单片机第1章单片机硬件结构和原理
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单片机第一章第二章第三章
码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使
用高级语言进行开发；
·作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输
出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具
备10mA-20mA灌电流的能力；
·片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、
启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；
整理课件
属于RISC结构的有Microchip公司的PIC系列、 Atmel的AT90S系列、 Zilog的Z86系列、韩国三星 公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系 列等。
一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用 RISC型单片机；控制关系较复杂的场合，如通讯产品、 工业控制系统应采用CISC单片机。
整理课件
三、 单片机的特点、分类、及应用
1. 单片机的特点
（1）性价比高 （2）控制功能强 （3）高集成度、高可靠性、体积小 （4）低电压、低功耗
2. 单片机的分类
（1）按单片机内部程序存储器分类 片内无ROM型 片内带掩膜ROM（QTP）型、片内EPROM型、
片内一次可编写型（OTP型）和片内带Flash型等。 整理课件
（4）按单片机字长分类 4位、8位、16位、32位整理、课件和64位机
3. 单片机均可用单片机实现
四、MCS-51和8051、8031、89C51等的关系
MCS-51是指INTEL公司生产的一系列单片机的总称。
此系列包括好多品种，如8031，8051，8751， 8032，8052，8752等等。
系统。
单片机片内的各功能部件 通过内部总线相互连接，
集成在单片机内的这 些部件如何连接和进
单片机的硬件结构和原理
单片机的市场和研究现状
随着物联网、人工智能等行业的不断发展，单片机市场需求呈现爆发式增长，各国学者和工程师也在不断探索 单片机的新技术、新应用。
晶体管
单片机内部开关，用于控制电路 和提供时钟信号。
电容器
用于存储电荷和调节电压，保证 单片机稳定运行。
电阻器
用于控制电流和电压大小，保护 单片机内部电路。
单片机的存储系统
1 ROM
只读存储器，用于存储程 序代码和固定数据。
2 RAM
随机存储器，用于临时存 储程序数据和运行状态。
3 Flash
闪存存储器，可擦写多次， 用于存储程序、数据和升 级信息。
中断优先级
设备优先级高的中断请求将 先得到处理。
单片机的定时器和计数器
定时器
在单片机内部生成一个基准信号，用于控制程序执 行时间。
计数器
用于记录和计算单片机产生的信号脉冲数目，可用 于计量和统计。
单片机的应用案例
1
电子钟
通过单片机控制时钟芯片，实现秒、分、时的精确显示。
2
温度计
通过单片机采集温度传感器的信号，实现温度的测量和显示。
3
遥控器
通过单片机处理按键输入信号，实现对电器设备的遥控操作。
单片机的不足和发展趋势
单片机虽然功能强大，但其成本、功耗和性能限制着应用场景。未来单片机 将会更小、更省电，集成更多功能和计算能力。
单片机的编程语言和调试工具
汇编语言
C语言
调试工具
直接操作机器指令，编写效率高， 但学习难度较大。
高级编程语言，易于学习和掌握， 编写效率高。
单片机的硬件结构和原理
单片机是现代电子技术中常用的控制器件，本次演讲将介绍单片机的基本原 理、硬件结构和应用领域。
单片机原理及接口技术
SFR和RAM
ROM
定时/计数器
系统总线 CPU
并行I/O口
串行I/O口
中断系统
P0 P1 P2 P3
TXD RXD
INT0 INT1
图2—1 MCS—51单片机的功能模块框图
16
2.1.2 MCS-51系列单片机管脚排列
40脚分三类： 1、电源线和时钟信号线共4根
VCC，GND——电源和地+5V 电源供电，
存储器中取指令或读取数据时，该信 号有效。
EA——程序存储器有效地址，EA=1 从内部开始执行程序；EA=0从外部 开始执行程序；
3、I/O口线32根---- MCS-51系列
单片机
P0、P1、P2、P3共32位，对应着芯片 的32根引脚。
X1 X2
EA PSEN ALE
RST VCC GND
X1——时钟振荡器输入端，内 部振荡器输入端；
X2——时钟振荡器输出端，内 部振荡器输出端；
17
2、控制线4根
RST——复位信号，晶振工作后2个 机器周期的高电平复位CPU.
ALE——地址锁存信号访问外部存储 器时该信号锁存低8位地址；无RAM时， ALE为晶振6分频；
PSEN——外部程序存储器读从程序
P0
P1
8051
P2
P3P00~P07 P10~源自17 P20~P27 P30~P37
18
2.2 内部存储器的结构
2.2.1 存储器基本知识 MCS-51的程序存储器用于存放编好的程序和表
1.1.1 什么是单片机 一片半导体硅片集成：中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、
ROM）、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断系统、系 统时钟电路及系统总线的微型计算机。 具有微型计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单 片机。
第1章单片机简介
5.1 干簧管原理介绍
玻璃壳
簧片
簧片
触点
N S
惰性气体
N S
ON
OFF
OFF
ON
5.2 干簧管测试原理
N S
N S
匀速旋转
干簧管测试仪单片机系统的面板
单片机
＋5V
5.3 干簧管测试仪电路原理图与印制板图
电路原理图（PROTEL绘制）
2.1 单片机的应用特点
● 单片机主要为工业测控而设计，又称微控制器（Microcontroller)，具有高集成度、高可靠性、高性价比的特点。 ● 主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于嵌入式微型机应用系统。
2.3 单片机的发展趋势
★ 程序存储器和数据存储器分开的原因？
① 指令和数据分开存放，分开调取，不会相互混淆； ② 程序存储器和数据存储器使用不同工艺。程序存储器烧录后，运行时内容不改变，要求掉电保持，一般用ROM实现，集成度高，造价低；数据存储器运行时才赋值，一般用RAM实现，造价相对较高； ③ 程序存储器和数据存储器的宽度可以不一致，在CPU字长较短时，可实现单字节指令，提高单片机的可靠性； ④ 程序存储器和数据存储器可使用不同的总线，实现真正的流水作业； ⑤ 单片机面向测控领域，通常情况下，需要较大容量的程序存储器和较少的数据存储器，提高性价比。
印制板图（PROTEL软件绘制）
5.4 编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
印制板图1 (采用PROTEL软件绘制)
印制板图2 (采用PROTEL软件绘制)
编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
玻璃壳
簧片
簧片
触点
N S
惰性气体
N S
ON
OFF
OFF
ON
5.2 干簧管测试原理
N S
N S
匀速旋转
干簧管测试仪单片机系统的面板
单片机
＋5V
5.3 干簧管测试仪电路原理图与印制板图
电路原理图（PROTEL绘制）
2.1 单片机的应用特点
● 单片机主要为工业测控而设计，又称微控制器（Microcontroller)，具有高集成度、高可靠性、高性价比的特点。 ● 主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于嵌入式微型机应用系统。
2.3 单片机的发展趋势
★ 程序存储器和数据存储器分开的原因？
① 指令和数据分开存放，分开调取，不会相互混淆； ② 程序存储器和数据存储器使用不同工艺。程序存储器烧录后，运行时内容不改变，要求掉电保持，一般用ROM实现，集成度高，造价低；数据存储器运行时才赋值，一般用RAM实现，造价相对较高； ③ 程序存储器和数据存储器的宽度可以不一致，在CPU字长较短时，可实现单字节指令，提高单片机的可靠性； ④ 程序存储器和数据存储器可使用不同的总线，实现真正的流水作业； ⑤ 单片机面向测控领域，通常情况下，需要较大容量的程序存储器和较少的数据存储器，提高性价比。
印制板图（PROTEL软件绘制）
5.4 编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
印制板图1 (采用PROTEL软件绘制)
印制板图2 (采用PROTEL软件绘制)
编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
单片机的结构及工作原理
单片机的结构及工作原理
单片机是一种集成电路芯片，它由CPU核心、存储器、I/O端口、定时器/计数器、中断控制器以及其他外围电路组成。
单片机的工作原理如下：
1. 开机复位：单片机通电后，会执行复位操作。
当复位信号触发时，CPU会跳转到预定的复位向量地址，开始执行复位操作。
2. 初始化：执行复位操作后，单片机会进行初始化。
这包括设置输入/输出端口的初始状态、初始化定时器和计数器等。
3. 执行指令：一旦初始化完成，单片机会开始执行存储器中的指令。
指令通常存储在Flash存储器中，单片机会按照程序计
数器（PC）的值逐条执行指令。
4. 控制流程：单片机执行程序时会根据条件跳转、循环、分支等控制流程操作来改变指令执行顺序。
5. 处理输入输出：单片机可以从外部设备（如传感器、键盘等）读取输入信号，并根据程序逻辑给出相应的输出信号。
6. 中断处理：单片机具有中断控制功能，可以在特定条件下立即中断当前程序，并执行中断服务程序。
中断通常用于及时响应外界事件。
7. 系统时钟：单片机需要一个时钟源来同步指令和数据的处理。
时钟源可以是外部晶振、内部振荡器或者其他时钟源，它们提供基准频率给单片机。
单片机的工作基于时钟信号和电压供应，控制执行指令、处理输入输出等任务。
通过程序设计和外部电路连接，单片机可以应用于各种领域，如家用电器、自动化控制、通信等。
单片机原理及应用第1章 概述
整理课件
第1章 概 述 第四阶段是以嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是 一个正在迅速发展的阶段。
目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随 着Internet的发展和Internet技术与信息家电、工业控制 技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将 代表着嵌入式技术的真正未来。
整理课件
第1章 概 述
1.2 单片机的发展概况
1.2.1 数据总线位数的发展
1．4位单片机阶段
自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS1000后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例如美国国 家半导体公司(National Semiconductor)的COP402系列，日本电 气公司(NEC)的μPD75XX系列，美国洛克威尔公司(Rockwell)的 PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88 系列等。
的接口电路设计技术。
整理课件
第1章 概 述
单片机与嵌入式系统
• 嵌入式系统定义
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础， 并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作 系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现 对其他设备的控制、监视或管理等功能。
(4) 单片机的外部扩展能力强。在内部的各种功能部分不能满 足应用需求时，均可在外部进行扩展(如扩展ROM、RAM，I/O 接口，定时器/计数器，中断系统等)，与许多通用的微机接口芯 片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。
整理课件
第1章 概 述
1.3.2 单片机的优点及应用
(1) 体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地 组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。
第1章 概 述 第四阶段是以嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是 一个正在迅速发展的阶段。
目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随 着Internet的发展和Internet技术与信息家电、工业控制 技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将 代表着嵌入式技术的真正未来。
整理课件
第1章 概 述
1.2 单片机的发展概况
1.2.1 数据总线位数的发展
1．4位单片机阶段
自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS1000后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例如美国国 家半导体公司(National Semiconductor)的COP402系列，日本电 气公司(NEC)的μPD75XX系列，美国洛克威尔公司(Rockwell)的 PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88 系列等。
的接口电路设计技术。
整理课件
第1章 概 述
单片机与嵌入式系统
• 嵌入式系统定义
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础， 并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作 系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现 对其他设备的控制、监视或管理等功能。
(4) 单片机的外部扩展能力强。在内部的各种功能部分不能满 足应用需求时，均可在外部进行扩展(如扩展ROM、RAM，I/O 接口，定时器/计数器，中断系统等)，与许多通用的微机接口芯 片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。
整理课件
第1章 概 述
1.3.2 单片机的优点及应用
(1) 体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地 组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。
第1章 51单片机的基础知识
第1章 51单片机的基础知识51单片机是一种广泛应用的嵌入式微控制器，具有强大的功能和灵活性。
在学习和使用51单片机之前，了解其基础知识是至关重要的。
本章将介绍51单片机的基础知识，包括硬件结构、寄存器、指令集和编程语言。
1.1 51单片机的硬件结构51单片机的硬件结构是指其内部的组成部分和外部连接。
51单片机包含中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)口、定时器/计数器、串行通信口等功能模块。
这些功能模块共同协作，完成各种任务。
1.1.1 中央处理器(CPU)51单片机的中央处理器是核心部件，负责执行指令、控制程序运行和处理数据。
51单片机采用哈佛结构，将程序存储器和数据存储器分开。
它包含一个8位的累加器(A)和一个指令寄存器(IR)，用于指令的执行。
1.1.2 存储器51单片机的存储器包括程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储程序指令，可以是内部存储器或外部存储器。
数据存储器用于存储程序运行中产生的数据，包括RAM和ROM。
1.1.3 输入/输出(I/O)口51单片机具有一定数量的I/O口，用于与外部设备进行数据交互。
输入口用于接收外部信号，输出口用于发送数据或控制外部设备。
它们可以是并行口或串行口，根据需要进行配置。
1.1.4 定时器/计数器定时器/计数器是51单片机的重要组成部分，用于产生定时延迟和计数脉冲。
定时器可以设置为定时模式或计数模式，定时器中断可用于实现时间控制和精确计时。
1.1.5 串行通信口串行通信口是51单片机与外部设备进行串行通信的接口，常用的有UART和SPI。
它们通过串行传输数据，实现与外部设备的数据交换和通信。
1.2 51单片机的寄存器51单片机具有一组特殊功能寄存器，用于配置和控制其各项功能。
这些寄存器负责存储和传输数据，执行各种功能操作。
常见的寄存器包括通用寄存器、状态寄存器、特殊功能寄存器等。
1.2.1 通用寄存器通用寄存器是用于存储临时数据的寄存器，包括8个存储器编号，分别为R0 - R7。
单片机的硬件结构及原理
三、单片机的应用
1．单片机应用的特点 软硬件结合、多学科交叉； 应用现场环境恶劣（电磁干扰、电源波动、 冲击振动、高低温湿度等）； 应用领域广泛且意义重大（硬件软化--微控 制技术）。
00H~07H
R0~R7
0
1
1组
08H~0FH
R0~R7
1
0
2组
10H~17H
R0~R7
0
1
3组
18H~1FH
R0~R7
单片机复位时，RS1=RS2=00，默认为第0组
2.3.2 控制器
1. 时钟电路
图 2.2 单片机时钟电路（a） 内部时钟电路； （b） 外部振荡源一般地，取C1=C2=30pF, 晶振为6MHz或12MHz
6. 数据指针寄存器DPTR 数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器, 其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器DPTR来处理, 也可作为两个独立的 8 位寄存器DPH和DPL来处理。 DPTR 主要用来存放 16 位地址, 当对 64 KB外部数据存储器空间寻址时, 作为间址寄存器用。在访问程序存储器时, 用作基址寄存器。
(2) PSEN(29脚)：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。 (3) RST/VPD(9脚)：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10 ms以上才能保证有效复位。 当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5 V)为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
1．单片机应用的特点 软硬件结合、多学科交叉； 应用现场环境恶劣（电磁干扰、电源波动、 冲击振动、高低温湿度等）； 应用领域广泛且意义重大（硬件软化--微控 制技术）。
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1组
08H~0FH
R0~R7
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2组
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R0~R7
0
1
3组
18H~1FH
R0~R7
单片机复位时，RS1=RS2=00，默认为第0组
2.3.2 控制器
1. 时钟电路
图 2.2 单片机时钟电路（a） 内部时钟电路； （b） 外部振荡源一般地，取C1=C2=30pF, 晶振为6MHz或12MHz
6. 数据指针寄存器DPTR 数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器, 其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器DPTR来处理, 也可作为两个独立的 8 位寄存器DPH和DPL来处理。 DPTR 主要用来存放 16 位地址, 当对 64 KB外部数据存储器空间寻址时, 作为间址寄存器用。在访问程序存储器时, 用作基址寄存器。
(2) PSEN(29脚)：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。 (3) RST/VPD(9脚)：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10 ms以上才能保证有效复位。 当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5 V)为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
单片机的结构及原理
单片机的结构及原理单片机（Microcontroller Unit，简称MCU）是一种小型、低成本且功能强大的微处理器。
它集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出端口（I/O）、时钟电路以及各种外设接口等组成部分，可广泛应用于各个领域，如家用电器、工业自动化、汽车电子等。
一、单片机的结构单片机的基本结构包括如下组成部分：1. 中央处理器（CPU）：负责处理各种指令和数据，是单片机的核心部件。
它通常由控制单元和算术逻辑单元组成，控制单元用于控制指令的执行，算术逻辑单元用于执行各种算术和逻辑运算。
2. 存储器（Memory）：包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM用于存储临时数据和程序运行时的变量，ROM用于存储固定的程序指令和常量数据。
3. 输入/输出端口（I/O）：用于与外部设备进行数据交互，包括输入口和输出口。
输入口用于接收来自外部设备的信号或数据，输出口则用于向外部设备输出信号或数据。
4. 时钟电路（Clock）：提供单片机运行所需的时钟信号，控制程序的执行速度和数据的处理。
5. 外设接口（Peripheral Interface）：用于连接各种外部设备，如显示器、键盘、传感器等。
通过外设接口，单片机可以与外部设备进行数据交换和控制操作。
二、单片机的工作原理单片机的工作原理如下：1. 程序存储：单片机内部ROM存储了一段程序代码，也称为固化程序。
当单片机上电或复位时，程序从ROM中开始执行。
2. 取指令：控制单元从ROM中读取指令，并将其送入指令寄存器。
3. 指令译码：指令寄存器将读取的指令传递给控制单元，控制单元根据指令的类型和操作码进行译码，确定指令需要执行的操作。
4. 指令执行：控制单元执行译码后的指令，包括算术逻辑运算、数据传输、输入输出等操作。
5. 中断处理：单片机可响应外部中断信号，当发生中断时，单片机会中止当前的程序执行，转而处理中断请求。
单片机的结构原理
单片机的结构原理单片机（Microcontroller Unit，MCU）是一种集成电路，具备处理器核心、存储器、外设接口以及时钟源等功能，能够完成各种计算和控制任务。
它在现代电子设备中广泛应用，如家用电器、汽车电子、通信设备等。
一、单片机的内部结构1. 处理器核心：单片机的处理器核心是其最基本的部分，通常包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、寄存器（Registers）以及指令集（Instruction Set）。
处理器核心负责执行程序指令，进行数据处理和控制操作。
2. 存储器：单片机需要存储程序代码和数据，因此内部通常集成了不同类型的存储器。
其中，闪存（Flash）用于存储程序代码，随机存储器（Random Access Memory，RAM）用于存储临时数据。
有些单片机还会集成非易失性存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM），用于存储常驻数据。
3. 外设接口：单片机通过外设接口与外部器件进行通信和控制。
常见的外设接口包括通用输入输出口（General Purpose Input/Output，GPIO）、串行通信接口（Serial Communication Interface，SCI/UART）、并行通信接口（Parallel Communication Interface，PCI）等。
不同的单片机可能具备不同的外设接口，以适应各种应用需求。
4. 时钟源：单片机需要时钟信号来同步处理器核心和外设操作。
时钟源可以是外部晶体振荡器或者内部振荡电路产生的振荡信号。
时钟源决定了单片机的运行速度，通常以赫兹（Hz）为单位表示。
二、单片机的工作原理单片机的工作原理主要包括四个阶段：初始化（Initialization）、执行（Execution）、中断（Interrupt）和休眠（Sleep）。