mcs-51单片机原理及应用.ppt

MCS-51单片机原理及应用陈付龙安徽师范大学数学计算机科学学院引子 单片机：是在一片硅片上集成了 CPU、存储器（ ROM，RAM， EPROM）和各种 I/O接口（定时器，计数器，并行 I/O口，串行 I/O口， A/D转换器，脉冲调制器 PWM等），具有一台计算机功能的设备，又称单板机、单片微型计算机、微控制器（ Micro-Controller）、嵌入式控制器（Embedded-Controller）。 主要用在智能仪器仪表、机电设备过程控制、自动检测、家电和数据采集处理等方面。l 1、什么是单片机：l 单片机全称单片微型计算机。 它是在同一块芯片上集成了一台微型计算机所需的 CPU、存储器 (ROM、 RAM)、输入 /输出部件和时钟等控制部件 .不求规模大 ,力争小而全 。l 2、单片机的特点l 单片机： 把微处理器和 少量 RAM（ 128/256字节）、 ROM（ 4-8K）以及 I/O等有关电路 集成在一片半导体芯片 。3、如何学习单片机硬件： 掌握单片机的 硬件资源 及 外部扩展电路的方法， 合理分配资源 。l 软件： 掌握单片机的 指令（语句）功能 、 程序设计 和 调式方法 ， 仿真软件的使用 。l 具体方法：l 1、从最基本的 典型电路 -进行编程控制。l 2、对 例题 、 子程序 进行软件 分析仿真 -修改 、扩充 功能l *在进行 硬件资源分配时 ，应特别关注 具有特殊功能的 I/O。主要内容l 1.单片机的历史和发展状况l 2.单片机的特点及应用领域l 3.主流系列单片机的简介l 4.MCS-51单片机的结构与原理l 5.单片机应用系统1. 单片机的历史及发展状况单片机出现的历史并不长 , 但发展十分迅猛。 它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步 , 自1971年美国 Intel公司首先推出 4位微处理器以来 , 1974年美国仙童（ Fairchild）公司生产出第一块单片机（ F8）开始，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段 :单片机的历史第 1阶段（ 1971 1976） :单片机发展的初级阶段l 1971年 11月 Intel公司首先设计出集成度为 2 000只晶体管 /片的 4位微处理器 Intel 4004, 并配有 RAM、 ROM和移位寄存器 , 构成了第一台 MCS4微处理器 , 而后又推出了 8位微处理器 Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的 8位微处理器。第 2阶段（ 1976 1978） : 低性能单片机阶段l 以 1976年 Intel公司推出的 MCS48系列为代表 , 采用将 8位 CPU、 8位并行 I/O接口、 8位定时 /计数器、 RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构 , 虽然其寻址范围有限（不大于 4 KB） , 也没有串行 I/O, RAM、 ROM容量小 , 中断系统也较简单 , 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、 仪表等的需要。第 3阶段（ 1978 1983） : 高性能单片机阶段l 这一阶段推出的高性能 8位单片机普遍带有串行口 , 有多级中断处理系统 , 多个 16位定时器 /计数器。 片内 RAM、 ROM的容量加大 ,且寻址范围可达 64 KB, 个别片内还带有A/D转换接口。典型的代表为 Intel公司的 MCS-51系列。第 4阶段（ 1983 80年代末） : 16位单片机阶段l 1983年 Intel公司又推出了高性能的 16位单片机 MCS96系列 , 由于其采用了最新的制造工艺 , 使芯片集成度高达 12万只晶体管 /片。第 5阶段（ 90年代现在） : 32位单片机阶段l 单片机在集成度、 功能、 速度、 可靠性、 应用领域等全方位向更高水平发展。 单片机的发展方向l CPU的改进v 采用双 CPU结构，提高处理能力；v 增加数据总线宽度，提高数据传输速度；v 采用流水线结构，提高指令执行速度；v 采用串行总线结构，减少单片机引脚，降低成本。l 存储器的发展v 加大存储器容量；v 片内 EPROM（ Electrically Programmable Read-Only Memory，电可编程只读存储器）开始EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）化；v 程序保密化。l 片内 I/O的改进v 增加并行 I/O口的驱动能力；v 增加 I/O的逻辑控制功能；v 提供特殊串行接口，适用专用场合。4.外围电路集成化（把外围功能部件集成到片内）5.低功耗化2.单片机的特点及应用领域l 单片机的特点q 小巧灵活，成本低，易于产品化；q 可靠性好，应用范围广泛；q 易扩展，构成各种规模的应用系统，控制功能强；q 具有通讯功能。单片机的应用 l 由于单片机具有体积小、 重量轻、 价格便宜、 功耗低 , 控制功能强及运算速度快等特点 , 因而在国民经济建设、 军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。 按照单片机的特点 , 其应用可分为单机应用与多机应用。 图 2-1 单片机应用单机应用l 在一个应用系统中 , 只使用 1片单片机称为单机应用 , 这是目前应用最多的一种方式。 单片机应用的主要领域有 : l (1) 测控系统。 用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、 自适应控制系统、 数据采集系统等 , 达到测量与控制的目的。 l (2) 智能仪表。 用单片机改造原有的测量、 控制仪表 , 促进仪表向数字化、 智能化、 多功能化、 综合化、 柔性化方向发展。 l (3) 机电一体化产品。 单片机与传统的机械产品相结合 , 使传统机械产品结构简化 , 控制智能化。l (4) 智能接口。 在计算机控制系统 , 特别是在较大型的工业测、 控系统中 , 用单片机进行接口的控制与管理 , 加之单片机与主机的并行工作 , 大大提高了系统的运行速度。 l (5) 智能民用产品。 如在家用电器、 玩具、 游戏机、 声像设备、 电子秤、 收银机、 办公设备、 厨房设备等许多产品中 , 单片机控制器的引入 , 不仅使产品的功能大大增强 , 性能得到提高 , 而且获得了良好的使用效果。多机应用l 单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、 并行多机处理及局部网络系统。 l (1) 功能集散系统。 多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。 l (2) 并行多机控制系统。 并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题 , 以便构成大型实时工程应用系统。l (3) 局部网络系统。3.主流单片机系列简介l 目前世界上单片机生产厂商很多 , 如 : Intel、 Motorola、 Philips、 Siemens、 NEC、 ADM、 Zilog等公司 , 其主流产品有几十个系列 , 几百个品种。 尽管其各具特色 , 名称各异 , 但作为集 CPU、 RAM、 ROM（或 EPROM）、 I/O接口、 定时器 /计数器、 中断系统为一体的单片机 , 其原理大同小异。 现以 Intel公司的系列产品为例 , 说明各系列之间的区别。 l Intel公司从其生产单片机开始 , 发展到现在 , 大体上可分为3大系列 : MCS48系列、 MCS51 系列、 MCS96 系列。 该 3大系列的性能简介见表 3-1。表 3-1 Intel单片机系列性能简介22Intel 8051单片机于 1980年由 Intel（英特尔）公司首先研制出来并应用于嵌入式系统中。AT89S51型单片机（ 8051兼容型单片机），呈现出集成电路特有的外观 ， 两侧有整齐排列的金属管脚，尺寸为 52mm（长） 15mm（宽）。Intel 8051单片机图 3-2 AT89S51单片机PIC单片机23PIC单片机的低功耗、广泛用途使其成为产品设计和爱好者首选的控制器， PIC单片机家族的单片机在汽车电子、以太网、家电、机电一体化、 USB、仪器仪表等产品中有着非常广泛的应用。图 3-2 PIC单片机AVR单片机24AVR是单片机设计及体系结构中的新生儿，它由 Atmel公司于 1996研制出来。目前AVR有 UC3、 XMEGA、megaAVR、 tinyAVR等几大系列过百种型号的单片机可供设计时选择。图 3-3 AVR单片机其他单片机25ARM系列单片机ST Microelectronics公司的 ST系列单片机 Freescale公司的单片机系列 Texas Instruments公司的单片机系列“中国的半导体行业与世界先进水平的差距目前依然很大，我国半导体公司与世界著名公司不在一个数量级上。 ”-Intel视觉计算事业部首席高级华人工程师江宏4.MCS-51单片机结构与原理l 4.1 MCS51 系列单片机基本结构l 4.2 中央处理器 CPUl 4.3 MCS51单片机存储器及存储空间l 4.4 并行输入 /输出接口 l 4.5 CPU时序和复位状态4.1 MCS51 系列单片机基本结构 l 4.1.1 MCS51单片机系列 l MCS51系列单片机虽已有 10多种产品 , 但可分为两大系列 : MCS51子系列与 MCS52子系列。 MCS51子系列中主要有 8031、 8051、 8751 三种类型。 而 MCS52子系列也有 3种类型 8032、 8052、 8752。 各子系列配置见表 4-1所示。 表 4-1 MCS51 系列单片机配置一览表 l 表 4-1中列出了 MCS51系列单片机的两个子系列 , 在 4个性能上略有差异。 由此可见 , 在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无 ROM或 EPROM; MCS51与 MCS52子系列间所不同的是片内