单片机原理及接口技术——基于STC系列单片机

本书详细介绍了STC15系列单片机（MCS51单片机的兼容升级机）的软硬件技术及其应用，介绍了单片机的基本概念以及单片机技术的新发展，详细介绍了STC15单片机的内部结构、指令系统、汇编语言编程、C51语言编程及其调试运行环境、单片机的扩展技术、单片机各类接口技术（包括单片机的以太网接口等较新颖的内容）、单片机系统开发技术、应用系统抗干扰技术等。参与本书编写的作者都具有较为丰富的单片机应用系统开发经验及相关课程的教学经验。

本书内容完备、系统，强调学生实际开发能力的培养，注重理论与实践紧密结合，既适合作为相关院校相关专业的教材，也可作为各类电子信息技术开发人员的参考用书。

目录

Contents

第1章概述

1.1单片机及其发展

1.1.1单片机基本概念

1.1.2单片机发展概况

1.1.3单片机发展特点

1.2常用单片机产品系列

1.2.1常用单片机产品系列简介

1.2.2STC单片机系列产品

1.2.3STC单片机的命名规则

1.3单片机应用概述

小结

习题

第2章STC15单片机的内部结构

2.1STC15单片机内部总体结构及引脚功能

2.1.1总体结构

2.1.2引脚功能

2.2STC15单片机存储体系结构

2.2.1程序存储器

2.2.2数据存储器

2.2.3片内数据Flash存储器

2.3并行I/O口

2.3.1I/O口的工作模式及其设置

2.3.2并行I/O口使用注意事项

2.4STC15单片机时钟、复位及启动流程

2.4.1时钟电路

2.4.2复位及启动流程

2.5STC15系列单片机的省电模式

2.6STC单片机的在线编程

2.6.1硬件连接

2.6.2下载软件的操作

小结

习题

单片机原理及接口技术——基于STC系列51单片机

第3章STC15单片机的指令系统

3.1指令系统概述

3.1.1STC15单片机指令格式

3.1.2指令的分类

3.1.3常用符号说明

3.2寻址方式

3.2.1立即寻址

3.2.2直接寻址

3.2.3寄存器寻址

3.2.4寄存器间接寻址

3.2.5变址寻址

3.2.6位寻址

3.2.7相对寻址

3.3数据传送与交换指令

3.3.1内部数据传送指令

3.3.2外部数据存储器的传送指令

3.3.3读程序存储器单元内容的指令

3.3.4堆栈操作指令

3.3.5数据交换指令

3.4算术运算指令

3.4.1加减法指令

3.4.2乘法和除法指令

3.5逻辑运算及移位指令

3.5.1逻辑运算指令

3.5.2移位指令

3.6控制转移指令

3.6.1无条件转移指令

3.6.2条件转移指令

3.6.3子程序调用和返回指令

3.6.4空操作指令

3.7位操作指令

3.7.1位传送指令

3.7.2位置位复位指令

3.7.3位运算指令

3.7.4位控制转移指令

小结

习题

第4章STC单片机汇编语言编程

4.1伪指令与汇编语言的语句格式

4.1.1汇编语言程序设计的基本概念

4.1.2汇编语言的语句格式

4.1.3伪指令

4.2汇编语言程序设计

4.2.1简单程序

4.2.2分支程序

4.2.3循环程序

4.2.4子程序

4.3实用程序举例

4.3.1算术运算类程序

4.3.2代码转换类程序

4.3.3定时程序

4.3.4数据极值查找程序

4.3.5数据排序程序

4.4Keil μVision集成开发环境简介

4.4.1Keil μVision 5软件简介

4.4.2Keil μVision 5中创建并调试汇编程序

小结

习题

第5章单片机C51程序设计

5.1C51程序应用概述

5.1.1C51与标准C的比较

5.1.2标识符与关键字

5.1.3C51的程序结构

5.2C51数据类型与运算

5.2.1C51的数据类型

5.2.2C51中的常量和变量

5.2.3C51中的数据运算及表达式

5.2.4C51的数组

5.2.5C51的指针

5.3C51语句及控制结构

5.3.1C51语句的常见类型

5.3.2C51的控制结构

5.4C51函数

5.4.1函数的定义

5.4.2函数的调用与返回

5.4.3中断服务函数

5.4.4Keil C51库函数

5.5汇编语言与C51的混合编程

5.5.1C51函数与汇编语言程序接口

5.5.2汇编程序作为外部函数被引用

5.5.3C51中直接嵌入汇编语言

5.5.4在Keil μVision 5中建立并调试C51工程文件

小结

习题

第6章STC15单片机中断系统

6.1基本概念

6.2STC15单片机中断系统组成

6.2.1中断源

6.2.2中断请求标志

6.2.3中断允许和中断优先级寄存器

6.2.4中断系统结构

6.3中断处理过程

6.3.1中断响应条件

6.3.2中断服务程序入口

6.3.3中断服务程序

6.4中断应用实例

6.4.1单中断源实例

6.4.2多中断源实例

小结

习题

第7章STC15单片机定时/计数器

7.1基本概念

7.2STC15单片机定时/计数器组成

7.2.1与定时/计数器有关的特殊功能寄存器

7.2.2加1计数值寄存器

7.3定时/计数器工作方式

7.3.1T0、T1的工作方式0

7.3.2T0、T1的工作方式1

7.3.3T0、T1的工作方式2

7.3.4T0的工作方式3

7.4定时/计数器应用实例

7.4.1方式0应用

7.4.2方式2应用

7.4.3GATE位应用

7.4.4时钟设计

小结

习题

第8章STC15单片机串行口

8.1基础知识

8.2串行口硬件结构

8.2.1串行口1的控制寄存器

8.2.2串行口2~4的控制寄存器

8.2.3数据缓冲寄存器

8.2.4串行口接口电路

8.3串行口1工作方式

8.3.1工作方式0

8.3.2工作方式1

8.3.3工作方式2

8.3.4工作方式3

8.3.5串行口1的中继广播方式

8.4波特率设定

8.5串行口通信模式

8.5.1双机通信模式

8.5.2多机通信模式

8.5.3上下位机通信模式

8.6串行口应用实例

8.6.1双机通信应用

8.6.2多机通信应用

8.6.3上下位机使用RS232C接口的通信应用

小结

习题

第9章STC15单片机的CCP/PCA/PWM模块

9.1CCP/PCA/PWM模块总体结构

9.2CCP/PCA/PWM模块的特殊功能寄存器

9.3CCP/PCA/PWM的工作模式及应用举例

小结

习题

第10章STC15单片机的SPI接口

10.1STC15单片机SPI接口的结构

10.2SPI接口的信号及通信方式

10.3SPI接口的特殊功能寄存器

10.4SPI数据传输过程及接口时序

10.5SPI通信应用举例

小结

习题

第11章STC15单片机的A/D模块

11.1A/D转换原理与性能指标

11.2STC15单片机的A/D转换器结构

11.3与A/D转换器相关的特殊功能寄存器

11.4STC15单片机的A/D转换器应用

11.5STC15W系列单片机片内模拟比较器

11.5.1模拟比较器结构

11.5.2模拟比较器的控制寄存器

小结

习题

第12章STC15单片机系统扩展

12.151单片机系统扩展概述

12.1.1单片机的三总线结构

12.1.2访问外部数据存储器的时序

12.1.3地址译码方法

12.1.4I/O数据传送的控制方式

12.2外部数据存储器的扩展

12.3输入/输出接口的扩展

12.3.1常用的芯片

12.3.2利用74HC573和74HC574扩展开关量输入/输出接口

12.4串行总线接口

12.4.1常用的串行总线概述

12.4.2I2C总线的基本原理

12.4.3单片机模拟I2C总线的软件设计

12.4.4I2C总线的串行EEPROM与单片机的接口应用

小结

习题

第13章STC15单片机常规接口技术

13.1键盘接口技术

13.1.1键盘接口的原理和硬件设计

13.1.2键盘接口程序设计

13.1.3键盘接口任务的整体安排

13.2LED数码显示接口技术

13.2.1LED数码显示原理和结构

13.2.2LED数码显示接口程序设计

13.3打印机接口设计

13.3.1打印机及其接口

13.3.2TPμP40A微型打印机与单片机接口设计

13.4STC15单片机与D/A转换器的接口设计

13.4.1D/A转换原理与性能指标

13.4.2D/A转换器接口设计举例

小结

习题

第14章STC单片机高级接口技术

14.1液晶显示器LCD接口设计

14.1.1LCD液晶显示器的结构简介

14.1.2STC单片机与液晶的接口

14.2USB总线接口

14.2.1USB总线协议简介

14.2.2USB接口芯片CH371系列和单片机的接口电路

14.3单片机和以太网的接口设计

14.3.1以太网协议简介

14.3.2RTL8019以太网控制器简介

小结

习题

第15章单片机应用系统

15.1应用系统研发的一般过程

15.2单片机应用系统抗干扰及可靠性技术

15.2.1干扰类型和干扰源

15.2.2硬件抗干扰技术

15.2.3软件抗干扰技术

15.3设计与开发实例——智能环境气候舱电气控制系统

小结

习题

附录AASCII码表及含义

附录BSTC15系列单片机指令表

附录CSTC15单片机的特殊功能寄存器汇集

参考文献

第3章

STC15单片机的指令系统

【学习目标】

 掌握STC51系列单片机的寻址方式；

 掌握数据传送指令的格式、功能和使用方法；

 掌握算术运算类指令的格式、功能和使用方法；

 掌握逻辑运算与移位类指令的格式、功能和使用方法；

 掌握控制转移类指令的格式、功能和使用方法；

 掌握位操作指令的格式、功能和使用方法。

【学习指导】

学习每一条指令时，应注意每条指令的格式、功能、操作数的寻址方式，以及对状态标志位的影响； 可多看实例，并自己应用相关指令编写源程序有助于掌握指令的使用。

3.1指令系统概述

指令是控制微控制器执行各类操作的控制命令。指令系统是特定处理器所能执行的全部指令的集合。不同的处理器有不同的指令系统，这是由该处理器厂商设计芯片时定义的。STC15单片机的指令系统，与经典51单片机的指令系统是全兼容的，包含111条指令。学习指令系统是掌握单片机的基础，是应用单片机的基本工具，是必须掌握的重要知识。

3.1.1STC15单片机指令格式

微处理器的指令分为两种形式，一种是二进制代码形式的指令，例如二进制代码11101000，是将单片机片内R0寄存器的内容送往A累加器。这种二进制代码形式的指令，是CPU唯一能识别和处理的指令，称为机器指令。对于人来说，这种指令难以记忆和理解，因此将这些二进制代码用类似于英文的字符表示，这就是助记符的指令形式，又称为汇编指令。例如,上述机器指令的助记符形式是： MOV A，R0，汇编指令和机器指令是简单的一一对应关系，这大大改善了指令的可读性和可理解性。但若要机器执行，必须先翻译成二进制代码表示的机器指令才行，这种翻译过程称为汇编，可以由计算机软件来自动完成。

STC15单片机指令由操作码和操作数两部分组成。操作码表明该指令执行什么操作，它反映了指令的功能，对于汇编指令，操作码表现为指令功能的英文缩写。例如上面列举的例子中的MOV，为数据传送指令的操作码。

操作数则表明在什么数据上执行该操作，也就是操作的对象。操作数可能是一个具体的常数，也可能是保存数据的存储器单元地址或寄存器。不同功能的指令，操作对象形式不同。绝大部分指令都有操作数，有的指令有一个操作数，有的指令有两个操作数。对于指令中的两个操作数，往往称一个操作数为源操作数，另一个为目的操作数。例如，上述MOV A，R0，是传送类指令，将R0的内容传送至A累加器，R0是源操作数，A是目的操作数。一般在书写格式上是目的操作数在前，源地址写在后。

在STC15指令系统中，按指令包含的二进制代码的字节数，有1B、2B和3B等不同长度的指令，这表示了该指令在内存中所占的单元数； 按指令执行所需要的系统时钟个数，有单周期指令、双周期指令、4周期指令等，这表示了指令执行所需的时间。在学习指令时，应该注意指令的这两个属性。

汇编语言的一条语句的格式如下。

［标号:］操作码助记符［目的操作数］［，源操作数］［;注释］

其中，方括号［］中的内容不是每一条语句必需的。

标号，表示本语句(指令)所在的地址，它可以作为转移指令的目标或子程序的入口(子程序名)。标号是由一串以字母开头的字母数字串。注释，是编程者对语句的说明，它是可选的。语句中的其他成分，本章和第4章中将会详细讲解。

3.1.2指令的分类

STC51单片机共有111条指令，其中，单字节指令49条，双字节指令45条，三字节指令17条。在111条指令中，有64条是单机器周期指令，45条是双机器周期指令，只有乘法和除法指令需4个机器周期。STC51单片机的指令系统按功能可划分为以下5类。

（1） 数据传送类指令28条；

（2） 算术运算类指令24条；

（3） 逻辑操作类指令25条；

（4） 位操作类指令17条；

（5） 控制转移类指令17条。

3.1.3常用符号说明

以下符号是在介绍指令时所用到的。

Rn： 当前寄存器组的8个通用寄存器R0~R7(其中，n=0~7)。

Ri： 可用作间接寻址的寄存器，只能是R0、R1两个寄存器(其中，i=0，1)。

Direct： 内部RAM的8位地址。既可以是内部RAM的低128个单元地址，也可以是专用寄存器的单元地址或符号。因此在指令中direct表示直接寻址方式。

#data： 8位立即数。

#data16： 16位立即数。

addr16： 16位目的地址，只限于在LCALL和LJMP指令中使用。

addr11： 11位目的地址，只限于在ACALL和AJMP指令中使用。

rel： 相对转移指令中的偏移量，为8位带符号补码数。

DPTR： 数据指针。

bit： 内部RAM(包括专用寄存器)中的直接寻址位。

A： 累加器。

B： B寄存器。

C： 进位标志位，它是布尔处理机的累加器，也称为累加位。

@： 间址寄存器的前缀标志。

3.2寻址方式

寻址方式就是指令中表示操作数或操作数地址的方式。一般来说，寻址方式越多，指令就越灵活，指令系统功能就越强。

STC15系列单片机中，存放数据的存储空间有多类： 内部基本的数据RAM(包括一般的数据RAM和特殊功能寄存器SFR)，STC15扩展的片内数据RAM，外部扩展的数据RAM和程序存储器空间。对于不同存储器中的数据操作，采用不同的寻址方式。STC15共有7种寻址方式，下面分别介绍这几种寻址方式。

前言

Foreword

MCS51单片机是20世纪七八十年代Intel公司推出的8位单片机。由于其具有性能优异、简单易用、价格低廉等特点，自推出以来，在智能仪器仪表、工业控制、家用电器等领域均得到了广泛的应用。在我国，51单片机已成为嵌入式系统开发工程师得心应手的工具。经过三十多年的发展，各种51单片机的兼容芯片不断推出，51单片机系列成为一个繁花似锦的大家族。

在这些产品中，中国宏晶科技公司研发推出的STC系列单片机，以其突出的性能优势，与经典51单片机指令级的兼容，在这些兼容芯片中独树一帜。STC15系列的单片机，是其家族中的高性能系列，其全面采用ISP/IAP技术，片内程序Flash存储器可反复编程10万次以上，且进行了特殊加密设计，目前还无法破解； 其系统时钟可以与主时钟同频，仅此就比经典51单片机提高速度11倍（在指令时钟数相同的情况下）； STC15内部还集成了8路10位A/D转换器、CCP/PCA/PWM模块、SPI接口、看门狗、大容量SRAM、大容量数据EEPROM等高级功能，为各种应用提供了极大的方便。STC15单片机已成为嵌入式工程师开发的重要工具和平台，也是我国高校讲授单片机的主要平台。

本书以STC15单片机为平台，选材符合主流应用的潮流。书中全面介绍了STC15单片机软硬件技术及其应用，介绍了单片机基本概念以及单片机技术的最新发展，详细介绍了STC15单片机内部结构、内部各功能模块、指令系统、汇编语言编程、C51语言编程及其调试运行环境、单片机的扩展技术、单片机各类接口技术（包括单片机的以太网接口等较新颖的内容）、单片机系统开发技术、应用系统抗干扰技术等内容。

本书以清晰透彻讲解基本概念、基本原理为要，同时体系完备。本书注重对学习者应用能力的培养，注重实用，对内容进行了精心选择，主要特点： 一是内容选材较新，符合主流应用的潮流； 二是内容清晰、简明，概念和基本原理介绍明晰，符合学校课时较少的要求，同时也包含实际开发应用必备的知识，如系统开发流程及实例、工业抗干扰设计等； 三是注重实际应用，举例多。每章后面附有针对性强的习题，习题中除了有一般简单应用的习题，还有较复杂的综合设计题，供学生课外拓展练习。

本书作者多年从事单片机应用系统开发、单片机课程教学工作，教材中融入了作者的教学与开发经验。

本书主要为电子类、自动化类、机电类各专业教学编写，也可供从事电子技术应用开发的各类工程技术人员参考。

参与本书编写的人员有彭文辉、杨琳、童名文、吴建斌，全书由彭文辉统稿。清华大学出版社为本书的出版也做了大量工作，在此一并致谢。

单片机原理及接口技术——基于STC系列51单片机

限于作者水平，加之时间比较仓促，书中疏漏及不足之处在所难免，敬请读者批评指正，意见可发邮件至workemail6@163.com。

编者

2019年2月于武汉