《单片机原理及应用》思考题与习题参考答案

《单片机原理及应用》思考题与习题参考答案

绪论

0.1解：

单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer），简称单片机。就是将微处理器（CPU）、存储器（存放程序或数据的ROM和RAM）、总线、定时器/计数器、输入/输出接口（I/O口）和其他多种功能器件集成在一块芯片上的微型计算机。

单片机的主要特点有：（1）可靠性高（2）便于扩展（3）控制功能强（4）低电压、低功耗（5）片内存储容量较小，除此之外，单片机还具有集成度高、体积小、性价比高、应用广泛、易于产品化等特点 0.2 解：

当前单片机的主要产品有：Intel的8051系列、Motorola的M68HC系列、Philips（飞利浦）的80C51系列、台湾义隆公司（EMC）EM78系列单片机、美国Microchip公司的PIC单片机系列、Atmel公司的AT90系列单片机Ubicom公司的Scenix单片机、日本爱普生科技公司的Epson单片机、Zilog公司的Z86系列、美国国家半导体公司NSCOP8单片机、台湾Winbond（华邦）的W78系列等。

MCS-51为主流产品。 MSP430的功能较强。是一种特低功耗的Flash微控制器。主要用于三表及超低功耗场合。 EM78系列单片机采用高速CMOS工艺制造，低功耗设计为低功耗产品，价格较低。具有三个中断源、R-OPTION功能、I/O唤醒功能、多功能I/O口等。具有优越的数据处理性能，采用RISC结构设计。

Microship单片机是市场份额增长较快的单片机。它的主要产品是PIC系列8位单片机。CPU采用RISC结构，运行速度快，价格低适于用量大、档次低、价格敏感的产品。

Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。

AVR是增强RISC内载Flash的单片机，单片机内部32个寄存器全部与ALU直接连接，突破瓶颈限制，每1MHz可实现1MIPS的处理能力，为高速、低功耗产品。端口有较强的负载能力，可以直接驱动LED。支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。

Scenix单片机除传统的I/O功能模块如并行I/O、UART、SPI、I2C、A/D、PWM、PLL、DTMF等，增加了新的I/O模块（如USB、CAN、J1850、虚拟I/O等）。其特点是双时钟设置，指令运行速度较快，具有虚拟外设功能，柔性化I/O端口，所有的I/O端口都可单独编程设定。

Epson单片机主要为日本爱普生科技公司生产的LCD配套。其单片机的特点是LCD驱动部分性能较好，低电压、低功耗。

Z8单片机是Zilog公司的主要产品，采用多累加器结构，有较强的中断处理能力。价格低。

COP8单片机片内集成了16位A/D，内部使用了抗电磁干扰EMI（Electro Magnetic Interference）电路，在看门狗电路及单片机的唤醒方式上都有独到之处。程序加密控制功能

也比较好。

W78系列与标准的8051兼容，W77系列为增强型51系列，对8051的时序作了改进，在同样时钟频率下，速度提高2.5倍。Flash ROM容量从4KB到64KB，有ISP功能。 0.3解：

（1）第一阶段（1974—1976年）：制造工艺落后，集成度低，而且采用了双片形式。典型的代表产品有Fairchild公司的F8系列。其特点是：片内只包括了8位CPU，64B的RAM和两个并行口，需要外加一块3851芯片（内部具有1KB的ROM、定时器/计数器和两个并行口）才能组成一台完整的单片机。

（2）第二阶段（1977—1978年）：在单片芯片内集成CPU、并行口、定时器/计数器、RAM和ROM等功能部件，但性能低，品种少，应用范围也不是很广。典型的产品有Intel公司的MCS-48系列。其特点是，片内集成有8位的CPU，1KB或2KB的ROM，64B或128B的RAM，只有并行接口，无串行接口，有1个8位的定时器/计数器，中断源有2个。片外寻址范围为4KB，芯片引脚为40个。

（3）第三阶段（1979—1982年）： 8位单片机成熟的阶段。其存储容量和寻址范围增大，而且中断源、并行I/O口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加，并且集成有全双工串行通信接口。在指令系统方面增设了乘除法、位操作和比较指令。其特点是，片内包括了8位的CPU，4KB或8KB的ROM，128B或256B的RAM，具有串/并行接口，2个或3个16位的定时器/计数器，有5～7个中断源。片外寻址范围可达64KB，芯片引脚为40个。代表产品有Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的MC6805系列，TI公司的TMS7000系列，Zilog公司的Z8系列等。

（4）第四阶段（1983年至今）： 16位单片机和8位高性能单片机并行发展的时代。16位机的工艺先进，集成度高，内部功能强，运算速度快，而且允许用户采用面向工业控制的专用语言，其特点是，片内包括了16位的CPU，8KB的ROM，232B 的RAM，具有串/并行接口，4个16位的定时器/计数器，有8个中断源，具有看门狗（Watchdog），总线控制部件，增加了D/A和A/D转换电路，片外寻址范围可达64KB。代表产品有Intel公司的MCS-96系列，Motorola公司的MC68HC16系列，TI公司的TMS9900系列，NEC公司的783××系列和NS公司的HPC16040等。然而，由于16位单片机价格比较贵，销售量不大，大量应用领域需要的是高性能、大容量和多功能的新型8位单片机。

近年来出现的32位单片机，是单片机的顶级产品，具有较高的运算速度。代表产品有Motorola公司的M68300系列和Hitachi（日立）公司的SH系列、ARM等。 0.4解：

面对工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。单片机从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的，能最好的满足对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行以及非凡的控制品质要求。 0.5解：

选择原则：主要从指令结构、运行速度、程序存储方式和功能等几个方面选择单片机。

MCS-51为主流产品。

Motorola是世界上最大的单片机厂商。品种全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声

低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。

Microship单片机是市场份额增长较快的单片机。它的主要产品是PIC系列8位单片机。其特点是运行速度快，低价位，适用于量大、档次低、价格敏感的产品。

美国德州仪器（TI）公司生产的MSP430系列单片机是一种特低功耗的Flash微控制器。主要用于三表及超低功耗场合。

在嵌入式系统低端的单片机领域，Intel公司的MCS-51形成了既具有经典性又不乏生命力的一个单片机系列。许多半导体厂家、电器公司以MCS-51系列中的8051为基核，推出了许多兼容性的CHMOS单片机----80C51系列。

此外，还有Zilog、EM78、Senix、NEC、Epson、NS、三星、富士通、华邦、Philips、ARM等单片机。

第1章

1.1解：

MCS-51为主流产品。 MSP430的功能较强。是一种特低功耗的Flash微控制器。主要用于三表及超低功耗场合。 EM78系列单片机采用高速CMOS工艺制造，低功耗设计为低功耗产品，价格较低。具有三个中断源、R-OPTION功能、I/O唤醒功能、多功能I/O口等。具有优越的数据处理性能，采用RISC结构设计。

PIC系列8位单片机是Microship公司的产品。CPU采用RISC结构，运行速度快，价格低适于用量大、档次低、价格敏感的产品。

Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。

AVR是增强RISC内载Flash的单片机，单片机内部32个寄存器全部与ALU直接连接，突破瓶颈限制，每1MHz可实现1MIPS的处理能力，为高速、低功耗产品。端口有较强的负载能力，可以直接驱动LED。支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。 1.2解：

MCS-51单片机在片内集成了中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行I/O接口、串行I/O接口和中断系统等几大单元。

CPU是整个单片机的核心部件，由运算器和控制器组成。运算器可以完成算术运算和逻辑运算，其操作顺序在控制器控制下进行。控制器是由程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路组成。CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。

程序存储器（ROM）用于存储程序、常数、表格等。 数据存储器（RAM）用于存储数据。

8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器T0和T1，均为二进制加1计数器。可用于定时和对外部输入脉冲的计数。

8051的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级控制器IP等电路组成。可实现

对5个中断源的管理。8051的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级控制器IP等电路组成。其中，IE用于控制5个中断源中哪些中断请求被允许向CPU提出，哪些中断源的中断请求被禁止；IP用于控制5个中断源的中断请求的优先权级别。

I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力。可分为串行和并行I/O接口。 1.3解：

80C51单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器（即专用寄存器P0～P3）、一个输入驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口称为P0～P3。在无片外扩展的存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。 1.4解：

控制线一共有6条： （1）ALE/

：地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。在访问片外存储

上输

器时，8051ＣＰＵ在P0.7～P0.0引脚上输出片外存储器低８位地址的同时在ALE/

出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低８位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7～P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/时脉冲源使用。 （2）

/Vpp：允许访问片外存储器／编程电源线，可以控制8051使用片内ＲＯＭ还是使用

＝０，则允许使用片内ＲＯＭ；若

＝１则允许使用片外ＲＯＭ。

片外ＲＯＭ。若（3）

上输出频率为fosc/6的脉冲序列。该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定

：片外ＲＯＭ选通线，在执行访问片外ＲＯＭ的指令ＭＯＶＣ时，8051自动在

上产生一个负脉冲，用于为片外ＲＯＭ芯片的选通。其他情况下线均为高电平封锁状

态。

（4）RST/VPD：复位／备用电源线，可以使８０５１处于复位工作状态。 1.５解：

指令：人为输入计算机，由计算机识别并执行一步步操作的命令的形式称为指令。 程序：一系列指令的有序集合称为程序。

程序在计算机中是按序执行的，CPU通过程序计数器PC控制程序的执行顺序，一般情况下程序是按序执行的，当执行转移、调用、返回等指令时，程序转移到相应的目的地址处执行。CPU根据程序计数器PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，产生执行本条指令所需的全部信号，完成本条指令的执行。 1.6解：

（1）８０Ｃ５１在结构上的特点

８０Ｃ５１采用将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为Harvard结构。

（2）在物理和逻辑上的地址空间

存储器上设有４个存储器空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。

在逻辑上有３个存储器地址空间：片内、片外统一的６４ＫＢ程序存储器地址空间，片内２５６Ｂ数据存储器地址空间，片外６４ＫＢ的数据存储器地址空间。 （3）访问格式

访问片内ＲＡＭ采用ＭＯＶ格式 访问片外ＲＡＭ采用ＭＯＶＸ格式 1.7解：

堆栈是一个特殊的存储区。主要功能是暂时存放数据和地址，通常用来保护断点和现场。它的特点是按照“先进后出”的存取数据。堆栈指针SP是一个8位寄存器，是用于指示堆栈的栈顶地址的寄存器，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。 1.8解：

８０５１有21个特殊功能寄存器（PC除外），它们被离散地分布在内部RAM的80H～FFH地址单元中，共占据了128个存储单元，其中有83位可以位寻址。特殊功能寄存器SFR的分布和功能见教材P18表1.2.2。 1.9解：

８０５１单片机的４个Ｉ／Ｏ口在结构上是基本相同的，但又各具特点。这四个端口都是８位双向口，每个端口都包括一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。在无片外扩展存储器的系统中，这四个端口的每一位都可以作为双向通用Ｉ／Ｏ端口使用。在作为一般的通用Ｉ／Ｏ输入时，都必须先向锁存器写入“１”，使输出驱动场效应管ＦＥＴ截止，以免误读数据。各自特点如下：

（1）P0口为双向8位三态I/O口，它既可作为通用I/O口，又可作为外部扩展时的数据总线及低8位地址总线的分时复用口。作为通用I/O口时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器；输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。每个引脚可驱动8个TTL负载。

（2）P1口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，一般作通用I/O口使用，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线，作为输入时，锁存器必须置1。每个引脚可驱动4个TTL负载。

（3）P2口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可直接连接外部I/O设备。它与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。一般作为外部扩展时的高8位地址总线使用。

（4）P3口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，它是双功能复用口，每个引脚可驱动4个TTL负载。作为通用I/O口时，功能与P1口相同，常用第二功能。作为第二功能使用时，各位的作用见教材P23表1.2.5所示。 1.10解：

数据指针DPTR是16位的专用寄存器，它由两个8位的寄存器DPH（高8位）和DPL（低8位）组成。专门用来寄存片外RAM及扩展I/O口进行数据存取时的地址。编程时，

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