第一章单片机概要

第一章单片机概要1第1页，课件共65页，创作于2023年2月课时安排总学时：64学时其中：课堂教学32学时实验教学24学时上机环节8学时成绩比例分配：

课堂50%；实验上机40%；平时10%。考试方式：开卷杨筱老师：138818079282第2页，课件共65页，创作于2023年2月有关本课程学习的几点建议

本课程是一门实践性、应用性很强的学科仅仅听懂还不够,重在培养动手能力硬件/软件同样重要、不可偏废

硬件是骨架，软件是皮肉器脏及思想本课程的前期基础课程是数字电路这方面知识掌握得不够好的请自己补上预习、听课、复习、作业、实验环环都重要用科学的方法学习3第3页，课件共65页，创作于2023年2月第一部分单片机概论——2第二部分

单片机硬件基础知识——4第三部分单片机软件基础知识——8第四部分

单片机内部资源及应用——6第五部分单片机外部扩展资源及应用——6第六部分单片机C51程序的设计——6课堂授课时间分配:(32学时)4第4页，课件共65页，创作于2023年2月答疑安排答疑时间：每周三下午3:00-5:00;答疑地点：光电楼三楼325联系方式：832043635第5页，课件共65页，创作于2023年2月教材《单片机原理及应用》姜志海主编电子工业出版社，2005年7月

6第6页，课件共65页，创作于2023年2月推荐参考书硬件设计：《MCS-51系列单片机应用系统设计》何立民，北京航空航天大学出版社软件设计：《单片机的c语言应用程序设计》马忠梅等编著，北京航空航天大学出版社嵌入式系统设计：《嵌入式系统构件》JEANJ.LABROSSE机械工业出版社7第7页，课件共65页，创作于2023年2月网上资源8第8页，课件共65页，创作于2023年2月第一讲单片机概要本讲重点：单片机的定义;单片机应用;常见的单片机类型;单片机应用系统的开发要点.

9第9页，课件共65页，创作于2023年2月单片机概要

在工业、农业、军事、保安、金融、仪器仪表、航空航天、医疗、通讯、办公设备、娱乐休闲、健身、体育竞赛、服务领域……,大量单片机-嵌入式技术已经无处不在。正迅速改变着人们传统的生产和生活方式。只要稍微留心一下我们的周围，几乎每天科技都存在着不同程度的变化。10第10页，课件共65页，创作于2023年2月单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域11第11页，课件共65页，创作于2023年2月单片机与嵌入式技术重要吗？有用吗？遥远吗？问题的答案是不言而喻的。

12第12页，课件共65页，创作于2023年2月数字电路中由13片IC组成的数字钟13第13页，课件共65页，创作于2023年2月数字电路中由13片IC组成的数字钟14第14页，课件共65页，创作于2023年2月数字电路中由13片IC组成的数字钟15第15页，课件共65页，创作于2023年2月单片IC（单片机）电子钟单片机16第16页，课件共65页，创作于2023年2月难：1.单片机系统设计涉及到的知识面很广，包括模电，数电和传感器技术等很多内容;2.软硬件协同设计，要求大家不仅要掌握硬件设计，更重要的是学会软件的编写。不难：单片机课程在中专学校也在开设，很多单片机爱好者仅仅通过实践动手也能够学好单片机。只要多实践，多动手就能很快进入单片机学习的大门。学习单片机难与不难的辩证思想17第17页，课件共65页，创作于2023年2月如果将运算器、控制器、数据与程序存储器、输入/输出接口集成在一块单硅片上，那么这种芯片就被称为单片机。芯片CPU存储器Soc系统：SystemOnaChip定时/计算器并行接口中断系统串行通信接口单片机的定义

18第18页，课件共65页，创作于2023年2月

单片机与嵌入式：单片微机（SingleChipMicro-computer）微控制器（Micro-ControllerUnit——MCU）嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontroller）

单片机应用领域：测控系统、智能仪表、智能接口、办公自动化、光机电一体化设备、通讯设备、网络设备、汽车电子、消费类电子产品、智能楼宇设备……

单片机的多元化发展：Intel

Motorola

PhilipsAtmel

SiemensNS

LG

Winbond

MicrochipEPSON

NEC

Cypress

Dallas

Oki

FairchildFujitsu

HitachiSAMSUNG……19第19页，课件共65页，创作于2023年2月单片机技术现状

4、8、16、32位单片机，8位占主流，32位有上升趋势。单片机的发展趋势1、CPU性能 速度、字长、流水线操作；2、存储器 容量、结构形式、安全性能；20第20页，课件共65页，创作于2023年2月3、I/O性能 驱动能力、总线类型（SPI，I2C、USB、CAN……）、寻址方式；4、提高外围电路集成度 A/D、D/A、DMA、LCD接口……5、低功耗 21第21页，课件共65页，创作于2023年2月部分单片计算机实物图片22第22页，课件共65页，创作于2023年2月Intel低性能单片机阶段IntelMCS-48——Introduced197680488-bitmicrocontroller,Intel'sfirstμC

–Videogameconsole

–IBMPCkeyboard.

–64ByteRAM,1024bitROM

11MHz2Timer3x8Ports802180358039804923第23页，课件共65页，创作于2023年2月Intel低性能单片机阶段（续）IntelMCS-41——Introduced1979–keyboardcontrol；–simpletaskssuchasADCcontrol8741microcontroller–128ByteRAM1024bitROM；-6MHz2Timer3x8Ports8742microcontroller–256ByteRAM2048bitROM；-12.5MHz2Timer24第24页，课件共65页，创作于2023年2月Intel高性能单片机阶段IntelMCS-51——Introduced1980

–The51isoneofthemostpopularMCUsonthemarket；

–Multi-InterruptSystem,UART8751microcontroller

–128ByteRAM4096bitROM；-12MHz2Timer3x8PortsMCS-51Family

–Speedupto100MHzbySiLabs；

–Alltoldthereareover1000versionsofthe8051core

•AMDAtmelDallas-Maxim

•InfineonSiLabsPhilips

•Andmanymore...25第25页，课件共65页，创作于2023年2月Intel高性能单片机阶段(续）803180328744875287548X251TB26第26页，课件共65页，创作于2023年2月Intel16位单片机阶段IntelMCS-96-Introduced1982

–16-bitembeddedmicrocontrollers

–120,000transistorsHighSpeedI/0ADC87C196

–232ByteRAM8KROM16MHz2Timer48I/OLines8bitADCs80C196KC87C196KD27第27页，课件共65页，创作于2023年2月Intel32位单片机阶段Inteli960——Introduced1988

–32-bitRISCmicroprocessor

–speedsfrom16-133MHz

–SCSIControllers,NetworkDevices,PrintersIntelA80960CA-25

–1micronCHMOSIVprocess600,000transistors

–168-pinceramicPGA

–25MHzSpeed

–high-speedinterruptcontroller

–Buscontroller4DMAchannels28第28页，课件共65页，创作于2023年2月几种有特色的单片机单片机应用选择呈多元化趋势高速度，宽电压，低功耗，大容量，大寻址，多功能，多接口，FlashROM，FlashRAM……等高技术成分下移至8位机80C51系列单片机已经成为单片机工业标准采用80C51核派生的单片机种类众多，各具特色软件开发工具以C取代单纯汇编语言的进程很快（FranklinC51，KeilC51……）29第29页，课件共65页，创作于2023年2月Atmel 89C系列：1051/2051/4051/51/52/58 AVR系列：AT90S1200/S2313/S8515……Philips P87LPC系列：760/761/762/764/769…… P89C系列：51RA/RB/RC/RD……Winbond W77系列，W78系列，LG GMS90系列，GMS97系列（OTP）Siemens80C系列：31/51/21/512/515/517/537；SAB系列：C501/502/503；AMD80C系列：31/51/53/321/535/52T2； 87系列：8751/8753/87C51……30第30页，课件共65页，创作于2023年2月8051单片机8051单片机

–8051单片机最早由Intel公司推出，CISC(ComplexInstructionSetComputer)复杂指令集，共具有111条指令。其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛。Atmel公司

–89C系列

–90年代初，ATMEL率先将MCS-51内核与快闪存储器(FLASH)相结合，推出了倍受瞩目的AT89系列单片机。最常用的芯片。

–1051/2051/4051/51/52/58

–89S系列支持ISP(In-SystemProgramming)编程31第31页，课件共65页，创作于2023年2月RSTVCC(RxD)P3.0P1.7(TxD)P3.1P1.6XTAL2P1.5(T0)P3.4P1.1(Ain1)GNDP3.7XTAL1P1.4(INT0)P3.2P1.3(INT1)P3.3P1.2(T1)P3.5P1.0(Ain0)AT89C205120脚DIP封装AT89C51（40脚DIP封装）ATMEL的AT89C1051/2051/405132第32页，课件共65页，创作于2023年2月ATMEL的AT89C1051/2051/4051主要性能20引脚封装（15条I/O线）片内精确的模拟比较器与MCS-51/AT89C51系列兼容可擦/写1000次，数据可保存10年PI型工作电压范围2.7—6V全静态工作频率为0—24MHz两级程序存储器加密可直接驱动LED(IOL=20mA驱动能力)128x8位片内RAM1K/2K/4K片内ROM其他：时钟电路定时器，串行口，中断源，节电方式……33第33页，课件共65页，创作于2023年2月8051单片机WINBOND公司

–W77，W78系列

–与8051兼容，每个指令周期只需要4个时钟周期，速度提高了三倍，工作频率最高可达40MHz。

–WatchDog，Timer，6组外部中断源，2组UART。AD(ANALOGDEVICES)公司

–ADμC8xx系列

–8052内核，12位ADC多路通道，双12位DAC通道，

–片内62kBFLASH程序存储器，片内8kBFLASH数据存储器、256ByteRAM和2kB扩展RAM。

–2个16位Σ-Δ双输出16位PWM(PulseWidthModulation)

–主要用于数据采集系统34第34页，课件共65页，创作于2023年2月ADIAD

C8xx系列微控制器

35第35页，课件共65页，创作于2023年2月

8通道12位高精度ADC;2个12位电压输出DAC;双输出PWM/Σ-ΔDACs；片内温度传感器±3°C；片内电压参考：+3V/+5V

DC性能:±1LSBINL;AC性能:71dBSNR;

高速ADC-to-RAM捕获DMA控制器;

62kB片内闪速/电擦除程序存储器;4kBytes片内闪速/电擦除数据存储器,存储保持100年,重复擦写10万次;2304B片内数据RAM

基于8051的内核：与8051兼容的指令集(最大16MHz)；12个中断源，2个优先级；双数据指针；扩展的11位堆栈指针

片内外围设备：时间间隔计数器(TIC)；UART,I2C®,和SPI®串行接口I/O；看门狗定时器(WDT),电源监视器(PSM)

电源：使用指定的3V和5V电压工作；正常、空闲和掉电模式；掉电功耗:20μA@3V应用领域：光纤网络—激光电源控制；基站系统精密仪器,智能传感器DAS和通信系统

AD

C832特性:36第36页，课件共65页，创作于2023年2月8051单片机Philips公司

–P8XC系列

–80C51内核，HCMOS技术，低功耗静态设计。

–宽工作频率(DC-33MHz)，宽工作电压范围(2.7-5.5V)。SiliconLab公司

–C8051F系列

–8051兼容的高速CIP-51内核

–完全集成的混合信号系统级芯片SOC(SystemOnChip)

–常用的模拟、数字外设及其他功能部件；

–内置大容量FLASH程序存储器、数据存储器；

–JTAG(JointTestActionGroup)调试。37第37页，课件共65页，创作于2023年2月新华龙推出美国SiliconLab公司的C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC),具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置FLASH程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM,即XRAM。C8051F单片机具有片内调试电路,通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。SiliconLab公司的C8051F系列单片机38第38页，课件共65页，创作于2023年2月20MIPS8051CPU32k字节FlashROM256字节RAMUART,SPI,I2C4个16位定时器可编程计数器阵列（PCA）32个I/O口10位ADC;100ksps;电压基准;12位DAC比较器;温度传感器JTAG非侵入式在系统调试-40℃到+85℃;TQFP-64封装IO端口可以重新配置 C8051F010特征：39第39页，课件共65页，创作于2023年2月PIC单片机PIC(PeripheralInterfaceController)单片机

–美国Microchip公司1994年发布的完全不兼容MCS-51的新一代单片机，CPU采用RISC(ReducedInstructionSetComputer)精简指令结构，仅33条指令。

–适合控制关系简单的外围设备，多用于用量大,档次低,价格敏感的产品。Microchip公司:PIC16C系列、17C系列

–PIC8位单片机，分别仅有33、35、58条指令

–采用Harvard双总线结构，运行速度快，价格低，体积小。

–MicrochipPIC单片机产量已跃居世界第二位(仅次于Motorola公司)。

–目前提供超过285种PIC单片机Micon公司：MDT20XX系列

–工业级OTP单片机，与PIC单片机管脚完全一致。

–海尔集团的电冰箱控制器，TCL通信产品，长安奥拓铃木小轿车功率分配器40第40页，课件共65页，创作于2023年2月MicroChipPIC系列RISC单片机(pic16c84)41第41页，课件共65页，创作于2023年2月

仅有35条14位RISC指令,全部指令为单周期(跳转2T)

1KFlashROM（x14bit）—1000次擦/写，可存40年

64RAM（x8bit）

64EEPROM（x8bit）—1000000次擦/写寿命

15特殊功能寄存器（SFR）

允许4个中断源

在电路中串行可编程（ICSP）

片上WDT，低电平复位，可编程振荡电路

8位定时器+8位定标器

13条I/O脚，均有25mA驱动能力

宽工作电压范围2.0—5.5V

全静态工作频率为0—24MHz

多种节电方式……MicroChipPIC系列RISC单片机PIC16C8442第42页，课件共65页，创作于2023年2月AVR单片机AVR单片机

–1997年由Atmel公司研发出的增强型内置Flash的RISC高速8位单片机。硬件采用哈佛(Harvard)结构，达到一个时钟周期可以执行一条指令。而PIC单片机要4个时钟周期执行一条指令，MSC-51要12个时钟周期执行一条指令。

–AVR单片机支持ISP编程，具有丰富的外设。

–开发软件：AVRStudio，包括了AVRAssembler编译器、AVRStudio调试功能、AVRProg串行、并行下载功能和JTAGICE仿真等功能。

–应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备等各个领域。43第43页，课件共65页，创作于2023年2月AVR单片机Atmel公司

–低档Tiny系列AVR单片机:

•Tiny11/12/13/15/26/28等；

–中档AT90S系列AVR单片机:

•AT90S1200/2313/8515/8535等；

–高档ATmega系列AVR单片机:

•ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128KB）

•ATmega8515/8535等。44第44页，课件共65页，创作于2023年2月ARM单片机ARM单片机：

–ARM(AdvancedRISCMachine)，是一家英国电子公司的名字。该公司成立于1990年11月，是苹果电脑，Acorn电脑集团和VLSITechnology的合资企业。

–32位嵌入式RISC芯片内核

–ARM的产品是IP（IntelligenceProperty）Core

–ARM7,ARM9,ARM9E-S，StrongARM和ARM10系列

–适用于系统复杂度较大的高级产品，如PDA、手机等应用SAMSUNGPHILIPSATMEL45第45页，课件共65页，创作于2023年2月PHILIPSLPC2xxx系列32位ARM微控制器

LPC2100系列基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU，并带有128/256k字节(kB)嵌入的高速Flash存储器。

由于LPC2100系列采用非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、PWM输出以及多达9个外部中断，使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机(POS)等应用领域。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。后续的器件还将提供以太网、802.11以及USB功能。46第46页，课件共65页，创作于2023年2月LPC21xxLQFP48封装与引脚47第47页，课件共65页，创作于2023年2月LPC2100主要特性:

16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP和HVQFN封装；16/32/64kB片内SRAM；128/256kB片内Flash程序存储器；通过片内boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)；10位A/D转换器，转换时间低至2.44μs；CAN接口，带有先进的验收滤波器；多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口(400kHz)和2个SPI接口。48第48页，课件共65页，创作于2023年2月部分知名公司的单片机TI(TexasInstruments)公司

–MSP430系列

–1996年问世，16位RSIC单片机，27条内核指令

–在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。(89C51单片机在12MHz工作频率下指令周期为1μs)

–先进的JTAG技术和Flash在线编程技术

–1.8~3.6V电压。1MHz时钟，芯片电流200~400μA，时钟关断模式,0.1μA。(89C51单片机电源电压是5V，正常工作电流24mA，在掉电状态下，电流3mA)

–适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中49第49页，课件共65页，创作于2023年2月TIMSP430系列微控制器

116位精简指令结构

2内含10,12,14位快速ADC/SLOPADC

3内含FLASHROM多致60K字节,多致2KRAM

4片内资源丰富,有ADC,PWM,若干TIME,串行口，WATCHDOG,比较器,模拟信号

5有多种省电模式，功耗特别省，一颗电池可工作10年,在液晶显示时也能达到0.8uA的低电源消耗

6开发简单，仿真器价格低廉，不需昂贵的编程器。

7供电电压为：1.8V-3.6V，与5V器件接口时要外加接口芯片50第50页，课件共65页，创作于2023年2月MSP430系列微控制器相关图片

51第51页，课件共65页，创作于2023年2月部分知名公司的单片机Motorola公司

–世界上最大的单片机厂商。

–8位机M6805、M68HC05系列，

–16位机M68HC16，32位机M683XX。

–适合于工控领域及恶劣的环境。Scenix公司

–SX系列单片机，8位RISC结构

–与Intel的PentiumII等一起被评选为1998年世界十大处理器

–SX系列双时钟设置,指令运行速度可达50/75/100MIPS(每秒执行百万条指令,MillionInstructionPerSecond)52第52页，课件共65页，创作于2023年2月部分知名公司的单片机Zilog公司

–Z8单片机

–采用多累加器结构，有较强的中断处理能力，开发工具价廉物美。

–Z8单片机以低价位面向低端应用。EPSON公司

–4位机SMC62系列，SMC63系列，SMC60系列

–8位机SMC88系列

–以低电压,低功耗和内置LCD驱动器特点著名于世，尤其是LCD驱动部分做得很好。

–广泛用于工业控制，医疗设备，家用电器，仪器仪表，通信设备和手持式消费类产品等领域。53第53页，课件共65页，创作于2023年2月部分知名公司的单片机LG公司

–GMS90系列单片机

–与IntelMCS-51系列单片机兼容，CMOS技术，高达40MHZ的时钟频率。

–应用于:多功能电话，智能传感器，电度表，工业控制，防盗报警装置，各种计费器，各种IC卡装置，DVD，VCD，CD-ROM。日本的单片机一般均用于专用系统，很少投放市场形成通用单片机54第54页，课件共65页，创作于2023年2月单片机系统是嵌入式系统1.单片机专用于控制目的，嵌入到被控对象中，具有计算机的特点。注重小型化，功能上具有明确目的。发展方向是SOC片上系统。而PC机专用于多功能、海量运算。自己编写全部控制程序——底层应用。利用实时多任务操作系统RTOS，在操作系统中添加具有针对性的控制任务（程序）——高层应用。“单片机原理”课程教会我们底层应用RTOS是“微控制器操作系统”，它将教会我们高层应用。嵌入式系统的两个层次2.单片机与PC机是计算机发展史中的两个不同分支。55第55页，课件共65页，创作于2023年2月组成：

CPU(进行运算、控制)RAM(数据存储器)

I/O口(串口、并口等)

ROM(程序存储器)

PC机：上述部件以芯片形式安装在主板上。

单片机：上述部件被集成到单芯片中。通用PC包括：键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱、音箱、打印机、扫描仪…等外设。单片机则只是一片集成电路。（……100、48、40、32、28、20、16、8条引脚）。单片机与计算机之异同（1）56第56页，课件共65页，创作于2023年2月功能：PC机：数据运算、采集、处理、存储、传输；单片机：控制（或受控于）外设。通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、存储和传输；单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/设备/系统中，使其达到智能化的效果。单片机与计算机之异同（2）57第57页，课件共65页，创作于2023年2月应用特点：个人计算机（微机）：体积大，功耗大，价格高，用途较