合工大鲁昌华单片机年讲稿ppt

1、单片机原理(yunl)与应用 鲁昌华 博士 教授(jioshu) 博导 (中科院、合工大) J 电话: 2901404.逸夫楼6101共六十七页课程(kchng)安排理论课:讲述基本原理和软硬件设计方法实验课:根据实验指导书的要求完成实验本课程是实践性较强的课程。通过课程的学习，掌握软件编程和硬件电路设计的方法，能够进行单片机系统的设计、调试工作教学合计40 学时(xush):讲课28学时(xush)，实验 12 学时(xush) 2共六十七页课程(kchng)要求考核:理论课+实验课=课程成绩教材：单片机原理及应用(yngyng) 王琼编 合工大单片机原理及应用实验教程 王琼编 合工大 参考

2、书: MCS-51单片机应用系统设计 何立民编 北航MCS-51单片机应用系统设计 李建中编西电3共六十七页涉及(shj)内容MCS-51的基本硬件结构程序设计定时(dn sh)/计数器中断系统串行口存储器接口设计4共六十七页第一章单片机概述(i sh) 单片机的概念 嵌入式系统与单片机 单片机的应用(yngyng)特点 常用单片机系列产品综述 单片机的发展趋势 5共六十七页1.1 单片机发展(fzhn)简介信息技术 1. 测量(cling)技术-传感器 2. 计算技术-计算机 3. 通信技术-标准总线 6共六十七页1.1 单片机发展(fzhn)简介7共六十七页1.1 单片机发展(fzhn)简

3、介电子计算机是科技发展的产物(chnw)电子计算机的飞速发展归功于电子元件技术的发展计算机发展.ppt单片机发展简介8共六十七页1.1 单片机发展(fzhn)简介1什么叫单片机 中央处理器CPU、随机存取存储器(数据)RAM、只读存储器(程序(chngx)ROM、并行接口PIO、串行接口SIO 、定时器/计数器CTC 、模数转换A/D 、数模转换D/A 等集成在一块芯片中(即:组成微型计算机的各功能部件) ，构成一个完整的微型计算机。2.单片机的发展第一阶段（1971-1974年）：1971年11月美国Fairchild F8+3851两片集成芯片,虽说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序

4、幕。9共六十七页1.1 单片机发展(fzhn)简介第二阶段（1974-1978年）：初级单片机阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。这个系列单片机内集成有8位CPU、并行I/O接口、8位定时器/计数器，寻址范围不大于4K，且无串行口。第三阶段（1978-1983年）：在这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器。片内RAM、ROM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器接口。这类单片机有Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。这类单片机的应用领域极其广泛，这个系列的各类产品仍然是目前(mq

5、in)国内外产品的主流。其中MCS-51系列产品，以其优良的性能价格比，成为我国广大科技人员的首选。 10共六十七页1.1 单片机发展(fzhn)简介第四阶段（1983年-现在）： 16位单片机问世，代表产品是INTEL公司的MCS-96(98)系列，数据宽度增加了一倍，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8kB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换(zhunhun)通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统11共六十七页1.1 单片机发展(fzhn)简介世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不

6、兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。PIC单片机获得了快速的发展(fzhn)，在业界中占有一席之地。12共六十七页1.2 MCS-51单片机性能(xngnng)特点（1）集成度高（2）系统结构简单(jindn)（3）可靠性高:军用品、工业品和商用品。（4）处理功能强，速度快（5）容易产品化13共六十七页产品等级(dngj)的概念一、民用级产品主要是用于机房、办公环境，其工作环境温度为070；二、军用级产品工作环境有求较高，其工作环境温度要求在-65+125 ；三、工业级产

7、品工作环境在-4085 ，在生产流程上具有：1、采用密封式封装；2、在规定的温度范围内进行电气特性测试；3、产品经过(jnggu)125 温度下44小时老化；4、老化后100%进行电气特性测试及最终质量检查。14共六十七页1.2 MCS-51单片机MCS-51单片机系列产品资源配置子系列片内ROM形式片内ROM容量片内RAM容量定时器/计数器中断源无ROMEPROME2PROMMCS-51子系列80318051875189514KB128B2165MCS-52子系列80328052875289528KB256B316615共六十七页微型计算机与单片机在硬件(yn jin)结构上的比较 微型(w

8、ixng)计算机 单片机数据RAMCPU并行I/O程序ROM定时/计数器串型端口中断控制器扩展I/O端口系统总线（DB、AB、CB）微型计算机的组成框图（由多个IC芯片组装在一个主电路板上）MCS-51单片机所有单元都组装在一个IC芯片上返回16共六十七页嵌入式系统(xtng)与单片机什么(shn me)是嵌入式系统Embedded system个人电脑嵌入式系统简单的讲，嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。广义的讲，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统17共六十七页18共六十七页嵌入式系统(xtng)的定义以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬

9、件可裁剪、适应(shyng)应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统19共六十七页嵌入式系统(xtng)的基本组成嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作(gngzu)的“器件”20共六十七页嵌入式系统的组成(z chn)要素（4个）嵌入式处理器及其硬件平台嵌入式软件系统嵌入式操作系统（可选嵌入式系统的组成(z chn)要素（4个） ）-实时操作系统RTOSI/O接口系统21共六十七页嵌入式系统的组成(z chn)要素（4个）以嵌入式处理器为核心的硬件平台嵌入式操作系统嵌入式应用软件系统应用系统的I/

10、O接口22共六十七页嵌入式微处理器的分类(fn li)嵌入式微处理器的分类(fn li)23共六十七页1、智能(zh nn)仪器仪表上数字式测角仪交直流电压(diny)电流表位移传感器单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 1.3 单片机的应用领域24共六十七页2、工业(gngy)

11、控制数控车床数控线切割机床(jchung)用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 1.3 单片机的应用领域25共六十七页3、家用电器(ji yn din q)1. 智能(zh nn)冰箱 2智能饭煲 3智能食品配料机 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 1.3 单片机的应用领域26共六十七页 4、计算机网络和通信(tng xn)领域现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机

12、进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好(j ho)的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。手机电话机程控交换机楼宇自动通信呼叫系统列车无线通信日常工作中随处可见的移动电话集群移动通信，无线电对讲机等。1.3 单片机的应用领域27共六十七页5、医用设备(shbi)医用呼吸机各种( zhn)分析仪监护仪超声诊断设备病床呼叫系统等等电池分析仪 医用呼吸机麻醉信息管理系统1.3 单片机的应用领域28共六十七页1.4 单片机的发展趋势1、低功耗CMOS化2、微型单片化3、主流与多品种(pnzhng)共存29共六十七页第二章.MCS-51单片机的内部结构a.40脚的双列直

13、插DIP封装； b.44脚的PLCC。30共六十七页MCS-51单片机内部(nib)方框图 时钟(shzhng)电路4KROM程序存储器256BRAM数据存储器2X16位定时/计数器CPU处理器64KB总线扩展控制器可编程I/O端口P0-3可编程串行口31共六十七页第二章.MCS-51单片机的内部结构32共六十七页第二章.MCS-51单片机的内部结构(1) 8位中央处理器（CPU） 运算器+控制器=中央处理器 中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算和控制操作。中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。（1）运算器电路 运算器电路是单片机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。图2.1中的AL

14、U（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、程序状态字和两个暂存寄存器等属于运算器电路。运算器电路以ALU为核心，基本的算术运算和逻辑运算均在其中进行，包括加、减、乘、除、增量(zn lin)、减量、十进制调整、比较等算术运算，与、或、非等逻辑运算，左、右移位和半字节交换等操作。运算和操作结果的状态由状态寄存器（PSW）保存。33共六十七页第二章.MCS-51单片机的内部结构（2）控制电路 控制电路是单片机的指挥控制部件，保证各部分能自动而协调地工作(gngzu)。图2.1中的PC（程序计数器）、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时和控制电路等均属于控制电路。 (2) 内部程序存储

15、器 内部程序存储器中包括(boku)4KB/8KB的存储器（ROM或EPROM），对于8051、80C51内部共有4KB的掩膜ROM，用于存放程序和原始数据。34共六十七页第二章.MCS-51单片机的内部结构(3) 内部(nib)数据存储器(4) 并行(bngxng)的I/O口(5) 定时器/计数器(6) 串行口(7) 时钟电路(8) 位处理器(9) 总线35共六十七页第二章.MCS-51单片机的内部结构下面将这40条引脚按功能分为四部分叙述其功能。1. 主电源(dinyun)引脚Vcc和Vss Vcc（40脚）：接+5V电压 Vss（20脚）：接地2. 外接晶体引脚XTAL1和XTAL236

16、共六十七页第二章.MCS-51单片机的内部结构时钟(shzhng)信号的产生C1、C2 30pF左右，晶体振荡器的频率范围(fnwi)通常是1.212MHz。37共六十七页3. 控制(kngzh)或其他电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP RST/VPD（9脚）：振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平使单片机复位。建议在此引脚与Vss之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与Vcc引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠的复位（详见复位电路内容(nirng)）。Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。 38共六十七页在复位状态下

17、：所有SFR的内容(nirng)全变为“0”,端口输出“1”。RAM内容(nirng)不变。MCS-51RSTVccMCS-51RSTVcc1K10tVT延长上电复位时间(shjin)的电路和RST端上电电压曲线具有手动复位功能 的复位电路RC39共六十七页8 46 3 52 1 VoVcc触发(chf)触发(chf)信号VoVc8 46 3 52 1 VoRSTVccP1.0VccP1.0VoV备用使用555电路构成的掉电保护电路由555构成的单稳态电路、波形 单稳态单路构成的掉电保护电路、波形40共六十七页ALE/ PROG（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁

18、存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍然以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器的1/6。因此(ync)，它可以用作对外输出的时钟，或用于定时。 对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 41共六十七页 PSEN（29脚）：此引脚的输出是外部程序存储器的读选通信(tng xn)号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期它二次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这二次有效信号将不出现。它同样可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。 EA/VPP（31脚）：当这引脚保持高电平时，访问内部程序存储

19、器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对8051/8751）或1FFFH（对8052）时将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当这引脚保持低电平时，则只访问外部程序存储器。 对于8031来说，无内部程序存储器，端口必须保持低电平，即接地，才能只选择(xunz)外部程序存储器。对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。42共六十七页4. 输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根） P0口（39脚32脚）：是双向8位三态I/O口，三功能。1：I/O口;2：数据线P0.0-P0.7; 3:”地址总线”AD0.0-A

20、D0.7。 在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收(xshu)电流的方式驱动8个LS型的TTL输入负载。 P1口（1脚8脚）：是准双向8位I/O口。一个功能I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对EPROM编程和程序验证期间，它接收低8位地址。43共六十七页 P2口（21脚28脚）：是准双向8位I/O口，二功能。1：I/O口;2:地址总线”AD0.8-AD0.15。在访问外部(wib)程序存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期

21、间，它接收高8位地址。P2口可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL输入负载。 P3口（10脚17脚）：是准双向8位I/O口，二功能。1：I/O口;2:功能线，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3口可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL输入负载。作为第一功能使用时，为普通I/O口，功能和操作方法与P1口相同(xin tn)。作为第二功能使用时，各引脚的定义见表2.2。值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。44共六十七页 P3口线的第二功能(gngnng)定义口线引脚功能P3.010RxD(串行输入口)P3.111TxD(串行输出口)P3

22、.212 (外部中断0)P3.313 (外部中断1)P3.414T0(定时器0外部输入)P3.515T1(定时器1外部输入)P3.616 (外部数据存储器写脉冲)P3.717 (外部数据存储器读脉冲)45共六十七页2.2 MCS-51单片机的存储器的配置(pizh)1.MCS-51单片机的存储器的配置(pizh)特点MCS-51单片机片内、外程序存储器的使用示意图2.程序存储器(片内与片外)3.内部数据存储器RAMMCS-51 片内 、片外 数据存储器示意图MCS-51单片机片内存储器低 128B 字节功能分配图片内 RAM（20H-2FH）中的位寻址区结构图特殊功能寄存器 SFR4.外部数据

23、存储器程序存储器六个特殊的单元46共六十七页MCS-51单片机的存储器的配置(pizh)特点在MCS-51单片机的内部集成了4K的程序(chngx)存储器和256B的数据存储器，同时还可以使用片外的程序(chngx)存储器和数据存储器，其扩展能力都是64K。从物理结构的角度讲，51单片机的存储系统可以分为四个存储空间：既片内ROM，RAM和片外ROM、RAM。从逻辑上讲（既用户编程的角度讲）51单片机的存储系统又可分为三个存储空间。既片内RAM，片外RAM和片内、外的程序存储器ROM。47共六十七页从物理结构上单片机系统(xtng)的存储器结构图（四个部分） MCS-51单片机片内ROM4K片

24、内RAM256B片外RAM64K片外ROM64K返回(fnhu)返回上一次48共六十七页如果EA=1（使用片内的程序存储器时）： 程序从0000H开始执行。 注意：在这种情况下，如果程序计数器的指针PC值超过0FFFH（4K）时，单片机就要(ji yo)自动的转向片外的ROM存储器（尽管EA=1），且从片外ROM的1000H单元开始执行程序。但单片机是无法使用片外ROM的0000H-0FFFH这4K单元。返回(fnhu)49共六十七页MCS-51单片机片内、外程序(chngx)存储器的使用示意图 0FFFH0000H0FFFH0000HFFFFH1000HEA=1时，ROM的使用(shyng)

25、EA=0时ROM的使用片外程序存储器（最大64K）单片机内部程序存储器（4K）返回50共六十七页程序(chngx)存储器六个特殊的单元在程序存储器中，有六个单元是具有特定功能。编程者是不能随便使用的。0000H单元：上电时，程序计数器PC所指向的单元0003H单元：外部中断/INT0的入口地址；000BH单元：定时器T0的溢出(y ch)中断入口地址；0013H单元：外部中断/INT1的入口地址；001BH单元：定时器T1的溢出中断入口地址；0023H单元：串行口接收、传送的中断入口地址。返回51共六十七页2.2.1 内部(nib)数据存储器低128单元 片内RAM（内部数据存储器）的地址范围

26、是00HFFH。内部数据存储器低128单元的地址范围是00H7FH。分三个区。（1）工作寄存器区 00H1FH单元共32B，是4个通用工作寄存器组，每组含8个寄存器（R0R7）。切换CPU的工作寄存器组，只要CPU执行一条单周期指令改变程序状态字PSW（特殊功能寄存器）的第3、4位，见表2.2。若程序中不需要4组工作寄存器，那么剩下的工作寄存器组所对应的单元也可以作一般的数据缓冲器使用。 Mcs-51特点之一：工作寄存器以RAM形式(xngsh)形成，分成4个工作寄存器区，每个区分成8个工作寄存器，R0R7，工作寄存器区通过PSW第3、4位确定。 52共六十七页表2.2 工作(gngzu)寄存

27、器组的选择PSW.4（RS1）PSW.3（RS0）当前使用的工作寄存器组R0R7000组（00H07H）011组（08H0FH）102组（10H17H）113组（18H1FH）53共六十七页（2）位寻址区 20H2FH单元共16个字节。这16个RAM单元具有双重功能。它们既可以(ky)像普通RAM单元一样按字节存取，也可以(ky)单独存取，这就是位寻址。20H2FH单元用作位寻址时，共有168=128位，每位分配了一个特定的地址，即00H7FH，这些地址称为位地址，如图2.3所示。位地址在位寻址时使用。例如：把24H单元中最高位（位地址为27H）置位成1，则可以(ky)使用如下置位指令： SE

28、TB 27H ； 27H 1，SETB为置位指令的操作码 位地址的另一种表示方法是采用字节地址和位地址结合的表示方法。位地址05H可以表示成20H.5。54共六十七页（3）用户数据区 307FH总共有80个RAM单元(dnyun)，存放用户数据或作堆栈操作使用。中断系统中的堆栈一般都设在这一区域内，MCS-51对用户数据区中的每个RAM单元(dnyun)是按字节存取的。55共六十七页56共六十七页表2.2 工作(gngzu)寄存器组的选择PSW.4（RS1）PSW.3（RS0）当前使用的工作寄存器组R0R7000组（00H07H）011组（08H0FH）102组（10H17H）113组（18H

29、1FH）57共六十七页（3）用户数据区 307FH总共有80个RAM单元(dnyun)，存放用户数据或作堆栈操作使用。中断系统中的堆栈一般都设在这一区域内，MCS-51对用户数据区中的每个RAM单元(dnyun)是按字节存取的。58共六十七页59共六十七页2.2.2 内部(nib)数据存储器高128单元 在MCS-51系列单片机中，内部RAM的高128单元(dnyun)是供给特殊功能寄存器SFR（Special function register）使用的。所谓特殊功能寄存器是指有特殊用途的寄存器集合，也称专用寄存器。它们位于片内数据存储器之上，离散地分布在80HFFH的地址空间范围内。 特殊功

30、能寄存器的实际个数和单片机的型号有关：8051或8031的SFR有21个，8052的SFR有26个。 它们在80HFFH的地址空间范围内，不为SFR占用的RAM单元实际并不存在，访问它们是没有意义的。表2.3列出了这些SFR的助记符号、名称和地址。60共六十七页表2.3 特殊(tsh)功能寄存器地址映像表符号名称地址符号名称地址P0#P0锁存器80HP1#P1锁存器90HSP堆栈指针81HSCON#串行口控制寄存器98HDPL数据指针低位字节82HSBUF串行数据缓冲器99HDPH数据指针高位字节83HP2#P2锁存器A0HPCON电源控制及波特率选择87HIE#中断允许寄存器A8HTCON#

31、定时器/计数器控制寄存器88HP3#P3锁存器B0HTMOD定时方式选择寄存器89HIP#中断优先级寄存器B8HTL0定时器/计数器0低位字节8AHB#B寄存器F0HTL1定时器/计数器1低位字节8BHPSW#程序状态寄存器D0HTH0定时器/计数器0高位字节8CHACC#累加器E0HTH1定时器/计数器1高位字节8DH61共六十七页1. 特殊功能寄存器下面简单介绍SFR块中的部分寄存器，其他SFR寄存器将在有关章节中介绍。（1）程序计数器PC程序计数器PC用于存放下一条要执行的指令地址，是一个16位专用寄存器，可寻址范围为065535（64K）。PC在物理上是独立的，不属于SFR。（2）累加

32、器A累加器A是一个最常用的专用寄存器，属于SFR，也称ACC。大部分单操作数指令的操作数取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数取自累加器，加、减、乘、除算术(sunsh)运算指令的运算结果都存放在累加器A或A和B寄存器中。62共六十七页（3）B寄存器 在乘除指令中，用到了B寄存器。乘除指令的两个(lin )操作数分别取自A和B，其结果存放在A和B寄存器中。例如除法指令中，被除数取自A，除数取自B，商数存放于A，余数存放于B。（4）堆栈指针SP堆栈指针SP是一个8位专用寄存器。它指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置。系统复位后，SP初始化为07H，使得堆栈事实上由08H单元开始。08H1FH单元分别属于工作寄存器组13，在程序设计中用到这些区，最好把SP值改置为