单片机原理及应用ppt课件.ppt
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1、1,单片机原理及应用,2,目录,单片机概述 单片机芯片的硬件结构 MCS51单片机指令系统 MCS51汇编语言程序设计 单片机存储器扩展 单片机的中断与定时系统 单片机I/O扩展与应用 单片机串行数据通信 MCS51单片机应用与开发技术,3,第一章单片机概述,单片机的概念单片机的发展单片机的应用,4,什么是单片机?单片机将计算机的五大部件集中在同一块集成电路硅片上的计算机。,第一节单片机的概念,单片机的名称:单片微型计算机(SCMC)微控制器(MCU)嵌入式控制器(EMCU),单片机与一般微机最根本的不同之处:单片机的五大部件集成在一块集成电路硅片上。,5,什么是通用单片机和专用单片机? 通用
2、单片机是一种基本芯片。专用单片机是针对一种产品或一种控制应用专门设计的,单片机与单片机系统:单片机系统是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。,6,单片机应用系统与单片机开发系统:单片机开发系统即是单片机系统开发调试的工具。 仿真器、编程器等,机器语言:基本的的语言形式,多出现在应用系统中,汇编语言:单片机开发中最常用的程序设计语言,高级语言:很具发展潜力。,单片机的程序设计语言和软件常用单片机语言:汇编语言、高级语言c51。,7,单片机的分类: 4位单片机特点:一次处理4位二进制数代表产品:COP4XX系列(NS公司)TMP47XXX系列(Toshiba公
3、司)用途:计算器、家用电器等, 8位单片机特点:一次处理8位二进制数代表产品:MCS51系列(Intel公司)M6805系列(Motorola公司)用途:工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统,8, 16位单片机特点:一次处理16位二进制数代表产品:MCS96系列(Intel公司)M68HC16系列(Motorola公司)用途:过程控制、智能仪表、家用电器和计算机外设等, 32位单片机特点:一次处理32位二进制数代表产品:M68300系列(Motorola公司)SH系列(日立公司)用途:多媒体、蜂窝电话、光驱等计算机外设,9,第二节单片机的发展,单片机的发展历史第一阶段:4位单片机阶段。
4、主要特点是:价格便宜,具有一定的控制功能。主要代表系列有:日本NEC公司的uMOS40系列、松下公司的MN1400系列,夏普公司的SM系列,富士通的MB88系列等等。,第二阶段:(19761978年)低、中档8位单片机阶段。以Intel公司的MCS48为代表。这个系列的单片机片内集成有8位CPU。并行I/O口,8位定时器/计数器,寻址范围不大于4K,无串行口。,10,第三阶段:(1978至1982)高档8位单片机阶段。这阶段推出的普遍带有串行I/O口,有多种中断处理系统,多个16位定时器/计数器。片内RAM、ROM容量较大,寻址范围可达64K,有的片内还带有A/D转换接口。主要代表系列有Int
5、el公司的MCS51,Motorola公司的6801,Zilog公司的Z8等。,第四阶段:(1982至今)8位单片机完善发展和16位、32位单片机推出阶段。这阶段的主要特征是一方面发展16位单片机及专用单片机,另一方面同时不断完善高栏8位单片机,改善其结构,以满足不同的用户需要。,11,8位单片机的市场前景,8位单片机用途广泛(美国)每家226个办公室42个每汽车35个,注意:基于Internet、无线数字传输的嵌入式应用将会是32位机最广泛的市场。,12,8位单片机的新发展,为了减小体积,增强功能,提高灵活性和可靠性,8位单片机的新发展体现在下面4个方面: CPU功能增强 内部资源增多 引脚
6、的多功能化 低电压和低功耗,13,8位单片机的新发展,为了减小体积,增强功能,提高灵活性和可靠性,8位单片机的新发展体现在下面4个方面: CPU功能增强采用亚微米的CMOS工艺提高运算速度,计划把80C51设计成1/3时钟周期执行一条指令,并可在33MHZ时钟下运行。 内部资源增多 引脚的多功能化 低电压和低功耗,14,8位单片机的新发展,为了减小体积,增强功能,提高灵活性和可靠性,8位单片机的新发展体现在下面4个方面: CPU功能增强 内部资源增多增加了A/D和D/A转换器、DMA通道、总线接口、晶振和LCD驱动电路。 引脚的多功能化 低电压和低功耗,15,8位单片机的新发展,为了减小体积,
7、增强功能,提高灵活性和可靠性,8位单片机的新发展体现在下面4个方面: CPU功能增强 内部资源增多 引脚的多功能化采用一脚多用设计方案,减少引脚数量,提高应用灵活性。 低电压和低功耗,16,8位单片机的新发展,为了减小体积,增强功能,提高灵活性和可靠性,8位单片机的新发展体现在下面4个方面: CPU功能增强 内部资源增多 引脚的多功能化 低电压和低功耗制造成3V电源的单片机;采用CMOS工艺,设立掉电和空闲两种工作方式。,17,几种8位单片机的性能概况(1)Intel公司的MCS51系列(2)Philips公司的80C51系列(3)Microchip公司的PIC系列(4)Atmel公司的AT8
8、9、AT90、AT91和智能IC卡四个系列(5)Motorola公司的M68HC05、M68HC11系列,18,MCS-51系列单片机特性,19,除了Intel公司外,Siemens、Philips和Fujitsu等公司都在80C51基础上推出与Intel公司的80C51兼容的新型单片机,统称为80C51系列。Philips公司的80C51系列单片机性能卓著,产品最齐全,最具有代表性。它以80C51为内核,新增功能电路有:A/D转换器捕捉输入/定时输出PWM(Pulse Width Modulator)脉冲宽度调制器I2C总线接口视频显示控制器监视定时器E2PROM,20,80C51系列单片机
9、主要性能特点,21,PIC系列单片机分低档、中档和高档三个层次。1、产品特点:价格低:率先采用RISC(精简指令系统计算机)技术速度高:两级指令流水线结构采用哈佛双总线结构可靠性好:采用OTP(一次性程序)技术,比熔丝式EPROM更为可靠2、主要应用:嵌入式单片机的主流产品之一。,22,PIC系列中档单片机性能表,23,Atmel公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司。单片机产品分为AT89、AT90、AT91和智能IC卡等四个系列。1、产品特点:E2PROM存储器技术FLASH闪速存储器技术2、主要应用:计算机外部设备、通信设备、自动化工业控制航空
10、航天仪表、雷达系统、导弹机器人、各类武器系统,24,AT90系列单片机选型表,25,Motorola公司是世界最具影响力的单片机厂商,其8位机约占8位机市场的30%份额。该公司共分为M6805、M68HC05、M68HC08 、 M68HC11等几个系列。,26,M6805系列单片机主要性能表,27,M68HC05系列单片机主要性能表,28,M68HC11系列单片机主要性能表,29,第三节单片机的应用,单片机应用的特点1、控制系统的在线应用,2、软硬件结合,(1)计算机在控制系统中的离线应用。由微型机或小型机实现(2)计算机在控制系统中的在线应用。由单片机实现,要求:设计人员既要掌握汇编语句编
11、程技术,又要具备较扎实的硬件理论和实践知识。,30,(1)广泛性:微电子时代的必然发展趋势,意义:有利于产品的小型化、多功能化和智能化;改变了的传统的控制系统设计思想,传统:,控制设计思想,现代:,控制设计思想,4、应用的广泛性及其重要意义,3、应用现场环境恶劣,注意:使用时,应根据环境的温度情况选择合适的芯片。,31,单片机的应用领域1、工业自动化方面2、仪器仪表方面3、家用电器方面4、信息和通信产品方面5、军事装备方面,32,参考书,单片机原理及实用技术张振荣北京人民邮电出版社MCS51系列单片机系统原理与设计苏凯冶金工业出版社单片机原理及其接口技术胡汉才清华大学出版社,33,第二章单片机
12、芯片的硬件结构,MCS51单片机的逻辑结构及信号引脚MCS51单片机的内部存储器MCS51单片机并行输入/输出口电路MCS51单片机时钟电路与时序MCS51单片机工作方式,34,第一节逻辑结构及信号引脚,MCS51单片机结构框图,35,MCS51单片机芯片内部逻辑结构,中央处理器内部数据存储器内部程序存储器定时器/计数器并行I/O口串行口中断控制系统时钟电路位处理器总线,36,1.中央处理器,注意:控制器的时钟脉冲由振荡器OSC电路提供。,PC:存放将要执行的指令地址。IR:存放正在执行的指令地址。ID:存放指令码。定时与控制电路:产生时序输出信号和微操作控制信号,控制器:PC、PC加1寄存器
13、、指令寄存器(IR)、指令译码 器(ID)、定时与控制电路。,ALU:用于进行算术、逻辑运算。ACC:用于存放操作数或操作结果。B:用于存放操作数。PSW:用于存放指令执行后的状态信息。TMP:用于存放中间操作数(对用户不开放)。,运算器:ALU、ACC、B、PSW、TMP1、TMP2。,37,2.内部数据存储器由RAM和RAM地址寄存器组成。用于存放可读写的数据。,根据片内ROM的结构,单片机可分为:无ROM型ROM型EPROM型E2PROM型 FLASH型,3.内部程序存储器由ROM和ROM地址寄存器组成。用于存放程序和原始数据。,38,4.定时器/计数器2个16位(80C51、8051)
14、用于将其定时或计数的结果对单片机进行控制。,5.并行I/O口4个8位(P0、P1、P2、P3)用于使单片机和存储器或外设之间并行传送8位数据。,6.串行口1个全双工串行口用于单片机和其它数据设备之间的串行数据传送。,39,7.中断控制系统5个中断源、2级中断,10.总线,9.位处理器即布尔处理器。特别适用于控制目的和解决逻辑问题,8.时钟电路典型的晶振频率为12MHZ,40,MCS51单片机的信号引脚,1. 信号引脚介绍,41,(1)主电源及时钟引脚(2)控制引脚(3)输入/输出引脚,VCC (40脚)、VSS (20脚)XTAL1 (19脚)、XTAL2 (18脚),RST/VPD(9脚):
15、复位信号/备用电源ALE/PROG(30脚):地址锁存控制信号/编程脉冲PSEN(29脚):外部程序存储器读选通信号EA/VPP(31脚):访问程序存储器控制信号/编程电源,P0:8位三态双向I/O口,可驱动8个LSTTL负载P1:8位准双向I/O口,可驱动4个LSTTL负载P2:8位准双向I/O口,可驱动4个LSTTL负载P3:8位准双向I/O口,可驱动4个LSTTL负载,42,2. 信号引脚的第二功能 - 引脚“复用”,可概况为:,“一组与三个”,一组:P3口,三个:9脚RST/VPD 30脚-ALE/PROG 31脚-EA/VPP,43,第二节内部存储器,MCS-51单片机的存储器结构特
16、点,(1)数据存储区与程序存储区完全分开,且各有自己的一套系统,(2)分为内外存储器,44,存储器的配置情况:,物理上: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,逻辑上:片内外统一的64KB的程序存储器片内数据存储器64KB片外数据存储器,45,内部数据存储器物理上分为3块:00H7FH(0127)低128字节RAM;80HFFH(128255)高128字节RAM同上128字节专用寄存器(SFR)块,SFR,RAM,RAM,0FFH,80H,7FH,00H,0FFH,80H,46,(1) 寄存器区,内部数据存储器低128单元按用途可分为3个区域:,(2) 位寻址区,(3)
17、用户RAM区,47,(1) 寄存器区,内部数据存储器低128单元按用途可分为3个区域:,4组寄存器组(R0R7)由PSW中的RS1和RS0位确定当前工作寄存器组两种访问通用寄存器的形式:MOVR0,09HMOV08H,09H,48,(3) 用户RAM区,(2) 位寻址区,16个RAM单元、128位既可进行字节操作,也可进行位操作两种访问位的形式:SETB0FHSETB21H.7,用于存放用户数据或作为堆栈区使用。,49,内部数据存储器高128单元(SFR),1. 专用寄存器简介,(1)程序计数器 PC,16位程序地址寄存器存放下一条要执行的指令地址具有自动加1功能没有地址,不可寻址,(2)累加
18、器 A,8位寄存器存放操作数或结果数据传送中转站作为变址寄存器,50,(3)B寄存器,(4)程序状态字 PSW,8位寄存器主要用于乘除运算ABBAA/BAB,例如:MOVA,05HMOVB,03HMULABDIVAB,AC、OV、P的状态在指令执行过程中自动形成;CY的状态在执行算术和逻辑指令时,可以被硬件或软件置位或清除;F0、RS1、RS0由软件设置。,51,CY进位标志位,AC辅助进位标志位,F0用户标志位由用户根据程序执行的需要通过传送指令确定。,在位操作中,充当累加器。,如:RLCA,在某些逻辑运算中也会影响到进位标志位。,如:ANLC,bit,52,OV溢出标志位带符号数加减运算:
19、超出(128-127)范围,置位乘法运算:乘积超过255,置位除法运算:除数为0,置位,RS1、RS0寄存器组选择位用于选择当前工作通用寄存器组有利于程序中保护现场。,例如:MOVPSW,08HMOVR0,43H,53,例:设程序执行前F00,RS1RS000B,请问机器执行如下程序后MOVA,0FHADDA,F8HPSW中各位的状态是什么?,答:PSWC1H,P奇偶标志位表明累加器中1的个数的奇偶性。01的个数为偶数;11的个数为奇数;,54,(5)数据指针 DPTR,唯一供用户使用的16位寄存器由DPH、DPL拼成可用来存放片内ROM、片外ROM和片外RAM的地址访问外部数据存储器时作地址
20、指针使用MOVXA,DPTR访问程序存储器时作为基址寄存器使用MOVCA,ADPTR,例如:将片外RAM2000H单元中的数据X,取入累加器。MOVDPTR,2000HMOVXA,DPTR,55,2、 专用寄存器的字节寻址,根据不同的型号,可字节寻址的专用寄存器个数不同。8051、80C51、8031等有21个;8052等有26个。分布不连续。PC不可寻址。只能使用直接寻址方式。,56,3、 专用寄存器的位寻址,80C51的位寻址空间:位寻址区(128位) + 专用寄存器可位寻址区(83位)211位,57,MCS51的堆栈操作,堆栈本身是数据结构范畴内的一种线性表结构 在物理上表现为一个特定的
21、存储区域 采用LIFO(FILO)的存取规则,(1) 堆栈的功用,现场保护和断点保护,数据的临时存放,常用在编程过程中,(2) 堆栈的开辟,堆栈只能开辟在内部数据存储器中的低128字节中。最好设置在用户RAM区(30H7FH),注意:在编程中尽量少的运用多级子程序嵌套和多重中断,58,(3) 堆栈指示器(SP),功能:用于存放堆栈的栈顶地址。,(4) 堆栈类型,(5) 堆栈使用方式,自动方式指令方式,59,内部程序存储器,80C51中含有4KB的ROM单元作为程序存储器。地址为 0000H0FFFH,其中位于存储区前部的43个单元为系统保留区,分为6个特殊功能区。地址为 0000H002AH,
22、0000H0002H为系统启动单元 0003H000AH为外部中断0中断地址区 000BH0012H为定时器/计数器0中断地址区0013H001AH为外部中断1中断地址区001BH0022H为定时器/计数器1中断地址区0023H002AH为串行中断地址区,60,第三节并行输入/输出口电路,MCS-51系列共有4个8位并行双向口。分别表示为P0、P1、P2、P3。每个I/O端口内部都有一个8位数据输出锁存器和一个8位数据输入缓冲器。其中四个数据输出锁存器和端口号同名,且为SFR中的一个。,61,1、P0口,字节地址80H,位地址80H87H,可作为地址/数据线,也可作为通用I/O口。,A1,A2
23、,62,2、P1口,字节地址90H,位地址90H97H,只可作为通用I/O口。,63,3、P2口,字节地址0A0H,位地址0A0H0A7H,既可作为高8位地址线使用,又可作为通用I/O口使用。一般不作数据传送工作。,64,4、P3口,字节地址0B0H,位地址0B0H0B7H,只可作为通用I/O口。主要用于第二功能控制逻辑。,65,第四节时钟电路与时序,(1)振荡脉冲信号的产生,什么是时钟电路?时钟电路就是用来产生单片机工作所需要的时钟信号的电路。,1、时钟信号的产生,66,(2)MCS-51各时钟信号的产生,2、 外部脉冲信号的引入,注意:振荡电路产生的振荡脉冲并不是直接拿来使用的,而是经分频
24、后再为系统所用的!,原因:在多片单片机系统中,为了使单片机之间时钟信号同步。,注意:外时钟信号电平持续时间应大于20ns,且脉冲频率应低于12MHZ!,67,4个:节拍(P)、状态(S)、机器周期、指令周期,MCS-51共有111条指令。按长度分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。不同的指令可以在不同的机器周期内完成。,时序定时单位,典型指令时序,节拍(P)振荡脉冲的周期。状态(S)振荡周期的2倍。机器周期振荡周期的12倍。指令周期执行一条指令需要的时间。,时序关系:1个机器周期6个状态12个振荡周期(节拍),68,69,第五节工作方式,1、复位方式和复位电路,(1) 复位操作,功能:,初始
25、化单片机,使其进行工作状态,系统重新启动,程序计数器和特殊功能寄存器复位状态,注意:复位后,ALE变为低电平,PSEN变为高电平!,70,(2) 复位信号及其产生,片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器进行采样,以确定是否有复位操作发生。,(3) 复位方式,上电自动复位,手动复位,71,2、程序执行方式,2个方式:单步执行工作方式 连续执行工作方式,(1) 单步执行工作方式单片机在控制面板上的单步执行键控制下一条一条地执行用户程序中的指令。,利用单片机外部中断功能实现主要用于用户程序调试,(2) 连续执行工作方式所有单片机都需要的一种工作方式。,72,3、低功耗方式,(1) 待
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