学习情景一单片机知识概述课件.ppt

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1、学习情景一 单片机知识概述,学习目标：掌握单片机的概念及特点了解（单片机）冯诺依曼结构和哈佛结构的差异 了解AT89S52单片机结构，掌握内部数据存储器的空间分配和SFR 掌握AT89S52单片机的外部引脚功能及单片机最小应用系统掌握单片机集成开发环境Keil C51、在线下载软件ISP的使用方法,技能要求：利用AT89S52单片机制作一个简单的实用电路会使用相应软件对程序进行仿真和调试项目一 一只会闪光的灯第一部分 项目要求 组装一个单片机的最小系统，用以控制一只发光二极管（LED）闪光。,一、单片微型计算机,（一）单片机的概念与特点,1什么是单片机？,单片机（Single Chip Com

2、puter）又称单片微控制器（Microcontroller），它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。,单片机主要组成部分：中央处理器 CPU 存储器（数据存储器RAM 程序存储ROM）输入/输出接口 定时器/计数器,项目一 一只会闪光的灯,第二部分 相关知识,2单片机的特点（优点）,体积小、重量轻；电源单一、功耗低（突出特点）；功能强、价格低，有优异的性能价格比；全部集成在芯片上，布线短，合理，集成度高；数据大部分在单片机内传递，运行速度快，抗干扰 能力强，可靠性高。,项目一 一只会闪光的灯,（二）单片机体系结构,单片机的体系结构有两种，一是传统的冯诺依曼（J

3、ohn Von Neumann）结构；另一种是哈佛（Harvard）结构。1冯诺依曼结构,项目一 一只会闪光的灯,2哈佛结构 数据与程序分别存于两个存储器中，是哈佛结构的重要特点。哈佛结构的数据总线和指令传输总线完全分开。其优点是，指令和数据空间是完全分开的，一个用于取指令，另一个用于存取数据。所以与常见的冯诺依曼结构不同的第一点是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但低档、中档和高档系列的指令总线位数分别为12、14和16位。第二点是：由于可以对程序和数据同时进行访问，CPU的取指和执行采用指令流水线结构，当一条指令被执行时允许下一条指令同时被取出，使得在每个时钟周期可以

4、获得最高效率。,项目一 一只会闪光的灯,图1.3 指令流水线结构示意图,项目一 一只会闪光的灯,二、单片机的应用,1家用电器：广泛应用于家用电器的自动控制，智能卡特点：提高家用电器的性能和质量；降低家用电器的生产成本和销售价格。2智能仪器仪表：单片机体积小，耗电少，被广泛用于各类仪器仪表特点：单片机使仪器仪表走向了智能化和微型化，使仪器仪表的功能和可靠性大大提高。,项目一 一只会闪光的灯,3网络与通信：许多型号的单片机都有通信接口可方便地进行机间通信，也可方便地组成网络系统。如：单片机控制的无线遥控系统，列车无线通信系统和串行自动呼叫应答系统等。4工业控制：单片机可以构成各种工业测控系统，数据

5、采集系统。如：数控机床、汽车安全技术检测系统，报警系统和生产过程自动控制等。,项目一 一只会闪光的灯,单片机的发展可以分为三个阶段 20世纪70年代为单片机发展的初级阶段。典型代表:Intel公司的MCS-48系列单片机。有4位、8位CPU，并行I/O口，8位定时器/计数器，无串行口，中断处理比较简单，RAM、ROM容量较小，寻址范围不超过4KB。,三、单片机的发展,项目一 一只会闪光的灯,20世纪80年代为高性能单片机的发展阶段。典型代表:Intel公司的MCS-51、MCS-96系列单片机，单片机普及阶段。是8位CPU，片内RAM、ROM容量加大，片外寻址范围可达64KB，增加了串行口，多

6、级中断处理系统，16位定时器/计数器。20世纪90年代至今为单片机的高速发展阶段。典型代表:MCS96系列单片机。是16位CPU，片内RAM、ROM容量进一步增大，增加了A/D、D/A转换器，8级中断处理功能，实时处理能力更强，它允许用户采用面向工业控制的专用语言，如C语言等。,项目一 一只会闪光的灯,单片机发展可归结为以下几个方面:,1.增加字长，提高数据精度和处理的速度2.改进制作工艺，提高单片机的整体性能3.由复杂指令集CISC转向简单指令集RISC技术4.多功能模块集成技术，使一块“嵌入式”芯片具有多种功能5.微处理器与DSP技术结合6.融入高级语言的编译程序7.低电压、宽电压、低功耗

7、,项目一 一只会闪光的灯,MCS-51单片机系列：两大系列：MCS-51子系列和MCS-52子系列。其中51子系列是基本型，而52子系列属于增强型。各子系列配置如下表所示。片内ROM形式 无 ROM EPROM 8031 8051 8751 80C31 80C51 87C51 8032 8052 8752 80C32 80C52 87C52,四、AT89S52单片机结构,项目一 一只会闪光的灯,52子系列与51子系列相比，其功能增强的具体方面如下：1片内RAM从128字节增加到256字节2片内ROM从4KB 增加到8KB3定时器/计数器从2个增加到3个4中断源从5个增加到67个,项目一 一只会

8、闪光的灯,AT89S52是一个低功率，高性能的CMOS 8位微控制器并且在系统中集成了8K字节的可编程闪存。一个8位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；8K字节可重复擦写的Flash闪速存储器 三级加密程序存储器；2568字节内部RAM；3个16位定时器/计数器；32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；一个可编程全双工串行口；具有8个中断源、两个优先级嵌套中断结构。,（一）AT89S52单片机的结构,项目一 一只会闪光的灯,项目一 一只会闪光的灯,1.CPU,中央处理器CPU是单片机的核心，是单片机的大脑和心脏。它由运算器和控制器等部件组成。作用：主要完成运算和控制功能。MCS-51

9、CPU是字长为8位的中央处理单元，即它对数据的处理是以字节为单位进行的。（1）运算器,运算部件以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW以及十进制调整电路和布尔处理器等许多部件组成的。,项目一 一只会闪光的灯,1）算术逻辑单元（ALUArithmetic Logic Unit）,可以对4位（半字节）8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。作用：完成算术四则运算和逻辑运算、位操作及循环移位等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器（PSW）。2）累加器ACC，在指令中用助记符A来表示 A是一个8位寄存器，是CPU中工作最繁忙的寄存器。作用：在算数逻辑

10、运算中，用来存放一个操作数或运算结果（包括中间结果）。在与外部存储器和I/O接口打交道时，完成数据传送。,项目一 一只会闪光的灯,3）寄存器 B,作用：可作通用寄存器。在乘、除运算中使用。作乘法运算时，寄存器B用来存放乘数以及积的高位字节；作除法运算时，寄存器B用来存放除数以及余数；不作乘、除运算时，寄存器B可作通用寄存器使用。,4）程序状态字寄存器PSW（程序状态标志寄存器）,8位寄存器。作用：存放当前指令执行后操作结果的某些特征，以便下一条指令的执行提供依据。,项目一 一只会闪光的灯,程序状态字PSW各位标志的含义,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 P

11、SW.1 PSW.0,CY(PSW.7)进位标志位 AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志F0（PSW.5）用户标志位 RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）工作寄存器组选择位 OV（PSW.2）溢出标志位 PSW.1 未定义位 P（PSW.0）奇偶标志位,CY是PSW中最常用的标志位。由硬件或软件置位和清零。*在字节运算时：它表示运算结果是否有进位（或借位）。加法时：有进位 Cy由硬件置“1”即Cy=1；无进位 CY被硬件清“0”即Cy=0。减法时：有借位 Cy由硬件置“1”即Cy=1；无借位 CY被硬件清“0”即Cy=0。*在位操作（布尔操作）时：CY作为累加器使用，其作用相当于字

12、节操作的累加器ACC。,Cy,在指令中可作为转移的条件 JC rel；cy=1转移 JNC rel；cy=0 转移 位操作指令中做累加器 ANL C,bit ANL C,/bit ORL C,bit ORL C,/bit SETB C CLR C CPL C MOV C,bit MOV bit,c,Cy,C,AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志。当执行加减运算时，其运算结果产生低四位向高四位进位或借位时,AC由硬件置“1”；否则AC位被自动清“0”。一般在BCD码运算时，系统用于进行十进制调整。,Ac,项目一 一只会闪光的灯,F0,F0（PSW.5）用户标志位。用户可根据自己的需要对F

13、0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，作为软件标志。SETB F0;置位 CLR F0;复位,项目一 一只会闪光的灯,RS1&RS0,RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3)寄存器区选择控制位。,项目一 一只会闪光的灯,CPU通过对PSW中的D4、D3位内容的修改，就能任选一个工作寄存器区。例如：SETB PSW3 CLR PSW4；选定第区 SETB PSW4 CLR PSW3；选定第2区 SETB PSW3 SETB PSW；选定第区,项目一 一只会闪光的灯,OV,OV（PSW.2）溢出标志位 它反映运算结果是否溢出，溢出时则由硬件将OV 位置“1”；否则置“0”。只有在补码运算时起作用

14、。双进位位法判溢出：OV=C8 C7,项目一 一只会闪光的灯,P（PSW.0）奇偶标志位 P标志表明累加器ACC中1的个数的奇偶性。在每条指令执行完后，单片机根据ACC的内容对P 位自动置位或复位。若累加器ACC中有奇数个“1”，则P=1；若累加器ACC中有偶数个“1”，则P=0。,P,项目一 一只会闪光的灯,溢出和进位是两种不同性质的概念 溢出是指有正负号的两个数运算时，运算结果超出了累加器以补码所能表示一个有符号数的范围。而进位则表示两数运算最高位（D7）相加（或相减）有无进位（或借位）。因此使用时应加以注意。,OV 与 Cy,项目一 一只会闪光的灯,（2）控制器,控制器是CPU的大脑中枢

15、，是计算机的指挥控制部件。组成：程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、数据指针（DPTR）、堆栈指针（SP）以及定时与控制电路等。功能：对来自存储器中的指令进行译码，通过定时控制电路在规定的时刻发出各种操作所需的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的功能。,项目一 一只会闪光的灯,1）程序计数器（PC）16位计数器（重要）PC是程序的字节地址计数器，16位专用寄存器，寻址范围为64KB。作用：存放CPU执行的下一条指令的地址，具有自动加1的功能。工作原理：当一条指令按照PC所指的地址从程序存储器中取出后，PC会自动加1，指向下一条指令。,项目一 一只会闪光的灯,2)

16、指令寄存器IR和指令译码器ID 指令寄存器IR：8位寄存器作用：用于暂存待执行的指令，等待译码。指令译码器ID：作用：对指令寄存器中的指令进行译码，即将指令转变为所需的电平信号。根据译码器输出的电平信号，再经定时控制电路定时产生执行该指令所需要的各种控制信号。,项目一 一只会闪光的灯,程序存储器,PC,取出指令码,指令寄存器IR,指令译码器ID,把指令转变成所需要得电平信号,CPU 产生执行该指令所需的各种控制信号,取指令,执行指令,分析指令,项目一 一只会闪光的灯,3)数据指针（DPTR）16bit 16位专用寄存器。它可以对64K的外部数据存储器和I/O口进行寻址。也可作为两个8位寄存器。

17、DPL（地址82H）：DPTR的低字节，DPH（地址为83H）：DPTR的高字节。作用：用作外部数据存储器的地址指针。4)堆栈指针(SP)8 bit SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。不论是数据进栈还是数据出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行的，即对栈顶单元的写和读操作。,项目一 一只会闪光的灯,2.存储器配置及特殊功能寄存器,程序存储器（64KB寻址空间）,数据存储器（64KB寻址空间）,项目一 一只会闪光的灯,程序存储器EA=0：片内ROM不起作用。完全执行片外程序存储器指令，外部ROM的地址为0000H 0FFFFH，可达64KB。EA=1：执行片内程序存储器指令，地址为0000H 1FF

18、FH；当指令地址超过1FFFH后，自动转向片外ROM取指令，2000FFFFH。,数据存储器分为内部数据存储器和外部数据存储器。,项目一 一只会闪光的灯,内部数据存储器 AT89S52有256字节的片内RAM，地址空间为00HFFH。其中，低128B（地址为00H 7FH）是真正的RAM区；高128B（地址为80H FFH）与片内特殊功能寄存器（SFR）区（80HFFH）地址完全重合。但在物理上是完全独立的。单片机采用不同的寻址方式，以区分这两个重叠的逻辑地址空间。访问（80HFFH）区间的SFR时，只能用直接寻址方式。如MOV 0A0H，#Data指令的目的操作数是直接地址，将立即数#Dat

19、a送入SFR中的0A0H单元中。,项目一 一只会闪光的灯,访问（80HFFH）区间的片内RAM时，只能间接寻址方式。如MOV R0，0A0HMOV R0，#Data 外部数据存储器地址范围为0000HFFFFH，可达64KB。用MOVX指令进行访问。,项目一 一只会闪光的灯,89S52单片机在系统上采用了哈佛型，其存储器在物理结构上分程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。有四个物理上相互独立的存储空间：其配置如图所示。,片内ROM,片外ROM,片内RAM,片外RAM/I/O口,60KB,8KB,64KB,128BRAM,128B SFR,1FFFH,2000H,项目一 一只会闪光的灯,（

20、二）AT89S52单片机引脚功能,AT89S52单片机有40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装（DIP）。,项目一 一只会闪光的灯,电源引脚Vcc和GND VCC（40）：电源端，+5V。GND（20）：接地端。通常在Vcc和GND 引脚之间接0.1高频滤波电容。,项目一 一只会闪光的灯,时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL2（18）：接外部晶体和微调电容。若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。XTAL1（19）：接外部晶体和微调电容的另一端。若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。,项目一 一只会闪光的灯,I/O（输入/输出）端口（Port）P0、P1、P2、

21、P3 P0口(32脚39脚)：一个8位漏极开路型双向I/O口。当用做通用I/O口时，每个引脚可驱动8个TTL负载；当用做输入时，每个端口首先置1。在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，此时，P0口内含上拉电阻。P1口(1脚-8脚)：一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。当用做通用I/O口时，每个引脚可驱动8个TTL负载。当用作输入时，每个端口首先置1。P2口（21脚-28脚)：一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动四个TTL负载。当用作输入时，每个端口首先置1。P3口(10脚17脚)：一个带有内部提升电阻的8位准双向

22、I/O口。能驱动四个TTL负载。当用作输入时，每个端口首先置1。P3口还用于第二功能。,项目一 一只会闪光的灯,引脚的第二功能（1）,项目一 一只会闪光的灯,引脚的第二功能（2）,P1.0 T2 定时器2的外部事件输入端；可编程脉冲输出端P1.1 T2EX 定时器2的捕捉/重装触发器输 入端；定时器2的计数方向控制端P1.5 MOSI Flssh串行编程/下载时串行指 令输入端P1.6 MISO Flssh串行编程/下载时串行数 据输出端P1.7 SCK 时钟输入端,项目一 一只会闪光的灯,三、AT89S52单片机最小应用,1.最小系统 所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一

23、个可以工作的单片机系统。一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路。（1）晶振电路 XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入输出端。其振荡电路有两种组成方式：片内振荡器和片外振荡器。片内振荡器如图所示。在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路，通常C1和C2一般取30pF，晶振的频率取值在1.2MHz12MHz之间。,项目一 一只会闪光的灯,项目一 一只会闪光的灯,片外振荡器如图所示。XTAL1是外部时钟信号的输入端，XTAL2可悬空。由于外部时钟信号经过片内一个2分频的触发器进入时钟电路，因此对外部时钟信号的占空比没有严格要求，但高、低电平的时间宽度应不

24、小于20 ns。,项目一 一只会闪光的灯,时序是非常重要的概念，它指明单片机内部以及内部与外部互相联系所遵守的规律。,（2）CPU时序的概念,单片机在执行指令时，通常将一条指令分解为若干基本的微操作，这些微操作所对应的脉冲信号在时间上的先后次序称为单片机的时序。,项目一 一只会闪光的灯,AT89S52的时序定时单位从小到大依次为：振荡周期（节拍）、时钟周期（状态）、机器周期和指令周期。振荡周期 是指晶体振荡器直接产生的振荡信号的周期。是振荡频率的倒数。用P表示。时钟周期 时钟周期又称状态周期，用S表示。是振荡周期的二倍。每个时钟周期分为P1和P2两个节拍，P1拍节完成算术逻辑操作，P2节拍完成

25、内部寄存器间数据的传递。S=2个振荡周期 机器周期 是机器的基本操作周期。1个机器周期=6个时钟周期=12个振荡周期 指令周期 执行一条指令所占用的全部时间。一个指令周期通常由14个机器周期组成。AT89S52系统中,有单周期指令、双周期指令和四周期指令。,项目一 一只会闪光的灯,例如：外接晶振频率为fosc=12 MHZ，则四个基本周期的具体数值为：(1)振荡周期=1/12 s。(2)时钟周期=1/6 s。(3)机器周期=1 s。(4)指令周期=14 s,项目一 一只会闪光的灯,（3）复位电路 复位分为上电自动复位按键和手动复位。,+5V,项目一 一只会闪光的灯,2.单片机最小系统常用控制部

26、件（1）继电器 继电器是用低电压控制高电压的器件，它分为线圈、铁芯、衔铁、触点，触点有常开触点、常闭触点之分。在开关特性上有单刀单置、双刀单置、单刀双置、双刀双置、单刀多置、双刀多置之别。,项目一 一只会闪光的灯,（a）继电器（b）光耦符号图1.8 继电器和光耦符号,项目一 一只会闪光的灯,（2）光耦 光耦在电路中起隔离作用，由光作为信号传递媒介，将单片机和外部设备在电器隔离。有三极管型光耦（又分带基极型和不带基极型）、可控硅型光耦（又分单向可控和双向可控）。（3）指示灯,项目一 一只会闪光的灯,硬件设计 闪光灯电路是AT89S52单片机的一种最简单电路，它包含3个部分：晶振电路，上电复位电路

27、和用户电路。见图1.9。当P0.0输出为“1”时，LED无电流不发光。当P0.0输出为“0”时，流过LED的电流为,项目一 一只会闪光的灯,第三部分 项目实施,图1.9 闪光灯电路原理图,89S52,项目一 一只会闪光的灯,程序清单如下 ORG 0000HL1:CPLP0.0MOVR6,#00H；1个机器周期L2:MOVR7,#00H；1个机器周期L3:NOP；1个机器周期DJNZR7,L3；2个机器周期DJNZR6,L2；2个机器周期SJMPL1；2个机器周期END,软件,项目一 一只会闪光的灯,总延时时间：(1+1+2)256+1+2 256=262912个机器周期 振荡频率=6MHz 1

28、个机器周期=2S则延时时间：2S262912=525824S=525.824mS 振荡频率=12MHz 一个机器周期=1S则延时时间：1S262912=262912S=262.912mS 调整R6和R7的值，可改变延时时间。,项目一 一只会闪光的灯,项目二 熟悉Keil开发平台第一部分 项目要求 掌握Keil C51 Vision2集成开发环境的基本使用方法；学会使用汇编语言进行程序编辑、汇编与模拟仿真调试的过程；学会在线下载和编程器的使用。第二部分 相关知识,项目二 熟悉 Keil 开发平台,一、单片机集成开发环境,所有的计算机只能识别和执行二进制代码，而不能识别我们熟知的语言，因此，对于已

29、写好的单片机源程序汇编语言（或C语言），必须翻译成单片机可识别的目标代码，然后转载到单片机的程序存储器中进行调试，这种翻译工具称为编译器。,KeilC51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，编译后生成的汇编代码，到Keil C51生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。,项目二 熟悉 Keil 开发平台,（一）keil 51 windows集成开发平台的使用 1keil 51 windows集成开发平台介绍,项目二 熟悉

30、Keil 开发平台,2导入需要仿真的程序,建立一个工程项目芯片选择 属性设置 建立源程序文件 添加文件到当前项目组中 编译文件,项目二 熟悉 Keil 开发平台,项目二 熟悉 Keil 开发平台,项目二 熟悉 Keil 开发平台,项目二 熟悉 Keil 开发平台,项目二 熟悉 Keil 开发平台,项目二 熟悉 Keil 开发平台,项目二 熟悉 Keil 开发平台,项目二 熟悉 Keil 开发平台,项目二 熟悉 Keil 开发平台,项目二 熟悉 Keil 开发平台,（二）Keil 程序调试,1程序调试时的常用窗口,编译文件界面,项目二 熟悉 Keil 开发平台,调试程序窗口,字母C：代码存储空间

31、D：直接寻址的片内存储空间I：间接寻址的片内存储空间X：扩展的外部RAM空间“数字”：想要查看的地址。,项目二 熟悉 Keil 开发平台,工程窗口寄存器页,项目二 熟悉 Keil 开发平台,2各种窗口在程序调试中的用途,程序调试界面,项目二 熟悉 Keil 开发平台,I/O端口界面,项目二 熟悉 Keil 开发平台,I/O口全部打开界面,项目二 熟悉 Keil 开发平台,输入值的设置,项目二 熟悉 Keil 开发平台,打开后的Interrupt窗口,项目二 熟悉 Keil 开发平台,串口设置,项目二 熟悉 Keil 开发平台,打开后的串口窗口,项目二 熟悉 Keil 开发平台,定时器设置,项目

32、二 熟悉 Keil 开发平台,打开后的定时器1窗口,项目二 熟悉 Keil 开发平台,常用的调试按钮,复位按钮，按下后，所有的系统状态将变成初始状态。,全速运行,进入循环并单步执行,停止全速运行,跳过循环并单步执行,跳出单步执行过程,执行到断点处,项目二 熟悉 Keil 开发平台,二、ISP软件的使用,打开下载软件，双击目录下的文件ISPgm.exe，打开软件进入软件使用界面1芯片选择：左击界面右面芯片选择窗口的下拉箭标，选择编程芯片的型号。2导入hex文件到缓冲区：左击界面上的“Open File”按钮，选择本目录下的hex文件。3向芯片写入文件：左击界面上的“Write”按钮，开始编程向芯片写入程序。4完成写入编程。5退出程序：左击界面右上角的“x”按钮，退出此程序。,项目二 熟悉 Keil 开发平台,设计一个交通信号灯控制器硬件电路。要求每个道口安装一组交通灯，每组信号灯有红、绿、黄三种信号（两个方向可各使用1组，共6个灯）。画出电路，说明原理。并说明在设计过程中遇到的问题，是如何解决的。,讨论题1,