课程名称： 微控制器原理及应用
课程类别： 专业核心课 / 专业基础课
学时/学分：40学时 / 2.5学分（理论28+实验12）
课程概述：
本课程是电子信息类、电气类、自动化及计算机等专业的核心技术课程。微控制器（单片机）作为智能控制系统的核心，已广泛渗透到工业控制、智能仪器仪表、物联网终端、消费电子及汽车电子等各个领域。本课程以典型的MCS-51内核为切入点，系统讲授微控制器的硬件结构、工作原理、接口技术及应用系统设计方法。课程遵循“理论够用、实践为主、重在应用”的原则，旨在帮助学生建立计算机系统的整体概念，掌握嵌入式系统开发的基本流程 。
第1章 概述
【本章学习目标】
了解微控制器（单片机）的基本概念、发展历程及发展趋势。
掌握单片机的基本结构组成及其特点。
熟悉单片机的典型应用领域，建立“嵌入式系统”的整体概念。
理解单片机在智能电子产品中的核心控制作用。
1.1 单片机基本结构
单片机，又称微控制器，是指在一片集成电路芯片上集成了中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时/计数器等部件，从而形成一个完整的微型计算机系统。
第3章 指令系统
【本章学习目标】
1. 理解MCS-51指令系统的格式与分类。
2. 掌握七种寻址方式的概念及适用场景。
3. 熟练掌握五大类指令（数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移、位操作）的功能与应用。
4. 能够阅读和理解汇编语言程序。
5. 初步掌握常用指令的编程技巧。

3.1 指令格式
3.1.1 指令的表示方法
MCS-51系列单片机指令系统共有111条指令。每条指令通常由两部分组成：
• 操作码： 指示计算机执行什么操作（如加法、传送等）。
• 操作数： 指示参与操作的数据或数据所在的地址。
指令格式：[标号:] 操作码 [目的操作数] [,源操作数] [;注释]
例如：
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START: MOV A, #40H ; 将立即数40H送入累加器A


其中：
• START是标号
• MOV是操作码
• A是目的操作数
• #40H是源操作数
• 分号后的内容是注释
3.1.2 指令的分类
按指令字节数分类：
• 单字节指令： 49条，操作码和操作数在一个字节内
• 双字节指令： 45条，一个字节操作码，一个字节操作数
• 三字节指令： 17条，一个字节操作码，两个字节操作数
按指令执行时间分类：
• 单周期指令： 64条
• 双周期指令： 45条
• 四周期指令： 2条（乘法和除法）

3.2 寻址方式
寻址方式是指寻找操作数地址的方式。MCS-51共有七种寻址方式。
3.2.1 立即寻址
操作数直接写在指令中，前面加#号表示立即数。
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MOV A, #30H ; 将立即数30H送入A（A=30H）
MOV DPTR, #1234H ; 将16位立即数1234H送入DPTR


特点： 速度快，但只能用于源操作数，不能用于目的操作数。
3.2.2 直接寻址
指令中直接给出操作数的地址。
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MOV A, 30H ; 将内部RAM 30H单元的内容送入A
MOV 40H, A ; 将A的内容送入内部RAM 40H单元


适用对象： 内部RAM的低128字节和特殊功能寄存器。
3.2.3 寄存器寻址
操作数存放在寄存器中，指令中给出寄存器名。
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MOV A, R0 ; 将R0的内容送入A
ADD A, R1 ; A + R1 → A


适用寄存器： A、B、DPTR、R0~R7。
3.2.4 寄存器间接寻址
操作数的地址存放在寄存器中，指令中通过该寄存器间接找到操作数，用@表示。
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MOV A, @R0 ; 将R0指向的RAM单元内容送入A
MOVX A, @DPTR ; 将DPTR指向的外部RAM单元内容送入A


适用寄存器： R0、R1（用于内部RAM）、DPTR（用于外部RAM）。
3.2.5 变址寻址
以DPTR或PC作为基址寄存器，累加器A作为变址寄存器，两者之和为操作数地址。
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MOVC A, @A+DPTR ; 从程序存储器读取数据，地址=DPTR+A
MOVC A, @A+PC ; 从程序存储器读取数据，地址=PC+A


应用场景： 查表操作。
3.2.6 相对寻址
主要用于转移指令，以当前PC值为基址，加上指令中给出的相对偏移量形成新的PC值。
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SJMP LOOP ; 相对跳转到LOOP标号处


3.2.7 位寻址
对内部RAM和SFR中的可寻址位进行操作。
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SETB 20H.0 ; 将位地址20H.0置1
CLR P1.0 ; 将P1.0清零


这是MCS-51的特色功能，非常适合逻辑控制。

3.3 数据传送类指令
数据传送指令是最常用的一类指令，共28条。
3.3.1 内部RAM传送指令（MOV）
基本格式：MOV <目的操作数>, <源操作数>


指令格式
操作说明
字节数
周期数
MOV A, Rn
寄存器内容送A
1
1
MOV A, direct
直接地址内容送A
2
1
MOV A, @Ri
间接RAM内容送A
1
1
MOV A, #data
立即数送A
2
1
MOV Rn, A
A送寄存器
1
1
MOV Rn, direct
直接地址内容送寄存器
2
2
MOV Rn, #data
立即数送寄存器
2
1
MOV direct, A
A送直接地址
2
1
MOV direct, Rn
寄存器送直接地址
2
2
MOV direct, direct
直接地址送直接地址
3
2
MOV direct, @Ri
间接RAM送直接地址
2
2
MOV direct, #data
立即数送直接地址
3
2
MOV @Ri, A
A送间接RAM
1
1
MOV @Ri, direct
直接地址内容送间接RAM
2
2
MOV @Ri, #data
立即数送间接RAM
2
1
MOV DPTR, #data16
16位立即数送DPTR
3
2
3.3.2 外部RAM传送指令（MOVX）
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MOVX A, @DPTR ; 从外部RAM读数据到A
MOVX @DPTR, A ; 将A的内容写入外部RAM
MOVX A, @R0 ; 从外部RAM读数据到A（8位地址）
MOVX @R1, A ; 将A的内容写入外部RAM（8位地址）


3.3.3 程序存储器传送指令（MOVC）
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MOVC A, @A+DPTR ; 查表指令，常用于读取常数表
MOVC A, @A+PC ; 查表指令，PC基址方式


3.3.4 堆栈操作指令
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PUSH direct ; 将直接地址内容压入堆栈（SP先+1，再存入）
POP direct ; 从堆栈弹出到直接地址（先读出，SP再-1）


3.3.5 数据交换指令
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XCH A, Rn ; A与寄存器交换
XCH A, direct ; A与直接地址交换
XCH A, @Ri ; A与间接RAM交换
XCHD A, @Ri ; A的低4位与间接RAM的低4位交换
SWAP A ; A的高4位与低4位交换



3.4 算术运算类指令
3.4.1 加法指令
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ADD A, Rn ; A + Rn → A
ADD A, direct ; A + (direct) → A
ADD A, @Ri ; A + @Ri → A
ADD A, #data ; A + data → A
ADDC A, Rn ; A + Rn + CY → A（带进位加法）
ADDC A, direct
ADDC A, @Ri
ADDC A, #data


影响标志位： CY、OV、AC。
3.4.2 减法指令
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SUBB A, Rn ; A - Rn - CY → A
SUBB A, direct ; A - (direct) - CY → A
SUBB A, @Ri ; A - @Ri - CY → A
SUBB A, #data ; A - data - CY → A


注意： MCS-51没有不带借位的减法指令，如果需要不带借位减法，需先清CY。
3.4.3 加1/减1指令
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INC A ; A + 1 → A
INC Rn ; Rn + 1 → Rn
INC direct ; (direct) + 1 → direct
INC @Ri ; @Ri + 1 → @Ri
INC DPTR ; DPTR + 1 → DPTR
DEC A ; A - 1 → A
DEC Rn ; Rn - 1 → Rn
DEC direct ; (direct) - 1 → direct
DEC @Ri ; @Ri - 1 → @Ri


3.4.4 乘除法指令
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MUL AB ; A × B → BA（A存低8位，B存高8位）
DIV AB ; A ÷ B → A（商），余数→B


影响标志位： CY总是清零，OV在除法中表示除数为0，在乘法中表示积大于255。

3.5 逻辑运算类指令
3.5.1 逻辑与指令
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ANL A, Rn ; A ∧ Rn → A
ANL A, direct ; A ∧ (direct) → A
ANL A, @Ri ; A ∧ @Ri → A
ANL A, #data ; A ∧ data → A
ANL direct, A ; (direct) ∧ A → direct
ANL direct, #data ; (direct) ∧ data → direct


3.5.2 逻辑或指令
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ORL A, Rn ; A ∨ Rn → A
ORL A, direct ; A ∨ (direct) → A
ORL A, @Ri ; A ∨ @Ri → A
ORL A, #data ; A ∨ data → A
ORL direct, A ; (direct) ∨ A → direct
ORL direct, #data ; (direct) ∨ data → direct


3.5.3 逻辑异或指令
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XRL A, Rn ; A ⊕ Rn → A
XRL A, direct ; A ⊕ (direct) → A
XRL A, @Ri ; A ⊕ @Ri → A
XRL A, #data ; A ⊕ data → A
XRL direct, A ; (direct) ⊕ A → direct
XRL direct, #data ; (direct) ⊕ data → direct


3.5.4 循环移位指令
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RL A ; A循环左移
RR A ; A循环右移
RLC A ; A带进位循环左移
RRC A ; A带进位循环右移


应用技巧： 循环移位常用于乘2、除2运算以及串行数据的收发。

3.6 控制转移类指令
3.6.1 无条件转移指令
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LJMP addr16 ; 长转移，转移范围64KB
AJMP addr11 ; 绝对转移，2KB范围内
SJMP rel ; 相对转移，-128~+127字节
JMP @A+DPTR ; 间接转移，常用于多分支跳转


3.6.2 条件转移指令
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JZ rel ; A=0则转移
JNZ rel ; A≠0则转移
JC rel ; CY=1则转移
JNC rel ; CY=0则转移
JB bit, rel ; 位bit=1则转移
JNB bit, rel ; 位bit=0则转移
JBC bit, rel ; 位bit=1则转移，并清零该位


3.6.3 比较转移指令
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CJNE A, direct, rel ; A≠(direct)则转移
CJNE A, #data, rel ; A≠data则转移
CJNE Rn, #data, rel ; Rn≠data则转移
CJNE @Ri, #data, rel ; @Ri≠data则转移


3.6.4 循环转移指令
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DJNZ Rn, rel ; Rn-1→Rn，若Rn≠0则转移
DJNZ direct, rel ; (direct)-1→direct，若结果≠0则转移


3.6.5 子程序调用与返回
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LCALL addr16 ; 长调用子程序
ACALL addr11 ; 绝对调用子程序
RET ; 子程序返回
RETI ; 中断返回



3.7 位操作类指令
这是MCS-51的特色指令集，专门用于布尔处理。
3.7.1 位传送指令
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MOV C, bit ; 可寻址位→CY
MOV bit, C ; CY→可寻址位


3.7.2 位修正指令
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CLR C ; 清0 CY
CLR bit ; 清0 可寻址位
SETB C ; 置1 CY
SETB bit ; 置1 可寻址位
CPL C ; CY取反
CPL bit ; 可寻址位取反


3.7.3 位逻辑运算指令
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1.1.1 单片机的基本组成
如图1-1所示，一个典型的单片机内部主要包含以下五个组成部分：
中央处理器： 单片机的“大脑”，负责执行程序指令、进行算术逻辑运算以及控制数据的传输。
存储器：
程序存储器： 用于存放用户编写的程序代码和常数。通常为只读存储器，断电后信息不丢失。
数据存储器： 用于存放程序运行过程中的中间数据、变量等。通常为随机存取存储器，读写速度快，但断电后数据丢失。
输入/输出端口： 单片机与外部世界进行信息交换的通道。通过I/O口，可以接收外部开关、传感器等输入信号，也可以驱动LED、继电器等输出设备。
定时器/计数器： 用于产生精确的时间延迟、对外部事件进行计数，是实现时序控制的核心部件。
总线系统： 包括数据总线、地址总线和控制总线，用于连接CPU、存储器和I/O口，实现数据的高速传输。
知识拓展： 随着技术的发展，现代单片机内部还集成了越来越多的功能模块，如模数转换器、数模转换器、脉宽调制模块、看门狗电路、串行通信接口等，真正实现了“单片即系统”。
1.1.2 单片机与通用微处理器的区别
很多初学者容易混淆单片机和通用微处理器。表1-1清晰地列出了二者的主要区别：
对比项 单片机 通用微处理器
集成度 芯片上集成了CPU、存储器、I/O口等全部部件 仅为单一的CPU芯片
存储器 内置ROM和RAM 需要外接ROM和RAM
I/O接口 内置可编程I/O口 需要外接专用接口芯片
应用领域 嵌入式控制、智能仪表、家电等 个人电脑、服务器、工作站等
功耗 通常较低 相对较高
成本 低 高
体积 小 大
1.2 单片机的发展
单片机的诞生和发展与微电子技术、计算机技术的发展紧密相连。自1971年Intel公司推出世界上第一款微处理器4004以来，单片机经历了从4位到32位、从简单到复杂的发展历程。
1.2.1 4位单片机
时间阶段： 20世纪70年代初至70年代中期。
代表产品： Intel 4004、TMS 1000等。
主要特点：
这是单片机的雏形阶段，主要面向计算器、电子玩具等简单应用。
处理能力有限，只能执行简单的算术运算。
采用PMOS工艺，速度慢、功耗大、集成度低。
历史意义： 虽然现在看来性能很弱，但4位单片机的出现开创了将计算机系统集成到单芯片上的先河。
1.2.2 8位单片机
时间阶段： 20世纪70年代中期至80年代末。
代表产品： Intel 8048、8051（MCS-51系列）、Motorola 6805、Zilog Z8等。
主要特点：
性能飞跃： 处理能力大幅提升，指令集更加丰富。
工艺进步： 采用NMOS和CMOS工艺，速度提高，功耗降低。
体系成熟： 形成了程序存储器和数据存储器分离的哈佛体系结构。
影响深远： Intel于1980年推出的MCS-51系列单片机，以其强大的功能、完善的体系结构和灵活的应用方式，成为8位单片机的经典代表，其架构影响至今。
1.2.3 16位单片机
时间阶段： 20世纪80年代末至90年代中期。
代表产品： Intel 8096/8098、MCS-96系列、Motorola 68HC12等。
主要特点：
运算能力增强： 字长从8位扩展到16位，运算精度和速度进一步提高。
集成更多外设： 片内集成了A/D转换器、PWM输出等更适合工业控制的功能模块。
应用升级： 开始应用于汽车电子、工业自动化、电机控制等复杂控制场合。
1.2.4 32位单片机
时间阶段： 20世纪90年代中期至今。
代表产品： ARM Cortex-M系列、Infineon TriCore、NXP LPC系列、STMicroelectronics STM32系列等。
主要特点：
高性能： 处理能力媲美低端微处理器，主频可达数百MHz。
低功耗： 采用先进的电源管理技术，广泛应用于便携式设备和物联网终端。
丰富生态： 拥有成熟的开发工具、丰富的软件库和活跃的社区支持。
百花齐放： 以ARM Cortex-M内核为核心的32位单片机成为市场主流，占据中高端应用市场。
1.2.5 单片机的发展方向
展望未来，单片机将朝着以下几个方向发展：
更高性能： 不断提升CPU主频和处理能力，引入多核架构，以满足图像处理、人工智能等复杂应用的需求。
更低功耗： 面向物联网和可穿戴设备，超低功耗设计是永恒的主题，包括更精细的电源管理、更低电压工作等。
更强集成度： 将更多的模拟外设、无线通信模块等集成到单芯片上，实现真正的“片上系统”。
更安全可靠： 随着汽车电子、工业控制对安全性要求的提高，内置硬件加密引擎、功能安全机制的单片机将越来越普及。
更易开发： 提供更友好的开发环境、更丰富的软件库，降低开发门槛，缩短产品上市周期。
1.3 单片机的特点
单片机之所以能够广泛应用于各行各业，得益于其独特的优点：
集成度高，体积小： 将计算机系统的主要部件集成在一块芯片上，大大缩小了系统的体积，便于嵌入到各种设备内部。
可靠性高，抗干扰能力强： 芯片设计时就考虑了工业环境的应用，内部集成了看门狗等抗干扰措施，且芯片引脚少，外部连线少，故障率低。
控制功能强： 指令系统丰富，尤其擅长位操作和逻辑控制，可以方便地实现各种复杂的控制算法。
功耗低： 采用CMOS工艺的单片机，在空闲模式和掉电模式下功耗极低，非常适合电池供电的便携式产品。
性价比高： 单片机的批量生产成本很低，几元钱到几十元钱就能买到功能相当强大的芯片，具有极高的性能价格比。
易于产品化： 开发周期短，系统扩展灵活，可以快速形成产品，抢占市场先机。
1.4 单片机的应用
单片机已经渗透到国民经济和日常生活的各个角落，以下是几个典型的应用领域：
1. 工业控制
应用场景： 工业机器人、数控机床、PLC（可编程逻辑控制器）、电机驱动器、过程控制仪表等。
作用： 实时采集传感器数据（温度、压力、流量），执行复杂的控制算法，驱动执行机构（电机、阀门），实现自动化生产。
2. 智能仪器仪表
应用场景： 智能电表、水表、燃气表、数字万用表、示波器、医疗监护仪等。
作用： 实现数据的自动采集、处理、存储和显示，具备通信功能，实现远程抄表和监控。
3. 消费电子与智能家居
应用场景： 洗衣机、空调、冰箱、微波炉、智能音箱、智能门锁、扫地机器人、电视遥控器等。
作用： 作为家电的“大脑”，接收用户指令，控制各项功能，实现智能化、网络化。
4. 汽车电子
应用场景： 发动机控制单元、ABS防抱死系统、安全气囊、车载娱乐系统、胎压监测、电动车窗等。
作用： 一辆现代汽车上可能装有几十甚至上百个单片机，分别负责不同的控制任务，共同保障车辆的安全、舒适和高效运行。
5. 物联网与通信
应用场景： 无线传感器网络节点、智能穿戴设备、RFID读写器、物联网网关等。
作用： 作为物联网终端的数据采集和控制核心，连接传感器与网络，实现万物互联。
6. 国防与航空航天
应用场景： 导弹制导系统、无人机飞行控制器、卫星姿态控制系统、雷达信号处理等。
作用： 在极端环境下可靠运行，完成关键的控制和数据处理任务。
【本章小结】
单片机是将CPU、存储器、I/O接口等集成在一块芯片上的微型计算机系统。
单片机的发展经历了4位、8位、16位到32位的演进，未来将向高性能、低功耗、高集成度方向发展。
单片机具有集成度高、可靠性好、控制功能强、功耗低、性价比高等特点。
单片机广泛应用于工业控制、智能仪器、消费电子、汽车电子、物联网等众多领域。
【思考题解析】
什么是单片机？它与我们日常使用的电脑（PC）中的CPU有何本质区别？
参考答案： 单片机是一个完整的微型计算机系统，它在一个芯片上集成了CPU、存储器和I/O接口。而PC中的CPU只是一个中央处理器，它需要外接主板上的内存条、硬盘、接口卡等才能构成一台完整的计算机。单片机更强调“嵌入”和“专用”，而PC的CPU强调“通用”和“高性能”。
查阅资料，列举三个你身边可能用到单片机的设备，并简要说明其可能实现的功能。
参考答案：
智能手机： 触摸屏控制、电源管理、传感器数据处理（加速度计、陀螺仪）。
空调遥控器： 扫描按键、红外编码发射、温度显示。
智能手环： 计步算法、心率监测、蓝牙通信、屏幕显示。
8位单片机至今仍在广泛使用，你认为原因是什么？
参考答案： 对于大量简单的控制任务（如电风扇、玩具、简单的开关控制），8位单片机性能足够、功耗低、价格极其便宜、开发工具成熟、开发人员熟悉，具有极高的性价比。并不是所有场合都需要高性能的32位单片机
熟悉STC89C51/MCS-51单片机的内部总体结构及核心部件功能。
掌握40个引脚的功能分类，特别是第二功能的使用。
重点掌握四个并行I/O口（P0、P1、P2、P3）的结构特点与工作原理。
理解程序存储器和数据存储器的地址分配与访问方法。
掌握时钟电路、复位电路的设计方法及低功耗模式的配置。
STC89C51系列单片机的内部结构如图2-1所示，它采用了经典的哈佛体系结构，即程序存储器空间和数据存储器空间是分离的。
核心组成部分包括：
CPU： 由运算器和控制器组成，是单片机的核心。
数据存储器： 内部256字节的RAM，用于存放临时变量。
程序存储器： 内部4KB/8KB/16KB的Flash ROM，用于存放用户程序。
并行I/O口： 4个8位并行口（P0~P3），用于数据的输入和输出。
串行口： 全双工UART，用于串行通信。
定时器/计数器： 2个16位定时器/计数器（T0和T1）。
中断系统： 5个中断源（外部中断0/1、定时器0/1、串行口），2级优先级。
特殊功能寄存器： 用于控制片内各功能部件的运行。
CPU是单片机的“大脑”，主要包括：
运算器： 以算术逻辑单元为核心，可执行加、减、乘、除、与、或、异或等操作。特别值得一提的是，MCS-51系列具有强大的位处理功能，专门有位处理器，可以方便地对某一位进行操作。
控制器： 负责从程序存储器中读取指令，进行指令译码，并产生一系列控制信号，控制各部件协调工作。主要包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路等。
知识加油站： 程序计数器是CPU中一个至关重要的寄存器，它始终存放着下一条要执行指令的地址。CPU每取出一个指令字节，PC自动加1；当遇到转移指令、子程序调用或中断时，PC会被强制修改为目标地址。
STC89C51单片机采用标准的40引脚DIP封装。图2-2展示了引脚排列图，我们将引脚分为三类：电源引脚、时钟引脚、I/O引脚。
Vcc（40脚）： 主电源，接+5V。
Vss（20脚）： 接地。
XTAL1（19脚）： 反向振荡放大器的输入端，即内部时钟电路的输入端。
XTAL2（18脚）： 反向振荡放大器的输出端，即内部时钟电路的输出端。
RST/Vpd（9脚）： 复位信号输入端，高电平有效。当此引脚保持两个机器周期以上的高电平时，单片机复位。此外，该引脚还有第二功能，可作为备用电源输入端。
ALE/PROG（30脚）： 地址锁存允许输出端。访问外部存储器时，ALE输出脉冲用于锁存低8位地址。在不访问外部存储器时，ALE端以固定的频率（1/6振荡频率）输出脉冲，可作为外部时钟或定时脉冲使用。
PSEN（29脚）： 外部程序存储器读选通信号，低电平有效。读取外部ROM时，PSEN有效。
EA/Vpp（31脚）： 外部访问允许控制端。当EA保持高电平时，CPU访问内部程序存储器；当EA保持低电平时，CPU只访问外部程序存储器。
P0.0 ~ P0.7（39~32脚）： P0口，8位双向I/O口。
P1.0 ~ P1.7（1~8脚）： P1口，8位准双向I/O口。
P2.0 ~ P2.7（21~28脚）： P2口，8位准双向I/O口。
P3.0 ~ P3.7（10~17脚）： P3口，8位准双向I/O口，且每个引脚都有第二功能。
实用技巧： 初学时可以背诵一句口诀：“P3口个个身怀绝技”。这是因为P3口的每一位都有特殊的第二功能，例如P3.0是RXD（串行接收）、P3.1是TXD（串行发送）、P3.2和P3.3是外部中断输入等。
并行I/O口是单片机与外界交换信息的通道。理解这四个口的结构，是进行硬件设计的基础。
P0口是一个双向的I/O口，也是四个口中最特殊的一个。
P0口的每一位都由一个输出锁存器、两个三态缓冲器、一对场效应管和一个多路开关组成。
作为通用I/O口使用时：
此时多路开关打向锁存器的反相输出端，输出级的上拉场效应管截止。
当P0口作为输出时，由于漏极开路，内部无上拉电阻，因此必须外接上拉电阻才能输出高电平。
当P0口作为输入时，分为“读锁存器”和“读引脚”两种方式。读引脚前，必须先向锁存器写1，以关断输出级的场效应管，否则可能读错数据。
作为地址/数据总线使用时：
当访问外部存储器时，多路开关打向地址/数据线，此时P0口分时输出低8位地址和输入/输出数据。此时内部的上拉场效应管工作，无需外接上拉电阻。
P0口做普通输出：必须外接上拉电阻（典型值4.7kΩ~10kΩ）。
P0口做普通输入：必须先写1。
P1口是一个准双向I/O口，通常只用作通用I/O口。
P1口的内部集成了上拉电阻，因此不需要外接上拉电阻即可输出高电平。
作为输出： 可直接驱动负载，高电平时由上拉电阻提供电流。
作为输入： 同样需要先向锁存器写1，以关闭输出驱动场效应管，然后读取引脚状态。
P1口最简单，初学者通常从控制P1口的LED灯开始学习。
P2口也是一个准双向I/O口，但它具有双重功能。
P2口同样内部有上拉电阻。
作为通用I/O口： 与P1口类似。
作为高8位地址总线： 当访问外部存储器时，P2口输出高8位地址（A8~A15）。
P3口是准双向I/O口，但每个引脚都有第二功能。
| 引脚 | 第二功能 | 说明 |
|---|---|---|
| P3.0 | RXD | 串行数据接收 |
| P3.1 | TXD | 串行数据发送 |
| P3.2 | INT0 | 外部中断0输入 |
| P3.3 | INT1 | 外部中断1输入 |
| P3.4 | T0 | 定时器0外部输入 |
| P3.5 | T1 | 定时器1外部输入 |
| P3.6 | WR | 外部数据存储器写选通 |
| P3.7 | RD | 外部数据存储器读选通 |
当作为通用I/O口使用时，第二功能输出端保持高电平，P3口与P1口类似。
当启用第二功能时，内部电路会自动配置引脚的输入/输出方向。
口诀记忆：
P0口，三态口，地址数据分时走，做I/O要上拉。
P1口，专用口，带上拉，最简单。
P2口，地址口，高位地址它来送。
P3口，双功能，个个都是特种兵。
MCS-51系列单片机采用哈佛结构，即程序存储器和数据存储器在物理上和逻辑上都是分开的，各有自己的寻址方式和地址空间。
程序存储器用于存放用户程序、表格和常数。
寻址空间： 64KB，地址范围为0000H ~ FFFFH。
内部与外部：
当EA=1（高电平）时，CPU从内部程序存储器开始执行，当PC值超出内部ROM范围时，自动转向外部程序存储器。
当EA=0（低电平）时，CPU只从外部程序存储器取指令。
特殊入口地址：
0000H： 系统复位后，PC指向0000H，程序从这里开始执行。
0003H： 外部中断0入口。
000BH： 定时器0溢出中断入口。
0013H： 外部中断1入口。
001BH： 定时器1溢出中断入口。
0023H： 串行口中断入口。
通常在0000H地址存放一条跳转指令，跳转到主程序入口，避免与中断向量区冲突。
数据存储器用于存放中间运算结果、数据暂存等。
内部RAM共256字节，分为三个区域（图2-6）：
工作寄存器区（00H ~ 1FH）： 共32字节，分为4组（0~3组），每组8个寄存器（R0~R7）。通过PSW中的RS1、RS0位可选择当前工作寄存器组。
位寻址区（20H ~ 2FH）： 共16字节，128位。这片区域的每一位都有一个位地址（00H ~ 7FH），可以单独进行位操作。这是MCS-51的特色，非常适合逻辑控制。
通用RAM区（30H ~ 7FH）： 共80字节，用于存放用户数据（堆栈、变量等）。
高128字节（80H ~ FFH）： 对于52子系列，这片区域也是RAM；对于51子系列，这片区域是特殊功能寄存器区。
SFR是用于控制片内各功能部件的寄存器，地址范围为80H ~ FFH。常用的SFR包括：
ACC： 累加器
B： B寄存器
PSW： 程序状态字
SP： 堆栈指针
DPTR： 数据指针（16位）
P0 ~ P3： 端口锁存器
TCON、TMOD： 定时器控制寄存器
SCON、SBUF： 串行口控制寄存器
IE、IP： 中断控制寄存器
寻址空间： 最大可扩展64KB，地址范围0000H ~ FFFFH。
访问指令： 使用MOVX指令访问。
单片机是一个复杂的同步时序电路，需要时钟信号驱动才能工作。
在XTAL1和XTAL2引脚之间连接一个晶振和两个电容，即可构成自激振荡器（图2-7）。
晶振频率： 常见为6MHz、12MHz、11.0592MHz（用于波特率发生）。
电容C1、C2： 典型值20pF ~ 30pF，用于频率微调和稳定。
如果系统中已有现成的时钟信号，可以从XTAL1引脚输入，XTAL2悬空（对于HMOS工艺）或反过来（对于CHMOS工艺）。
单片机执行一条指令所需的时间称为指令周期。MCS-51的一个指令周期由1~4个机器周期组成，而一个机器周期又包含6个状态周期（每个状态周期2个时钟周期）。
时钟周期： 晶振频率的倒数，是时序的最小单位。
状态周期： 两个时钟周期称为一个状态周期，用S表示。
机器周期： 由6个状态周期（12个时钟周期）组成。若晶振12MHz，则一个机器周期为1μs。
指令周期： 执行一条指令所需的时间。
举例： 单周期指令（如MOV A, #data）需要1μs（12MHz晶振），双周期指令（如NOP）需要2μs，四周期指令（如乘除法）需要4μs。
复位是单片机的初始化操作。复位后，PC指向0000H，大部分SFR被赋予初值，单片机从0000H开始重新执行程序。
在RST引脚上保持两个机器周期以上的高电平，即可实现复位。
上电自动复位（图2-8）：
利用电容两端电压不能突变的原理，在通电瞬间，RST引脚获得高电平复位信号。随着电容充电，RST逐渐降为低电平。
参数：电容10μF，电阻10kΩ。
手动复位（图2-9）：
分为按键电平复位和按键脉冲复位。最常用的是在复位电容上并联一个按键，按下按键强制RST为高电平。
复位后，主要SFR的状态如下：
PC = 0000H
P0 ~ P3 = FFH（各I/O口为高电平）
SP = 07H（堆栈指针指向07H）
SBUF 不定，IP、IE 等中断寄存器清零
TMOD、TCON 清零
STC89C51系列单片机提供两种低功耗模式：空闲模式和掉电模式，通过设置PCON寄存器（电源控制寄存器）来进入。
进入方式： 置位PCON.0（IDL位）。
工作状态： CPU停止工作，但RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。
唤醒方式： 任何中断请求或硬件复位都可以唤醒CPU。
特点： 功耗降低到正常工作时的15%~40%。
进入方式： 置位PCON.1（PD位）。
工作状态： 振荡器停振，CPU、所有外设全部停止工作，只有RAM的内容被保存。
唤醒方式： 只能通过硬件复位唤醒。
特点： 功耗极低，RAM内容保存，I/O口状态锁定。
MCS-51单片机内部由CPU、存储器、I/O口、定时器、中断系统等构成，采用哈佛体系结构。
40个引脚中，需要重点掌握P3口的第二功能以及EA、ALE、PSEN、RST等控制引脚的作用。
四个I/O口中，P0口是双向口，做I/O需外接上拉电阻；P1、P2、P3是准双向口，内部有上拉电阻。
内部RAM分为工作寄存器区、位寻址区和通用RAM区；SFR用于控制片内外设。
时钟电路决定单片机的工作节拍；复位电路是系统启动的起点，有上电复位和手动复位两种形式。
低功耗模式包括空闲模式和掉电模式，适合电池供电的便携设备。
为什么P0口作为通用I/O输出时必须外接上拉电阻，而P1口不需要？
假设晶振频率为12MHz，请计算一个机器周期的时间。若执行一条双周期指令，需要多少微秒？
MCS-51单片机内部RAM的位寻址区有什么实际应用价值？试举例说明。
当系统需要扩展外部32KB的RAM时，P0口和P2口分别承担什么功能？
复位后，SP的初值是07H，如果程序中需要使用较多的嵌套调用，为什么通常要在初始化时重新设置SP的值？
填空题：
MCS-51单片机PO口作为输出口使用时，必须外接________。
当单片机复位后，程序计数器PC的内容为________H。
访问外部数据存储器时，使用的指令助记符是________。
P3口的第二功能中，TXD对应的引脚是________。
判断题：
MCS-51单片机的所有I/O口都可以作为通用I/O口使用。（ ）
在空闲模式下，CPU停止工作，但定时器仍在计数。（ ）
只要RST引脚出现高电平，单片机立即复位。（ ）
简答题：
简述MCS-51单片机如何区分内部程序存储器和外部程序存储器？
画出一个典型的手动复位电路原理图，并说明其工作原理。
毕业院校：哈尔滨理工大学
专业：电机与电器
研究方向：机电创新设计
教改科研：主持省级教学研究项目2个，参与省级教学改革项目1项。
公开发表论文十多篇，其中EI国际会议（EI收录）1篇，获得实用新型专利18项，主编教材2部。多年来指导学生参加各类比赛并取得优异成绩，如2022中国智能机器人格斗及竞技大赛全国二等奖；2016年参加全国应用型人才综合技能大赛获得一项全国二等奖等；2015年全国应用型人才综合技能大赛获得一项全国一等奖，2014年第九届全国信息技术应用水平大赛全国一等奖
