单片微型计算机原理及结构
单片微型计算机原理和应用课程设计
单片微型计算机原理和应用课程设计一、设计背景单片微型计算机是指把中央处理器、存储器、输入/输出接口和时钟等核心部件集成在一块芯片上的微型计算机。
单片微型计算机具有价格低廉、体积小、功耗低、易于编程等优点，广泛应用于各种智能控制系统中。
因此，对单片微型计算机进行深入研究和应用，具有重要的理论和实际意义。
二、课程目标本课程旨在让学生掌握单片微型计算机的基本原理和应用技术，培养学生的实际操作能力和解决实际问题的能力。
具体目标如下：1.掌握单片微型计算机的硬件结构和工作原理；2.掌握单片微型计算机的指令系统和汇编语言编程；3.掌握单片微型计算机的输入/输出接口及其编程技术；4.掌握单片微型计算机的中断响应和计时计数技术；5.了解单片微型计算机的应用领域和现状。
三、课程内容1. 单片微型计算机体系结构1.1 体系结构概述 1.2 内存管理单元 1.3 输入/输出系统 1.4 系统时钟和定时器 1.5 中断系统2. 单片微型计算机编程2.1 汇编语言基础 2.2 汇编语言程序设计 2.3 程序调试和优化3. 单片微型计算机输入/输出接口3.1 输入/输出数据格式 3.2 数据输入/输出接口 3.3 并行口输入输出接口4. 单片微型计算机中断响应和计时计数4.1 中断介绍 4.2 中断控制器 4.3 定时器和计数器5. 单片微型计算机的应用5.1 智能控制系统 5.2 计算机嵌入式系统 5.3 物联网应用四、教学方法本课程采用课堂讲授、实验教学相结合的方法，加强实践性教学。
在讲解理论的同时，引导学生开展实验设计和编程实践，以提高学生的实际操作能力和解决实际问题的能力。
五、考核方式本课程采用综合性考核方式，包括平时成绩、实验成绩和作业成绩等。
其中，平时成绩占30%，实验成绩占40%，作业成绩占30%。
六、教材和参考书目教材：《单片微型计算机原理和应用》参考书目：《单片微型计算机原理和应用教程》、《51单片机原理与应用》、《单片机原理与应用》等。
第二讲 第2章 MCS-51单片微型计算机结构
S1
S2
S3
读下一个操作 码（丢弃） P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 （a） 单字节，单周期指令 例：MOV A R1
读操作码 读操作码 读第二字节
2
P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 （b） 双字节，单周期指令 例：ADD A dir 读操作码
MCS-51单片机的结构原理
一、计算机的经典组成 计算机的经典结构见 图1.1 所示。这种结 构是由计算机的开 拓者——数学家约 翰· 诺依曼最先提 冯· 出的，所以就称之 为冯· 诺依曼计算机 体系结构，也叫普 林斯顿结构。
图 1.1 计算机经典结构
二、 MCS-51单片机的基本组成
(一) 8051单片机的结构
﹡IP B8H ﹡IE A8H TMOD ﹡TCON TL0 TH0 TL1 TH1 PCON ﹡SCON 寄存器 SBUF
IP.7～IP.0 BFH～B8H 中断优先控制器 IE.7～IE.0 AFH～A8H 中断允许控制器 89H 定时器方式选择 88H TCON.7～TCON.0 8FH～88H 定时控制寄存器 8AH 定时器T0低8位 8CH 定时器T0高8位 8BH 定时器T1低8位 8DH 定时器T1高8位 87H 电源控制及波特率选择 98H SCON.7～SCON.0 9FH～98H 串行口控制 99H 串行口数据缓冲器
F0H E0H D0H B8H B0H A8H A0H 98H 90H 88H 80H
特 殊 功 能 寄 存 器 中 位 寻 址
FFFFH 外部 RAM
单片机基础知识
6.3 单片机的发展
MCS-51系列单片机中，有两个子系列：51子系列、52子系列。 51子系列：
8051、8751和8031三个型号，后来经过改进产生 了80C51、87C51和80C31三个型号； 52子系列：
8052、8752和8032三个型号，改进后的型号是 80C52、87C52和80C32。
C2 22μF
8031 8051 8751
R1
（a）上电复位电路
（b）按键电平复位电路
80C51复位电路
（c）按键 脉冲复位电路
二、单片机的结构和原理
1 单片机的硬件结构
时钟源
T0 T1
时钟电路 SFR和RAM 存储器
定时/计数器
CPU
系统总线
并行I/O口
串行I/O口
中断系统
P0 P1 P2 P3
O接口P0～P3。 2. 它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O线。 3. P0-P3口四个锁存器同RAM统一编址，可作为SFR来寻址。
2 单片机引脚及其功能
MCS-51系列如8051.8751和 8031均采用40引脚双列直插封装 （Dual In-line Package,DIP） 方式。因受到引脚数目的限制， 有不少引脚具有第二功能。
MCS-51单片机引脚如图所示
2 单片机引脚及其功能 MCS-51单片机 40引
脚，可分为端口线、电源 线和控制线三类。
1.端口线（4×8=32条）
P0.0~P0.7、P1.0~P1.7、P2.0~P2.7、 P3.0~P3.7
2.电源线（2条） VCC为+5V电源线，VSS接地
3.控制线（6条）
单片机应用基础
一 、单片机概述与结构
单片微型计算机原理及接口技术
单片微型计算机原理及接口技术在现代科技领域中，计算机技术的发展日新月异，而单片微型计算机无疑是其中的重要一环。
本文将介绍单片微型计算机的原理以及接口技术，以帮助读者更好地理解和运用这一领域的知识。
一、单片微型计算机的原理1.1 数据表示和处理在单片微型计算机中，数据的表示和处理是非常重要的。
计算机所处理的数据通常以二进制形式表示，通过位(bit)来表示数据的最小单元。
在微型计算机中，通常使用八位(bit)的字节(byte)作为数据的基本单位。
此外，计算机还可以通过不同的数据类型来表示和处理不同类型的数据，如整数、浮点数、字符等。
1.2 CPU和内存在单片微型计算机中，中央处理器(CPU)被视为计算机的大脑。
CPU负责执行指令、进行算术和逻辑运算等操作。
而内存则用于存储数据和指令，供CPU读取和写入。
常见的内存分类有随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)，其中RAM用于临时存储数据，而ROM则用于存储固定的指令和数据。
1.3 控制单元和指令控制单元是CPU的一个核心组成部分，它负责解析和执行指令。
指令是计算机执行操作的命令，可以进行数据的读取、写入、运算等操作。
常见的指令集结构有精简指令集(RISC)和复杂指令集(CISC)。
RISC的指令集相对较简单，执行速度快，而CISC的指令集相对较复杂，但可以实现更多功能。
二、单片微型计算机的接口技术2.1 输入输出接口在单片微型计算机中，输入输出（I/O）设备起着连接计算机与外部设备的重要作用。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏等，而输出设备包括显示器、打印机、扬声器等。
通过适当的接口技术，计算机可以与这些设备进行数据的输入和输出，并实现与用户的交互。
2.2 存储器接口技术存储器接口技术用于连接CPU和内存之间的数据传输。
根据不同的芯片架构和规范，存储器接口技术有所不同。
常见的接口技术包括地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线用于指定内存的地址，数据总线用于传输数据，而控制总线则用于传输控制信号。
第1章单片机概述
第1章 单片机概述1.1 单片机的概念1.1.1 单片机的定义单片机的全称是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer，SCM），也称为微控制器（Micro-Controller Unit，MCU），它是将中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）、数据存储器RAM（Random Access Memory，随机读写存储器）、程序存储器ROM（Read Only Memory，只读存储器）以及I/O（Input/Output，输入/输出）接口集成在一块芯片上，构成的一个计算机系统，其组成框图如图1.1所示。
单片机可用下面的“表达式”来表示：单片机 = MPU+ROM+RAM+I/O+功能部件图1.1 单片机的组成框图1.1.2 单片机的诞生单片机诞生于20世纪70年代末，具有代表性的事件是1976年Intel公司推出了MCS-48单片机系列的第一款产品：8048。
这款单片机在一个芯片内集成了超过17000个晶体管，包含一个CPU，1KB的EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory，可擦可编程只读存储器），64字节的RAM，27个I/O端口和一个8位的定时器。
8048很快就成为了控制领域的工业标准，它们起初被广泛用来替代诸如洗衣机或交通灯等产品中的控制部分。
1980年，Intel公司在MCS-48的基础上推出了MCS-51系列的第一款单片机8051，这款单片机的功耗、大小和复杂程度都比8048提高了一个数量级。
8051集成了超过60000个晶体管，拥有4KB的ROM，128B的RAM，32个I/O端口，一个串行通信接口和两个16位的定时器。
经过三十多年的发展，MCS-51系列单片机已经形成了一个规模庞大、功能齐全、资源丰富的产品群。
单片机原理与应用技术·2·1.1.3 单片机的应用领域单片机在我们的日常生活和工作中无处不在、无处不有：家用电器中的微波炉、洗衣机、电饭煲、豆浆机、电子秤；住宅小区的监控系统、电梯智能化控制系统；汽车电子设备中的ABS、GPS、ESP、TPMS；医用设备中的呼吸机，各种分析仪，监护仪，病床呼叫系统；公交汽车、地铁站的IC卡读卡机、滚动显示车次和时间的LED点阵显示屏；电脑的外设，如键盘、鼠标、光驱、打印机、复印机、传真机、调制解调器；计算机网络的通信设备；智能化仪表中的万用表、示波器、逻辑分析仪；工厂流水线的智能化管理系统，成套设备中关键工作点的分布式监控系统；导弹的导航装置，飞机上的各种仪表等。
第2章MCS--51系列单片机的结构及原理
（4）工作寄存器组选择位RS1、RS0（PSW.4，
PSW.3）： RS1、RS0与工作寄存器组的对应关系
如下：
RS1 RS0 工作寄存器组 片内RAM地址
00
第0组
00H～07H
01
第1组
指令执行后，A=D1H最高位无进位，故Ｃ=0；低半字节有进位，AC=1； OV=0 1=1，发生溢出；A中1的个数为偶数，故P=0。
CPU时序
一．振荡器
CPU执行指令的一系列动作是在时序电路的控制下一拍一拍进行的。 其节拍信号由振荡器产生，MCS--51系列单片机的内部有一个高增益的反 相放大器。外接晶体后可构成自激振荡器产生节拍信号，接法见图2-1, 也可使用片外振荡器，采用不同工艺制造的单片机芯片接法不同：
RST/VPO：双功能引脚，在单片机工作期间， 当此引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可 实现复位操作，详见2.4节。
在Vcc掉电期间，若该引脚接备用电源 （+5v），可向片内RAM供电，以保存片内RAM中 的信息。
2.2 MCS—51系列单片机的微处理器与CPU时序
运算器由算逻运算单元ALU、累加器A、B寄存器、暂存器1、 暂存器2、及程序状态字PSW构成。程序状态字PSW是1个8位 的专用寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息，可 进行位寻址，
P
图2—3 程序状态字各位的含义
（1）进位标志C（PSW.7）；很多算术逻辑运算指令执行 后都会影响进位标志C。例如加减运算，若运算结果有进 位或借位，则C=1，若无，则C=0。可用专门的指令或硬件 将C置位或清零，在进行位操作时，C又起着位累加器的作 用，类似于累加器A。
单片微型计算机原理和接口技术第三版复习总结
单片微型计算机原理和接口技术第三版复习总结前言单片微型计算机的定义和重要性接口技术在现代电子系统中的作用第一章：单片机概述1.1 单片机的发展历程单片机的诞生和发展主要的单片机系列1.2 单片机的基本组成CPU存储器输入/输出接口时钟系统复位电路1.3 单片机的分类和应用领域按功能分类按应用领域分类第二章：单片机的指令系统2.1 指令系统概述指令的格式指令的分类2.2 寻址方式立即寻址直接寻址间接寻址寄存器寻址变址寻址2.3 指令集详解数据传输指令算术运算指令逻辑运算指令控制转移指令第三章：存储器结构3.1 存储器的分类ROMRAMEEPROM3.2 存储器的扩展存储器的地址映射存储器的接口技术3.3 存储器的保护机制写保护保密机制第四章：输入/输出接口4.1 I/O接口的基本概念I/O端口I/O控制方式4.2 并行接口8255A可编程并行接口8155可编程并行接口4.3 串行接口串行通信原理串行接口芯片第五章：中断系统5.1 中断的基本概念中断的分类中断优先级5.2 中断处理流程中断请求中断服务程序中断返回5.3 中断控制器8259A可编程中断控制器第六章：定时器/计数器6.1 定时器/计数器的工作原理定时器的工作模式计数器的应用6.2 定时器/计数器的应用实例定时控制脉冲计数第七章：模数与数模转换7.1 模数转换器（ADC）ADC的工作原理ADC的应用7.2 数模转换器（DAC）DAC的工作原理DAC的应用第八章：总线技术8.1 总线的概念总线的功能总线的分类8.2 常用总线标准ISA总线PCI总线USB总线8.3 总线仲裁和控制总线仲裁机制总线控制策略第九章：单片机的系统设计9.1 系统设计的基本步骤需求分析硬件设计软件设计9.2 系统可靠性设计电源管理故障检测与处理9.3 系统性能优化代码优化硬件优化结语单片机技术的未来发展趋势学习单片机的重要性参考文献列出相关的参考书籍和文献。
单片微型计算机原理-胡乾斌--课后习题答案
习题11.1什么是单片微型计算机?答：单片微型计算机是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，是计算机微型化的典型代表之一，通常片内都含有、、、并行、串行、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。
1.2单片机的发展经历了哪几个阶段？在哪一阶段确立了单片机在嵌入式应用中的地位。
答：单片机初级阶段（1974—1976年），芯片化探索阶段（1976—1978年），8位单片机成熟阶段（1978—1982年），从向过渡阶段（1983—1990年），百花齐放阶段（1990年—至今）。
其中，芯片化探索阶段（1976—1978年）确立了单片机在嵌入式应用中的地位。
1.3 单片机可分为几个系列？简述每个系列的主要特性。
答：单片机按系列可分为80C51系列、系列和系列等。
系列单片机是公司的产品，与51系列单片机不兼容。
1) 系列单片机最大的特点是从实际出发，重视产品的性能与价格比，发展多种型号来满足不同层次的应用要求。
2) 精简指令使其执行效率大为提高。
3) 产品上市零等待（）。
4) 有优越开发环境。
5) 其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连,无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。
6) 彻底的保密性。
7) 自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。
8) 睡眠和低功耗模式。
单片机是1997年由公司研发出的增强型内置的( ) 精简指令集高速8位单片机。
单片机的主要特性1) 单片机以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。
2) 单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。
提高了指令执行速度(1)，克服了瓶颈现象；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。
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2.2.2 MCS_51单片机外部引脚
掩模MOS制造工艺的MCS_51单片机都采用40脚 双列直插式封装（DIP）方式。下面分别叙述这40条 引脚的功能。 主电源引脚 .VSS(20脚)：接地； .VCC（40脚）：接+5V电源。 外接晶振引脚 .XTAL1（19脚）：接外部晶振的一个脚。 .XTAL2（18脚）：接外部晶振的一个引脚。 控制或复位引脚 .RST/VPD（9脚） .ALE/PROG(30脚) ·PSEN（29脚） ·EA/VPP（31脚） 输入/输出引脚 P0—P3共4个输入/输出口，32个引脚，每个口为 8根I/O线，它们的功能与使用将在本章程2.5节中 详细介绍。
RAM
DPTR指针
通道1锁存器 通道1驱动器 通道3锁存器 通道3驱动器
振荡器
XTAL1
XTAL2
P1.0～P1.7
P3.0～P3.7
2.2.1 8051单片机的结构
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 中央处理单元(8位CPU) 只读存储器(4K ROM) 随机存取存储器(128B/256B RAM) 并行输入/输出口（32条）: P0口、 P1口、 P2口、 P3口 串行输入/输出口（2条）: TXD RXD 定时/计数器: T0 T1 时钟电路为内部振荡器与外接晶振电路。 中断系统有5个中断: INT0 INT1 TF0 TF1 TI/RI
803 1 805 1 875 1
图2.3 MCS51引脚图
2.3 MCS_51单片机存储器配置
FFFFH 外部 ROM 1000H 80H RAM 30H 0FFFH 内部 ROM EA = 1 0000H 外部 ROM EA = 0 20H 位寻址区 工作 寄存器 0～3组 外部 RAM FFH SFR FFFFH
2.1
概
述
MCS_51系列单片机是Intel公司于是1980年推出的高档8位机。由于其优秀的 性能价格获得了广泛的应用，也成为我国单片机市场的主流产品。 目前广泛使用的MCS-51系列单片机有三个版本：8031、8051、8751。 8051：8位CPU、128B RAM、4KB ROM、23个特殊功能寄存器、4个8位并行 口、1个全双工串行口、2个别16位定时/计数器。 8751：仅改进来8051的掩模式的4KB ROM为4KB的EPROM。 8031：较8051不包含ROM。严格说来，8031不是完全的单片机。 单片机的发展非常迅速，世界上一些著名的器件公司如Motorola公司、Zilog 公司等也竞相推也新产品。1983年，Intel公司又推出了高性能的16位MCS-96 系列单片机。 INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以 有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以 满足不同的需求，其中 89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由 美国ATMEL公司开发生产的。以后我们将用89C51来完成一系列的实验。
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST RXD/P3.0 TXD/P3.1 INT0/P3.2 INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 VCC P0.0/AD 0 P0.1/AD 1 P0.2/AD 2 P0.3/AD 3 P0.4/AD 4 P0.5/AD 5 P0.6/AD 6 P0.7/AD 7 EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7/A 15 P2.6/A 14 P2.5/A 13 P2.4/A 12 P2.3/A 11 P2.2/A 10 P2.1/A 9 P2.0/A 8
图 2-2 8051的内部结构框图
通道0驱动器 VCC (+5V) GND ACC TMP2 ALU PSEN ALE RST EA 定时 和 控制 逻辑 指 令 寄 存 器 指 令 译 码 器 PSW TMP1 PCON SCON TMOD TCON TH0 TL0 TH1 TL1 SBUF(TX/RX) IE IP 中断、串行口和定时器逻辑 PC递增器 程序计数器PC０ 驱动器 RAM地址 锁存器 通道0锁 存器 通道2驱动器 通道2锁 存器 ROM/ EPROM 程序地址寄存器 B寄存器 堆栈指针SP 缓冲器
表2.1 MCS-51系列型号
型 号 8051AH 8031AH 8751H 80C51 80C31 制造技术 H MOS AH MOS H MOS CHMOS CHMOS 片内程序存储器 ROM (4k) 无 EPROM（4K） ROM （4K） 无 片内数据存储器 128字节 128字节 128字节 128字节 1Biblioteka 8字节00H0000H
图2.4 8051存储器组织结构图
2.3.1 MCS_51的存储器结构
1．物理上，分为4个存储空间：片内ROM、片外ROM、片外RAM（8031 无片内ROM）。 2．逻辑上，分为3个空间：片内、片外同一程序存储器，片内随机存储 器，片外随机存储器。它们的编址方式太及可用于其上的指令如下。 程序存储器（片内、片外）统一编址，使用MOVC指令； 数据存储器（片内）统一编址，使用MOV指令； 数据存储器（片外）统一编址，使用MOVX指令。 3．功能上，把存储器分为5种类型： 程序存储器，使用MOVC指令； 内部数据存储器，使用MOV指令； 外部数据存储器，使用MOVX指令； 特殊功能寄存器，使用MOV指令； 位地址空间，使用MOV、SETB、CLR等指令。
8052
8032
H MOS
H MOS
ROM （8K）
无
256字节
256字节
2.2 MCS_51单片机内部结构及引脚
T0 T1
时钟电路 RO M RA M 定时/计数器
内部总线 CP U
并行接口
串行接口
中断系统
P0 P1 P2 P3
TX D
R XD
IN T0
IN T1
图 2-1 MCS-51单片机的基本结构