单片机原理与应用

1、单片机原理与应用第一章 基础知识 1.1 数字电子计算机进位计数制 1.3 数制与码制 数字电路 程序和软件1.1 数字电子计算机原理计算机组成的4个基本要素-存储器 Memory-运算器 Arithmetic-控制器 Controller-输入输出设备 Input/Output计算机基本结构运算器ALU存储器M控制器 CU输入输出I/OBUS图1.进位计数制Xb=bN-1 bN-2 b1 b0 ; bi=0.1 ; 权 P=2 N位二进制数 10101100Xb=bN-12N-1 + bN-22N-2 + + b121 + b020 ; Xb= bi 2i i=0N-1N位十进制数Xd=dN

2、-1 dN-2 d1 d0 ; di=0.9 Xd =1234567890; P=10Xd=dN-110N-1 + dN-210N-2 + + d1101 + d0100 ; Xd= di10i i=0n-1N位十六进位制数Xh=hN-1 hN-2 h1 h0 ; hi=09ABCDEF P=16 Xh=hN-116N-1 + dN-216N-2 + + d1161 + d0160 ; Xd= hi16i i=0n-1Xr= ri Pi ; ri =0P-1 i=0N-1任意进制不同进位制数的转换二进制十进制 公式计算十进制二进制 除2取余 十六进制二进制 4位分割八进制二进制 3位分割纯小数

3、转换 乘2取整数制与码制(编码)自然二进制码8421码2421码5421码无权码(余3码、 格雷码）BCD码 （2-10进制编码）ASCII码数制与码制原码反码补码机器数浮点数、定点数数字电路*布尔代数 (逻辑代数) 与、或、非基本运算，摩根定律*门电路-组合逻辑电路*门电路+触发器-时序逻辑电路 *数字部件 存储器、寄存器、锁存器、译码器、计数器 缓冲器 Memory Register latch encoder counter buffer 基本R-S触发器RSQQ程序语言和软件计算机语言1.高级语言程序面向问题 (人) 算法，数据库 , 设计 VHDL Fortran， Visual C

4、，C, C+， Java (面向目标) 2.汇编语言程序面向机器 （机） Assemble language 汇编语言程序语言和软件系统程序、软件应用程序、软件计算机基本工作原理1. 周期性2. 取指令和执行指令取指令执行指令第二章单片机原理概述 单片机与嵌入式系统 嵌入式系统(微控制器)Embedded Micro-controller面向检测与控制对象,嵌入到应用系统中的计算机系统单片机 Single Chip Micro-computer是典型的嵌入式系统 嵌入式系统的主要特点嵌入式系统的主要特点： 1.实时性强、可靠性高、体积小、性价比好 2.高密度、 高速度、 低电压 、低功耗嵌入式

5、系统的常用器件单片机 (MCU)FPGA Field Programmable Gate Array可现场编程门阵列 XILINXPLD Programmable Logic Device可编程逻辑器件 CPLD，HCPLDDSP Digital Signal Processing/Processor 数字信号处理MCU的两种设计方式1.哈佛结构(Harvard)程序存储器(ROM)数据存储器(RAM)CPU2.普林斯顿结构(Princeton)存储器ROM存储器RAMCPU2.2 MCS-51单片机原理2.2.1 51单片机结构(哈佛结构) 1. 封装与引脚(Package & Pi

6、n) DIP Dual In-Line Pin 双列直插式 TQFP Thin Quad Flat Pack 薄型四方扁平封装 PLCC Plastic Leaded Chip Carrier51单片机DIP封装和引脚分配 P1.0 | P1.7 RST P3.0 | P3.7 XTAL2 XTAL1 VssVcc |/EAALE/PSEN | 40 398 32 31 3017 2918 28 21MCS-51系列基本型号8031 无内部 ROM8051 内部4KB （PROM）掩膜技术8751 内部4KB （EPROM）可光擦除51内部结构ALU控制器ROM程序存储器RAM数据存储器P0P

7、1P2P3CPU/MCU外部内部总线引脚功能1.端口线 4个8位I/O端口, 驱动能力 P0、P1、P2、P32.控制线 ALE、 /EA、/PSEN、RST XTAL1、XTAL23.电源线 Vcc 、Vss P0端口内部结构D QCP /QVcc地址/数据控制读锁存器读引脚MUX内部总线写入T1T2时钟频率的产生1.内部振荡电路XTAL1XTAL2晶体C1C22.外部振荡电路XTAL1XTAL2外部时钟源复位电路1.自动上电复位2.人工按钮复位 Vcc RST Vss +5VCR2.1.2 8051单片机CPU结构1.控制器 MCU（IR、 OSC、IER等）2.运算器 ALU （加法器、

8、布尔处理器）3.专用寄存器组SFR 8位：R0R7，Acc，B，PSW，SP， IP，IE，SCON，P0P3，TMOD16位：PC，DPTR 程序状态字PSW寄存器d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0Cy AC F0 RS1 RS0 OV . P Cy: 8位运算后, D7的进位AC: 辅助进位, 8位运算后, D3的进位F0: 用户标志位RS1,RS0: 工作寄存器选择 00,01,10,11OV:运算溢出标志, OV= C7 C6P: 奇偶校验标志, P = a7 a6 a0 堆栈的概念堆栈是访问地址有序的存储器 堆栈指针 SP，总是指向栈顶SP栈底7FH。01H00H增加型

9、数据入栈 SP=SP+1 减少型 数据入栈 SP=SP-1有两种形式：地址增加型和地址减少型存储器地址分配4个物理地址空间：1.内部程序ROM(0000H-0FFFH/16位地址)2.内部数据RAM(00H-0FFH/8位地址)3.外部程序ROM(16位地址)，4.外部数据RAM(16位地址)存储器地址分配 3个逻辑地址空间:1. 程序存储器ROM(0000H-0FFFFH)2.内部数据RAM(00H-0FFH)3.外部数据RAM(0000H-0FFFFH)程序存储器地址分配0000H0FFFH1000H0FFFFH/EA=1外部内部0000H0FFFFH/EA=0外部数据存储器地址分配00H

10、1FHSFR外部RAM内部RAM20H2FH30H7FH位寻址区工作寄存器区 R0R7,4组 80H0FFH0FFFFH0000H51CPU工作时序1.时钟周期 T T=1/fOSC2.机器周期 M M=12T 3.状态周期 S Si=2T ，i=164.指令周期 I I= (1、2或4) M读外部ROM指令时序图ALEPSEN S1 S2 S3 S4 S5 S6 P2P0A7-A0A15 - A812指令A7-A0数据S1A15 - A8A7 - A0A7 - A0外接锁存器P1 P251单片机最小系统P0C1C2+5VCRXTAL1XTAL2VCCVSSP1P2P3RST外设51单片机扩展

11、系统P0GALED7D0PSENP1P2最小系统地址锁存器A7A0WRA15A8VccEARDDBusCBusABus外部存储器或I/O第三章 51指令系统指令的表示形式指令的周期和长度指令的构成 操作码 + 操作数操作码的助记符表示保留标识符和用户标识符3.2 七种寻址方式1.立即寻址 MOV R0 , #0F0H 2.直接寻址 MOV 40H , 30H 3.寄存器寻址 MOV A , R7 4.寄存器间接寻址 MOV A , R0 5.变址寻址 MOVC A , A+PC 6.相对寻址 SJMP rel 7.位寻址 MOV C , 20H 3.3 五类操作功能数据传送类 MOV、MOVX

12、、MOVC算术运算类 ADD、SUB、MUL、DIV逻辑运算类 ANL、ORL 、CPL、RL控制转移类 SJMP、LJMP、JC、LCALL位操作类 SETB bit、ANL C，bit例题11，12，13，17，20，22，25JMP A+DPTR ； 散转指令子程序调用和返回指令位逻辑条件转移第四章 汇编语言程序设计4.1 汇编语言格式标号: 指令 ; 注释 行编辑, 一条指令占一行 执行指令和伪指令 伪指令 ORG, END, DB, DW,DS,EQU, BIT 源程序的汇编 人工汇编和机器汇编汇编语言程序的设计方法顺序、分支、循环、调用流程图第五章 单片机基本系统与扩展1.三总线方

13、法扩展 DB,AB,CB2.地址译码方式 .全地址译码方式 .部分地址译码方式 .线选方式5.1 存储器的扩展存储器容量 = 2N，N为地址线数常用存储器27系列，28系列扩展电路的基本连接方法振荡和复位电路8031373ALEP08A0A7D0D7A8A15P2/EA/PSEN/RD/WR（ROM）（RAM）/OEm译码电路/CE存储器或I/O口CPU地址锁存器/WE/REG5.2 并行I/O口的扩展与外存储器地址统一编址简单I/O口 用中小规模集成电路构成可编程I/O口 大规模IC智能I/O口 含CPU简单I/O口的扩展电路振荡和复位电路8031373ALEP08273D0D7/EA/RD

14、/WRCPUG输出设备输入设备D0D7+244/GCLK口地址=7FFFH;口地址=7FFFH;第六章 8051中断系统中断源外部中断和内部中断中断入口地址中断响应和屏蔽中断程序的调用和返回中断源的扩展中断系统的组成1. 8051有5个基本的中断源 两个外部中断: INT0, INT1 三个内部中断: T0,T1, SIO2. 中断入口地址 INT0 0003H; T0 000BH; INT1 0013H; T1 001BH; SIO 0023H;有关的中断寄存器IE 中断允许寄存器 EA _ _ EX0 ET0 EX1 ET1 ES 2. IP 中断优先权寄存器 _ _ _ PS PT1 P

15、X1 PT0 PX0TCON 定时器控制寄存器 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IF0 IT1 6.3 8051内部定时器由两个独立的16位计数器组成采用增量计数方式可以定时也可以计数 C / T4种工作方式有关寄存器 TMOD, TCON, TH0,TL0 TH1,TL1定时器的基本结构TLxTHxfosc1/12TFx中断TRx+GATExINTxTxC/ T EAETx01TRx 软件启动, Tx 外部计数输入GATEx 门控, INTx 硬件启动定时器的4种工作方式 Ta =12 * ( 2 M a )fosc Ta 定时时间 a 时间常数(初值) M = 8/13/1

16、6 (方式)2. TMOD 方式寄存器 GATE1 C/T M1 M0 GATE0 C/T M1 M01. 定时时间的计算公式1.方式0 13位计数器 M = 132.方式1 16位计数器 M= 163.方式2 8位计数器 M = 8 自动重装初值4.方式3 两个独立的8位计数器 TL ,TH t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7Tpt8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15TLTH溢出方式1方式0t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7Tpt8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15溢出方式2,方式3 TLx THx TFx Tp 方式2 8位自

17、动重装初值 TL0 TH0 TF0 Tp TF1方式3 仅T0定时器编程查询方式中断方式例题: 使用8051定时器T0, 定时1ms, 在位输出周期为2ms的方波信号, 已知系统时钟频率fosc= 12MHz.查询方式编程 ORG 0H; MOV TMOD, #01H; 使用T0,方式1，定时 MOV TL0， #XL；装入时间常数低位 XL=18H; MOV TH0， #XH；装入时间常数高位 XH=FCH; SETB TR0；启动T0开始计数 WAIT：JNB TF0， WAIT； CLR TF0；清溢出标志 MOV TL0, #XL;MOV TH0, #XH;重装时间常数 CPL P1.

18、0; P1口0位取反输出 SJMP WAIT; END;6.4 8155可编程并行接口芯片 8155内部有3个逻辑部件: 1. 3个I/O接口, PA, PB, PC和一个控制口 2. RAM 256字节 3. 14位的减量计数器, 带输出端, 4种工作 方式8155与8031的典型连接电路80318155P0AD0AD7ALEALE/WR/WR/RD/RDRSTRSTIO/M/CEPAPBPC(6)TIMER INTIMER OUT8155端口地址分配 与/CE端和IO/M端的连接方式有关， 前图连接为线选方式，各端口地址为：控制口 0 xxxxxx1-xxxxx000 7FF8H；A口 0

19、 xxxxxx1-xxxxx001 7FF9H；B口 0 xxxxxx1-xxxxx010 7FFAH；C口 0 xxxxxx1-xxxxx011 7FFBH；TL 0 xxxxxx1-xxxxx100 7FFCH；TH 0 xxxxxx1-xxxxx101 7FFDH；存储器 0 xxxxxx0-（00FF） 7E00H7EFFH；8155控制字TM2 TM1 IEB IEA PC2 PC1 PB PAPC2 PC1 0 0 ALT1；AB口均为基本I/O，C口为输入 1 1 ALT2；AB口均为基本I/O，C口为输出 0 1 ALT3；A为选通，B基本，PC02为A口服 务，提供联络（握手

20、）线 1 0 ALT4；AB均为选通， PC02 为A口服务 PC02为B口服务 8155AB口选通联络线方式 PC0 A INTR A口中断请求线 PC1 A BF A口数据缓冲器满 PC2 A STB A口选通线 PC3 B INTR B口中断请求线 PC4 B BF B口数据缓冲器满 PC5 B STB B口选通线8155选通连接原理和时序80318155P0AD0AD7/WR/RD/RD/INT0 PC0（AINTR）PA输出入设备 PC1（BF） PC2（STB）/WR8155选通输入时序BF/STBINTR/RDPDB口数据输入8155选通输出时序BF/STBINTR/WRDBPD

21、B口数据输出申请中断8155定时器工作方式方式0 单方波方式1 连续方波方式2 单脉冲方式3 连续脉冲定时时间Tw = TinT第七章 单片机串行通信串行通信基本知识8051 UART 结构工作方式串行通信编程 串行通信基本知识异步传送和同步传送波特率 bps异步传送帧格式UART Universal Asynchronous Receiver and Transmit 8051 UART 内部结构 Acc SCON SBUF SBUF T1SCON, SBUF寄存器 SCON 串口控制器 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SBUF 数据缓冲器 工作方式与波特率计算 工作方式: 波特率bps方式0: 扩展并口 fb0 = fosc /12方式1: 8位数据 ( T1为方式2) fb1= 2S