《单片机概述》PPT课件.ppt

1,单片机原理及接口技术,主讲教师：蒋全胜机械工程学院,2,计划学时：理论40学时+实验 8学时。课程性质：专业类必修课本课程教学内容：学习MCS-51单片机的硬件基本结构、存储器组织、指令系统、中断系统、定时器/计数器，以及串行及并行接口，并通过实例了解单片机应用系统设计和研制的一般方法与步骤。,一、课程情况及要求,课程特点：,实践性强，旨在应用,硬件、软件结合紧密,学习方法：,课前预习，课后复习,软硬兼顾，上机实践,广阅书刊，用好网络,平时成绩（考勤、作业、提问）：15%实验：15%考试成绩：70%,成绩评定,要求及说明事项：,作业：要求按时完成并上交，不许抄袭他人作业。,实验：要求在上实验课前做好预习，写好预习实验 报告,实验后交实验报告。,参考书：单片机原理及接口技术（第3版），李朝青，北京航空航天大学出版社，2005 单片微型计算机原理与接口技术，高锋，科技出版社,单片机原理及接口技术 温宗周,教材：,第1章 单片计算机概述,微型计算机、单板机与单片机,1.1,单片机的特点及应用,1.2,单片机的历史与发展过程,1.3,单片机主要产品简介,1.4,Vision 集成开发环境简介,1.5,电子计算机概述,1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世。,标志着计算机时代的到来，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。,ENIAC,冯诺依曼提出“程序存储”和“二进制运算”的思想，构建了计算机经典结构：,1.1.2 微型计算机的组成及其应用形态,微处理器,1971年1月，INTEL将：运算器 控制器 一些寄存器集成在一个芯片上-微处理器,4004微处理器,微处理器,+存储器,+I/O接口,=微型计算机,微型计算机,微型计算机的应用形态,分为3种：,多板机（即系统机）工业PC机 也属于多板机。,存储器,I/O接口,CPU,I/O接口,单板机,早期的单板机,当代的单板机,CPU,存储器,I/O接口,CPU,存储器,I/O接口,I/O接口,单片机（Single-Chip Microcomputer）是将微处理器、一定容量RAM和ROM以及I/O口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机。,微处理器RAM ROMI/O口定时器,单片机,单片机,单片机,内含：CPU存储器I/O接口,系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要用于数据处理、办公自动化及辅助设计。,单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要用于智能仪表及传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等系统。,单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。,系统机与单片机比较,单片机与微机比较,1.2单片机的特点和应用,1、单片机的基本组成,中央处理器（CPU）,存储器,I/O接口,运算器,控制器,程序存储器ROM,数据存储器RAM,掩膜ROM,EPROM,Flash ROM,串行I/O口,并行I/O口,定时器/计数器,单片机结构,1、单片机的基本组成,(1)中央处理器 单片机中的中央处理器CPU和通用微处理器基本相同，由运算器和控制器组成，另外增设了“面向控制”的处理功能，如位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强了实时性。,1、单片机的基本组成,(2)存储器 单片机的存储空间有两种基本结构。一种是普林斯顿结构(Princeton)，将程序和数据合用一个存储器空间，即ROM和RAM的地址同在一个空间里分配不同的地址。CPU访问存储器时，一个地址对应惟一的一个存储单元，可以是ROM，也可以是RAM，用同类的访问指令。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛(Harvard)结构。CPU用不同的指令访问不同的存储器空间。由于单片机实际应用中“面向控制”的特点，一般需要较大的程序存储器。目前，包括MCS5l和80C5l系列的单片机均采用程序存储器和数据存储器截然分开的哈佛结构。,1、单片机的基本组成,数据存储器(RAM)在单片机中，用随机存取的存储器(RAM)来存储数据，暂存运行期间的数据、中间结果、缓冲和标志位等，所以称之为数据存储器。程序存储器(ROM)单片机的应用中常常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中，因为不再改变，所以这种存储器都采用只读存储器ROM的形式。,1、单片机的基本组成,(3)并行I/O口 单片机为了突出控制的功能，提供了数量多、功能强、使用灵活的并行I/O口。使用上不仅可灵活地选择输入或输出，还可作为系统总线或控制信号线，从而为扩展外部存储器和I/O接口提供了方便。,1、单片机的基本组成,(4)串行I/O口 高速的8位单片机都可提供全双工串行I/O口，因而能和某些终端设备进行串行通信，或者和一些特殊功能的器件相连接。,1、单片机的基本组成,(5)定时器/计数器 在实际的应用中，单片机往往需要精确地定时，或者需对外部事件进行计数，因而在单片机内部设置了定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理。,2、单片机的特点,高集成度、高可靠性 控制功能强 低电压、低功耗 优异的性能价格比,26,单片机的特点,（1）控制性能和可靠性高 实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。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。,27,（2）体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择，同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系。在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少，从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。具有控制性能和可靠性高良好的性能价格比。这是单片机得以广泛应用的重要原因。,3、单片机的应用,由于单片机功能的飞速发展，它的应用范围日益广泛，已远远超出了计算机科学的领域。小到玩具、信用卡，大到航天器、机器人，从实现数据采集、过程控制、模糊控制等智能系统到人类的日常生活，到处都离不开单片机。,主要的应用领域,(1)在测控系统中的应用(2)在智能化仪器仪表中的应用(3)在机电一体化中的应用(4)在智能接口中的应用(5)在人类生活中的应用,1.测控系统中的应用 控制系统特别是工业控制系统的工作环境恶劣，各种干扰也强，而且往往要求实时控制，故要求控制系统工作稳定、可靠、抗干扰能力强。单片机是最适宜用于控制领域。例如炉子恒温控制、电镀生产线自动控制等。,30,2.智能仪表中的应用 用单片机制作的测量、控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化、柔性化发展，并使监测、处理、控制等功能一体化，使仪表重量大大减轻，便于携带和使用，同时降低了成本，提高了性能价格比。如数字式RLC测量仪、智能转速表、计时器等。,31,3.智能产品 单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化、控制智能化，构成新型的机、电、仪一体化产品。如数控车床、智能电动玩具、各种家用电器和通信设备等。,32,4.在智能接口中的应用 在计算机应用系统中，除通用外部设备（键盘、显示器、打印机）外，还有许多用于外部通信、数据采集、多路分配管理、驱动控制等接口。如果这些外部设备和接口全部由主机管理，势必造成主机负担过重、运行速度降低，并且不能提高对各种接口的管理水平。如果采用单片机专门对接口进行控制和管理，则主机和单片机就能并行工作，这不仅大大提高系统的运算速度，而且单片机还可对接口信息进行预处理，以减少主机和接口间的通信密度、提高接口控制管理的水平。如绘图仪控制器，磁带机、打印机的控制器等等。,33,1.3单片机的历史及发展概况1、单片机的发展概况,单片机的发展历史可分为四个阶段(划分不唯一)：第一阶段（19711976）：单片机初级阶段 因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。第二阶段（19761978）：单片机的探索阶段 这种单片机片内集成有8位CPU、并行I/O口、8位定时/计数器，RAM和ROM，不足之处是无串行口，中断处理较简单，片内RAM和ROM容量较小。代表机型：Intel MCS-48系列。,第三阶段（19781982）：单片机的完善阶段 普遍带有串行I/O口，多级中断系统，16位定 时/计数器。RAM和ROM容量大且可寻址范围达64K，片内带有A/D转换器。代表机型：Intel MCS-51系列、Motorola的 6801、Zilog公司的Z8。由于这类单片机的性能价格比高，所以仍被 广泛采用，是目前应用数量较多的单片机。,第四阶段（1982现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段 集成度高达120000管子/片，主振为12MHz，片内RAM为232B，ROM为8KB，中断处理为8级，片内带有多通道10位A/D转换器及高速输入/输出部件（HIS/HSO）实时处理能力很强。代表机型：Intel MCS-96 32位单片机除了具有更高的集成度外，主振已达20MHz,其性能也比8位、16位单片机更加优越。,2、单片机的主要技术发展方向,综观单片机20多年的发展过程，再从半导体集成电路技术的发展和微电子设计技术的发展，我们可以预见未来单片机技术发展的趋势。单片机将朝着大容量高性能化、小容量低价格化、外围电路的内装化以及I/O接口功能的增强、功耗降低等方向发展。,(1)单片机的大容量化 单片机内存储器容量进一步扩大。(2)单片机的高性能化 加快指令运算速度，提高系统控制的可靠性，加强位处理功能、中断与定时控制功能。(3)单片机的小容量低廉化 小容量低廉的4位、8位机也是单片机发展方向之一。(4)单片机的外围电路内装化 把众多的外围功能器件集成到单片机内。(5)单片机将实现全面的低功耗管理 高可靠性，降低工作电压，可使抗噪声和抗干扰等各方面性能全面提高。,1.4单片机主要产品简介,(1)Intel公司系列单片机 Intel公司的系列单片机可分为MCS51、MCS96两个系列。Intel的单片机每一类芯片的ROM根据型号一般有片内掩膜ROM、片内EPROM和外接EPROM三种方式，这是Intel公司的首创，现已成为单片机的统一规范。最近Intel公司又推出了片内带E2PROM型单片机。片内掩膜ROM型单片机适合于已定型的产品，可以大批量生产；片内带EPROM型、外接EPROM型及片内带E2PROM型单片机适合于研制产品和生产产品样机。MCS51系列单片机的性能如P6的表1-1所示。,(2)PHILIPS公司单片机,PHILIPS公司生产与MCS51兼容的80C5l系列单片机，片内具有IC总线、A/D转换器、定时监视器等丰富的外围部件。其主要产品有80C51、80C52、80C31、80C32、80C528、80C552、80C562、80C751等，其中83C552功能最强，83C751体积最小。PHILIPS单片机的特点是具有I2C总线，这是一种串行通信总线。可以通过I2C总线对系统进行扩展，使单片机系统结构更简单，体积更小。I2C总线也可用于多机通信。,(3)Motorola公司单片机,Motorola公司的单片机从应用角度可以分成两类，即高性能的通用型单片机和面向家用消费领域的专用型单片机。MC68HC05系列单片机的特性如P7表l-2所示。通用型单片机具有代表性的是MC68HC11系列，有几十种型号。其典型产品为MC68HC11A8，具有准16位的CPU、8KB ROM、256B RAM、512B E2PROM、16位9功能定时器、38位I/O口线、2个串行口、8位脉冲累加器、8路8位A/D转换器、Watchdog、17个中断向量等功能，可单片工作，也可以扩展方式工作。专用型单片机性能价格比较高，应用时一般采用“单片”形式，原则上一块单片机就是整个控制系统。这类单片机无法外接存储，如MC68HC05/MC68HC04系列。,(4)ATMEL51系列单片机,ATMEL公司生产的CMOS型51系列单片机，具有MCS51内核，用Flash ROM代替ROM作为程序存储器，具有价格低、编程方便等优点。例如，89C51就是拥有4KB Flash ROM的单片机。ATMEL公司生产的单片机主要有89C51、89F51、89C52、89LV52、89C55等。,(5)Microchip公司的单片机,Microchip公司推出了PIC16C5X系列单片机。它的典型产品PIC16C57具有8位CPU、2K12位E2PROM程序存储器、808位RAM、1个8位定时器/计数器、21根I/O口线等硬件资源。指令系统采用RISC指令，拥有33条基本指令，指令长度为12位，工作速度较高。主要产品有PIC16C54，PIC16C56等。,(6)Zilog公司的单片机,Zilog公司推出的Z8系列单片机是一种中档8位单片机。它的典型产品为Z8601，具有8位CPU、2KB ROM、124B RAM、2个8位定时器/计数器、32位I/O口线、1个异步串行通信口、6个中断向量等。主要产品型号有Z8600/10、Z8601/11、Z86C06、Z86C21、Z86C40、Z86C93等。,45,1.5 单片机应用系统开发过程,1.5.1 指令及目标码,Note：单片机自身无开发能力，须借助开发机完成：排除硬件故障和软件错误；程序固化到程序存储器芯片中。,正确的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成该目标的过程称为单片机应用系统的开发。,2023/7/11,46,指令的表示形式 指令是让单片机执行某种操作的命令，按一定的顺序以二进制码的形式存放于程序存储器。如：,04H:累加器A的内容加1，难记！,0000 0100B,04H,INC A，记忆容易。称为符号指令。,2023/7/11,47,1.4.2 开发过程,电路板制作,使用Protel99SE软件设计,制版、安装器件、焊接,2023/7/11,48,目标文件生成,利用Vision生成目标文件,仿真：软件仿真、硬件仿真,软件界面,硬件仿真器,2023/7/11,49,目标程序烧写,利用编程器,编程器,单片机开发技术的进展：,在系统编程技术,单片机可以先焊在电路板上。如：AT89S52,在应用编程技术,具有ISP及IAP能力。如：SST89E58,2023/7/11,50,1.5 Vision集成开发环境简介,1.5.1 Vision的界面,51,1.5.2 目标程序的生成,建立工程、配置工程、编译工程,52,1.5.3 仿真调试,软件模拟-用于算法模拟,硬件仿真-用于硬件调试,调试步骤：,Debug菜单，单击Start/Stop Debug Session 选择Debug菜单的Run或Step等命令 观察存储器、寄存器、片内外设等状态,*灵活利用虚拟串口与单片机串口交互信息,思考题1-1 什么是单片机？它与一般微型计算机在结构上有何区别？1-2 单片机的发展大致可分为几个阶段？各阶段的单片机功能特点是什么？,53,