項目1認識單片機項目導(dǎo)讀：

本項目從數(shù)及字符等信息在計算機中的表示入手，引入二進制數(shù)等概念，介紹不同數(shù)制的表示、轉(zhuǎn)換方法以及常見BCD碼；然后從單片機的概念、分類、型號、用途、組成結(jié)構(gòu)、工作原理、接口及存儲等方面進行簡要介紹，使讀者對數(shù)制及單片機形成初步的認識。任務(wù)1.1數(shù)制的轉(zhuǎn)換及數(shù)和字符

在計算機內(nèi)的表示任務(wù)描述：

本任務(wù)要求讀者理解二進制數(shù)在計算機內(nèi)的表示方法，掌握十進制數(shù)、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的方法，掌握不同碼制的定義及轉(zhuǎn)換關(guān)系，了解BCD碼、ASCII等知識。

計算機是能夠?qū)斎氲男畔⑦M行加工處理、存儲并能按要求輸出結(jié)果的電子設(shè)備，又稱為信息處理機。

現(xiàn)在使用的計算機按照馮·諾依曼結(jié)構(gòu)存儲程序，程序的執(zhí)行基于二進制數(shù)進行。

任何信息，不管是數(shù)字還是字符，在計算機中都是以二進制的形式進行表示和處理的。

計算機的主要功能是數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理，所以計算機首先需要在內(nèi)部存儲和表示數(shù)據(jù)。

現(xiàn)代計算機數(shù)據(jù)具有數(shù)字、文本、聲音、圖像、視頻等多種形式，但在計算機內(nèi)部，數(shù)據(jù)只能以二進制形式表示。

計算機內(nèi)部使用低電平表示二進制中的數(shù)值0，使用高電平表示二進制中的數(shù)值1。一般規(guī)定低電平范圍為0～0.25V，高電平范圍為3.5～5V。在學(xué)習(xí)計算機內(nèi)部信息的處理、表示之前，先來了解一下計算機中信息的表示。1.1.1數(shù)制的轉(zhuǎn)換

數(shù)制指采用一組固定數(shù)碼和統(tǒng)一規(guī)則來表示數(shù)值的方法。

進位的規(guī)則稱為進位制。在日常生活中，人們習(xí)慣使用十進制數(shù)。

在計算機內(nèi)部，使用二進制數(shù)表示數(shù)據(jù)。但二進制數(shù)不便識記，為了編程等方便，人們常用八進制數(shù)、十六進制數(shù)來表示二進制數(shù)。

十進制：數(shù)碼包括0、1、2、3、4、5、6、7、8和9，基數(shù)為10。

二進制：數(shù)碼包括0和1，基數(shù)為2。

八進制：數(shù)碼包括0、1、2、3、4、5、6和7，基數(shù)為8。

十六進制：數(shù)碼包括0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A（10）、B（11）、C（12）、D（13）、E（14）和F（15），基數(shù)為16。1．非十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)

將二進制數(shù)、八進制數(shù)和十六進制數(shù)等轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，可按位權(quán)展開式進行計算。2．十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為其他進制數(shù)

將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為其他進制數(shù)，可將數(shù)值的整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行轉(zhuǎn)換。

十進制數(shù)整數(shù)部分轉(zhuǎn)換為R進制數(shù)，采用“除R取余數(shù)，直到商為0”的方法。十進制數(shù)小數(shù)部分轉(zhuǎn)換為R進制數(shù)，采用“乘R取整，直到小數(shù)部分為0”的方法。

例如十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)，以十進制數(shù)13.625轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)的計算過程為例，整數(shù)部分和小數(shù)部分的計算如下圖所示。

經(jīng)計算可得，(13.625)10=(1101.101)2。3．二進制數(shù)與八進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換

二進制數(shù)和八進制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表1.1所示。二進制數(shù)八進制數(shù)二進制數(shù)八進制數(shù)000010040011101501021106011311171位八進制數(shù)最多可用3位二進制數(shù)表示。在將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)時，可從小數(shù)點開始，按“3位一組”的原則將數(shù)碼分組。

整數(shù)部分，從右向左，不足3位的在高位補0；

小數(shù)部分，從左向右，不足3位的在低位補0。然后將每組中的二進制數(shù)替換為對應(yīng)的八進制數(shù)。4．二進制數(shù)與十六進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換

二進制數(shù)和十六進制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表1.2所示。二進制數(shù)十六進制數(shù)二進制數(shù)十六進制數(shù)00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111F1位十六進制數(shù)最多可用4位二進制數(shù)表示。在將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)時，可從小數(shù)點開始，按“4位一組”的原則將數(shù)碼分組。

整數(shù)部分，從右向左，不足4位的在高位補0；

小數(shù)部分，從左向右，不足4位的在低位補0。然后將每組中的二進制數(shù)替換為對應(yīng)的十六進制數(shù)。1.1.2數(shù)在計算機內(nèi)的表示

計算機中的數(shù)通常有兩種：無符號數(shù)和有符號數(shù)。

無符號數(shù)由于不帶符號，表示時比較簡單，直接用它對應(yīng)的二進制編碼表示。

例如，假設(shè)機器字長為8位，123則表示成01111011B。

有符號數(shù)帶有正負號，通常，在計算機中表示有符號數(shù)時，在數(shù)的前面加一位作為符號位。

正數(shù)表示為0、負數(shù)表示為1，其余的位用以表示數(shù)值的大小。這種連同符號位的數(shù)稱為機器數(shù)，它的數(shù)值稱為機器數(shù)的真值。

機器數(shù)在計算機中有3種表示法：原碼、反碼和補碼。1．原碼

原碼的最高位為符號位（正數(shù)用0表示、負數(shù)用1表示），其余的位用于表示數(shù)的絕對值。

對于一個n位的二進制數(shù)，它的原碼表示范圍為?(2n?1?1)～(2n?1?1)。

例如，如果用8位二進制表示原碼，則數(shù)的范圍為?127～127。采用原碼表示時，假設(shè)機器字長為8位，?0的編碼為10000000，+0的編碼為00000000。2．反碼

反碼的最高位為符號位，正數(shù)用0表示、負數(shù)用1表示。

正數(shù)的反碼與原碼相同，而負數(shù)的反碼可在原碼的基礎(chǔ)之上符號位不變、其余位取反得到。

對于一個n位的二進制數(shù)，它的反碼表示范圍為?(2n?1?1)～(2n?1?1)。

對于0，假設(shè)機器字長為8位，?0的反碼為11111111B，+0的反碼為00000000B。3．補碼

補碼的最高位為符號位，正數(shù)用0表示、負數(shù)用1表示。

正數(shù)的補碼與原碼相同，而負數(shù)的補碼可在原碼的基礎(chǔ)之上符號位不變、其余位取反、末位加1得到。

對于一個負數(shù)X，X的補碼也可用2n?X得到，其中n為機器字長。4．補碼的加減運算

補碼的加法運算規(guī)則：

[X+Y]補=[X]補+[Y]補[X?Y]補=[X]補+[?Y]補5．十進制數(shù)的表示

十進制編碼又稱為BCD碼，分壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼。壓縮BCD碼又稱為8421碼，它用4位二進制編碼來表示1位十進制符號，編碼情況如表1.3所示。例如：十進制數(shù)124的壓縮BCD碼為000100100100，十進制數(shù)4.56的壓縮BCD碼為0100.01010110。十進制符號壓縮BCD編碼十進制符號壓縮BCD編碼00000501011000160110200107011130011810004010091001

非壓縮BCD碼用8位二進制編碼來表示1位十進制符號，其中低4位二進制編碼與壓縮BCD碼相同，高4位任取。

例如，十進制數(shù)124的非壓縮BCD碼為

：001100010011001000110100。1.1.3字符在計算機內(nèi)的表示

現(xiàn)在的計算機中字符數(shù)據(jù)的編碼通常采用的是ASCII?；続SCII標準定義了128個字符，用7位二進制來編碼，包括英文大寫字母共26個、小寫字母共26個、數(shù)字符號0～9共10個，還有一些專用符號（如“：”“！”“%”）及控制符號（如換行、換頁、回車等）。

常用字符的ASCII如表1.4所示。字符ASCII字符ASCII字符ASCII字符ASCII字符ASCIINUL00.2FC43w57k6BBEL07030D44X55l6CLF0A131E45Y59m4DFF0C232F46ZSAn6ECR0D333G47[5Bo6FSP20434H48\SCP70！21535I49]SDq71“22636J4A↑5Er72#23737K4B′5Fs73$24836L4C←60t74%25939M4Da61u75&26：3AN4Eb62v76‘27；38O4FC63w77(28<3CP50d64x78)29=3DQ51e65y79*2A>3ER

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j6A～7E任務(wù)1.2單片機概述任務(wù)描述：

本任務(wù)要求根據(jù)單片機的基本知識、組成結(jié)構(gòu)、工作原理、引腳接口等識別MCS-51系列單片機實物芯片，并指出各引腳功能及特點，為后續(xù)運用單片機打下基礎(chǔ)。1.2.1單片機常識

單片機屬于微型計算機的一種，是把微型計算機中的微處理器、存儲器、I/O（輸入輸出）接口、定時/計數(shù)器、串行接口、中斷系統(tǒng)等電路集成在一塊集成電路芯片上形成的微型計算機，因而被稱為單片微型計算機，簡稱單片機。1．單片機的主要特點

（1）在存儲器結(jié)構(gòu)上，單片機的存儲器采用哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)。ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機存儲器）是嚴格分開的。ROM為程序存儲器，只存放程序、固定常數(shù)和數(shù)據(jù)表格。

RAM則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放數(shù)據(jù)。（2）在芯片引腳上，大部分采用分時復(fù)用技術(shù)。（3）內(nèi)部資源的訪問通過特殊功能寄存器（SFR）實現(xiàn)。（4）采用面向控制的指令系統(tǒng)。（5）內(nèi)部一般都集成一個全雙工的串行接口。（6）有很強的外部擴展能力。2．單片機主要種類

單片機有4位單片機、8位單片機、16位單片機、32位單片機之分。1978年以前，各廠家生產(chǎn)的8位單片機由于集成度的限制，一般都沒有串行接口，只提供較小尋址空間（小于8KB），性能相對較低，稱為低檔8位單片機。1978年以后，集成電路水平提高，出現(xiàn)了一些高性能的8位單片機，它們的尋址能力達到了64KB，片內(nèi)集成了4～8KB的ROM，片內(nèi)除了帶并行I/O接口外，還有串行I/O接口，甚至有些還集成了A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換器，這類單片機稱為高檔8位單片機。

單片機的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：（1）工業(yè)自動化控制；（2）智能儀器儀表；（3）計算機外部設(shè)備和智能接口；（4）家用電器。1.2.2MCS-51系列單片機簡介MCS-51系列單片機是美國Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機，它包含51和52兩個子系列。

51子系列主要有8031、8051、8751這3種機型，它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，僅片內(nèi)ROM有所不同。8031芯片不帶ROM，8051芯片帶4KB的ROM，8751芯片帶4KB的EPROM。51子系列的主要特點為：8位CPU（中央處理器）；片內(nèi)帶振蕩器，頻率范圍為1.2MHz～12MHz；片內(nèi)帶128字節(jié)的RAM；片內(nèi)帶4KB的ROM；ROM的尋址空間為64KB；片外RAM的尋址空間為64KB；128個用戶位尋址空間；21字節(jié)特殊功能寄存器；4個8位的并行I/O接口——P0、P1、P2、P3；2個16位定時/計數(shù)器；5個中斷源（但只能設(shè)置兩個優(yōu)先級）；1個全雙工的串行I/O接口，可多機通信；111條指令，含乘法指令和除法指令；片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)；有較強的位處理能力；采用單一+5V電源。52子系列有8032、8052、8752這3種機型。52子系列與51子系列在許多方面都相同，不同之處在于：片內(nèi)RAM增至256字節(jié)；8032芯片不帶ROM，8052芯片帶8KB的ROM，8752芯片帶8KB的EPROM；3個16位定時/計數(shù)器；6個中斷源。1.2.3MCS-51系列單片機的結(jié)構(gòu)原理1．MCS-51系列單片機的基本組成

MCS-51系列單片機的芯片有多種類型，但各種類型的基本組成相同，主要由CPU、存儲器系統(tǒng)(RAM和ROM/EPROM）、定時／計數(shù)器、并行接口、串行接口、中斷系統(tǒng)、時鐘電路等組成。MCS-51系列單片機的基本組成如下圖所示。2．MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，各部件通過內(nèi)部總線緊密地聯(lián)系在一起。

單片機內(nèi)部的總體結(jié)構(gòu)仍是通用CPU加上外圍芯片的總線結(jié)構(gòu)，只是在功能部件的控制上，一般微機采用通用寄存器與接口寄存器進行控制，而單片機的CPU與外設(shè)的控制不分開，采用特殊功能寄存器集中控制，這樣使用更方便。3．MCS-51系列單片機的中央處理器（CPU）

（1）運算部件

運算部件以ALU（算術(shù)邏輯部件）為核心，包含ACC（累加器）、B寄存器、標志寄存器PSW等許多部件，它能實現(xiàn)算術(shù)運算、邏輯運算、位運算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。ALU是一個8位的運算器，它不僅可以完成8位二進制數(shù)據(jù)加、減、乘、除等基本的算術(shù)運算，還可完成8位二進制數(shù)據(jù)邏輯“與”“或”“異或”“循環(huán)移”“求補”“清零”等邏輯運算，并具有數(shù)據(jù)傳輸、程序轉(zhuǎn)移等功能。ACC（常稱為累加器A）為一個8位的寄存器，它是CPU中使用最頻繁的寄存器。ALU進行運算時，數(shù)據(jù)絕大多數(shù)時候都來自累加器A，運算結(jié)果通常也送回累加器A。B寄存器稱為輔助寄存器，它是為乘法和除法指令而設(shè)置的。在進行乘法，運算前，累加器A和B寄存器存放乘數(shù)和被乘數(shù)，運算完成后，通過B寄存器和累加器A存放結(jié)果。在進行除法運算前，累加器A和B寄存器存入被除數(shù)和除數(shù)，運算后存放商和余數(shù)。

標志寄存器PSW是一個8位的寄存器，它用于保存指令執(zhí)行結(jié)果的狀態(tài)，以供程序查詢和判別。C（PSW.7）：進位標志位。AC（PSW.6）：輔助進位標志位。F0（PSW.5）：用戶標志位。OV（PSW.2）：溢出標志位。P（PSW.0）：奇偶標志位。若累加器A中1的個數(shù)為奇數(shù)，則P置位；若累加器A中1的個數(shù)為偶數(shù)，則P清零。D7D6D5D4D3D2D1D0CACF0RS1RS0OV-P標志寄存器PSW各位的情況如下表所示。RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器組選擇位，選擇情況如下表所示。RS1RS0工作寄存器組000組（00H-07H）011組（08H-0FH）102組（10H-17H）113組（18H-1FH）（2）控制部件

控制部件是單片機的控制中心，它包括定時和控制電路、指令寄存器、指令譯碼器、PC（程序計數(shù)器）、SP（堆棧指針）、DPTR（數(shù)據(jù)指針）以及信息傳送控制部件等。它先以振蕩信號為基準產(chǎn)生CPU的時序，從ROM中取出指令到指令寄存器，然后在指令譯碼器中對指令進行譯碼，產(chǎn)生指令執(zhí)行所需的各種控制信號，送到單片機內(nèi)部的各功能部件，指揮各功能部件進行相應(yīng)的操作，實現(xiàn)對應(yīng)的功能。4．MCS-51系列單片機的存儲器結(jié)構(gòu)

MCS-51系列單片機的存儲器結(jié)構(gòu)與一般微機不同，分為程序存儲器（ROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。

程序存儲器存放程序、固定常數(shù)和數(shù)據(jù)表格，數(shù)據(jù)存儲器用作工作區(qū)及存放數(shù)據(jù)。（1）程序存儲器MCS-51系列單片機的程序存儲器從物理結(jié)構(gòu)上分為片內(nèi)ROM和片外ROM，如下圖所示。

對于片內(nèi)ROM，在MCS-51系列中，不同的芯片各不相同。

8031和8032內(nèi)部沒有ROM；8051內(nèi)部有4KBROM；

8751內(nèi)部有4KBEPROM；

8052內(nèi)部有8KBROM；

8752內(nèi)部有8KBEPROM。

對于內(nèi)部沒有ROM的8031和8032，工作時只能擴展外部ROM，最多可擴展64KB，地址范圍為0000H～FFFFH。

對于內(nèi)部有ROM的芯片，根據(jù)情況也可以擴展外部ROM，但內(nèi)部ROM和外部ROM共用64KB存儲空間，其中，片內(nèi)ROM地址空間和片外ROM的低地址空間重疊。

51子系列重疊區(qū)域為0000H～0FFFH；

52子系列重疊區(qū)域為0000H～1FFFH。MCS-51系列單片機復(fù)位后PC的內(nèi)容為0000H，故單片機復(fù)位后將從0000H單元開始執(zhí)行程序。

程序存儲器的0000H單元地址是系統(tǒng)程序的啟動地址，此處用戶一般放一條絕對轉(zhuǎn)移指令，用于轉(zhuǎn)移到后面的用戶程序。（2）數(shù)據(jù)存儲器MCS-51系列單片機的數(shù)據(jù)存儲器從物理結(jié)構(gòu)上分為片內(nèi)RAM和片外RAM。①

片內(nèi)RAM。MCS-51系列單片機片內(nèi)RAM按功能分成工作寄存器組區(qū)、位尋址區(qū)、一般RAM區(qū)和特殊功能寄存器（SFR）區(qū)，具體分配情況如下圖所示。

對于51子系列，工作寄存器組區(qū)、位尋址區(qū)、一般RAM區(qū)共占128字節(jié)，編址為00H～7FH；特殊功能寄存器區(qū)也占128字節(jié)，編址為80H～FFH；二者連續(xù)不重疊。

對于52子系列，工作寄存器組區(qū)、位尋址區(qū)、一般RAM區(qū)共占256字節(jié)，編址為00H～FFH；特殊功能寄存器區(qū)有128字節(jié)，編址為80H～FFH；后者與前者的后128字節(jié)編址是重疊的，訪問時通過不同的指令區(qū)分。

工作寄存器組區(qū)：00H～1FH單元為工作寄存器組區(qū)，共32字節(jié)。

工作寄存器也稱為通用寄存器，用于臨時寄存8位信息。

工作寄存器共有4組，稱為0組、1組、2組和3組，每組8個，分別依次用R0～R7表示。

位尋址區(qū)：20H～2FH為位尋址區(qū)，共16字節(jié)，128位。這128位的每位都可以按位方式使用，每一位都有一個位地址，位地址范圍為00H～7FH。

一般RAM區(qū)：30H～7FH是一般RAM區(qū)，也稱為用戶RAM區(qū)，共80字節(jié)，對于52子系列，一般RAM區(qū)為30H～FFH。另外，對于前兩區(qū)中未用的單元也可作為用戶RAM單元使用。

特殊功能寄存器區(qū)：專門用于控制和管理片內(nèi)算術(shù)邏輯部件、并行I/O接口、串行口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作，用戶在編程時可以給其設(shè)定值，但不能移作他用。

特殊功能寄存器分布在80H～FFH地址空間，與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，除PC外，51子系列有18個特殊功能寄存器，其中3個為雙字節(jié)，共占用21字節(jié)；52子系列有21個特殊寄存器，其中5個為雙字節(jié)，共占用26字節(jié)。

特殊功能寄存器的名稱、符號及地址情況參考教材的表1.9。CPU專用寄存器：累加器A（E0H），B寄存器（F0H），程序狀態(tài)寄存器PSW（D0H），堆棧指針SP（81H），數(shù)據(jù)指針DPTR（82H、83H）。P0口～P3口：P0口（80H），P1口（90H），P2口（A0H），P3口B0H）。串行口：串行口控制SCON（98H），串行口數(shù)據(jù)SBUF（99H）。電源控制：電源控制PCON（87H）。中斷相關(guān)寄存器：中斷允許控制IEA8H），中斷優(yōu)先級控制IP（B8H）。定時/計數(shù)器0相關(guān)寄存器：定時/計數(shù)器控制TCON（88H），定時/計數(shù)器方式TMOD（89H），初值寄存器TH0、TL0（8CH、8AH）。定時/計數(shù)器1相關(guān)寄存器：定時/計數(shù)器控制TCON（88H），定時/計數(shù)器方式TMOD（89H），初值寄存器TH1、TL1（8DH、8BH）。定時/計數(shù)器2相關(guān)寄存器：定時/計數(shù)器2控制T2CON（C8H），定時/計數(shù)器2重裝低字節(jié)RLDL（CAH），定時/計數(shù)器2重裝高字節(jié)RLDHCBH），定時/計數(shù)器2初值寄存器TH2、TL2（CDH、CCH）（僅52子系列有）。②

片外RAM。MCS-51系列單片機片內(nèi)有128字節(jié)或256字節(jié)的RAM，當這些RAM不夠時，可擴展外部RAM。擴展的外部RAM最多64KB，地址范圍為0000H～0FFFFH，通過DPTR間接訪問，對于低端的256字節(jié)，可用兩位十六進制地址編址，地址范圍為00H～0FFH，可通過R0和R1間接訪問。

需要指出的是：

第一，64KB的ROM和64KB的片外RAM地址空間都為0000H～0FFFFH，地址空間是重疊的，如何區(qū)分呢？

MCS-51系列單片機是通過不同的信號來對片外RAM和ROM進行讀、寫的，片外RAM的讀、寫通過RD和WR信號來控制；而ROM的讀通過PSEN信號控制，通過不同的指令來實現(xiàn)，片外RAM用MOVX指令，ROM用MOVC指令。第二，片內(nèi)RAM和片外RAM低256字節(jié)的地址空間是重疊的，如何區(qū)分呢？

片內(nèi)RAM和片外RAM的低256字節(jié)通過不同的指令訪問，片內(nèi)RAM用MOV指令，片外RAM用MOVX指令，因此在訪問時不會產(chǎn)生混亂。1.2.4MCS-51系列單片機的工作方式1．復(fù)位方式

計算機在啟動運行時都需要復(fù)位，復(fù)位是使中央處理器（CPU）和內(nèi)部其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，從這個狀態(tài)開始工作。MCS-51系列單片機有一個復(fù)位引腳RST，高電平有效。在時鐘電路工作以后，當外部電路使得RST端出現(xiàn)兩個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平時，系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)位。

復(fù)位有兩種方式，上電復(fù)位和按鈕復(fù)位，如下圖所示。

只要RST保持高電平，MCS-51系列單片機將循環(huán)復(fù)位。復(fù)位期間，ALE、PSEN輸出高電平。

RST從高電平變?yōu)榈碗娖胶螅琍C指針變?yōu)?000H，使單片機從ROM地址為0000H的單元開始執(zhí)行程序。復(fù)位后，內(nèi)部寄存器的初始內(nèi)容如下表所示。

特殊功能寄存器初始內(nèi)容

特殊功能寄存器初始內(nèi)容A0000H

TCON00HPC0000H

TL000HB00H

TH000HPSW00H

TLI00HSP07H

THI00HDPTR0000H

SCON00HP0～P3FFH

SBUFXXXXXXXXBIPXX000000B

PCON0XXX0000BIE0X000000B

TMOD00H

2．程序執(zhí)行方式

程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式，單片機在實現(xiàn)用戶功能時通常采用這種方式。單片機執(zhí)行的程序放置在程序存儲器中，可以是片內(nèi)ROM，也可以是片外ROM。由于系統(tǒng)復(fù)位后，PC指針總是指向0000H，程序總是從0000H開始執(zhí)行，而從0003H到0032H又是中斷服務(wù)程序區(qū)，因此，用戶程序都放置在中斷服務(wù)程序區(qū)后面，在0000H處放一條長轉(zhuǎn)移指令用以轉(zhuǎn)移到用戶程序。

程序的單步執(zhí)行方式，是指在外部單步脈沖的作用下，使單片機一個單步脈沖執(zhí)行一條指令后就暫停下來，再一個單步脈沖再執(zhí)行一條指令后又暫停下來。

單步執(zhí)行方式通常用于調(diào)試程序、跟蹤程序執(zhí)行和了解程序執(zhí)行過程。

在一般的微型計算機中，單步執(zhí)行由單步執(zhí)行中斷完成，而單片機沒有單步執(zhí)行中斷，MCS-51系列單片機的單步執(zhí)行是利用中斷系統(tǒng)來完成的。MCS-51系列單片機的中斷系統(tǒng)規(guī)定，從中斷服務(wù)程序中返回之后，至少要再執(zhí)行一條指令，才能重新進入中斷。這樣，將外部脈沖加到INT0引腳，平時讓它為低電平，通過編程規(guī)定INT0為電平觸發(fā)。那么，不來外部脈沖時INT0總處于響應(yīng)中斷的狀態(tài)。

當INT0不來外部脈沖時，INT0保持低電平，向CPU申請中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，第一條指令在INT0為低電平時循環(huán)，不返回主程序。當通過一個按鈕向INT0端送一個正脈沖時，中斷服務(wù)程序的第一條指令結(jié)束循環(huán)；執(zhí)行第二條指令，在高電平期間，第二條指令循環(huán)，高電平結(jié)束，INT0回到低電平，第二條指令結(jié)束循環(huán)；執(zhí)行第三條指令，中斷返回，返回到主程序，由于這時INT0又為低電平，請求中斷，而中斷系統(tǒng)規(guī)定，從中斷服務(wù)程序中返回之后，至少要再執(zhí)行一條指令，才能重新進入中斷。

因此，當執(zhí)行主程序的一條指令后，響應(yīng)中斷，進入中斷服務(wù)程序，又在中斷服務(wù)程序中暫停下來。這樣，總體看來，按一次按鈕，INT0端產(chǎn)生一次高脈沖，主程序執(zhí)行一條指令，實現(xiàn)單步執(zhí)行。3．空閑及掉電工作方式

空閑工作方式是CPU通過執(zhí)行指令使自身進入睡眠狀態(tài)，即CPU停止工作（實際是關(guān)斷送給CPU的時鐘信號），而片內(nèi)外的功能部件仍然繼續(xù)工作，內(nèi)部RAM、SFR、PC、SP、PSW、P0～P3端口等都保持進入空閑工作方式前的狀態(tài)不變。

掉電工作方式是指當PCON寄存器的PD位置1時CPU進入的工作方式。振蕩器和片內(nèi)的功能部件都停止工作，芯片的VCC可由備用電源供電，內(nèi)部RAM和SFR等都保持進入掉電工作方式前的狀態(tài)不變。

掉電工作方式的退出也有兩種：

一種是硬件復(fù)位；

另一種是外部中斷。

當VCC恢復(fù)到正常工作水平時，只要硬件復(fù)位信號維持10ms便可退出掉電方式，復(fù)位時會重新初始化SFR和PC，但不改變片內(nèi)RAM的內(nèi)容。

在掉電工作方式下，當VCC恢復(fù)到正常工作水平時，如果有任一允許的外部中斷請求，PD位將被片內(nèi)硬件自動置0，從而退出掉電工作方式。CPU響應(yīng)中斷后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，返回后將從設(shè)置掉電工作方式指令的下一條指令繼續(xù)執(zhí)行程序。4．單片機的時間周期

單片機的時間周期主要指時鐘周期、機器周期和指令周期，它們都是基于晶振頻率及分頻電路實現(xiàn)各自的時間長度。

時鐘周期（振蕩周期）：單片機內(nèi)部時鐘電路產(chǎn)生（或外部時鐘電路送入）信號的周期。

單片機的時序信號以時鐘周期信號為基礎(chǔ)形成，即時鐘周期信號經(jīng)分頻電路分頻，得到機器周期、指令周期和各種時序信號。

機器周期：單片機的基本操作周期。

每個機器周期包含S1、S2……S6共6個狀態(tài)，每個狀態(tài)包含兩拍即P1和P2，每一拍為一個時鐘周期（振蕩周期）。因此，1個機器周期包含12個時鐘周期，依次可表示為S1P1、S1P2、S2P1、S2P2……S6P1、S6P2，如下圖所示。

指令周期：計算機從取一條指令開始，到執(zhí)行完該指令所需要的時間稱為指令周期。不同的指令，指令長度不同，指令周期也不一樣。指令周期以機器周期為單位。

MCS-51系列單片機指令根據(jù)指令長度和指令周期可分為單字節(jié)單周期指令、單字節(jié)雙周期指令、雙字節(jié)單周期指令、雙字節(jié)雙周期指令、三字節(jié)雙周期指令以及單字節(jié)四周期指令。項目2單片機常用開發(fā)軟件項目導(dǎo)讀：

單片機系統(tǒng)是一個軟硬件兼具的計算機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)的應(yīng)用既有硬件設(shè)計、調(diào)試，又有軟件設(shè)計、調(diào)試，最后還有系統(tǒng)的綜合調(diào)試。

本項目將介紹Keil軟件和Proteus軟件，并分別用來實現(xiàn)單片機系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中軟件的設(shè)計調(diào)試和硬件的設(shè)計調(diào)試功能，指導(dǎo)學(xué)生在軟件平臺上實現(xiàn)單片機系統(tǒng)設(shè)計的前期功能。任務(wù)2.1Keil軟件的使用任務(wù)描述：

擬用單片機控制8個發(fā)光二極管（LED）按照D1→D2→D3……D8→D7……D2→D1的順序循環(huán)點亮，以實現(xiàn)流水燈效果，要求用Keil軟件完成工程創(chuàng)建、源程序文件創(chuàng)建及編輯、程序添加等步驟，為后續(xù)程序下載、仿真做準備。2.1.1Keil軟件簡介KeilC51，又稱KeilC，作為集成開發(fā)環(huán)境（IDE），主要用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。它由德國Keil公司開發(fā)，該公司已經(jīng)被ARM公司收購。Keil支持多種編程語言，包括C、C++、匯編語言等，可以對多種單片機進行編譯、調(diào)試和仿真。

Keil作為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，具有豐富的功能和優(yōu)秀的性能，可幫助開發(fā)人員在較短的時間內(nèi)完成從編譯到調(diào)試和部署。Keil提供了一個友好的用戶界面，包括源代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器和仿真器等組件，使得開發(fā)人員可以方便地編寫和調(diào)試嵌入式應(yīng)用程序。2.1.2Keil軟件使用步驟（一）啟動軟件（二）創(chuàng)建工程1．新建及保存工程文件

選擇菜單欄中的“Project”→“NewμVisionProject”命令，新建一個工程文件。

2．選擇單片機型號

保存工程文件后，彈出的“SelectDeviceforTarget'Target1'”對話框，系統(tǒng)采用的單片機型號是AT89C51。（三）創(chuàng)建源程序文件并編輯、保存

選擇菜單欄中的“File”→“New”命令，創(chuàng)建一個默認名字為“Text1”的文本文件。編輯錄入源程序后，選擇“File”→“Save”/“SaveAs”或單擊保存按鈕

。（四）將源程序文件添加到工程

右擊“SourceGroup1”，在彈出的快捷菜單中選擇“AddFilestoGroup'SourceGroup1'”命令。隨后彈出對話框，此時選擇剛剛保存的“.c”文件，單擊“Add”按鈕，將其添加到工程，然后單擊“Close”按鈕。（五）設(shè)置輸出文件

為了使源程序能夠在單片機中運行，必須將其編譯成十六進制目標代碼文件。右擊“Target1”，從彈出的快捷菜單中選擇“OptionsforTarget'Target1'”命令，或選擇Project”→“OptionsforTarget'Target1'”命令，彈出“OptionsforTarget'Target1'”對話框。切換到“Output”選項卡，選中“CreateHEXFile”復(fù)選框。（六）生成目標代碼文件

單擊翻譯按鈕

，對源程序進行翻譯，當出現(xiàn)錯誤時將在窗口底部給出錯誤所在行及引起錯誤的可能原因。

雙擊錯誤信息，光標將跳轉(zhuǎn)到錯誤所在行，可對程序中的錯誤進行快速編輯修改。任務(wù)2.2Proteus軟件的使用任務(wù)描述：

擬用單片機控制8個LED按照D1→D2→D3……D8→D7……D2→D1的順序循環(huán)點亮，以實現(xiàn)流水燈效果。

要求先用Proteus軟件完成原理圖的繪制，再根據(jù)任務(wù)2.1的程序進行聯(lián)機調(diào)試、仿真，查看流水燈效果。2.2.1Proteus軟件簡介Proteus軟件是英國LabCenterElectronics公司開發(fā)的電子設(shè)計自動化工具軟件，主要用于電子系統(tǒng)的仿真與設(shè)計。它具有仿真功能，能仿真單片機及外圍器件，是比較好用的單片機及外圍器件仿真工具。Proteus軟件支持多種處理器模型，如8051、DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器模型，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。此外，在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。Proteus軟件可以實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到印制電路板（PCB）設(shè)計。它是將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺。Proteus可以對電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和單片機應(yīng)用技術(shù)中的電路進行仿真，讓你能夠在接近實際的操作和運行中觀察電路的現(xiàn)象并理解特別是單片機控制系統(tǒng)的電路仿真、調(diào)試(聯(lián)調(diào))。同時，Proteus也是一個輔助設(shè)計軟件，能自動生成電氣原理圖的PCB文件并提交廠商進行制作。2.2.2用Proteus繪制電路圖的步驟1．ISIS窗口介紹2．新建設(shè)計文件

單擊標準工具欄中的新建按鈕

，或者在菜單欄中選擇“File”→“NewDesign”命令，將新建一個設(shè)計文件。3．選取元器件

單擊對象選擇按鈕

，彈出選擇元器件對話框。在“Keywords”文本框中輸入元器件名稱，如at89c，系統(tǒng)自動搜索對象庫，并將找到的元器件顯示在“Results”列表框中，雙擊所需的元器件即可將其添加到對象選擇區(qū)。4．放置元器件并修改元器件參數(shù)

在對象選擇區(qū)內(nèi)，單擊需要的元器件，移動鼠標指針到右側(cè)的圖形編輯區(qū)，鼠標指針將變成筆尖形狀，將鼠標指針移動到欲放置的位置并單擊，出現(xiàn)虛框形式的元器件，此時再次單擊，則將元器件放置在該位置。5．元器件之間的連線Proteus的ISIS具有一定的智能性，當鼠標指針靠近某元器件的管腳時，鼠標指針將變?yōu)榧t色筆形，并附有電氣格點符號（虛框），此時按住（或單擊）鼠標左鍵即開始連線，到達目標元器件管腳時再次出現(xiàn)附有電氣格點符號的紅色筆形，松開（或再次單擊）鼠標左鍵完成連線，系統(tǒng)自動為連線尋找合適位置布線（通過按鈕打開或關(guān)閉）。

如果想要自行確定連線位置，可在需要轉(zhuǎn)折的位置單擊以確定連線位置（此時在該位置出現(xiàn)一個叉號），直到連接到目標元器件的管腳。2.2.3用Proteus進行仿真聯(lián)調(diào)的步驟

當生成了目標代碼文件“流水燈.hex”，并完成流水燈系統(tǒng)的硬件電路繪制之后，就可以進行仿真操作以檢驗系統(tǒng)功能。1．加載目標代碼文件

雙擊單片機AT89C51圖標，彈出“EditComponent”對話框。單擊“ProgramFile”文本框右側(cè)的“瀏覽”按鈕，彈出“選擇文件名”對話框。從中選擇相應(yīng)的“.hex”目標代碼文件，單擊“打開”按鈕返回，此時“ProgramFile”文本框中填入了“.hex”。再在“EditComponent”對話框中單擊“OK”按鈕，完成目標代碼文件的加載。2．仿真運行

單擊“運行”按鈕啟動仿真。3．聯(lián)機調(diào)試設(shè)置

仿真運行能夠體現(xiàn)程序功能，與實際運行情況一致。對初學(xué)者來說，當程序運行出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時，難以確定問題所在，即不能確定系統(tǒng)工作中的不正常是由哪段程序造成的，有時需要落實是哪條指令引起的異常。如果能夠跟蹤程序運行，就能夠發(fā)現(xiàn)問題，進而解決問題。項目3單片機最小系統(tǒng)及I/O接口項目導(dǎo)讀：

本項目從單片機最小系統(tǒng)定義入手，首先介紹不同型號單片機最小系統(tǒng)的組成，以及各組成部分的典型電路；然后通過搭建一個單片機最小系統(tǒng)，用1位LED閃爍情況來驗證最小系統(tǒng)能否工作，真正實現(xiàn)軟硬件的控制功能；最后，在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過多位LED的不同閃爍狀態(tài)來實現(xiàn)單片機I/O接口的功能。任務(wù)3.1最小系統(tǒng)的搭建及1位LED閃爍的設(shè)計與仿真任務(wù)描述：

本任務(wù)要求搭建一個單片機最小系統(tǒng)，通過Keil、Proteus平臺實現(xiàn)系統(tǒng)編程仿真，用1位LED的閃爍狀態(tài)來驗證最小系統(tǒng)搭建及設(shè)計仿真成功與否。

所謂最小系統(tǒng)，是指一個真正可用的微型計算機的最小配置系統(tǒng)。

對于51單片機，其內(nèi)部集成了微型計算機的大部分功能部件，只需外部連接一些簡單電路就可組成最小系統(tǒng)。

51單片機內(nèi)部集成了CPU、ROM、RAM、并行接口、串行接口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能部件，除了電源和地，外部只需連接時鐘電路和復(fù)位電路就可組成最小系統(tǒng)。

另外，對于沒有片內(nèi)ROM的芯片，組成最小系統(tǒng)時必須擴展外部ROM，因此，51單片機的最小系統(tǒng)可分為以下兩種情況。3.1.18051/8751的最小系統(tǒng)

8051/8751片內(nèi)有4KB的ROM/EPROM，因此，只需要外接晶體振蕩器和復(fù)位電路就可以構(gòu)成最小系統(tǒng)，如下圖所示。該最小系統(tǒng)的特點如下。由于片外沒有擴展存儲器和外設(shè)，P0、P1、P2、P3都可以作為用戶I/O接口。片內(nèi)RAM有128B，地址空間為00H～7FH，沒有片外RAM。內(nèi)部有4KB的ROM，地址空間為0000H～0FFFH，沒有片外ROM，EA應(yīng)接高電平?？梢允褂脙蓚€定時/計數(shù)器T0和T1，1個全雙工的串行通信接口，5個中斷源。3.1.28031的最小系統(tǒng)8031無片內(nèi)ROM，因此，在構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)不僅要外接晶體振蕩器和復(fù)位電路，還應(yīng)擴展外部ROM。8031外接ROM芯片2764構(gòu)成的最小系統(tǒng)如下圖所示。該最小系統(tǒng)的特點如下。由于P0、P2在擴展ROM時作為地址線和數(shù)據(jù)線，不能作為I/O接口線，因此，只有P1、P3作為用戶I/O接口使用。片內(nèi)RAM同樣有128B，地址空間為00H～7FH，沒有片外RAM。內(nèi)部無ROM，片外擴展了ROM，其地址空間隨芯片容量不同而不一樣。同樣可以使用兩個定時/計數(shù)器T0和T1，1個全雙工的串行通信接口，5個中斷源。

由于8051/8751內(nèi)部帶ROM，外部只需接晶體振蕩器和復(fù)位電路就可以構(gòu)成最小系統(tǒng)，硬件電路非常簡單，在實際中經(jīng)常使用。

如果內(nèi)部集成的4KBROM不夠，可以選內(nèi)部集成8KBROM的8052/8752；如果8KBROM也不夠用，現(xiàn)在很多單片機廠家也生產(chǎn)了集成更大容量ROM的51單片機供大家選擇。任務(wù)3.2LED彩燈的設(shè)計與仿真任務(wù)描述：

本任務(wù)在實現(xiàn)單片機控制1位LED閃爍的基礎(chǔ)上，要求搭建單片機最小系統(tǒng)，通過P1口的I/O功能，實現(xiàn)8位LED閃爍的功能，通過程序控制，達到視覺上彩燈有規(guī)律地發(fā)光的效果。

MCS-51系列單片機的片內(nèi)集成了并行I/O接口、定時/計數(shù)器口、串行接口以及中斷系統(tǒng)端口，這些接口很多都有復(fù)用功能。這里主要介紹并行I/O接口功能，后文再介紹定時/計數(shù)器口、串行接口以及中斷系統(tǒng)端口的功能。3.2.1MCS-51系列單片機的I/O接口MCS-51系列單片機有4個8位并行I/O接口P0、P1、P2和P3口，它們是特殊功能寄存器中的4個。這4個口，既可以作輸入，也可以作輸出；既可按8位的方式使用，也可按1位的方式使用；輸出時具有鎖存能力，輸入時具有緩沖功能。1．P0口

P0口是一個三態(tài)雙向口，可作為地址／數(shù)據(jù)分時復(fù)用口，也可作為通用的I/O接口。它由一個鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器、輸出驅(qū)動電路和輸出控制電路組成，它1位的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

當控制信號為高電平“1”時，P0口作為地址／數(shù)據(jù)分時復(fù)用總線用。這時可分為兩種情況：一種是從P0口輸出地址或數(shù)據(jù)，另一種是從P0口輸入數(shù)據(jù)。

控制信號為高電平“1”，使轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX把反相器4的輸出端與場效應(yīng)晶體管V1接通，同時把與門3打開。

如果從P0口輸出地址或數(shù)據(jù)信號，當?shù)刂坊驍?shù)據(jù)為“1”時，經(jīng)反相器4使V1截止，而經(jīng)與門3使場效應(yīng)晶體管V2導(dǎo)通，P0.x引腳上出現(xiàn)相應(yīng)的高電平“1”；當?shù)刂坊驍?shù)據(jù)為“0”時，經(jīng)反相器4使V1導(dǎo)通而V2截止，引腳上出現(xiàn)相應(yīng)的低電平“0”，這樣就將地址/數(shù)據(jù)的信號輸出。

如果從P0口輸入數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)從引腳下方的三態(tài)輸入緩沖器進入內(nèi)部總線。當控制信號為低電平“0”時，P0口作為通用I/O接口使用。

控制信號為“0”，轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX把輸出級與鎖存器Q端接通，在CPU向端口輸出數(shù)據(jù)時，因與門3輸出為“0”，使V2截止，此時，輸出級是漏極開路電路。當寫入脈沖加在鎖存器時鐘端CLK上時，與內(nèi)部總線相連的D端數(shù)據(jù)取反后出現(xiàn)在Q端，又經(jīng)輸出V1反相，在P0引腳上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)正好是內(nèi)部總線的數(shù)據(jù)。當要從P0口輸入數(shù)據(jù)時，引腳信號仍經(jīng)三態(tài)輸入緩沖器進入內(nèi)部總線。

當P0口作通用I/O接口時，應(yīng)注意以下兩點：一是在輸出數(shù)據(jù)時，由于V2截止，輸出級是漏極開路電路，要使“1”信號正常輸出，必須外接上拉電阻器；二是P0口作為通用I/O接口輸入使用時，在輸入數(shù)據(jù)前，應(yīng)先向P0口寫“1”，此時鎖存器的Q端為“0”，使輸出級的V1、V2均截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，才可作高阻輸入。

因為從P0口引腳輸入數(shù)據(jù)時，V2一直處于截止狀態(tài)，引腳上的外部信號既加在三態(tài)輸入緩沖器1的輸入端，又加在V1的漏極。假定在此之前曾經(jīng)輸出數(shù)據(jù)“0”，則V1是導(dǎo)通的，這樣引腳上的電位就始終被鉗定在低電平，使輸入高電平無法讀入。因此，在輸入數(shù)據(jù)時，應(yīng)人為地先向P0口寫“1”，使V1、V2均截止，方可高阻輸入。另外，P0口的輸出級具有驅(qū)動8個LSTTL（低功耗晶體管晶體管邏輯）負載的能力，輸出電流不大于800μA。2．P1口

P1口是準雙向口，它只能作為通用I/O接口使用。P1口的結(jié)構(gòu)與P0口不同，它的輸出只由一個場效應(yīng)晶體管V1與內(nèi)部上拉電阻器組成，它1位的結(jié)構(gòu)如下圖所示。P1口輸入輸出的原理和特性與P0口作為通用I/O接口使用時一樣，但當P1口輸出時，可以提供電流負載，不必像P0口那樣需要外接上拉電阻器。P1口具有驅(qū)動4個LSTTL負載的能力。3．P2口

P2口也是準雙向口，它有兩種用途：作為通用I/O接口和高8位地址總線。它1位的結(jié)構(gòu)如下圖所示，與P1口相比，P2口只在輸出驅(qū)動電路上比P1口多了一個模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX和反相器3。

如果控制信號為高電平“1”，轉(zhuǎn)換開關(guān)接右側(cè)，P2口作高8位地址總線使用，訪問片外存儲器的高8位地址A8～A15則由P2口輸出。如系統(tǒng)擴展了ROM，由于單片機工作時一直不斷地取指令，因而P2口將不斷地送出高8位地址，P2口將不能作通用I/O接口用。如系統(tǒng)僅僅擴展了RAM，這時分幾種情況：若片外RAM容量不超過256字節(jié)，在訪問RAM時，只需P0口送低8位地址即可，P2口仍可作為通用I/O接口使用；若片外RAM容量大于256字節(jié)，需要P2口提供高8位地址，這時P2口就不能作通用I/O接口使用。

當控制信號為高電平“0”時，轉(zhuǎn)換開關(guān)接左側(cè)，P2口用作準雙向通用I/O接口?？刂菩盘柺罐D(zhuǎn)換開關(guān)接左側(cè)，其工作原理與P1口相同，只是P1口輸出端由鎖存器Q端接V1，而P2口是由鎖存器Q端經(jīng)反相器3接V1，也具有輸入、輸出、端口操作3種工作方式，負載能力也與P1口相同。4．