《片机的硬件结构》课件

片机的硬件结构欢迎来到《片机的硬件结构》课程。本课程将深入探讨单片机的内部构造和工作原理，帮助您全面理解这种微型计算机的核心技术。课程目标理解单片机基本结构掌握CPU、存储器和I/O接口等核心组件的功能和工作原理。熟悉8051单片机深入学习8051单片机的内部结构、寄存器组和特殊功能寄存器。掌握外围电路设计学会设计和使用定时器、中断系统、串行通信和AD/DA转换器。了解应用领域探索单片机在各行业中的广泛应用，激发创新思维。什么是单片机定义单片机是一种集成度很高的微型计算机芯片，将CPU、存储器、定时/计数器、中断系统、I/O接口等功能集成在一个芯片上。特点体积小、功耗低、可靠性高、成本低、应用灵活。适用于各种嵌入式系统和智能控制设备。单片机的发展历程11971年英特尔推出世界上第一款单片机4004。21980年英特尔发布8051单片机，成为经典架构。31990年代ARM架构单片机兴起，低功耗高性能。421世纪物联网时代，单片机向更小型化、智能化发展。单片机的基本结构中央处理器(CPU)控制单元和算术逻辑单元，负责指令执行和数据处理。存储器包括程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)，存储程序和数据。I/O接口实现单片机与外部设备的数据交换和控制。特殊功能模块如定时器、中断系统、串行通信接口等，扩展功能。CPU的构成控制单元负责指令的译码和执行，控制各个部件的工作。算术逻辑单元(ALU)执行各种算术和逻辑运算，处理数据。寄存器组存储临时数据和中间结果，加快数据处理速度。CPU指令系统数据传送指令实现寄存器、存储器、I/O端口之间的数据移动。算术运算指令执行加、减、乘、除等基本算术运算。逻辑运算指令执行与、或、非、异或等逻辑操作。控制转移指令实现程序的跳转、循环和子程序调用。存储器结构程序存储器(ROM)存储程序代码和常量数据。通常为非易失性存储器，如Flash或EEPROM。数据存储器(RAM)存储程序运行时的变量和临时数据。易失性存储器，掉电后数据丢失。ROM和RAM的特点ROM特点非易失性、只读、容量较大、访问速度较慢。RAM特点易失性、读写速度快、容量较小、功耗较高。ROM应用存储操作系统、固件和应用程序。RAM应用存储运行时数据、堆栈和缓冲区。I/O端口的功能输入功能接收外部设备的信号和数据。输出功能向外部设备发送控制信号和数据。双向数据传输根据需要切换输入输出模式。特殊功能如模拟输入、PWM输出等。中断系统中断源外部中断、定时器中断、串口中断等。中断请求向CPU发送中断信号。中断响应CPU暂停当前任务，保存现场。中断服务执行相应的中断服务程序。中断返回恢复现场，继续执行原任务。定时/计数器定时器功能产生精确的时间延迟和周期性中断，用于时间测量和控制。计数器功能统计外部事件的发生次数，用于频率测量和脉冲计数。AD/DA转换器ADC（模数转换器）将模拟信号转换为数字信号，用于采集传感器数据。DAC（数模转换器）将数字信号转换为模拟信号，用于控制模拟设备。分辨率ADC/DAC的位数，决定转换精度。采样率每秒钟采样或输出的次数，影响信号还原质量。串行通信接口UART通用异步收发器，实现全双工通信。SPI串行外设接口，高速同步通信。I2C两线制串行总线，多设备通信。集成电路引脚说明电源引脚VCC（供电）和GND（接地）。I/O引脚用于输入输出的通用端口。特殊功能引脚如复位、晶振、中断等。通信接口引脚用于串行通信的专用引脚。8051单片机引脚端口引脚P0-P3四个8位双向I/O口，可用作通用I/O或特殊功能。控制引脚RST（复位）、ALE（地址锁存）、PSEN（程序存储器使能）等。8051单片机的内部结构1CPU核心8位CPU，执行指令和数据处理。2存储器4KBROM，128BRAM。3I/O接口4个8位并行I/O口。4定时器2个16位定时器/计数器。5中断系统5个中断源，2级优先级。8051单片机的寄存器组累加器A主要用于算术逻辑运算和数据传送。B寄存器辅助累加器，用于乘除运算。程序计数器PC指向下一条要执行的指令地址。堆栈指针SP指向当前堆栈顶部。特殊功能寄存器PSW程序状态字，包含各种标志位。TCON定时器控制寄存器。SCON串行通信控制寄存器。IE中断使能寄存器。8051单片机的工作模式正常工作模式CPU全速运行，执行指令。空闲模式CPU停止工作，外设继续运行。掉电模式仅保留RAM数据，功耗最低。内存映射程序存储器0000H-0FFFH为片内ROM，可扩展至64KB。数据存储器00H-7FH为片内RAM，可扩展至64KB。特殊功能寄存器位于80H-FFH。I/O口的使用配置I/O方向通过特殊功能寄存器设置输入或输出模式。读取输入从相应的端口寄存器读取数据。输出数据向端口寄存器写入数据即可输出。位操作可对单个位进行读写操作。定时器/计数器的使用1选择工作模式通过TMOD寄存器设置16位/13位定时器或计数器模式。2设置初值将初始计数值写入TH0/TL0或TH1/TL1寄存器。3启动定时器通过TCON寄存器的TR0或TR1位启动。4中断处理设置中断使能，编写中断服务程序。中断系统的使用1设置中断向量为每个中断源编写中断服务程序。2配置中断优先级通过IP寄存器设置优先级。3使能中断通过IE寄存器使能相应的中断源。4开启全局中断设置EA位为1，允许中断。串行通信的使用配置波特率通过定时器1或专用波特率发生器设置。选择工作模式通过SCON寄存器设置同步/异步模式。数据发送将数据写入SBUF寄存器自动发送。数据接收通过中断或查询方式读取SBUF中的数据。ADC和DAC的使用ADC使用步骤选择转换通道启动转换等待转换完成读取转换结果DAC使用步骤初始化DAC写入数字量触发转换输出模拟量单片机外围电路设计晶振电路提供系统时钟，通常使用石英晶体。复位电路确保单片机正确启动和复位。存储器扩展根据需要扩展外部ROM和RAM。接