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作者：李桂林,马驰,王新屏,张春光

出版社：电子工业出版社

出版时间：2012-09-01

书籍编号：30466947

ISBN：9787121173332

正文语种：中文

字数：107176

版次：1

所属分类：教材教辅-大学

版权信息

书名：单片机原理及应用

作者：李桂林　马驰　王新屏　张春光

ISBN：9787121173332

版权所有 · 侵权必究

前言

进入21世纪，许多人不是在研究计算机便是在使用计算机。在这些人当中，只有从事嵌入式系统应用的人才真正地进入到计算机系统的内部软、硬件体系中，才能真正领会计算机的智能化本质并掌握智能化设计技术。从学习单片机原理及应用技术入手是当今培养计算机软、硬件应用开发技术人才的最经济、实用、简便易行的途径之一。

单片机是一种面向控制的大规模集成电路芯片，已成为电子系统中最重要的智能化核心部件，是微型计算机的一个重要分支。目前，单片机技术在通信、电子信息、工业检测控制、机电一体化、电力电子、智能仪器仪表、汽车电子等领域得到了广泛的应用，其中MCS-51系列单片机以其特有的简单、易学、易用和高性价比的优势，占有单片机市场的大部分份额，MCS-51系列单片机是初学单片机的首选机型。为了帮助大中专学生和科技人员尽快掌握单片机的基本知识和编程方法，在应用方面打下良好基础，特编写本书作为教材和自学参考书。

学习单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上，更重要的意义还在于单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件（编程序）方法实现了。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制系统“软化”技术，称之为微控制技术，微控制技术是一种全新的概念。单片机的应用导致传统控制技术发生了巨大变革。换而言之，单片机的应用是对传统控制技术的一场革命。因此，学习单片机的原理，掌握单片机的应用技术，具有非常重要的意义。

参加本书编写的人员均为长期从事单片机技术教学的一线教师，具有丰富的教学经验，同时这些教师均参加过智能化电子产品的开发和研制。本书以编者多年来从事单片机课程教学和应用系统开发的经验为基础，并参考的大量的同类书籍和的单片机发展的最新技术资料编写而成。具有如下特点：

1、深入浅出。针对本门课程实践性强的特点，突出例题的多角度讲解，在不同的思路下给出编程例子。

2、突出重点。针对多年来教学实践中学生遇到的问题和课外电子实践活动中学生重点需要，在书中加以强调和突出，起到事半功倍的效果。

3、强调编程思想和逻辑思维的训练。通过多年教学经验总结，可以说较大一部分学生缺乏分析问题能力和逻辑思维能力，需要加强这方面的训练，本书以这一点作为切入点，重点展开。

4、注重实际能力培养。单片机课程是一个和实践密切相关的课程，应培养学生实际动手能力，在这方面本书注重硬件电路和软件编程的结合，增加电子设计制作工具应用的内容。

本书以MCS-51系列单片机为中心，介绍单片机原理及应用。全书共分8章。第1章 单片机基础知识；第2章 单片机基本结构和工作原理；第3章 单片机指令系统；第4章 单片机汇编语言程序设计；第5章 单片机中断和定时器/计数器；第6章 单片机串行接口；第7章 单片机系统扩展；第8章 应用系统设计和应用实例。全书具有较强的系统性、先进性和实用性，内容选材精炼，论述简明，利于理解和自学。为方便教学，本书配有电子课件，任课教师可以登录华信教育资源网（http：//www.hxedu.com.cn）免费注册下载。

本书由大连交通大学李桂林、马驰、王新屏和张春光编著，其中李桂林负责编写第1章，第4章，第8章，并负责全书的组织和统稿；马驰负责编写第2章；王新屏负责编写第3章，第5章；张春光负责编写第6章，第7章；陈少华参与了第8章部分实例的编写。张丽芳、宋时光、于毅、刘佳、刘扬等整理了部分资料，在此表示感谢，同时对本书所用参考文献的作者表示诚挚的谢意。

由于编者水平有限，难免书中有错漏和不妥之处，恳请读者批评指正，以便不断改进。联系信箱modulation＠sina.com。

第1章 单片机基础知识

单片机是一种集成电路芯片，伴随着微电子技术的发展而产生，是在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路等计算机功能部件的数字处理系统，我们习惯上称为单片微型计算机，简称单片机。

现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机应用系统（简称嵌入式系统，Embedded System），而单片机就是最典型、最广泛、最普及的嵌入式计算机应用系统，可以称为基本嵌入式系统。

1.1 单片机概述

单片机是一种面向控制的大规模集成电路芯片，是微型计算机的一个重要分支。

1.1.1 微型计算机和微处理器

微型机是计算机的一个重要分支，是最常用的计算机系统。微型计算机包括有中央处理器（Central Processing Unit，CPU），存储器（存放程序指令或数据的Read Only Memory，ROM或Random Access Memory，RAM），输入/输出口（Input/Output，I/O）及其他功能部件，如定时器/计数器、中断系统等。它们通过地址总线（Address Bus，AB）、数据总线（Data Bus，DB）和控制总线（Control Bus，CB）连接起来，通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。CPU中配置有指令系统，计算机系统中配有驻机监控程序、系统操作软件及用户应用软件。

MPU是微处理器单元的缩写（Microprocessor Unit）。MPU是集成在同一块芯片上的具有运算和控制功能逻辑的中央处理器。微处理器不仅是构成微型计算机、单片微型计算机系统、嵌入式系统的核心部件，而且也是构成多微处理器系统和现代并行结构计算机的基础。

微型机系统是指以微型计算机为核心，配上软件等构成能独立工作的完整计算机系统。微型机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统由构成微机系统的实体和装置组成。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称。人们通过它对整机进行控制并与其他微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。硬件系统和软件系统共同构成完整的微机系统，两者相辅相成，缺一不可。

1.硬件系统

微型机硬件系统组成示意图如图1-1所示，微型机硬件系统通常包括中央处理器、存储器、输入/输出接口电路、总线以及外部设备5大部分。其中，中央处理器CPU（Central Processing Unit）是计算机的核心部件，它主要由运算器和控制器组成，完成计算机的运算和控制功能。CPU配上存放程序和数据的存储器、输入/输出（Input/Output，I/O）接口电路以及外部设备构成微机的硬件系统。

（1）中央处理器CPU

CPU 是计算机的核心部件，它主要由运算器器和控制器组成，完成计算机的运算和控制功能。运算部分包括算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、累加器ACC（Accumulator）、状态寄存器FR（Flag Register）和寄存器组RS（Register Set），主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。

控制器（Controller）是整个计算机的指挥中心，它负责从内部存储器中取出指令并对指令进行分析和判断，然后根据指令发出控制信号，使计算机的有关部件及设备有条不紊地协调工作，保证计算机能自动、连续地运行。控制部分应包指程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instructional Register）、指令译码器ID以及控制信号发生电路等。微型计算机的CPU做在一个集成芯片上，被称为微处理器。

（2）存储器

存储器（Memory）是具有记忆功能的部件，用来存储数据和程序。存储器根据其位置不同可分为两类：内存储器和外存储器。内存储器（简称内存）和CPU直接相连，存放当前要运行的程序和数据，故也称为主存储器（简称主存）。它的特点是存取速度快，基本上可与CPU处理速度相匹配，能存储的信息量相对较少。外存储器（简称外存）又称为辅助存储器，主要用于保存暂时不用但又需长期保留的程序和数据。存放在外存的程序必须调入内存才能运行，外存的存取速度相对较慢，但保存的信息量大。现在的外存储器主要是硬盘和利用Flash器件制成的U盘。

（3）输入/输出接口（I/O接口）

输入/输出（Input/Output）接口由大规模集成电路组成的I/O器件构成，用来连接主机和相应的I/O设备（如键盘、鼠标、显示器、打印机等），使得这些设备和主机之间传送的数据、信息在形式上和速度上都能匹配。不同的I/O设备必须配置与其相适应的I/O接口。

（4）外部设备

通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称为计算机的外部设备，简称外设。输入设备用于将程序和数据输入到计算机中，如键盘、鼠标等；输出设备用于把计算机或处理的结果，以用户需要的形式显示或打印出来，如显示器、打印机等。

（5）总线

总线（Bus）实际上是一组导线，是各种的信息线的集合，是计算机各部件之间传送信息的公共通道。微机中有内部总线和外部总线两类，内部总线是CPU内部之间的连线，外部总线是指CPU与其他部件之间的连线。外部总线有三种：数据总钱DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。

数据总线用来传输数据，通常包括CPU与内存储器或输入/输出设备之间、内存储器与输入/输出设备或外存储器之间交换数据的双向传输线路。地址总线用来传送地址，它一般是从CPU送地址至内存储器、输入/输出设备，或从外存储器传送地址至内存储器等。控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。

2.软件系统

软件分为系统软件和应用软件两大类。系统软件包括操作系统、实用程序和语言处理程序，用来对构成微型计算机的各部分硬件，如CPU、内存、各种外设进行管理和协调，使它们有条不紊、高效率地工作，系统软件支持应用软件的开发与运行。应用软件是针对不同应用，实现用户要求的功能软件及有关的文件和资料。例如，Internet网上的Web页、各部门的MIS程序、CIMS中的应用软件以及生产过程中的监测控制程序等。

1.1.2 微型计算机的应用形态

从应用形态上，微机可以分成多板机、单板机和单片机三种：

1.多板机（系统机）

将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装成一块主机板（即微机主板），各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机），如图1-1所示。

工业PC多属于多板机。

2.单板机

将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印制电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机），如图1-2所示。

单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。

图1-1 微型计算机（系统机）

图1-2 单板机

3.单片机

将微型计算机的主要组成部分集成在一个芯片上的微型计算机。具体地说就是把中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等集成在一块芯片上的微型计算机。换一种说法，单片机就是不包括输入/输出设备、不带外部设备的微型计算机，相当于一个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单板机。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性，因此称它为单片微型计算机（SCMC，Single Chip Micro-Computer），简称单片机。如图1-3所示。

图1-3 单片机

1.1.3 单片机和单片机系统

目前，单片机已有几十个系列，上千个品种。在众多产品中，20世纪80年代Intel公司推出的MCS-51系列单片机应用最为广泛。

虽然单片机型号各异，但其基本组成部分相似。如图1-4所示为单片机的典型结构框图。

图1-4 单片机的典型结构框图

单片机在应用时通常处于被控系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用。为了强调其“嵌入”的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器（Embedded Micro-Controller Unit，EMCU），在单片机的电路和结构中有许多嵌入式应用的特点。

在学习单片机时，应注意区别通用单片机和专用单片机、单片机和单片机系统、单片机应用系统和单片机开发系统、单片机的程序设计语言和软件。

1.通用单片机和专用单片机

早期使用的单片机大多数都是通用型单片机，通过不同的外围扩展来满足不同的应用要求。随着应用领域的不断扩大，在一些大批量应用的领域中，为了降低成本、简化系统结构、提高性能，出现了专门为某一应用而设计的单片机，如用于计费电表、电子记事薄、频率合成调谐器、录音机芯控制器以及打印机控制器的单片机等。本书主要介绍通用单片机。

2.单片机和单片机系统

单片机只是一个芯片，而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其他电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。

通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。

在学习单片机硬件时，既要学习单片机，也要学习单片机系统，即单片机芯片内部的组成和原理，以及单片机系统的组成方法。

3.单片机应用系统和单片机开发系统

单片机应用系统是为控制应用而设计的，该系统与控制对象结合在一起使用，是单片机开发应用的成果。但由于软/硬件资源所限，单片机与微型计算机不同，单片机系统本身不能实现自我开发，要进行系统开发设计，必须使用专门的单片机开发系统。

单片机开发系统是单片机系统开发调试的工具，也称为在线仿真器（In Circuit Emulator，ICE）。在嵌入式系统的设计中，仿真器应用的范围主要集中在对程序的仿真上。例如，在单片机的开发过程中，程序的设计是最为重要的但也是难度最大的。一种最简单和原始的开发流程是：编写程序—烧写芯片—验证功能，这种方法对于简单的小系统是可以对付的，但在大系统中使用这种方法则是完全不可能的。

4.单片机的程序设计语言和软件

单片机程序设计语言和软件，主要是指在开发系统中使用的语言和软件。在单片机开发系统中使用机器语言、汇编语言和高级语言，而在单片机应用系统中只使用机器语言。

机器语言是用二进制代码表示的单片机指令，用机器语言构成的程序称为目标程序。汇编语言是用符号表示的指令，汇编语言是对机器语言的改进，是单片机最常用的程序设计语言。虽然机器语言和汇编语言都是高效的计算机语言，但它们都是面向机器的低级语言，不便记忆和使用，且与单片机硬件关系密切，这就要求程序设计人员必须精通单片机的硬件系统和指令系统。

单片机也可以使用高级语言，其中主要有C、P/M5l、MBASIC-51等，最常用的是C语言。

单片机程序设计有其复杂的一面，因为编写单片机程序主要使用汇编语言或C语言，使用起来有一定的难度，而且由于单片机应用范围广泛，面对多种多样的控制对象和系统，很少有现成的程序可供借鉴，这与微型机在数值计算和数据处理等应用领域中有许多成熟的经典程序可供直接调用或模仿有很大的不同。

1.2 单片机的历史和发展

单片机作为一种面向测控的微控制器，应用极为广泛。自20世纪70年代以来历经4位机、8位机、16位机、32位机等发展过程，现已有50多个系列，上千个品种，新的系列和专用系列还不断出现，但8位通用单片机一直是市场上的主流。

1.2.1 单片机的历史

1975年，德克萨斯仪器公司发明了世界上第一个4位单片机TMS-1000。此后，单片机技术发展过程可分为以下几个主要阶段。

1.单芯片微机形成阶段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机，这是第一个8位单片机。它采用8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时器/计数器等集成于一块半导体芯片上的单片结构。

特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4KB），无串行接口，指令系统功能不强。

这一时代的单片机产品还有Motorola公司的6801系列和Zilog公司的Z8系列。

2.性能完善提高阶段

1980年又推出了内部功能单元集成度更强的8位机——MCS-51系列产品，内部有一个8位的CPU，128B的数据存储器，32根I/O线，64KB的片外程序存储器寻址能力，64KB的片外数据存储器寻址能力，1个全双工的异步串行口，2个16位的定时/计数器，5个中断源，21个特殊功能寄存器，1个内部时钟振荡器和时钟电路，并有控制功能较强的布尔处理器。其性能大大超过了MCS-48系列产品，一经问世便显示出其强大的生命力，广泛应用于电子信息、工业控制、仪器仪表等。

特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。

3.微控制器化形成阶段

1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成有16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时器/计数器。寻址范围64KB。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。

特点是：片内增强了面向测控系统外围电路，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。

这一阶段，“微控制器”的称谓更能反映单片机的本质。

4.微控制器化完善阶段

近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。

（1）推出了适合不同领域要求的各种单片机系列。例如，出现了集成度更高的16位单片机和32位单片机。

（2）专用型单片机得到了大力发展。早期的单片机以通用型为主，随着市场的扩大，单片机设计生产周期的缩短和成本的下降，推动了专用单片机的发展。专用单片机具有成本低，资源有效利用，系统外围电路少，可靠性高等特点，是未来单片机发展的一个重要方向。

（3）单片机的综合品质，如成本、性能、体系结构、开发环境、供应状态都有了长足的进步。

8 位单片机从1976年公布至今，其技术已有了巨大的发展，目前乃至将来仍是单片机的主流机型。

1.2.2 单片机的发展趋势

1.低功耗

HCMOS工艺出现后，HCMOS器件得到了飞速的发展。如今，数字逻辑电路、外围器件都已普遍CMOS化。采用CMOS工艺后，单片机具有极佳的本质低功耗和功耗管理功能。现在新的单片机的功耗越来越低，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，包括等待、暂停、睡眠、空闲、节电等工作方式。MCS-51系列的8031单片机推出时的功耗达630mW，而现在的单片机功耗普遍都在100mW 左右，有的只有几十甚至几微瓦。

2.RlSC体系结构的发展

早期单片机大多是复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）结构体系，即所谓的冯·诺伊曼结构。采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，其指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限。由于指令复杂，指令代码、周期数不统一，指令运行很难实现流水线操作，大大阻碍了运行速度的提高。例如，传统的MCS-51系列单片机，时钟频率为12MHz时，单周期指令速度仅1MIPS。虽然单片机对运行速度要求远不如通用计算机系统或数字信号处理（DSP）对指令运行速度的要求，但速度的提高会带来许多好处，能拓宽单片机的应用领域。

采用精简指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）体系结构的单片机，数据线和指令线分离，即所谓的哈佛结构，这使得取指令和取数据可以同时进行，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度也更快。

Microchip 公司的PIC系列、Zilog 公司的Z86 系列、Atmel公司的AT90S系列、SAMSUNG公司的KS57C系列4位单片机、义隆公司的EM-78系列等多采用RISC结构。

3.ISP及基于ISP的开发环境

目前，片内带E2ROM单片机的出现，推动了在系统可编程（In system Programmable，ISP）技术的发展。在ISP技术基础上，首先实现了目标程序的串行下载，促使模拟仿真开发方式的重新兴起。在单时钟、单指令运行的RISC结构单片机中，可实现PC通过串行电缆对目标系统的仿真调试。基于上述仿真技术，使远程调试，以及对原有系统方便地更新软件、修改软件和对软件进行远程诊断成为现实。

现在很多单片机的程序存储器和数据存储器都采用Flash 存储器件，可以在线电擦写，并且断电后数据不丢失，系统开发阶段使用十分方便，在小批量用户系统中得到了广泛应用。

1.3 单片机的分类和特点

1.3.1 单片机的分类

单片机的分类通常可根据应用领域、总线类型等方面来划分。

（1）工控型/家电型

工控型的单片机主要是面向测控的，要求寻址范围大，运算能力强。家电型的单片机要求体积小、价格低，外围器件少，使用方便。

（2）总线型/非总线型

总线型单片机是指单片机设有并行总线，用以扩展并行外围器件。非总线型单片机是指单片机通过串行口与外围器件连接，或直接把外围器件、外设接口集成在片内。

（3）通用型/专用型

通用型单片机，它的应用范围宽，如Intel公司的MCS-5l系列产品8031、80C51等通过不同的外围扩展就可以用在不同的设备中。专用型单片机是专门为某一产品设计生产的，如电子体温计、计费电度表等。

1.3.2 单片机的特点

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域得到了广泛应用。从20世纪70年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300MHz的高速单片机。其特点一般包括：

（1）高集成度，体积小，高可靠性

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，数据在传送时受干扰的影响较小，其抗工业噪声性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

（2）控制功能强

为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，单片机位操作能力更是其他计算机无法比拟的。实时控制功能特别强，非常适用于专门的控制功能。

（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8～3.6V，而工作电流仅为数百微安。

（4）易扩展

片内具有计算机正常运行所必需的部件，芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出引脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

（5）优异的性能价格比

为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB 和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。

1.4 典型单片机简介

1.4.1 MCS-51系列单片机

MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种，如：

● 8051/8751/8031；

● 8052/8752/8032；

● 80C51/87C51/80C31

● 80C52/87C52/80C32等。

MCS-51系列单片机以其良好的开放式结构，种类众多的支持芯片，丰富的软件资源，在我国应用十分广泛。其技术特点是完善了外部总线，确立了单片机的控制功能。外部并行总线规范化为16位地址总线，以寻址外部64KB程序存储器和数据存储器空间，8位数据总线和相应的控制总线，形成完整的并行三总线结构。

MCS-51系列单片机共有十几种芯片，包括51与52两个子系列，其中51系列是基本型，包括8051/8751/8031，80C51/87C51/80C31。52系列是扩展型，包括8052

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