[研究生入学考试]第1讲+单片机概述及数制.ppt

单片机原理及应用 唐山学院 GANZHY,第1章 单片机概述,2,2,3,3,目 录 1.1 什么是单片机 1.2 单片机的发展历史、趋势 1.3 单片机的特点、应用 1.4 MCS-51系列与AT89C5x系列单片机,4,1 介绍、认识单片机。 外观，主要组成部件 历史发展 特点 应用功能 2 80C51系列和AT89C5x系列。 两大系列 3 什么是数制 二进制 十六进制计数法,内容概要,20世纪70年代问世，广泛地应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各个方面。什么是单片机？ 1.1 什么是单片机 单片机就是将微型计算机集成在一片半导体硅片上的微型计算机(如图1、2)。,5,5,6,图1 AT89C51单片机,图2 AT89C51单片机在开发板中,7,而什么是计算机，什么是微型计算机呢？ 一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布.,8,图3 电子计算机的经典结构,1946年，冯诺依曼提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器和输入/输出设备组成这一计算机的经典结构。,“程序存储”原理，是将根据特定问题编写的程序存放在计算机存储器中，然后按存储器中的存储程序的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序结束执行。,二进制是计算技术中广泛采用的一种数制。二进制数据是用0和1两个数码来表示的数。它的基数为2，进位规则是“逢二进一”，借位规则是“借一当二”，当前的计算机系统使用的基本上是二进制系统。,10,图4 早期的计算机和当前主流家用计算机,11,Intel公司的技术人员将组成计算机的原始方案中的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和存储数据，另一个芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，被称为微处理器，这是世界上第一台微处理器。,微型计算机由微处理器（或称CPU，中央处理单元）、存储器加上I/O接口电路组成。,12,图5 微型计算机组成,微型计算机的各组成部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）、和控制总线（CB）相连。,13,在微型计算机基础上，在配以系统软件和I/O设备，便构成了完整的微型计算机系统，简称微型计算机或微机。 所以准确的说，什么是单片机 ： 从单片机组成结构上来说，在一片半导体硅片上继承了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM）和各种I/O接口，这样一块集成电路芯片具有一台微型计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。,14,图1 AT89C51单片机,图2 AT89C51单片机在开发板中,15,虽然单片机只是个芯片，但是从功能上看，它已经具有了计算机的基本属性，所以又可以叫做单片微型计算机。 单片机主要应用于控制领域，用以实现各种参数的测量和控制功能，为了强调其控制属性，也可称为单片机微控制器。 因为通常是处于测控系统的核心地位并嵌入其中，也称为嵌入式微控制器。 我国习惯于使用“单片机”这一名称。,单片机是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。 单片机体积小、成本低，嵌入到工业控制单元、机器人、智能仪器仪表、汽车电子系统、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、玩具、个人信息终端及通讯产品中。,16,16,按照其用途可分为通用型和专用型两大类。 （1）通用型单片机就是其内部可开发的资源（如存储器、I/O等各种外围功能部件等）可以全部提供给用户。 用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外围接口电路及其它外围设备，并编写相应的软件来满足各种不同需要的测控系统。 （2）专用型单片机是专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。,17,17,例如，各种家用电器中的控制器等。由于用于特定用途，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产“专用”的单片机芯片。 由于在设计中，已经对“专用”单片机的系统结构最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的综合考虑，所以“专用”单片机具有十分明显的综合优势。 无论“专用”单片机在用途上有多么“专”，其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础的。,18,18,19,练习： 1 微型计算机的各组成部分通过 、 和 相连。 按照其用途可分为 和 两大类。 1946年，冯诺依曼提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由 、 、 和 、 组成这一计算机的经典结构。,1.2 单片机的发展历史 单片机按其处理的二进制位数主要分为：4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。,20,20,CPU的位宽对CPU性能的影响绝不亚于主频。位宽是指微处理器一次执行指令的数据带宽。处理器的寻址位宽增长很快，业界已使用过4、8、16位寻址再到目前主流的32位，而64位寻址浮点运算已经逐步成为CPU的主流产品。,21,发展大致分为4个阶段。 第一阶段（1974年1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。1974年12月，仙童公司推出了8位的F8单片机，实际上只包括了8位CPU、64B RAM和2个并行I/O口。 第二阶段（1976年1978年）：低性能单片机阶段。 Intel的MCS-48单片机（8位）极大地促进了单片机的变革和发展。8位CPU、64B RAM 96条指令 2个并行I/O口,第三阶段（1978年1983年）：高性能单片机阶段。1978年，Zilog公司推出Z8单片机，1980年，Intel公司在MCS-48系列基础上推出MCS-51系列，8位CPU，128B RAM，111条指令，4个并行I/O口。 第四阶段（1983年现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。,22,22,16位典型产品Intel公司的MCS-96系列单片机。而32位单片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比16位单片机提高许多，性能比8位、16位单片机更加优越。,23,23,1.3 单片机的发展趋势 单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展。为满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。 1CPU的改进 （1）增加CPU数据总线宽度。例如，各种16位单片机和32位单片机，数据处理能力要优于8位单片机。另外，8位单片机内部采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机。 （2）采用双CPU结构，以提高数据处理能力。,24,24,2存储器的发展 （1）片内程序存储器普遍采用闪烁（Flash）存储器。可不用外扩展程序存储器，简化系统结构。 （2）加大存储容量。目前有的单片机片内程序存储器容量可达128KB甚至更多。 3片内I/O的改进 （1）增加并行口驱动能力，以减少外部驱动芯片。有的单片机可以直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LED和VFD（荧光显示器）。 （2）有些单片机设置了一些特殊的串行I/O功能，为构成分布式、网络化系统提供方便条件。,25,25,4低功耗化 CMOS化，功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式。消耗电流仅在A或nA量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。 5外围电路内装化 众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化是目前发展趋势之一。例如，美国Cygnal公司的C8051F020 8位单片机，片上集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测、,26,26,综上所述，单片机正在向多功能、高性能、高速度（时钟达40MHz）、低电压（2.7V即可工作）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据存储器容量不断增大的方向发展。,27,27,28,练习： 1 单片机的发展趋势将是 、 、 等方面发展。 向大容量、高性能化，外围电路内装化,1.4 单片机的特点 单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步。 由于体积小，很容易地嵌入到系统之中，以实现各种方式的检测、计算或控制，这一点，一般微机根本做不到。,29,29,为什么应用广泛？具有以下优点： （1）体积小，结构简单。单片机技术是易掌握技术。应用系统设计、组装、调试已经是一件容易的事情，工程技术人员通过学习可很快掌握其应用设计技术。 （2）性能价格比高，使用成本低。 （3）抗干扰能力强，可靠性好，功耗小。 （4）嵌入容易，用途广泛，应用灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。,30,30,单片机出现前，制作一套测控系统，大量的模拟电路、数字电路、分立元件完成，以实现计算、判断和控制功能。系统的体积庞大，线路复杂，连接点多，易出现故障。 单片机出现后，测控功能的绝大部分由单片机的软件程序实现，其它电子线路则由片内的外围功能部件来替代。,31,31,32,练习 1 单片机的特点有： 、 、 、 。 体积小、价格低、应用方便、稳定可靠,33,1.5 单片机的应用 由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，如工业自动检测监视系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。 软硬件结合、体积小，容易嵌入到各种应用系统中，得到广泛应用。,1工业检测与控制 主要应用：工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、测试、测量、监控等。在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（如机器人技术）中，单片机发挥着非常重要的作用。 2仪器仪表 目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积而易于携带和使用，加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。,34,34,3消费类电子产品 例如，洗衣机、电冰箱、空调机、电风扇、电视机、微波炉、加湿机、消毒柜等。嵌入了单片机后，功能和性能大大提高，并实现智能化、最优化控制。智能化 4武器装备 在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单片机嵌入其中。自动化,35,35,5各种终端及计算机外部设备 计算机网络终端（如银行终端）以及计算机外部设备（如打印机、硬盘驱动器等）中都使用了单片机作为控制器。在调制解调器、各类手机、传真机及各种通讯设备中，单片机也已经得到广泛应用。 6汽车电子设备 已经广泛地应用在各种汽车电子设备中，如汽车安全系统、汽车信息系统、智能自动驾驶系统、卫星汽车导航系统、汽车紧急请求服务系统、汽车防撞监控系统、汽车自动诊断系统以及汽车黑匣子等。,36,36,一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。在这种系统中，单片机往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。 从工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等方面，直到国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。,37,38,练习 1在家用电器中，使用单片机应属于微计算机的 A辅助设计应用 B测量、控制应用 C数值计算应用 D数据处理应用,1.6 MCS-51系列与AT89C5x系列单片机 20世纪80年代以来，发展迅速，世界一些著名厂商投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种，Intel公司的MCS-48、MCS-51，Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6501、6502等。 尽管机型很多，但是在20世纪80年代以及90年代，在我国使用最多的8位单片机还是Intel公司的MCS-51系列单片机以及与其兼容的单片机（称为51系列单片机）。,39,39,1.6.1 MCS-51系列单片机 MCS是Intel公司单片机的系列符号，如MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。 MCS-51系列是在MCS-48系列基础上于20世纪80年代初发展起来的，是最早进入我国，并在我国得到广泛应用的单片机主流品种。,40,40,41,MCS-51系列单片机主要包括 基本型：8031/8051/8751（低功耗型80C31/80C51/87C51）增强型：8032/8052/8752。已为我国广大技术人员所熟悉和掌握。在上世纪80年代和90年代，MCS-51系列是在我国应用最为广泛的单片机机型之一。 MCS-51系列品种丰富，经常使用的是基本型和增强型。,（1）基本型 典型产品：8031/8051/8751。 8031内部包括1个8位CPU、128B RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，5个中断源，但片内无程序存储器，需外扩程序存储器芯片。 8051是在8031的基础上，片内又集成有4KB ROM作为程序存储器。所以8051是一个程序不超过4KB的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的。 8751与8051相比，片内集成的4KB EPROM取代了8051的4KB ROM来作为程序存储器。,42,42,（2）增强型 典型产品： 8032/8052/8752 Intel公司在基本型基础上，推出增强型-52子系列。内部RAM增到256B，8052、片内程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个，6个中断源，串行口通信速率提高5倍。,43,43,44,表1-1列出了基本型和增强型的MCS-51系列单片机片内的基本硬件资源。,1.6.2 AT89C5x系列单片机 20世纪80年代中期以后，Intel精力集中在高档CPU芯片的开发、研制上，淡出单片机芯片的开发和生产。MCS-51系列设计上的成功，以及较高的市场占有率，已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象。 Intel公司以专利形式把8051内核技术转让给ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。,45,45,46,生产的兼容机与8051兼容，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列单片机来称呼所有这些具有8051指令系统的单片机，这些兼容机的各种衍生品种统称为51系列单片机或简称为51单片机，是在8051的基础上又增加一些功能模块（称其为增强型、扩展型子系列单片机）。,47,47,近年来，世界上单片机芯片生产厂商推出的与8051（80C51） 兼容的主要产品如表1-2所示。,在众多的衍生机型中，ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x系列，尤其是AT89C51/AT89S51和AT89C52/AT89S52在8位单片机市场中占有较大的市场份额。 ATMEL公司1994年以E2PROM技术与Intel公司的80C51内核的使用权进行交换。 ATMEL公司的技术优势是闪烁（Flash）存储器技术，将Flash技术与80C51内核相结合，形成了片内带有Flash存储器的AT89C5x系列单片机。,48,48,AT89C5x/AT89S5x系列与MCS-51系列在原有功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。 此外，某些品种又增加了一些新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP（在系统编程也称在线编程）及SPI串行接口技术等。片内Flash存储器允许在线（+5V）电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。 另外，AT89C5x单片机还支持由软件选择的两种节电工作方式，非常适于低功耗的场合。,49,49,50,与MCS-51系列的87C51单片机相比，AT89C51单片机片内的4KB Flash存储器取代了87C51片内的4KB EPROM。AT89S51片内的Flash存储器可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低。 因此AT89C51单片机作为代表性产品受到用户欢迎，AT89C5x单片机是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。本书重点介绍AT89C51单片机的原理及应用系统设计。,51,51,表1-3为ATMEL公司AT89C5x系列单片机主要产品片内硬件资源。由于种类多，要依据实际需求来选择合适的型号。,表1-3 AT89C1051与AT89C2051为低档机型，均为20只引脚。当低档机满足设计需求时，就不要采用较高档次的机型。 例如，当系统设计时，仅仅需要一个定时器和几位数字量输出，那么选择AT89C1051或AT89C2051即可，不需选择AT89S51或AT89S52，因为后者要比前者的价格高，且前者体积也小。,52,52,53,如对程序存储器和数据存储器的容量要求较高，还要单片机运行速度尽量要快，可考虑选择AT89S51 /AT89S52，因为它们的最高工作时钟频率为33MHz。当程序需要多于8KB以上的空间可考虑选用片内Flash容量20KB的AT89C55。,表1-3中，“LV”代表低电压，它与AT89S51的主要差别是其工作时钟频率为12MHz，工作电压为2.76V，编程电压VPP为12V。AT89LV51的低电压电源工作条件可使其在便携式、袖珍式、无交流电源供电的环境中应用，特别适于电池供电的仪器仪表和各种野外操作的设备中。,54,54,55,55,表1-3为ATMEL公司AT89C5x系列单片机主要产品片内硬件资源。由于种类多，要依据实际需求来选择合适的型号。,56,尽管AT89C5x系列单片机有多种机型，但掌握好基本型AT89C51单片机十分重要，因为它们是具有8051内核的各种型号单片机的基础，最具典型性和代表性，同时也是各种增强型、扩展型等衍生品种的基础。 我们将以AT89C51作为51单片机的代表性机型来介绍单片机的原理及应用。,在我国，除8位单片机得到广泛应用外，16位单片机也得到了广大用户的青睐，例如，美国TI公司的16位单片机MSP430和台湾的凌阳16位单片机。本身带有A/D转换器，一片芯片就构成了一个数据采集系统。设计使用非常方便。 尽管这样，16位单片机还远远没有8位单片机应用的那样广泛和普及，因为目前的主要应用中，8位单片机的性能已能够满足大部分的实际需求，况且8位单片机的性能价格比也较好。,57,57,58,在众多厂家生产的各种不同的8位单片机中，与MCS-51系列单片机兼容的各种51单片机，目前仍然是8位单片机的主流品种，若干年内仍是自动化、机电一体化、仪器仪表、工业检测控制应用的主角。,59,练习： 1 单片机根据其基本操作处理的位数可分为哪几种类型？ 2 为什么不把51系列单片机称为MCS-51系列单片机？ 3 8051与8751的区别是： A内部数据存储单元的数目不同 B内部数据存储器类型不同 C内部程序存储器的类型不同 D内部寄存器的数目不同 4 8 16 32 ; 与8051内核结构、指令系统; C,60,一 数制及数制间的转换,1 二进制数 进位计数制是一种计数的方法，习惯上最常用的是十进制计数法。一个任意的十进制可以表示为：,其含义是,其中ai(0,1, ,n)，bj(j=1,2,m)是0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0是个数码中的一个。,61,十进制数的基数为10，及其数码的个数为10，且遵循逢十进一的规则。上式中相应于每位数字的 称为该位数字的权，所以每位数字乘以其权所得到的乘积之和即为所表示数的之和。例如：,62,十进制数是人们最熟悉、最常用的一种数制，但他不是唯一的数制。例如，计时用的是、分、秒就是按60进制计数的。基数为r的r进制数的值可以表示为：,其中ai，bj为基数数码中的一个。,63,例如： 其中数的下角标表示该数的基数r，即二进制数101101与十进制数45等值。,二进制是一种逢二进一的计数法。N位二进制数可以表示 个数。例如3位二进制数可以表示8个数，它们是：,64,而4位二进制数则表示十进制的0-15共16个数字，如下所示：,65,为便于人们阅读及书写，经常使用八进制数或十六进制数来表示二进制数。它们的基数和数码如表所示：,66,在计算机中，通常用数字后面跟一个英文字母来表示该数的数制。十进制数一般用D(decimal)表示，二进制数用B(binary)、八进制数用O(octal)、十六进制用H(hexadecimal)来表示。如：117D，1110101B，0075H。,67,1.2 二进制数和十进制数之间的转换 二进制数转换为十进制数,68,十进制数转换为二进制数 十进制数转换为二进制数的方法很多，这里只说明比较简单的降幂法和除法两种。 降幂法 首先写出要转换的十进制数， 其次写出所有小于此数的各位二进制权值， 然后用要转换的十进制数它最相近的二进制权值， 如够减则减去并在相应位记以1； 如不够减则在相应位记以0并跳过此位； 如此不断反复，直到该数为0为止。,69,N=117D，小于N的二进制权为 64 32 16 8 4 2 1 对应二进制 1 1 1 0 1 1 1 计算过程如下： 所以N = 117D = 1110101B,70,N = 0.8125D，小于此数的二进制权为： 0.5 0.25 0.125 0.0625 对应二进制 1 1 0 1 计算过程如下：,所以N = 0.8125D = 0.1101B,71,除法 把要转换的十进制数的整数部分不断除以2，并记下余数，直到商为0为止。 N = 117D 117 / 2 = 58 ( a0 = 1) 58 / 2 = 29 ( a1 = 0) 29 / 2 = 14 ( a2 = 1) 14 / 2 = 7 ( a3 = 0) 7 / 2