第1章微型计算机原理概述

1、单片机原理与接口技术 任课教师：张永超 办公地点：行政楼408 电话：单片机的应用范围单片机的应用范围 (1) 工业控制。单片机可以构成各种工业控制系统、数据采工业控制。单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统等。如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控集系统等。如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控制等。制等。 (2) 仪器仪表。智能仪器、医疗器械、数字示波等。(3) (3) 计算机外部设备与智能接口。如图形终端机、传真机、复计算机外部设备与智能接口。如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘印机、打印机、绘图仪、磁盘/ /磁带机、智能终端机等

2、。磁带机、智能终端机等。(4) (4) 商用产品。如自动售货机、电子收款机、电子秤等。商用产品。如自动售货机、电子收款机、电子秤等。(5) (5) 家用电器。如微波炉、电视机、空调、洗衣机等。家用电器。如微波炉、电视机、空调、洗衣机等。1、单片微型计算机(简称单片机)2、单片机一词最初是Single Chip Microcomputer”，简称SCM。3、国际上逐渐采用：微控制器或嵌入式微控制器4、MCU(MicroController Unit”) 第一章第一章 微型计算机概述微型计算机概述1 微型计算机的发展与分类微型计算机的发展与分类2 微处理器、微型计算机和微型计算机系统微处理器、微型

3、计算机和微型计算机系统 3 存储器存储器4 微型计算机和外设之间的数据传送微型计算机和外设之间的数据传送 5 MCS-51系列单片机应用特性及开发系列单片机应用特性及开发6 MCS-51系列单片机开发和开发工具系列单片机开发和开发工具 第一阶段(1974(19741976)1976)初始阶段。以4 4位单片机为主，功能比较简单。如19751975年美国TITI公司推出第一台4 4位单片机TMS-1000TMS-1000。第二阶段(1976(19761978)1978)探索阶段。单芯片形式，低档8 8位单片机。如19761976年美国IntelIntel公司生产的MCS-48MCS-48系列单片

4、机，这是第一台完全的8 8位单片机。MCS-48MCS-48的推出是在工控领域的探索，此后，各种8 8位单片机纷纷应运而生。第三阶段(1978(19781982)1982)完善阶段。提高电路的集成度，增加8 8位单片机的功能。如IntelIntel公司在MCS-48MCS-48基础上推出了完善的高档8 8位单片机系列MCS-51MCS-51。1. 微型计算机的发展与分类微型计算机的发展与分类 第四阶段(1982(19821990) 1990) 巩固和发展阶段。巩固发展8 8位单片机、推出1616位单片机、向微控制器发展，强化了智能控制器的特征 。 如将ADCADC、DACDAC、集成到单片机

5、。 第五阶段(1990(1990至今) ) 全面发展阶段。适合不同领域要求的单片机，如各种高速、大存储容量、强运算能力的8 8 位/16/16位/ /3232位通用型单片机，还有用于单一领域的廉价的专用型单片机。 需要提及的是，单片机的发展虽然按先后顺序经历了需要提及的是，单片机的发展虽然按先后顺序经历了4位、位、8位、位、16位、位、32位、位、64位的阶段，但从实际使用情况位的阶段，但从实际使用情况看，并没有出现推陈出新、以新代旧的局面。看，并没有出现推陈出新、以新代旧的局面。4位、位、8位、位、16位单片机仍各有应用领域，如位单片机仍各有应用领域，如4位单片机在一些简单家位单片机在一些简

6、单家用电器、高档玩具中仍有应用，用电器、高档玩具中仍有应用，8位单片机在中、小规模位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，应用场合仍占主流地位，16位单片机在比较复杂的控制系位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用。统中才有应用。 单片机与通用计算机的区别 （1 1）通用计算机系统主要满足海量、高速数值处理，兼顾控制功能；单片机系统主要满足测控对象的控制功能，兼顾数值处理。 (2) 通用通用微机中存储器微机中存储器组织结构组织结构主要针对增大存储容量和主要针对增大存储容量和CPU对数据的存取速度。对数据的存取速度。 单片机单片机中存储器的组织结构比较中存储器的组织结构比较简单简单，存储器芯片直

7、接，存储器芯片直接挂接在单片机的总线上，挂接在单片机的总线上，CPU对存储器的读写按直接物理地址对存储器的读写按直接物理地址来寻址存储器单元，存储器的寻址空间一般都为来寻址存储器单元，存储器的寻址空间一般都为64 KB。 (3) 通用通用微机中微机中I/O接口接口主要考虑标准外设主要考虑标准外设(如如CRT、标准、标准键盘、鼠标、打印机、硬盘、光盘等键盘、鼠标、打印机、硬盘、光盘等)。用户通过标准总线连。用户通过标准总线连接外设，能达到即插即用。接外设，能达到即插即用。 单片机单片机应用系统的外设都是应用系统的外设都是面向用户面向用户的，且千差万别，的，且千差万别，种类很多。单片机的种类很多。

8、单片机的I/O接口实际上是向用户提供的与外设连接口实际上是向用户提供的与外设连接的物理界面。接的物理界面。 2. 微处理器、微型计算机和微型计算机系统微处理器、微型计算机和微型计算机系统 微处理器微处理器MPU一一般由运般由运算器、控制器和一些寄存器通算器、控制器和一些寄存器通过内部总线相连组成。过内部总线相连组成。 以微处理器为核心，由系以微处理器为核心，由系统总线将数据存储器、程序存统总线将数据存储器、程序存储器和输入输储器和输入输出接口组合成为出接口组合成为一个整体，称为微型计算机。一个整体，称为微型计算机。 只有再配以外围设备和系只有再配以外围设备和系统软件，才构成了微型计算机统软件，

9、才构成了微型计算机系统。系统。微型计算机硬件系统 单片机的组成单片机的组成 (1) 将微处理器将微处理器(CPU)、存储器、存储器、I/O接口电路和相应实时控接口电路和相应实时控制器件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，简称制器件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，简称单片机。单片机。 (2) 微处理器微处理器(CPU)、存储器、存储器、I/O接口电路由总线有机地连接口电路由总线有机地连接在一起的整体，称为接在一起的整体，称为微型计算机微型计算机。 (3) 微型计算机与外围设备、电源、系统软件一起构成的系微型计算机与外围设备、电源、系统软件一起构成的系统，称为统，称为微型计算机系统微型

10、计算机系统。3 存储器存储器存储器存储器存储器是计算机系统中的存储器是计算机系统中的记忆记忆设备，用来存放设备，用来存放程序程序和和数据数据。半导体存储器的分类半导体存储器的分类 按存储器的读写功能按存储器的读写功能：只读存储器只读存储器（ROM） 随机读写存储器随机读写存储器（RAM） 按存储器用途分按存储器用途分： 主存储器主存储器 外存储器外存储器 高速缓冲存储器高速缓冲存储器 接口的作用 外部设备不能与CPUCPU直接相连，而是必须经过中间电路再与系统相连，这部分电路就称为接口电路。(1) CPU(1) CPU和外设之间的数据传送方式三总线方式 程序方式 中断方式 DMADMA方式(2

11、) CPU(2) CPU和外设之间的数据传送方式串行方式(3) RS-232C(3) RS-232C标准串行通讯接口 4 微型计算机和外设之间的数据传送 CPU和外设之间的数据传送方式三总线方式 程序方式 程序方式传送实质在程序控制下进行信息的传送，可细分为两种传送方式：无条件传送和条件传送方式。 中断方式 DMA方式CPUCPU和外设之间的数据传送方式串行方式 I I2 2C C总线 I I2 2C(Inter-Integrated Circuit) C(Inter-Integrated Circuit) 总线是一种两线制式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。 工作原理：由数据线SDAS

12、DA和时钟线SCLSCL构成的串行总线，在总线上的所有设备端的SDASDA和时钟SCLSCL引脚上接上拉电阻，使CPUCPU与被控ICIC之间、ICIC与ICIC之间进行双向传送。I2C总线时序 SPI总线 工作原理：典型的SPISPI总线接口使用四条线，串行时钟线（SCKSCK）、主机输入/ /从机输出数据线MISOMISO、主机输出/ /从机输入数据线MOSIMOSI和附加一低电平有效的从机片选线/CS/CS。采用SPISPI总线接口可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和I/OI/O口线。SPI总线组成 RS-232CRS-232C标准串行通讯接口 串行通讯通常指无线发射与接收，

13、这里提到的串行通讯接口是指需要通过硬件连接。 串行通讯的两种工作方式：同步传送和异步传送。同步传送要求有时钟控制实现发送端和接收端之间的严格同步，要求硬件电路较为复杂。 异步传送的格式起始位：表示字传送的开始，通知接收设备新的字传送到达。字符位：规定低位与起始位相连，高位紧挨停止位，中间可加 奇偶校验位。停止位：表示字传送结束，停止位后可加高电平的空闲位。5 MCS-51系列单片机应用特性及开发系列单片机应用特性及开发MCS-51系列单片机可分为两大系列：系列单片机可分为两大系列：51子系列和子系列和52子系列。子系列。 51子系列子系列主要有主要有8031、8051、8751三种机型，指令系

14、统三种机型，指令系统与芯片引脚完全兼容，差别仅在于片内有无与芯片引脚完全兼容，差别仅在于片内有无ROM或或EPROM。 52子系列子系列主要有主要有8032、8052、8752三种机型。三种机型。52子系列子系列与与51子系列的不同之处在于：片内数据存储器增至子系列的不同之处在于：片内数据存储器增至256字节；字节；片内程序存储器增至片内程序存储器增至8 KB (8032无无)；有；有3个个16位定时位定时/计数器，计数器，6个中断源。其它性能均与个中断源。其它性能均与51子系列相同。子系列相同。 单片机的开发与开发工具1 1开发的定义开发的定义： 软件和硬件不可分割软件和硬件不可分割，即在应

15、用系统的硬件设计时，同时，即在应用系统的硬件设计时，同时生成软件设计框图和实现方法；或者考虑到编程的组态、易维生成软件设计框图和实现方法；或者考虑到编程的组态、易维护等原因反过来修改硬件设计。护等原因反过来修改硬件设计。 从提出任务到定型生产、投入使用的过程称为从提出任务到定型生产、投入使用的过程称为开发开发。包括方。包括方案论证、硬件系统设计与调试、软件系统的编程与调试，直到案论证、硬件系统设计与调试、软件系统的编程与调试，直到目标样机的调试成功和现场投入使用。目标样机的调试成功和现场投入使用。2开发的特点开发的特点：3开发手段 硬件调试硬件调试：编制出简单的单元调试程序使系统运行，：编制出

16、简单的单元调试程序使系统运行，用示波器、万用表也可使用逻辑分析仪。用示波器、万用表也可使用逻辑分析仪。软件调试软件调试目前多目前多用用KEIL51软件，它集编辑、编译、仿真为一体，支持汇编、软件，它集编辑、编译、仿真为一体，支持汇编、PLM语言和语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用，是目语言的程序设计，界面友好，易学易用，是目前对单片机进行调试最好的软件之一。前对单片机进行调试最好的软件之一。4 4开发工具开发工具： 设计一种通用的调试程序工具，把开发系统的设计一种通用的调试程序工具，把开发系统的CPUCPU和和RAMRAM暂时出借给用户控制板（控制系统），利用开发系统进行调暂时出借给用户控制板（控制系统），利用开发系统进行调试，然后把调试好的程序固化到试，然后把调试好的程序固化到EEPROMEEPROM中。中。 （2）功能：硬件电路的检查与诊断；用户程序的输入与修改；）功能：硬件电路的检查与诊断；用户程序的输入与修改；程序的运行调试：单步、断点和连续等；程序能固化到程序的运行调试：单步、断点和