二进制代码。
1.3.4 不同进制数之间的转换 例如:
将(6710转换成二进制数,过程如下:
2 2 2 2 2 2 2 67 33 16 8 4 2 1 0 1 1 0 0 0 0 1 余前 余前 余前 余前 余前 余前 余前 高位 偏位
即:
(6710=(10000112。
1.3.4 不同进制数之间的转换
1. 十进制数转换成二进制数的方法
乘二取整法
将已知十进制的小数乘以2之后,可能有进位,使整数位为1(当该小 数大于0.5时,也可能没有进位,其整数位仍为零。
该整数位的值为 二进制小数的最高位。
再将乘积的小数部分乘以2,所得整数位的值 为二进制小数的次高位。
依此类推,直到满足精度要求或乘2后的小 数部分为0为止。
例如:
将(0.62510转换成二进制数,其过程如下:
× 0.625 2 1.250 0.250 2 0.500 0.500 2 1.000
整数部分为 1 就是二进制小数的第一位为 1 整数部分为 0 就是二进制小数的第二位为 0 整数部分为 1 就是二进制小数的第二位为 1
× ×
即:
(0.62510=(0.1012
1.3.4 不同进制数之间的转换
2. 二进制数转换为十进制数的方法 将二进制数转换成十进制数时,只要将二进制数各位的权乘以各位的 数码(0或1再相加即可。
例如:
将(1101.10012制转换成十进制数:
(1101.10012=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+0×23+1×2-4=8+4+0+1+0.5+0+0+0.0625=(1
3.562510
1.3.4 不同进制数之间的转换
3. 二进制与十六进制数之间的转换方法 1 二进制数转换成十六进制数 例如:
把(101101101.11001012转换成十六进制数。
第有控 1 0 1 1 0 1 1 0 1 . 1 1 0 0 10 1
第有控
0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 . 1 1 0 0 10 1 0
十十有控
1
6
D
.
C
A
即:
(101101101.11001012=(16D.CA16。
1.3.4 不同进制数之间的转换
2十六进制数转换成二进制数 将十六进制数转换成二进制数时,只要将每1位十六进制数用4位相应 的二进制数表示即可完成转换。
例如:
将(ECA1616转换成二进制数。
十十有控
E
C
A
1
6
第有控
1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 11 0
即:
(ECA1616=(111011*********101102。
1.3.5 二进制数的算术运算规则 1. 二进制加法基本规则 0+0=0 0+1=1+0=1 1+1=0 1+1+1=1
向邻近高位有进位 向邻近高位有进位
2. 二进制减法基本规则 0-0=0 1-1=0 1-0=1 0-1=1
向邻近高位有借位
3. 二进制乘法基本规则 0×0=0 0×1=1×0=0 1×1=1
4. 二进制除法基本规则 1/1=1 0/1=0
1.3.6
逻辑运算
1. 逻辑与运算基本规则 0∧0=0 1∧0=0∧1=0 1∧1=1
2. 逻辑或运算基本规则 0∨0=0 1∨0=0∨1=1 1∨1=1
3. 逻辑非运算基本规则 /0=1 /1=0
4. 逻辑异或运算基本规则 0⊕0=1⊕1=0 1⊕0=0⊕1=1
1.4 数的表示方法
1.4.1 真值与机器数 单片机用来表示数的形式称为机器数,也称为机器码。
而 把对应于该机器数的算术值称为真值。
设:
N1=+1010101 N2=-1010101 这两个数在机器中表示为:
N1:
01010101 N2:
11010101
0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1
表信位
前数内分
表信位
前数内分
在计算机中还有一种数的表示方法,即机器中的全部有 效位均用来表示数的大小,此时无符号位,这种表示方 法称为无符号数的表示方法。
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
8位位不位位位第第前 位位无表信前55
8位位不位位位第第前 位位无表信前D5
1.4 数的表示方法
原码、反码、 1.4.2 原码、反码、补码 1. 原码表示法 原码表示法是最简单的一种机器数表示法,只要把 真值的符号部分用0或1表示即可。
例如:
真值为+34与-34的原码形式为:
[+34]原=00100010 [-34]原=10100010 0的原码有两种形式:
[+0]原=00000000 [-0]原=10000000 8位二进制数原码的表示范围为:
11111111 ̄01111111,对应于-127 ̄+127。
1.4 数的表示方法
2. 反码表示法 反码是二进制数的另一种表示形式,正数的反码与原码相 同;负数的反码是将其原码除符号位外按位求反。
即原来 为1变为0,原来为0变为1。
例如:
[+34]反=[+34]原=00100010 [-34]原=10100010,[-34]反=11011101 0的反码也有两种形式:
[+0]反=00000000 [-0]反=11111111 8位二进制数反码的表示范围为:
10000000 ̄01111111,对 应于-127 ̄+127。
1.4 数的表示方法
3. 补码表示法
01100000 - 00010101 01001011 96 - 21 75 01100000 + 11101011 1 01001011 丢丢
正数的补码表示方法与原码相同,负数的补码表示方法为它的反码 加1。
例如:
[-21]原=10010101 [-21]反=11101010 [-21]补=11101011 0的补码只有一种表示方法,即[+0]补=[-0]补=00000000。
8位二进制数的补码所能表示的范围为10000001 ̄01111111,对应于128~+127。
96 + 235 75
1.4.3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
BCD码 BCD码
十进制 8421BCD码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0001 0000 0001 0001 0001 0010 0001 0011 0001 0100 0001 0101 二进制 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
1.4.4
ASCII码 ASCII码
ASCII码是一种8位代码,最高位一般用 于奇偶校验,用其余的7位代码来对128 个字符编码,其中32个是控制字符,96 个是图形字符。
1.5 思考练习题
(1微型计算机由哪几部分组成?
(2什么是单片机?
它与一般微型计算机在结构上有什么区别?
(3单片机主要应用在哪些方面?
(4将下面的一组十进制数转换成二进制数:
①56 ②74 ③23 ④19 ⑤89 ⑥68 ⑦142 ⑧76.87 ⑨0.375 ⑩9.325 ?
83.625 ?
134.0625 (5将下面的二进制数转换成十进制数和十六进制数:
①10110011 ②10100101 ③11101001 ④10011110 ⑤10000101 ⑥11000101 ⑦11101110 ⑧10001100 ⑨11011.11 ⑩101.01101 (6原码已经在下面列出,试写出各数的反码与补码:
①10001101 ②10101100 ③11101011 ④10001001 ⑤11111111 ⑥01100001 ⑦01110001 ⑧11111001
第2章 单片机的组成与结构分析 章 ▲ MCS-51单片机的内部结构 单片机的内部结构 ▲ CPU的结构和功能 的结构和功能 ▲存储器的组织结构 存储器的组织结构 ▲MCS-51单片机的并行输入输出端口 单片机的并行输入输出端口 ▲MCS-51 单片机的外部引脚及功能 ▲单片机指令时序 单片机指令时序 ▲思考练习题 思考练习题
2.1 MCS-51单片机的内部结构 单片机的内部结构
2.1 MCS-51单片机的内部结构 单片机的内部结构
其基本特性如下:
8位CPU,含片内振荡器; 4KB的程序存储器ROM; 128B的数据存储器RAM; 64KB的外部程序存储器寻址能力; 64KB的外部数据存储器寻址能力; 32根输入输出(I/O线; 2个16位定时/计数器; 1个全双工异步串行口; 21个特殊功能寄存器; 5个中断源,2个优先级; 具有位寻址功能。
2.2 CPU的结构和功能 的结构和功能
2.2.1 运算器
8051单片机的运算器由算术/逻辑运算单元ALU、累加器A、寄存 器B、暂存器1、暂存器2以及程序状态字寄存器PSW组成。
CY AC
FO RS1 RS0 OV
P
图2.2 PSW寄存器各位的标志符号
表2.1 寄存器PSW各位的功能、标志符号与相应的位地址 功 能 标志符号 位地址 PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1
进位标志(又是C寄存器 CY 辅助进位标志 用户标志 工作寄存器组选择 工作寄存器组选择 溢出标志 保留 AC FO RS1 RS0 OV
奇偶标志
P
PSW.0
2.2.2 控制器
8051单片机的控制器由指令寄存器、指令译码器、堆栈指针 SP、程序计数器PC、数据指针DPTR、RAM地址寄存器以及 16位地址缓冲器等组成。
2.3 存储器的组织结构
存储器的功能是存储信息(即程序与数据。
存储器是组成计算机的 主要部件,目前所使用的存储器以半导体存储器为主。
从功能上来 划分,半导体存储器可分为两大类:
即只读存储器(ROM,和随机 存储器(RAM。
2.3.1
MCS-51单片机的存储器结构 MCS-51单片机的存储器结构
FFFFH 片访 片访 FFFFH
64KB ROM 0FFFH 0FFFH
64KB RAM ( I/O 片内 FFH 专不 寄寄寄 80H 内内 7FH RAM 0000H 00H 前前寄访寄
4KB ROM 片内 EA=1
EA=0
0000H
0000H 程程寄访寄
图2.3 8051存储器配置图
2.3.2
程序存储器
程序是控制计算机运行的一系列命令。
计算机能够识别 并执行的命令是由代码“0”和“1”组成的一组机器指令。
2.3.3 数据存储器 单片机的数据存储器由可读可写的存储器RAM组成,最多 可扩展到64KB,用于存储数据。
MCS-51单片机的内部数据存储器 2.3.4 MCS-51单片机的内部数据存储器
MCS-51单片机的内部数据存储器由地址00H~FFH共有256个字节 的地址空间组成,这256个字节的地址空间被分为两部分,其中内 部数据RAM地址为00H~7FH(即0~127。
图2.4 内部数据存储器地址空间
FFH F0H E0H D0H 特特第第 寄寄寄 128 ̄255 C8H B8H B0H A8H A0H 98H 90H 88H 80H 移不RAM区 30H 2FH 内内前前 RAM 0 ̄127 20H 1FH 位移移位 00H~7FH 3组 2组 1组 00H 0组 专不寄寄寄 中移中中移位 (93位
80H 7FH
只第键源源 中移移RAM区 既中键位既中 键源源中移移 16源源(128位 4组组操寄寄寄 每组位R0 ̄R7 (既中操键源源 中移移RAM不 32源源
1.内部数据RAM单元
MSB LSB
~ ~
内部数据 RAM 分 为 工作寄存 器区、位 寻址区、 通 用 RAM 区三个部 分。
7FH
~ ~
2FH 7F 2EH 77 2DH 6F 2CH 67 2BH 5F 2AH 57 29H 28H 27H 26H 25H 24H 23H 22H 21H 4F 47 3F 37 2F 27 1F 17 0F
7E 76 6E 66 5E 56 4E 46 3E 36 2E 26 1E 16 0E 06
7C 74 6C 64 5C 54 4C 44 3C 34 2C 24 1C 14 0C 04 3区 2区 1区 0区
7B 73 6B 63 5B 53 4B 43 3B 33 2B 23 1B 13 0B 03
7A 72 6A 62 5A 52 4A 42 3A 32 2A 22 1A 12 0A 02
79 71 69 61 59 51 49 41 39 31 29 21 19 11 09 01
78 70 68 60 58 50 48 40 38 30 28 20 18 10 08 00
图2.5 RAM位 地址 (低 128位 在 00H ̄7 FH
20H 07 1FH 18H 17H 10H 0FH 08H 07H 00H
系系复位
压压操操:
PUSH A 0AH 09H SP(08H 08H 00001000 07H 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H
同压操操:
POP A 0AH 09H 08H 07H 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H
SP(07H 00000111
0AH 09H 10101011 08H SP(07H 07H 00000111 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H (a系统复位后,未改变SP初值时的堆栈操作(设(A=0ABH
执执指指:
MOV SP,#60H 64H 63H 62H SP(61H 61H 01100001 60H 5FH 弹同前前A3 SP(62H 01100010 64H 63H 62H SP(61H 61H 01100001 60H 5FH
压移前前A1
二相压移前前A2、A3 A3 A2 A1 64H 63H 62H 61H 60H 5FH
SP(60H 01100000
A1
64H SP(63H 63H 01100011 62H 61H 60H 5FH
弹同前前A2 64H 63H 62H 61H SP(60H 60H 01100000 5FH
弹同前前A1 64H 63H 62H 61H 60H 5FH
A2 A1
A1
(b系统复位后,改变SP初值为60H时的堆栈操作 图2.6 堆栈操作示例
2. 特殊功能寄存器
特殊功能寄存器SFR的地址空间是80H~FFH。
表2.3 特殊功能寄存器的名称、符号与地址
特殊功能 寄存器名 称 B寄存器 累加器 程序状态 字 符号 D7 B A PSW F7 E7 D7 C 中断优先 级 控制 IP BF - D7 P3口 P3 B7 P3.7 D6 F6 E6 D6 AC BE - D6 B6 P3. 6 D5 F5 E5 D5 F0 BD - D5 B5 P3.5 位地址与位名称 D4 F4 E4 D4 RS1 BC PS D4 B4 P3.4 D3 F3 E3 D3 RS0 BB PT1 D3 B3 P3.3 D2 F2 E2 D2 OV BA PX1 D2 B2 P3.2 D1 F1 E1 D1 - B9 PT0 D1 B1 P3.1 D0 F0 E0 D0 P B8 PX0 D0 B0 P3.0 B0H B8H F0H E0H D0H 字节 地址
2. 特殊功能寄存器
中断允许 控制 P2口 IE AF EA P2 A7 P2.7 串行数据 缓冲器 串行控制 SBUF SCON 9F SM0 P1口 P1 97 P1.7 定时/计数 器1高字节 定时/计数 器0高字节 TH1 9E SM 1 96 P1.6 9D SM2 95 P1.5 9C RE N 94 P1.4 9B TB8 93 P1.3 9A RB8 92 P1.2 99 TI 91 P1.1 98 RI 90 P1.0 8DH 90H AE - A6 P2.6 AD - A5 P2.5 AC ES A4 P2.4 AB ET1 A3 P2.3 AA EX1 A2 P2.2 A9 ET0 A1 P2.1 A8 EX0 A0 P2.0 99H 98H A0H A8H
TH0
8CH
2. 特殊功能寄存器
定时/计 数器1低 字节 定时/计 数器0低 字节 定时/计 数 方式控 制 TL1 8BH
TL0
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