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1、1-1 单片机最小系统,让单片机动起来！,项目引入,一辆汽车中有上百个单片机控制系统保证着汽车的正常运行。尾灯系统就是一个最典型、最简单的例子,课堂任务：,单片机控制8个发光二极管点亮,跟我想,1、单片机“动起来”的基本条件有哪些？2、如何制作一个单片机最小系统？3、怎样用LED灯检测单片机的输出电平？,跟我学,第2章 AT89C51单片机结构和原理,2.1 AT89C51单片机的结构 2.2 AT89C51单片机引脚及其功能2.3 AT89C51最小系统 习题与思考题,2.1 AT89C51单片机的结构,AT89系列单片机在结构上基本相同，只是在个别模块和功能上有些区别。AT89C51单片机
2、的内部结构框图包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件，各功能部件通过片内单一总线连成一个整体，集成在一块芯片上。,AT89C51内部结构框图,AT89C51内部结构,2.1.1 中央处理器(CPU)CPU是单片机内部的核心部件，是一个8位二进制数的中央处理单元，主要由运算器、控制器和寄存器阵列构成。1.运算器 运算器用来完成算术运算和逻辑运算功能，它是AT89C51内部处理各种信息的主要部件。运算器主要由算术逻辑单元(ALU)、累加器(ACC)、暂存寄存器(TMP1、TMP2)和状态寄存器(PSW)组成。,(1)算术逻辑单元(ALU)：AT89C51中的ALU由加法器和一个布尔处理器组成(图
3、中未具体画出)。(2)累加器(ACC)：用来存放参与算术运算和逻辑运算的一个操作数或运算的结果。(3)暂存寄存器(TMP1、TMP2)：用来存放参与算术运算和逻辑运算的另一个操作数，它对用户不开放。(4)状态寄存器(PSW)：PSW是一个8位标志寄存器，用来存放ALU操作结果的有关状态。,表2-1 PSW各位定义表,进位标志位CY：表示累加器A在加减运算过程中其最高位A7有无进位或借位。辅助进位位AC：表示累加器A在加减运算时低4位(A3)有无向高4位(A4)进位或借位。用户标志位F0：是用户定义的一个状态标志位，根据需要可以用软件来使它置位或清除。,寄存器选择位RS1、RS0：AT89C51
4、共有四组，每组八个工作寄存器R0R7。编程时用于存放数据或地址。但每组工作寄存器在内部RAM中的物理地址不同。RS1和RS0的四种状态组合就是用来确定四组工作寄存器的实际物理地址的。RS1、RS0状态与工作寄存器R0R7的物理地址关系如表2-2所示。,表2-2 工作寄存器组R0R7的物理地址,溢出标志位OV：当执行算术指令时，由硬件自动置位或清零，表示累加器A的溢出状态。奇偶标志位P：用于指示运算结果中1的个数的奇偶性，若累加器A中1的个数为奇数，则P=1；若1的个数为偶数，则P=0。,2.控制器 控制器是单片机内部按一定时序协调工作的控制核心，是分析和执行指令的部件。控制器主要由程序计数器P
5、C、指令寄存器IR、指令译码器ID和定时控制逻辑电路等构成。程序计数器PC是专门用于存放现行指令的16位地址的。CPU就是根据PC中的地址到ROM中去读取程序指令码和数据，并送给指令寄存器IR进行分析。,指令寄存器IR用于存放CPU根据PC地址从ROM中读出的指令操作码。指令译码器ID是用于分析指令操作的部件，指令操作码经译码后产生相应于某一特定操作的信号。定时控制逻辑中定时部件用来产生脉冲序列和多种节拍脉冲。,3寄存器阵列 寄存器阵列是单片机内部的临时存储单元或固定用途单元，包括通用寄存器组和专用寄存器组。通用寄存器组用来存放过渡性的数据和地址，提高CPU的运行速度。专用寄存器组主要用来指示
6、当前要执行指令的内存地址，存放特定的操作数，指示指令运行的状态等。,2.1.2 存储器 AT89C51单片机内部有256个字节的RAM数据存储器和4KB的闪存程序存储器(Flash)，当不够使用时，可分别扩展为64 KB外部RAM存储器和64 KB外部程序存储器。它们的逻辑空间是分开的，并有各自的寻址机构和寻址方式。这种结构的单片机称为哈佛型结构单片机。程序存储器是可读不可写的，用于存放编好的程序和表格常数。数据存储器是既可读也可写的，用于存放运算的中间结果，进行数据暂存及数据缓冲等。,2.1.3 I/O端口 AT89C51单片机对外部电路进行控制或交换信息都是通过I/O端口进行的。单片机的I
7、/O端口分为并行I/O端口和串行I/O端口，它们的结构和作用并不相同。1并行I/O端口 AT89C51有四个8位并行I/O端口，分别命名为P0口、P1口、P2口和P3口，它们都是8位准双向口，每次可以并行输入或输出8位二进制信息。,2串行I/O端口 AT89C51有一个全双工的可编程串行I/O端口，它利用了P3口的第二功能，即将P3.1引脚作为串行数据的发送线TXD，将P3.0引脚作为串行数据的接收线RXD。,2.1.4 定时器/计数器 AT89C51内部有两个16位可编程定时器/计数器，简称为定时器0(T0)和定时器1(T1)，T0和T1分别由两个8位寄存器构成，其中T0由TH0(高8位)和
8、TL0(低8位)构成，T1由TH1(高8位)和TL1(低8位)构成。TH0、TL0、TH1、TL1都是SFR中的特殊功能寄存器(见表2-4)。,T0和T1在定时器控制寄存器TCON和定时器方式选择寄存器TMOD的控制下(TCON、TMOD为特殊功能寄存器)，可工作在定时器模式或计数器模式下，每种模式下又有不同的工作方式。当定时或计数溢出时还可申请中断。详细情况参见第6章。,2.1.5 中断系统 单片机中的中断是指CPU暂停正在执行的原程序转而为中断源服务(执行中断服务程序)，在执行完中断服务程序后再回到原程序继续执行。中断系统是指能够处理上述中断过程所需要的部分电路。AT89C51的中断系统由
9、中断源、中断允许控制器IE、中断优先级控制器IP、定时器控制器TCON(中断标志寄存器)等构成，IE、IP、TCON均为SFR特殊功能寄存器(见表2-2)。,2.1.6 内部总线 总线是用于传送信息的公共途径。总线可分为数据总线、地址总线、控制总线。单片机内的CPU、存储器、I/O接口等单元部件都是通过总线连接到一起的。采用总线结构可以减少信息传输线的根数，提高系统可靠性，增强系统灵活性。AT89C51单片机内部总线是单总线结构，即数据总线和地址总线是公用的。,2.2 AT89C51单片机引脚及其功能,AT89C51有40条引脚，与其他51系列单片机引脚是兼容的。这40条引脚可分为I/O端口线
10、、电源线、控制线、外接晶体线四部分。其封装形式有两种：双列直插封装(DIP)形式和方形封装形式，如图2-2所示。,图2-2 AT89C51封装和引脚分配图(a)双列直插式封装；(b)方形封装,2.2.1 I/O端口功能 1P0口 P0口有八条端口线，命名为P0.0P0.7，其中P0.0为低位，P0.7为高位。,2.P1口 P1口有八条端口线，命名为P1.0P1.7,只作普通的I/O口使用，其功能与P0口的第一功能相同。作输出口使用时，不需外接上拉电阻；作输入口使用时，必须先向锁存器写入“1”。,3.P2口 P2口有八条端口线，命名为P2.0P2.7，它有两种使用功能：一种是当系统不扩展外部存储
11、器时，作普通I/O口使用，其功能和原理与P0口第一功能相同，只是作为输出口时不需外接上拉电阻；另一种是当系统外扩存储器时，P2口作系统扩展的地址总线口使用，输出高8位的地址A7A15，与P0口第二功能输出的低8位地址相配合，共同访问外部程序或数据存储器(64 KB)。,4.P3口 P3口有八条端口线，命名为P3.0P3.7。P3口是一个多用途的准双向口。第一功能是作普通I/O口使用，其功能和原理与P1口相同。第二功能是作控制和特殊功能口使用，这时八条端口线所定义的功能各不相同，如表2-3所示。,表2-3 P3口各位的第二功能,5I/O口的读写 P0P3口都可作为普通I/O口来使用。当作为输入口
12、使用时，必须先向该口的锁存器中写入“1”，然后再从读引脚缓冲器中读入引脚状态，这样的读入结果才正确。,2.2.2 电源线 AT89C51单片机的电源线有以下两种：(1)VCC：+5 V电源线。(2)VSS：接地线。,2.2.3 外接晶体引脚 AT89C51单片机的外接晶体引脚有以下两种：(1)XTAL1：片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。(2)XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。,2.2.4 控制线 AT89C51单片机的控制线有以下几种：(1)RST
13、：复位输入端，高电平有效。(2)ALE/：地址锁存允许/编程线。(3)：外部程序存储器的读选通线。(4)/VPP：片外ROM允许访问端/编程电源端。,2.3 AT89C51最小系统,2.3.1 振荡器与时钟电路 单片机内各部件之间有条不紊的协调工作，其控制信号是在一种基本节拍的指挥下按一定时间顺序发出的，这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU时序。而产生这种基本节拍的电路就是振荡器和时钟电路。,引脚XTAL1为反相器输入端，XTAL2为反相器输出端。当在放大器两个引脚上外接一个晶体(或陶瓷振荡器)和电容组成的并联谐振电路作为反馈元件时，便构成一个自激振荡器。,图 AT89C51内部振荡器电路
14、图,单片机也可采用外部振荡器向内部时钟电路输入一固定频率的时钟源信号。此时，外部信号接至XTAL1端，输入给内部时钟电路，而XTAL2端浮空即可，如图2-15所示。,图 外部时钟电路图,2.5.2 复位电路 单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。,图 单片机复位电路图(a)上电复位电路；(b)手动复位电路,2.5.2 复位电路 单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。复位的作用是使中央处理器CP
15、U以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。,跟我做,1、准备器件2、焊接电路板3、编写简单程序4、建立单片机控制LED的最小系统,电路原理图,跟我总结,1、单片机正常工作需要哪些基本电路 2、单片机的工作过程,1、编写实训报告：总结实训过程遇到的问题、解决方法和收获2、如果改用P0口和P1口来控制16只LED，让8只LED交替点亮，如何设计,课后任务,习题与思考题,2.1 AT89C51单片机内部结构由哪几部分组成？2.2 程序状态字PSW各位的定义是什么？2.3 程序计数器PC的作用是什么？怎样工作？2.4 P0P3口各有什么功能？P0口用作普通I/O口使用时应注意什么？,2.5 AT89C51单片机只用内部Flash存储器时，引脚如何处理？,2.6 AT89C51单片机的外RAM和外ROM使用相同的地址空间和同一条总线，那么是否会在总线上出现读错和写错现象？为什么？2.7 什么是对I/O口的“读修改写”操作？2.8 单片机的复位方式有几种？复位后各寄存器、片内RAM的状态如何？2.9 如何改变当前工作寄存器组？,2.10 AT89C51中XTAL1和XTAL2的功能是什么？采用外部时钟源时如何处理这两个引脚？,
