第0章 单片机原理与应用-绪论-2014

单片机原理与应用电子科学系迟正刚E-mail：chigang@.c639961)20140221课程介绍单片机的定义单片机的优点单片机课程的主要内容单片机课程的目标单片机课程的重点与要求单片机课程的教学方法单片机课程的教材及参考书一、单片机的定义单片机全称是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer,SCM），又称微控制器MCU（MicroControllerUnit）。

区别：微处理器Microprocessor

=微型CPU所谓单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EEPROM、定时/计数器、中断控制器以及串行口，并行I/O接口等部件，构成的一个完整的微型计算机系统。实质是比微型计算机还微型的计算机系统。二、单片机的优点集成度高不太复杂的应用场合，一片单片机就可以搞定。模块化结构使用方便，升级扩展容易。可靠性高总线在片内，不易受到干扰。体积小，易于屏蔽。功能强具有字处理器和位处理器。容易产品化嵌入式系统，智能仪器。三、单片机课程的主要内容主要内容分为以下4个模块单片机基本结构与基本原理

MCS-51单片机的硬件结构；MCS-51单片机的指令系统；MCS-51单片机程序设计基础（以汇编语言为主，兼顾C51

）MCS-51单片机的内部硬件资源及应用并行口；中断系统；定时/计数器；串行口MCS-51单片机的总线与系统扩展存储器、I/O、总线MCS-51单片机的应用接口技术A/D、D/A、人机接口四、单片机课程的目标目标通过课堂理论学习、课堂研讨、课程实验以及课程设计活动，使学生系统地掌握单片机的硬件结构、指令系统和各种接口设计，提高学生的软硬件设计能力，使学生能够根据应用需求设计出符合实际要求的单片机应用系统。本课程也为学生将来进一步学习DSP、嵌入式微处理器打下良好的基础，从而培养和提高学生的创新能力。核心目标设计能力与创新能力的培养与提高不要把单纯的制造（复制）能力当成设计能力，山寨也是一种能力，但是，精英是山寨不出来的。课程重点单片机硬件系统及基本使用嵌入式系统的基本设计方法具体步骤熟悉硬件硬件资源的合理使用结构化模块化的系统设计方法成本约束下的系统优化设计课程内容围绕单片机硬件资源逐步展开，从模块设计，到系统合成。软件编程技术不是本课程训练的重点，但是要会用。编程语言以汇编为主，兼顾C51。五、单片机课程的重点与要求六、单片机课程的教学方法本课程以研讨教学法为主展开课程学习，教学项目 学时 成绩课堂讲授 36学时研讨(8次) 12学时 20%（包括研讨报告）实验(8个) 16学时 20%（包括实验报告）期末考试 60%课程设计 单独开设研讨教学法的特点特点：合作学习：课堂研讨以小组为单位

自主学习：课下，学生做，教师辅导； 课上，学生讲，教师点评。考核：以小组考核为主，兼顾个人表现。分组：

3~4人一组。每班16组。研讨、实验、设计同一组。研讨教学法的实施研讨方法：下达任务。提前一周下达课题，以小组为单位进行准备。课前辅导。在单片机实验室，进行交流辅导。课堂讨论。小组成员介绍课题任务完成情况，解答疑问。提交报告。研讨课后，每组提交1份该课题的研究报告。研讨要求：独立完成：每次课堂研讨时，各组都要完成至少1个研讨课题。所有任务都要求独立完成。不允许出现copy报告（成绩计0分）。积极参与：每组至少有2次机会在课堂上介绍自己的研讨课题。研讨题目：研讨题目以教材内容（包括习题、例题）为基础，并做必要拓展。单片机课程实验资源介绍目前电子系与单片机有关的实验室有两个。PROTUES仿真实验室有40个节点，并可以通过校园网登陆服务器远程使用。单片机实验室有16套实验设备，（实验箱+仿真器+PC机）。要求同学们自己装备的实验软件与设备。每人一台PC机，安装星研仿真器的虚拟仿真软件和PROTUES仿真软件（7.2版本）。每组制作一个51单片机学习板。结合课程设计任务，材料及基本工具由实验室统一提供，制作在实验室完成。单片机实验课基本原则

每个实验都包括基本实验内容和拓展实验内容。实验采用按小组考核方式。考核内容包括实验完成情况和实验结果分析即实验报告。基本实验内容必须完成。可补做实验。不允许出现copy报告（成绩计0分）。实验成绩占总成绩的20%。实验分班进行，共8个实验，每次做2个，即每班共有4次实验课（一般安排下午）。七、单片机课程教材及参考书李群芳，《单片微型计算机与接口技术（第4版）》，电子工业出版社，2012。教材电气教研室，《单片机原理与应用实验指导书》，惠州学院，2014。实验用韩晓东，《单片机课程同步实验指导》，清华大学出版社，2013。课程设计用参考书张毅刚，《单片机原理及应用》（第二版），高等教育出版社，2010李强，《51系列单片机应用软件编程技术》，北京航空航天大学出版社，2009徐爱钧，《8051单片机实践教程——asm51汇编语言与C51高级语言应用》，电子工业出版社，2009第0章绪论1计算机的发展与分类2嵌入式计算机系统的构成3单片机及其特点附录:微机原理基本概念复习1计算机的发展与分类1.1计算机技术的发展概述计算机的诞生

1945年底，世界上第一台使用电子管制造的电子数字计算机在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院研制成功（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator——ENIAC，即电子数字积分计算机），并在1946年2月15日举行了计算机的正式揭幕典礼。这台电子计算机总共用了18800个电子管，耗电140千瓦，占地150平方米，重达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。电子计算机的诞生是人类最伟大的发明之一计算机的发展按照组成计算机的元器件的技术发展水平作为分类的依据，计算机技术的发展已经走过了4代。第一代计算机是电子管计算机（1947-1958年）

以电子管（EVL）为基本逻辑元件。主存储元件为汞延迟线，数字表示为定点数据，语言软件为机器语言或汇编语言。第二代计算机是晶体管计算机（1958~1964年）以晶体管（TTL）为基本逻辑元件。主存储元件为磁芯存储器，数据表示有浮点数据与变址，语言软件获得了发展，有FORTRAN、BASIC、COBOL等第三代计算机是集成电路计算机（1964~1971年） 以中小规模集成电路（SSI、MSI）为基本逻辑元件。主存储器为 半导体存储器，系统采用微程序技术与虚拟存储，并有多种高级 语言和成熟的操作系统。计算机的发展第四代计算机是大规模集成电路计算机（1971年~）。采用大规模集成电路（LSI、VLSI）为基本逻辑元件。主存储器为大规模、高密度半导体存储器，系统结构采用并行、多机、分布式及网络系统，并发展到了多媒体机型。第五代计算机？应用生物技术、纳米技术和量子技术。从应用的角度来看发展趋势：向小的方向发展：成本更低，使用更方便，更灵活向大的方向发展：超级计算机我国成功研制超百万亿次计算机曙光5000，（中新网2008-08-31）超级计算机是体现国家科技发展水平和综合国力的重要标志。局部突发性灾难预报(如洪水、海啸)，纳米技术领域的复合材料结构分析和功能预测、气象领域的短期天气预报等领域都需要超级计算机的协助。

微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍

------摩尔定律GordonE.MooreIntel公司的创始人之一1.2计算机的分类计算机已经广泛地介入到人类的日常生活中。按照计算机的用途、性能的不同，存在不同的分类方法。对于最常见的PC（PersonalComputer）机，按照用途不同，可以分为3种类型：家用PC商用PC工业控制用PC家用和商用PC的性能差别不大，而工业控制用PC（工控机）则强调高可靠性。PC机最大特点就是通用性和兼容性，由此带来低成本和高性能。现代工业控制系统中的计算机

以数控机床为例，现代工业控制系统的基本结构

采用通用PC机组成微机数控系统的特点是便于实现，但通用PC机的可靠性不够1）

采用工业PC（IPC）2）

采用可靠性更高的系统组成方案几种常见的工业控制系统组成方案：PC＋DOS系统PC＋windows系统MCU系统（无OS）MCU＋嵌入式操作系统PLC系统MCU（MicroControllerUnit）微控制器PLC（ProgrammableLogicController

）可编程序控制器计算机的新分类以应用为中心、按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用进行分类，将其分为：嵌入式计算机通用计算机嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、针对具体应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。注意：嵌入式系统虽为专用系统，但是，可以采用通用芯片组建而成。当然嵌入式系统也可以采用专用芯片。采用专用芯片构成的系统，其成本较高，目前只在少数领域中应用。2嵌入式计算机系统的构成2.1嵌入式计算机硬件系统1）嵌入式处理器嵌入式系统的核心部件2）常规外设及接口3）专用外设及接口4）操作控制台和报警设备嵌入式处理器有以下三类嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)功能同标准的CPU，但在工作温度、

电磁干扰、可靠性等方面做了各种增强。例如ARM,32位微处理器，以它为核，构成多种ARM嵌入式系统，用于信息处理、多媒体技术等高科技领域。嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU又称单片机)将计算机的基本部分（CPU存储器IO接口）集成在一块芯片上的微机，用于常规的控制和检测。（教材名称的含义——强调接口）数字信号处理器DSP

(DigitalSignalProcessor,DSP)DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。2.2嵌入式计算机软件系统1）嵌入式操作系统实时多任务操作系统——已经产品化，适应于大型系统windows是分时多任务的操作系统实时监控程序——实现对用户的任务进行管理，对系统中的突发事件进行实时响应，适应于中型系统。强调实时性，对多任务处理能力有限（即多中断的处理能力）对照PLC的工作方式，其实时性如何满足？无操作系统——系统的硬件资源的管理和对事件的实时响应全部归到用户程序，适应于小型系统。2）用户程序实现用户的功能要求。必要时实现对系统资源的管理。2.3嵌入式计算机系统的发展趋势：

在三、五年以前，一般的看法是专用的、功能不很复杂的场合使用无操作系统的MCU系统（单片机系统），而通用性的，功能复杂、要求人机界面友好的场合使用PC机＋windows结构，因其资源丰富，开发简单。但是，目前随着单片机系统资源的逐渐丰富，以及嵌入式操作系统的不断发展，更重要的是出于对可靠性的追求，人们又更多的倾向于使用“单片机＋嵌入式操作系统”来取代“PC机＋windows”的工控系统结构。

注：无操作系统的MCU应用于工业控制已经有很久的历史了，但嵌入式计算机系统的称谓是随着嵌入式操作系统的成熟而流行起来。本书以市场占有率最高的MCS-51单片机为核心，介绍嵌入式系统设计基础和设计方法。但是在嵌入式操作系统方面，仅限于实时监控程序。3单片机及其特点3.1单片机的定义：

单片机全称是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer,SCM），又称MCU（MicroControllerUnit）。

所谓单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EEPROM、定时/计数器、中断控制器以及串行口，并行I/O接口等部件，构成的一个完整的微型计算机系统。

2wyx回

顾：有关微型计算机的基础知识

硬件：微处理器，存储器，总线，I/O接口软件：系统软件，应用软件计算机系统通常由多块印刷电路板制成：

主板显卡声卡存储器接口网卡输入输出接口内存条CPUCPUCPU芯片内存条存储器接口存储器芯片输入输出接口输入输出接口芯片定时计数器芯片A/D、D/A芯片单板机

印刷电路板

单硅晶片CPU存储器控制电路定时器时钟电路I/O口单片机3.2单片机的分类按用途可分为通用型和专用型两大类：（1）通用型可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。（2）专用型专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大。对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑。“专用”单片机具有十分明显的综合优势。3.3单片机的发展简史四个阶段:第一阶段(1974年～1976年)：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较简单。第二阶段（1976年～1978年）:低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表。第三阶段(1978年～现在)：高性能单片机阶段。Intel公司的MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。第四阶段(1982年～现在)：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。3.4单片机的应用

单片机基本特点：体积小：SO-8封装，3mm*3mm重量轻：小于1克价格便宜：常用型号低于￥5.00功耗低：工作电流<5uA功能强：低端够用，高端超过PC使用温度：民品：

0°C—+70°C工业品：-40°C—+85°C军品：

-65°C—+125°C单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域

1.工业自动化 5.武器装备

2.智能仪器仪表 6.终端及外部设备控

3.消费类电子产品 7.多机分布式系统

4.通讯

3.5单片机的发展趋势1）CPU的改进（1）采用双CPU结构，提高处理能力（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。（3）串行总线结构，菲利浦公司的I2C总线（Inter－Icbus）。用两根信号线代替现行的8位数据总线。2）存储器的发展（1）加大存储容量。（2）片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash）存储器（3）程序保密化。3）片内I/O的改进（1）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。（2）增加I/O口的逻辑控制功能。（3）设置了一些特殊的串行接口功能，构成分布式、网络化系统。4）外围电路内装化器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内－－系统的单片化。5）低功耗化CMOS化CHMOS工艺。总之，向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化方向发展。3.651系列单片机20世纪80年代后期:Intel公司以专利的形式把8051内核技术转让给厂家。如：ATMEL、PHILIPS、ANALOGDEVICES、DALLAS公司。这些厂家生产的兼容单片机，与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺。80C51系列：所有具有8051指令系统的单片机不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号。51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：（1）基本型、（2）增强型、（3）低功耗型、（4）专用型、（5）超8位型、（6）片内闪烁存储器型51系列单片机分类（1）基本型

典型产品：8031/8051/8751（2）增强型

典型产品：8032/8052/8752

内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。（3）低功耗型

典型产品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺，适于电池供电或其它要求低功耗的场合。（4）专用型

8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZUSR-2100单片机－USB接口。51系列单片机分类（5）超8位型

典型产品：PHILIPS公司80C552/87C552/83C552系列单片机。将MCS-96系列（16位单片机）I/O部件如：高速输入/输出（HSI/HSO）、A/D转换器、脉冲宽度调制（PWM）、看门狗定时器（WDT）等移植进来构成新一代MCS-51产品。功能介于MCS-51和MCS-96之间。目前已得到了较广泛的使用。（6）片内闪烁存储器型

美国ATMEL公司的AT89C51单片机，受到应用设计者的欢迎。MCS-51系列以及80C51系列单片机有多种类型，但掌握好MCS-51的基本型（8031、8051、8751或80C31、80C51、87C51）是十分重要的。它们是具有MCS-51内核的各种型号单片机的基础，也是各种增强型、扩展型等衍生品种的核心。3.7单片机系统开发条件单片机芯片以80C51为主开发工具PROTEUS仿真软件——EDA软件，基于原理图的虚拟仿真星研仿真器——替代目标板的CPU，进行实际系统仿真资料手册单片机实验指导书（惠州学院2014）详细资料：网络：下载使用手册图书馆：借阅相关参考书籍3.8其他单片机简介精简指令集简介：

1997年ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生共同研发出的精简指令集(RISC—ReducedInstructionSetComputer)的高速8位单片机，简称AVR。

AVR单片机抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法。采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将操作数与操作码安排在一字之中，指令长度固定、指令格式与种类相对较少、寻址方式也相对较少，绝大部分指令都为单周期指令。取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。有多种单片机采用RISC方式现介绍几种1）

PIC系列单片机美国Microchip公司的产品。特性如下：（1）最大的特点是从实际出发，重视性能价格比，已经开发出多种型号来满足应用需求。PIC系列从低到高有几十个型号。PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界最小的单片机。有512字节ROM、25字节RAM、一个8位定时器、一根输入线、5根I/O线，价格非常便宜。用在摩托车点火器非常适合。PIC16C74有40个引脚，其内部资源为4KB

ROM、192BRAM、8路A/D、3个8位定时器、3个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚。（2）其他特点：精简指令集使执行效率提高、其引脚具有防瞬态能力、保密性好、片内集成了看门狗定时器、设有休眠和省电工作方式。432）EM78系列单片机台湾义隆公司推出的八位EM78系列单片机已有多年，并广泛应用在家用电器、工业控制、仪器等方面，其优良的单片机结构和性能为用户所认同。——进入内地较晚EM78系列单片机将众多功能集于一身，这其中包括ALU、ROM、RAM、I/O、堆栈、中断控制器、定时/计数器、看门狗、电压检测器、复位电路、振荡电路等。——与51系列类似EM78系列单片机指令系统采用与大家熟知的MCS-51指令风格设计，共计58条指令，大家通过较短的时间便能掌握运用。EM78系列单片机有二十种之多，用户可根据应用产品的要求，选择合适的EM78单片机。以外部封装为例，有以下几种：型号引脚数型号引脚数p15314

p156E18

p44728、32p45140、42、44

p45820、243.9嵌入式微处理器嵌入式微处理器(EmbeddedMicroProcessorUnit，

EMPU)的基础是通用计算机中的CPU。在应用设计中，将嵌入式微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，可大幅减小系统体积和功耗。为满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。代表性产品为ARM系列，ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，其中RISC是精简指令集计算机的缩写。同时ARM也是设计ARM处理器的美国公司的简称。ARM家族主要有5个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。453.10飞思卡尔单片机概述

1）低端8位单片机——MC9RS08KA8位微控制器正逐渐向小型化应用发展。飞思卡尔籍着MC9RS08KA进入超低端市场。◆MC9RS08KA特性高达2KB的第三代Flash，可以按字节极快速地写入程序灵活的时钟选项具有8位预标量的8位模数定时器模拟比较器，输入信号仅需使用1个引脚具有3位预标量的实时中断触发器4条双向输入/输出（I/O）线路系统保护，包括低压检测（LVD）功能后台调试系统提供6引脚DFN、8引脚塑料双列直插引脚（PDIP）和8引脚窄体小外形集成电路（NB-SOIC）封装2）高端8位单片机——MC9S08AWMC9S08AW系列单片机可应用在家电、汽车、安全系统、工业控制与照明控制等。

◆MC9S08AW特性增强型掉电检测。总线频率最高可达20MHz第三代Flash存储器可选：16K、32K和60K片上调试接口内部时钟发生器带有用8个可编程通道的定时器10位、16通道ADC广泛的串行信口56条I/O线允许的温度范围为：-40°C~+125°C4种封装选项：64QFP、64LQFP、48QFN和44LQFP。3）16位单片机系列——汽车电子专用

飞思卡尔（Motorola）有着30多年汽车电子的领导地位。飞思卡尔提供所有16位汽车电子解决方案。——有针对性的多产品系列。例如：面向仪表板应用；面向底盘节点中执行器和传感器应用；面向汽车车身电子应用；面向通用低端；面向通用高端等一系列产品。以管脚封装为例：低端产品提供48到80个管脚的封装形式，中端产品提供64到112个管脚的封装。高端产品提供80到208个管脚的封装。4）微控制器MC9S12DG128

MC9S12DGl28微控制单元是一个16位的单片机，包含有：一个16位的中央处理单元(HCSl2CPU)，16位的数据线128KB的FlashE2PROM，8KB的RAM，2KB的E2PROM，2个异步串行通讯接口(SCI)，2个同步串行外围接口(SPI)，1个含8个输入捕捉通道或输出19比较通道的增强型捕捉定时器，2个8路10位模数转换器(ADC)。1个8路的脉宽调制模块(PWM)，1个字节数据链路控制器(BDLC)，29个独立的数字I／O口(通道A，通道B，通道K，通道E)，20个独立的带有中断和唤醒功能的数字I／O口，3个兼容CAN2．0A／B协议的单元(MSCANl2)，1个Byteflight单元和1个12C总线接口。LQFP-112和QFP-80封装选择

MC9S12DGl28结构图MC9S12DGl28封装图5）微控制器MC9S12XS128MC9S12XS128单片机较MC9S12DG128有很多改进。速度更快、性能更高，操作简化，可靠性提高。是当前Freescale最先进的单核16位单片机。增加一个全局寄存器，实现对整个寻址空间的连续寻址。CPU指令增减。将原来只有累加器A、B或D可进行的算术和逻辑运算指令扩展到X、Y寄存器也能进行。累加器D则增加了扩展到32位的加、减运算指令。还增加了一套扩展比较指令，将C标志、Z标志扩展到32位数的比较。不可中断的读-改-写指令原来是对字节的8位操作，在S12X系列CPU中扩展为16位操作。不通过CPU寄存器，从存储器直接到存储器的Move指令也由原来的单一寻址方式，扩展到所有寻址方式。S12XSCPU不再支持模糊逻辑指令

A/D变换精度从10位提高到12位闪存读写、容错与纠错增加了一个片内温度传感器。6）32位单片机系列飞思卡尔32位处理器系列不断丰富创新功能，并为今后多种行业的控制应用确立了标准。

１、PowerArchitecture处理器２、68K/ColdFire３、ARM®

处理器４、MCORE处理器

53（1）总线(BUS)

总线是连接CPU与各功能部件并进