《华科大单片机》课件

华科大单片机欢迎来到《华科大单片机》课程！本课程将带领你深入了解单片机的基本概念、工作原理、指令集、应用开发等知识，并通过丰富的实验项目，让你掌握单片机应用开发的实际技能。课程内容预览基础知识单片机概述、工作原理、组成、分类、典型应用指令系统指令集分类、指令执行过程、常用指令、寻址方式系统设计中断系统、定时器/计数器、输入输出端口、总线时序分析应用开发串行通信、模数转换、脉宽调制、应用开发环境、调试技巧单片机的概念及工作原理1单片机是一种集成了中央处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入输出(I/O)端口等功能的微型计算机。2单片机通过接收外部信号，进行数据处理，并控制外部设备，实现各种功能。单片机可以根据程序的指令执行各种操作，例如读取传感器数据、控制电机、显示信息等。3单片机通常由以下几个部分组成：CPU、存储器、输入输出端口、时钟电路、中断系统等。单片机的组成与功能CPU中央处理器，负责执行程序指令，控制整个单片机的运行。存储器存储程序和数据，包括ROM(Read-OnlyMemory)和RAM(RandomAccessMemory)。输入输出端口连接外部设备，用于接收外部信号或控制外部设备。时钟电路为单片机提供同步时钟信号，确保指令执行的同步性。单片机的分类及典型应用8位单片机应用于家电控制、仪器仪表、玩具等16位单片机应用于工业自动化、汽车电子、通信设备等32位单片机应用于高端工业控制、智能家居、机器人等微处理器的结构与CPU工作原理CPU是单片机的核心，负责执行指令、管理数据和控制整个系统的运行。CPU通过获取指令并解析指令，根据指令的类型进行相应的操作，例如数据运算、数据存储、数据传输等。CPU内部包含多个寄存器，用于存放指令、数据、地址等信息，用于提高CPU的运算效率。寄存器组及其功能1通用寄存器用于存储数据和地址，可以根据程序需要自由使用。2特殊功能寄存器用于控制单片机的特定功能，例如定时器、中断、I/O端口等。3程序计数器(PC)存储下一条指令的地址，控制程序的执行顺序。4堆栈指针(SP)指向堆栈的顶部，用于存储程序的中间结果和参数。存储器结构及其管理ROM存储程序、常数数据，只能读不能写，在程序运行过程中不会丢失数据。RAM存储程序执行过程中需要经常访问的数据，可以读写，数据会随着电源关闭而丢失。存储器管理CPU通过地址总线访问存储器，根据地址信息读取或写入数据。总线的工作原理及特点地址总线用于传输数据地址信息，决定访问哪个存储单元。1数据总线用于传输数据信息，双向传输，可以同时读写数据。2控制总线用于传递控制信号，控制数据的读写操作、数据传输方向等。3中断系统及其处理流程中断请求外部设备产生中断信号，请求CPU处理。中断响应CPU暂停当前程序执行，转而执行中断服务程序。中断处理CPU执行中断服务程序，处理中断事件。中断返回中断服务程序执行完毕后，CPU返回到被中断程序继续执行。输入输出端口的工作原理1输入端口接收外部设备发来的数据，将模拟信号转换为数字信号。2输出端口将CPU运算结果传送到外部设备，将数字信号转换为模拟信号。3I/O端口控制CPU通过控制信号控制I/O端口的工作状态，实现数据读写操作。定时器/计数器的工作原理1定时器通过内部计数器产生时间间隔信号，实现时间控制功能。2计数器统计外部事件发生的次数，实现计数功能。3应用用于实现延时、定时、频率测量等功能。常见外设及其接口电路LED发光二极管，用于显示GPIO键盘输入设备，用于输入命令GPIO数码管显示设备，用于显示数字GPIO电机执行机构，用于驱动机械PWM传感器感知环境变化的设备ADC单片机的系统复位1上电复位单片机上电时，内部电路自动进行复位。2外部复位通过外部复位信号进行复位，例如按下复位按钮。3看门狗复位当程序出现错误时，看门狗定时器会触发复位。单片机指令集的分类数据传送指令算术运算指令逻辑运算指令程序控制指令位操作指令单片机指令的执行过程取指CPU从存储器中读取指令，并将指令存储在指令寄存器中。译码CPU对指令进行解析，确定指令的操作类型和操作数。执行CPU根据指令的类型进行相应的操作，例如数据运算、数据存储、数据传输等。常用单片机指令及应用数据传送指令MOV、LDA、STA等，用于将数据从一个寄存器传送到另一个寄存器，或从存储器传送到寄存器，反之亦然。算术运算指令ADD、SUB、MUL、DIV等，用于进行加减乘除运算。逻辑运算指令AND、OR、XOR、NOT等，用于进行逻辑运算，例如与、或、异或、非运算。程序控制指令JMP、JNZ、JZ等，用于控制程序的执行流程，例如无条件跳转、条件跳转等。机器周期及指令周期1机器周期是CPU执行一个基本操作所需要的时间，例如取指、译码、执行等。2指令周期是指CPU执行一条完整指令所需要的时间，一般包含多个机器周期。3机器周期和指令周期的长短取决于CPU的时钟频率和指令的复杂程度。寻址方式及其应用立即寻址指令中直接给出操作数，例如MOVA,#50。直接寻址指令中给出操作数的地址，例如MOVA,20H。寄存器寻址指令中给出操作数所在的寄存器，例如MOVA,R0。间接寻址指令中给出操作数地址所在的寄存器，例如MOVA,@R0。汇编程序设计技巧1代码规范使用清晰的注释、缩进和命名，提高代码的可读性。2数据组织合理组织数据，提高代码的效率和可维护性。3子程序设计将常用的功能代码封装成子程序，提高代码的模块化和复用性。4调试技巧使用调试器，逐步执行代码，观察寄存器和内存中的数据变化，帮助定位错误。总线时序分析及其应用读操作CPU向存储器发送地址信号，存储器根据地址信息将数据发送给CPU。写操作CPU向存储器发送地址信号和数据，存储器根据地址信息将数据存储到指定存储单元。时序分析分析总线上各信号的时间关系，确保数据传输的正确性和可靠性。单片机软硬件接口实例LED点亮通过输出端口控制LED的亮灭。1按键控制通过输入端口读取按键状态，实现按键控制。2数码管显示通过输出端口控制数码管的段码，实现数字显示。3电机控制通过PWM信号控制电机的转速和方向。4串行通信接口原理及应用串行通信数据一位一位地传输，效率较低，但成本较低，传输距离较远。UART通用异步收发传输器，常用的串行通信接口，支持半双工和全双工通信。应用用于单片机之间的数据通信，例如与电脑、手机等设备进行通信。模数转换原理及硬件电路1模数转换将模拟信号转换为数字信号，使单片机可以处理模拟信号。2ADC模数转换器，将模拟电压转换为数字量，例如0-5V转换为0-255。3应用用于采集温度、湿度、光照等模拟信号，例如使用传感器采集数据。脉宽调制控制电路设计1PWM脉宽调制，通过改变脉冲的宽度来控制输出信号的平均值。2应用用于控制电机的转速、LED的亮度、伺服电机的角度等。3电路设计使用定时器产生PWM信号，并通过输出端口控制执行机构。单片机的应用开发环境KeiluVision常用的集成开发环境，支持多种单片机型号，提供编译器、调试器、模拟器等工具。IAREmbeddedWorkbench功能强大的集成开发环境，支持多种单片机型号，提供编译器、调试器、模拟器等工具。STM32CubeIDE专门针对STM32单片机开发的集成开发环境，提供丰富的软件库和开发工具。集成开发环境的使用1创建项目选择单片机型号、配置开发环境、创建项目文件夹。2编写代码使用汇编语言或C语言编写程序代码，实现单片机功能。3编译链接将源代码编译成目标代码，并与库文件链接成可执行文件。4下载调试将可执行文件下载到单片机中，并使用调试器进行调试。单片机编程工具的介绍编辑器用于编写源代码，提供语法高亮、自动补全、代码折叠等功能。编译器将源代码编译成目标代码，生成机器码，使单片机可以执行。调试器用于调试程序，提供单步执行、断点设置、变量查看等功能。仿真器模拟单片机的工作环境，可以调试程序，测试功能，无需实际硬件。调试技巧及程序优化单步执行逐行执行代码，观察程序运行过程中的数据变化，帮助定位错误。断点设置在程序中设置断点，程序执行到断点处会暂停，可以观察程序运行状态。变量查看查看程序运行过程中变量的值，帮助理解程序逻辑和判断程序是否正确。循环优化使用循环语句优化程序，减少代码量，提高效率。单片机实验开发板介绍单片机开发板是用来学习单片机编程和开发的工具，一般包含单片机芯片、存储器、输入输出端口、电源电路、调试接口等。开发板上通常会集成一些常用的外设，例如LED、按键、数码管、蜂鸣器等，方便进行实验测试。开发板通常会提供USB接口，方便与电脑连接，进行程序下载和调试。基于开发板的实验项目1LED控制控制LED的亮灭、闪烁、呼吸灯等效果。2按键扫描扫描按键状态，实现按键控制功能。3数码管显示在数码管上显示数字、字符、时间等信息。4步进电机控制控制步进电机的转速、方向、角度等。实验项目1：LED闪烁控制步骤1.连接LED到开发板的输出端口。2.编写程序控制输出端口的高低电平，实现LED的闪烁效果。代码使用定时器/计数器产生时间间隔，控制LED的亮灭时间。实验结果LED以预设频率闪烁。实验项目2：键盘扫描及显示步骤1.连接键盘到开发板的输入端口。2.编写程序扫描键盘状态，识别按键按下信息。3.将按键信息显示在数码管上。1代码使用循环语句扫描键盘，并使用中断服务程序处理按键按下事件。2实验结果按下键盘上的按键，数码管上会显示相应的数字或字符。3实验项目3：数码管显示控制步骤1.连接数码管到开发板的输出端口。2.编写程序控制数码管的段码，实现数字显示。代码根据数字编码，设置数码管的段码，例如数字0对应数码管的段码为0x3F。实验结果数码管上显示预设的数字或字符。实验项目4：步进电机驱动1步骤1.连接步进电机到开发板的输出端口。2.编写程序控制输出端口，产生步进电机驱动信号。2代码使用定时器/计数器产生脉冲信号，控制步进电机的转速和方向。3实验结果步进电机根据程序控制，实现预设的转速和方向。实验项目5：红外遥控应用1步骤1.连接红外接收器到开发板的输入端口。2.编写程序解析红外遥控信号，识别遥控命令。2代码使用定时器/计数器捕获红外信号，并使用解码算法识别遥控命令。3实验结果使用红外遥控器控制单片机，例如控制LED的亮灭、电机转动等。实验项目6：DS18B20温度采集1连接DS18B20温度传感器到开发板的输入端口。2编写程序读取DS18B20传感器采集的温度数据。3将温度数据显示在数码管或LCD上。实验项目7：LC显示屏控制1步骤1.连接LC显示屏到开发板的输出端口。2.编写程序控制LC显示屏显示内容。2代码使用显示屏驱动程序，控制显示屏的显示内容，例如显示文字、图形、数字等。3实验结果LC显示屏上显示预设的文字、图形、数字等信息。实验项目8：超声波测距应用步骤1.连接超声波测距传感器到开发板的输入输出端口。2.编写程序控制超声波传感器发射超声波，并接收反射回来的超声波。代码使用定时器/计数器测量超声波的飞行时间，计算出距离。实验结果超声波测距传感器可以测量出物体到传感器之间的距离，并显示在数码管或LCD上。实验项目9：蓝牙通信控制步骤1.连接蓝牙模块到开发板的串行通信端口。2.编写程序控制蓝牙模块，实现与手机等蓝牙设备的通信。代码使用蓝牙通信协议，实现数据发送和接收，例如控制LED的亮灭、电机转动等。实验结果通过手机等蓝牙设备控制单片机，实现预设的功能。实验项目10：GPRS通信设计连接GPRS模块到开发板的串行通信端口。编写程序控制GPRS模块，实现与服务器的数据通信。使用GPRS网络，实现远程数据传输，例如将传感器采集的数据上传到云平台。通过GPRS通信，实现远程控制功能，例如通过手机APP控制单片机。单片机实验报告要求1实验目的简要说明实验的目的，例如验证单片机的工作原理、学习使用某种外设等。2实验原理详细介绍实验所用到的理论知识，例如单片机的工作原理、外设的工作原理等。3实验步骤详细描述实验过程，包括硬件连接、程序编写、实验操作等。4实验结果记录实验结果，例如程序代码、实验现象、