单片机原理及应用——持续更新

news2024/11/27 21:08:25

目录

一、单片机概述

1、单片机简介

2、单片机的特点

3、MSC-51系列与AT89S5x系列单片机

（1）MSC-51系列单片机

（2）AT89S5x系列单片机

二、AT89S52单片机的片内硬件结构

1、AT89S52单片机的硬件组成

2、AT89S52单片机的引脚功能

（一）电源及时钟引脚

（二）控制引脚

（三）并行I/O口引脚

3、AT89S52单片机的CPU

（一）运算器

一、单片机概述

1、单片机简介

        单片机就是在一片半导体硅片上，集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM（随机）和ROM（只读））、中断系统、定时器/计数器、并行I/O口、时钟电路及系统总线，用于测控领域的单片微型计算机，简称单片机。

        单片机又称为嵌入式微控制器或者微控制器。

        单片机按照其用途可分为两大类：通用型单片机和专用型单片机。

2、单片机的特点

（1）简单方便，易于掌握和普及。

（2）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。

（3）发展迅速，背景广阔。

（4）嵌入容易，用途广泛。

（5）体积小，性价比高，灵活性强。

3、MSC-51系列与AT89S5x系列单片机

（1）MSC-51系列单片机

        ①基本型

        典型产品有8031、8051、8751。

        8031内部包括1个8位CPU、128BRAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器、5个中断源，但片内无程序存储器，需外部扩展程序存储芯片。

        8051是在8031的基础上，片内又集成有4KB ROM作为程序存储器。

        8751与8051相比，片内4KB的EPROM取代了8051的4KB ROM。

        ②增强型

        典型产品有8032、8052、8752。

        它们的内部RAM由128B增至256B，8052/8752的片内程序存储器由4KB增至8KB，16位定时器/计数器由2个增至3个。

（2）AT89S5x系列单片机

        AT89S5x的“S”档系列是ATMEL公司继AT89C5x系列之后推出的新机型，“S”表示含有串行下载的Flash存储器。

        AT89C51工作频率的上限为24MHz，而AT89S51为33MHz。

        AT89S51与AT89S52单片机的差别在于AT89S51片内有4KB Flash存储器、128B RAM、5个中断源以及2个定时器/计数器；而AT89S52片内有6KB Flash程序存储器、256B RAM、6个中断源、3个定时器（比AT89S51多出1个定时器，且具有捕捉功能）。AT89S52在片内硬件资源方面对AT89S51做了“增强”。

二、AT89S52单片机的片内硬件结构

1、AT89S52单片机的硬件组成

AT89S52单片机片内硬件结构如下图所示

（1）CPU（微处理器）：8位的CPU，包括了运算器和控制器两大部分。还有面向控制的位处理和位控功能。

（2）数据存储器（RAM）：片内为256B，片外最多还可外扩64KB的数据存储器。

（3）程序存储器（8KB Flash ROM）：用来存储程序。AT89S52片内有8KB的Flash存储器；AT89S53/AT89S54/AT89S55片内分别集成了12KB/16KB/20KB的Flash存储器，如果片内程序存储器容量不够，片外最多可外扩至64KB程序存储器，即“片内+片外”的程序存储器总容量不超过64KB。

（4）定时器/计数器：片内有3个16位的定时器/计数器，有4种工作方式。

（5）终端系统：具有6个中断源，2级中断优先权。

（6）串行口：1个全双工的通用的异步收发串行口（UART），有4种工作方式。

（7）4个8位的并行口：P0口、P1口、P2口和P3口。

（8）特殊功能寄存器（SFR）：共有32个特殊功能寄存器，用于CPU对片内各外设部件进行管理、控制和监视。这些特殊功能寄存器映射在片内RAM区的80H~FFH的地址区间内。

（9）1个看门狗定时器（WDT）：当单片机由于干扰而使程序陷入死循环或跑飞状态时，可引起单片机复位，使程序恢复正常运行。

        AT89S52单片机完全兼容AT89C51/AT89S51单片机，使用AT89C51/AT89S51单片机的系统，在保留原来软硬件的基础上，可用AT89S52直接替换。

2、AT89S52单片机的引脚功能

        AT89S52单片机与各种8051单片机的引脚都是兼容的。目前，AT89S52单片机多采用40引脚的DIP封装（双列直插），以及44引脚的PLCC（向内折叠）和TQFP（向外折叠）封装方式。外形图如下图所示

44引脚的PLCC和TQFP封装方式的芯片，有4只引脚是无用的，标记为“NC”。

40只引脚按功能可分为以下3类：

        ①电源及时钟引脚：Vcc、Vss，XTAL1、XTAL2。

        ②控制引脚：\overline{PSEN}、ALE/\overline{PROG}、\overline{EA}/Vpp、RST（即RESET）。

        ③I/O口引脚：P0、P1、P2与P3，为4个8位并行I/O口的外部引脚。

（一）电源及时钟引脚

（1）电源引脚

        ①Vcc（40脚）：接+5V电源

        ②Vss（20脚）：接数字地

（2）时钟引脚

        ①XTAL（19脚）：片内时钟振荡器反向放大器的输入端。当使用外部独立时钟振荡器时，该引脚接独立时钟振荡器的输出信号。

        ②XTAL2（18脚）：片内时钟振荡器反向放大器的输出端。当使用片外的独立时钟振荡器时，XTAL2引脚应悬空。

 

（二）控制引脚

（1）RST（RESET，9脚）

        复位信号输入端，高电平有效。在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平，就可以使单片机复位。

（2）\overline{EA}/Vpp（31脚）

        \overline{EA}为该引脚的第一功能：外部程序存储器访问控制端。

        Vpp为该引脚的第二功能：在对片内Flash进行编程时，该引脚接入编程电压。

（3）ALE/\overline{PROG}（30引脚）

        ALE为地址锁存控制信号端，为引脚的第一功能。

        P0口是作为低8位地址总线与8位数据总线分时复用的。

ALE引脚输出地址锁存控制信号如下图所示

         单片机在正常运行时，ALE端一直有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率f_{osc}的1/6。

        \overline{PROG}为该引脚的第二功能，在对片Flash程序存储器编程时，此引脚作为变成脉冲输入端。

（4）\overline{PSEN}（29脚）

        访问片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。当访问片外程序存储器读取指令码时，每个机器周期引脚产生两次有效信号，即输出两个\overline{PSEN}有效脉冲。在执行读取片内程序存储器指令码时，该引脚不再产生此脉冲。

（三）并行I/O口引脚

（1）P0口：P0.7~P0.0引脚

        为漏极开路的8位并行双向I/O口。作为输出口时，每个引脚可驱动8个LS型TTL负载。当AT89S52扩展外部程序存储器以及I/O接口芯片时，P0口为分时复用的低8位地址/数据总线。在向P0口写入1后就成为高阻态的输入口。

        当P0口作为通用I/O口使用时，需外加上拉电阻，这时为准双向口。

（2）P1口：P1.7~P1.0引脚

        准双向I/O口，具有内部上拉电阻，可驱动4个LS型TTL负载。

        在对片内Flash编程和校验时定义为低8位地址线。P1口某些引脚的第二功能如下：

                P1.0/T2：T2引脚为定时器/计数器T2的外部计数信号输入端。

                P1.1/T2EX：T2EX为定时器/计数器T2的捕捉/重新装载触发及方向控制。

                P1.5/MOSI：MOSI用于对片内Flash存储器的串行编程和校验。

                P1.6/MISO：MISO用于对片内Flash存储器的串行编程和校验。

                P1.7/SCK：SCK用于对片内Flash存储器的串行编程和校验的移位脉冲输入引脚。

（3）P2口：P2.7~P2.0引脚

        准双向I/O口，引脚内部接有上拉电阻，可驱动4个LS型TTL负载。

        当AT89S52单片机访问外部存储器及I/O口时，P2口作为高8位地址总线使用，输出高8位地址。

（4）P3口：P3.7~P3.0引脚

        准双向I/O口，引脚内部接有上拉电阻。

        P3口的第一功能是作为通用I/O口使用，可驱动4个LS型TTL负载。

        P3口还具有第二功能，其定义如下表所示

引脚第二功能说明
P3.0RXD串行数据输入口
P3.1TXD串行数据输出口
P3.2\overline{INT0}外部中断0输入
P3.3\overline{INT1}外部中断1输入
P3.4T0定时器0外部计数输入
P3.5T1定时器1外部计数输入
P3.6\overline{WR}

外部数据存储器的写选通控制信号

P3.7\overline{RD}外部数据存储器的读选通控制信号

3、AT89S52单片机的CPU

AT89S52单片机的CPU是由运算器和控制器构成的。

（一）运算器

        运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑和位操作运算。主要包括算术逻辑运算单元ALU、累加器A、位处理器、程序状态字寄存器PSW和两个暂存器等。

（1）算术逻辑运算单元ALU

        ALU不仅可对8位变量进行逻辑与、或、异或以及循环、求补和清0等操作，还可以进行加、减、乘、除等基本算术运算。ALU还具有位操作功能。可对位变量进行位处理，如置1、清0、求补、测试转移及逻辑与、或等操作。

（2）累加器A

        累加器A是CPU中使用最频繁的1个8位寄存器，是AT89S52单片机的特殊功能寄存器之一，位于片内的特殊功能寄存器区。

        累加器的作用如下：

                ①累加器A是ALU单元的输入数据源之一，同时又是ALU运算结果的存放单元。

                ②CPU中的数据传送大多通过累加器A，故累加器A又相当于数据的中转站。

（3）程序状态字寄存器PSW

        AT89S52单片机的程序状态字寄存器PSW位于片内的特殊功能寄存器区，字节地址为DOH。

        PSW的各个位包含程序运行状态的不同信息，其中4位保存当前指令执行后的状态，以供程序查询和判断。PSW的格式如下表所示

  

         PSW中各个位的功能如下：

                ①Cy（PSW.7）进位标志位       若最高位有进位或借位，则Cy=1；否则，Cy=0。

                ②Ac（PSW.6）辅助进位标志位        当D3位向D4位产生进位或借位时，Ac=1；否则，Ac=0。

                ③F0（PSW.5）用户使用标志位        可用指令来使它置1或清0。

                ④RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4组工作寄存器选择控制位1和位0。RS1、RS0与所选择的4组工作寄存器区的对应关系如下表所示：

RS1RS0所选的4组寄存器
000区（片内RAM地址00H~07H）
011区（片内RAM地址08H~0FH）
102区（片内RAM地址10H~17H）
113区（片内RAM地址18H~1FH）

                ⑤OV（PSW.2）溢出标志位        运算结果如果产生溢出，OV=1；否则，OV=0。

                ⑥PSW.1位        保留位，未用

                ⑦P（PSW.0）奇偶标志位        P=1，表示累加器A中1的个数为奇数；P=0，表示累加器A中1的个数是偶数。

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