《单片微型计算机原理和接口技术》

大学计算机学院《单片微型计算机原理与接口技术》万晓华

制作武汉科技大学计算机学院大学计算机学院第一章 单片机概述单片机的概念单片机的发展单片机的应用1.1单片机的概念第一代第二代第三代第四代电子管晶体管集成电路大规模集成电路大学计算机◆学微院型计算机是大规模集成电路技术发展的直接产物，因此它属于第四代计算机。l.高速度、高性能的高档微机方向发展。2.向稳定可靠、小而廉的单片机方向发展。1.1.1单片机的名称所谓单片机,就是把中央处理器CPU(centerprocessingunit)、随机存储器RAM(Randomaccessmemory)、只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)、中断系统、定时器／计数器以及I／O(InPut／output)接口电路等主要计算机件,集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。虽然单大学计算机片学机院只是一个芯片,但从组成和功能上看,它已具有了微机系统的含义。SCMC(SingleChipMicroComputer)MCU(MicroControllerUnit)EMCU(EmbeddedMicroControllerUnit)1.1.2通用单片机和专用单片机1.1.3单片机与单片机系统大学计算机➢学单院片机＝single

chip单片机系统=single

chip+外围电路/芯片1.1.4单片机应用系统与单片机开发系统单片机应用系统是为控制应用而设计的，是单片机开发应用的成果。单片机开发系统是单片机系统开发调试的工具。1）逻辑分析仪大学计算机➢学院2）微型机开发系统MDS(MicrocomputDevelopmentSystem)3）在线仿真器ICE(InCircuitEmulator)4）芯片内的调试内核（JTAG）值得注意的是:单片机使用的是二进制的目标代码。用户无论是汇编程序还是C程序都要通过相应专用编译器进行交叉汇编后形成目标码程序，下载或烧录到单片机里才能运行。1.1.5单片机的程序设计语言和软件开发系统中使用机器语言、汇编语言和高级语言机器语言是用二进制代码表示的单片机指令；汇编语言是用符号表示的指令。大学计算机学院应用系统中只使用二进制机器语言单片机的软件系统主要包括监控程序和目标码的应用程序。单片机软件开发过程编程:在上位机上编制目标机的应用程序，再把应用程序转换成可以在目标机上运行的二进制代码。这一过程包含三个步骤:1）编译编译过程由交叉编译器实现。所谓交叉编译器就是运行在一个计算机平台上并为另一个平台产生代码的编译器。根据不同厂家不同型号MCU使用编译器不同，对于MCS-51系列一般可使用通大学计算机学用A院-51汇编或C-51编译器，但原则上不同厂家会提供专用编译器，因单片机可能指令集不尽相同。2）链接编译过程产生的所有目标文件被链接成一个目标文件。3）定址定址过程会把物理存储器地址指定给目标文件的每个相对偏移处。该过程生成的文件就是可以在嵌入式平台上执行的二进制文件。调试:可采用各种开发工具在上位机进行目标机上的应用程序调试。1.2单片机的发展1.2.1单片机发展概述1971年微处理器的研制,出现了单片的微型计算机即单片机1976年Intel公司推出了8位的MCS-48系列单片机到80年代末,世界各地厂商已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品，其中有Motoro1a公司的6801.6802，zilog公司的z-8大学计算机系学列，院Rockwell公司的6501.6502等*此外日本的NEC公司、日立公司等也都推出了各自具有特色的单片机品种。最具典型性的当为Intel公司的MCS-5l单片机系列。MCS-51是在MCS-48的基础之上发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能较MCS-48有很大的增强。此外它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。在8位单片机之后，16位单片机也有很大发展，例如l983年Intel公司推出的MCS—96系列单片机就是其中的典型代表。与MCS—5l相比，MCS—96不但字长增加一倍，而且还具有4路或8路的10位A／D转换功能。此外，在其它性能方面也有一定的提高。单片机的分类按字长可分为：4位MCU一般的单片机厂家均有自己的4位MCU产品，如OKI公司的MSM64164C.MSM64481，NEC公司的75006×系列、EPSON公司的SMC62系列等。8位MCU8位MCU是目前品种最为丰富、应用最为广泛的MCU，目前主要分为大学计算机M学CS院-51系列及其兼容机型和非MCS-51系列单片机。16位MCU16位MCU操作速度及数据吞吐能力在性能上比8位MCU有较大提高。目前以Intel公司的MCS-96/196系列、TI公司的MSP430系列及Motorola公司的68HC11系列为主。32位MCU32位MCU是单片机的发展趋势，随着技术发展及开发成本和产品价格的下降将会与8位MCU并驾齐驱。其中以基于ARM核32位MCU及Motorola公司的MC683××、68K系列应用相对广泛。大学计算机学院1.2.2

MCS-51单片机系列尽管各类单片机很多,但无论是从世界范围还是从国内范围来看,使用最为广泛的应属MCS-51单片机。基于这一事实,本教材将主要讲述MCS-51单片机,包括它的硬件、软件及其应用。MCS—51单片机系列共有十几种芯片,如表1—1所列。表1—1单片机内部程序存储器ROM配置共有:不含有内部程序存储器、掩模型只读存储器、紫外线擦除可编程只读存储器、电擦除可编程只读存储器。1.2.3

80C51单片机系列80C51单片机系列是在MCS-51系列的基础发展起来的，早期的80C51只是MCS-51系列众多芯片中的一类，但是随着后来的发展，80C51已经形成独立的系列，成为8位单片机的典型代表。大学计算◆机学80院C51系列芯片Intel:按MCS-51芯片的规则命名PHILIPS:80CXXX(ROMLess),83CXXX(MaskROM),87CXXX(Otp-ROM),89CXXX(FlashROM)Siemens:C500系列华邦:W77C51系列和W78C51系列ATMEL:AT89C51(FlashROM)80C51的三次技术飞跃从MCS-51到80C51的MCU的第1次飞跃在8051实现开放后,PHILIPS公司着力发展80C51的控制功能及外围单元,将MCS-51的单片机迅速地推进到80C51的MCU时代,形成了可满足大量嵌入式应用的单片机系列产品。引领FlashROM潮流的第2次飞跃FlashROM的使用加速了单片机技术的发展。基于FlashROM的大学计算机学IS院P/IAP技术,极大地改变了单片机应用系统的结构模式以及开发和运行条件。在单片机中最早实现FlashROM技术的是ATMEL公司的AT89Cxx系列。内核化SoC的第3次飞跃SoC即片上系统,在一块硅片上实现一个实时系统。当前嵌入式系统应用进入SoC模式,从各个角度,以不同方式向SoC进军,形成了嵌入式系统应用热潮。在这个技术潮流中,8051又扮演了嵌入式系统内核的重要角色。80C51与8051的比较80C51与8051兼容，兼容包括指令、引脚信号、总线等，指令兼容能保证两者之间不存在指令障碍以维持软件的可移植性，而引脚信号和封装以及总线的兼容则确保两者在系统扩展和接口方面的一致性，有利于系统的开发和应用。区别:半导体工艺:大学计算机MC学S-5院1:HMOS，即高密度短沟道MOS工艺；80C51:CHMOS，即互补金属氧化物的HMOS工艺，不仅保持了HMOS高速度和高密度特点而且还具有CMOS低功耗的特点。增加待机和掉电保护工作方式，以保证单片机在掉电情况下，能以最低的消耗电流维持。如果使用指令使PCON寄存器IDL位置1，则80C5l即进入待机方式。PCON寄存器的PD位控制单片机进入掉电保护方式。内部程