《片机基础》PPT课件.ppt

,第1讲 单片机基础 最简单的计算机,单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域：Atmel Intel Motorola Philips Siemens NS LG Winbond Microchip EPSON NEC Cypress Dallas Oki Fairchild Fujitsu Hitachi SAMSUNG,什么是单片机,单片机又叫微控器（Micro Controller Unit） 单片机的实质就是将计算机的基本组成部件集成在一块集成电路芯片中。,什么是单片机,什么是计算机,计算机是一个信息处理装置。 可以是一个复杂的数字电路系统（主流） 也可以是机械的 甚至是生化的 或者是一个可以由人扮演的游戏,帕斯卡和加法器,霍列瑞斯和第一台制表机,阿德勒曼博士和DNA计算机,计算机,做音乐盒的老师父：我事先根据乐曲的音符作出不同长度的铜片，再按一定的顺序将它们固定 图灵：计算机是一张纸，一支笔。我事先将规则写在纸上，笔可以按照纸上的规则，在纸上写下新的内容 冯.诺依曼：计算机可以存储程序，通过程序控制 计算机由Bus 、CPU、Memory 、IO Interface、IO device构成,计算机的组成,冯.诺依曼：计算机可以存储程序，通过存储在硬件中程序控制硬件完成各种操作 硬件由Bus 、CPU、Memory 、IO Interface、IO device构成 软件：程序由指令构成,1946年由美国宾夕法尼亚大学研制 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And calculator），运算速度 5000次/秒，功耗150kw，占地170m2 ，造价100万美元。,计算机的发展,大型化,小型化,怎样为大家展示单片机,简单的一面：MSC51 复杂的一面：TI:430, M3; freescale：S12 理想的一面：实验室中的实验（仿真，面包板） 现实的一面：设计实际产品将要考虑到的方方面面。,单片机,MCS 8051 Atmel ：At89c51 宏晶：Stc89c51 Atmel ：At89c51snd Maxim： DS80C410 TI：MSP 430 TI： ARM Cortex M3 Freescale：S12 NEC:uPD78F1203,计算机的组成,冯.诺依曼：计算机可以存储程序，通过存储在硬件中程序控制硬件完成各种操作 硬件由Bus 、CPU、Memory 、IO Interface、IO device构成 软件：程序由指令构成,51系列单片机组成,51系列单片机结构图,组成： CPU(进行运算、控制) RAM(数据存储器) ROM(程序存储器) I/O口(串口、并口等) 通用PC机： 上述部件以芯片形式安装在主板上。 单片机：上述部件被集成到单芯片中。 通用PC：包括键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱、音箱、打印机、扫描仪等外设。 单片机：则只是一片集成电路。（100、48、40、32、28、20、16、8条引脚）。,单片机与通用PC机,功能： PC机： 数据运算、采集、处理、存储、传输； 单片机：控制（或受控于）外设。,通用PC擅长于数据运算、采集、处理、存储和传输； 单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/设备/系统中，使其达到智能化的效果。,单片机与通用PC机,应用特点： 个人计算机（微机）：,体积大，功耗大，价格高，用途较固定，属通用计算机。易于学习掌握和使用，但用于控制时必须制作或购买专用的接口卡，并编制专门的应用软件。,单片机：,体积小，功耗小，价格低，用途灵活，无处不在，属专用计算机。是一种特殊器件，需经过专门学习方能掌握应用，应用中要设计专业的硬件和软件。,单片机与通用PC机,怎样使用PC机,IO设备 操作系统 程序设计,单片机在电子产品中的作用,信息的获取 使用者的输入 从传感器获取 信息的加工 控制外部设备工作 显示、声音 控制外设工作,单片机,信息源,控制信号,动作选择按钮,红外线传感器,89C2051单片机,复位按钮,电源指示灯,一个简单的测控应用实例,简单测控实例原理图,怎样用单片机进行控制,控制什么？ LED 芯片COMS 4511、4508， TTL 74LS 所控制的东西有什么特性？Data sheet / 1. 功能：Features 、Functional Diagram 2.电气特性：ELECTRICAL CHARACTERISTICS 3.数据特性：Digital CHARACTERISTICS 4.时序：Timing Sequence,“直接”控制LED,单片机,通过芯片COMS 4511控制LED,一个单片机控制电压的例子（恒压源）,液晶显示,单片机,键盘,某种东西,v,第一次分工,DAC:MAX 530,+5V, Low-Power, Parallel-Input, Voltage-Output, 12-Bit DAC,分工：数据部分、模拟部分,第二次分工,模拟部分两种最典型的接法,数据部分,连接方式和时序,总线模式 IO模式,8 位的 CPU， 片内有振荡器和时钟电路,工作频率为 112MHz（Atmel 89Cxx为024MHz） 内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy） MCS-51指令集含 111条指令 可寻址片外 64K字节 数据存储器RAM 可寻址片外 64K字节 程序存储器ROM 片内有 128/256字节 RAM 片内有 0K/4K/8K字节 程序存储器ROM 片内 21/26个 特殊功能寄存器（SFR） 4个8位 的并行I/O口（PIO） 1个 全双工串行口（SIO/UART） 2/3个16位 定时器/计数器（TIMER/COUNTER） 可处理 5/6个中断源，两级中断优先级,MCS-51单片机基本特性,51系列单片机配置一览表,AT 89C51规格书（Data Sheet),半导体存储器主要有以下三种： 用于存储BIOS信息的EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，电可擦写可编程只读存储器），数据在断电后仍可以保存，近几年用于BIOS存储的Flash RAM（闪存）也是EEPROM的一种。 用于存储临时工作数据的DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机访问存储器），数据要通过不断的刷新才能保留，断电后消失。 用于在CPU中存储常用指令与数据的SRAM（Static Random Access Memory，静态随机访问存储器），数据无需刷新操作，但断电后消失。 通常的，我们将数据断电后仍能保留的半导体存储器称为“非易失性（或非发挥性）随机访问存储器”Non-Volatile Random Access Memory，即NVRAM，而像DRAM与SRAM这样的存储器则就称为VRAM。,封装 pin configuration,认识单片机的引脚（相对于单片机那些是双向、输入、输出）,Vcc, GND: 正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V)不同的单片机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也不同。,单片机的引脚（电源端）：输入,Vcc, GND:正电源端与接地端 (+5V/3.3V/2.7V) XTAL1, XTAL2: 片内振荡电路输入/输出端,1545pfx2,112MHz（MCS-51） 024MHz（Atmel-89C）,XTAL1,XTAL2,也可以由 XTAL1端接入外部时钟，此时应将 XTAL2接地：,XTAL2,XTAL1,外部时钟,通常外接一个晶振两个电容,单片机的引脚（晶振端）（固定或输入）,陶瓷振荡子,复位使单片机进入某种确定的初始状态： PC值归零（0000H）； 各个SFR被赋予初始值（见P.42）： P0P3 = 0FFH，Acc = 0，B = 0，TH0=0，TL0=0，TH1=0，TL0=0，SP=7，PSW=0 退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切程序进程、退出程序的死循环，从头开始。,Vcc, GND: 电源端 （+5V/3.3V/2.7V) XTAL1, XTAL2: 片内振荡电路输入、输出端 RESET: 复位端（正脉冲有效，宽度8 mS）,单片机的引脚（复位端）（输入）,PC与SFR复位状态表,+5V,10uF,10K,Vcc,RST,GND,上电复位,10uF,10K,Vcc,RST,GND,手动&上电复位,1K,Vcc, GND: 电源端 （+5V/3.3V/2.7V) XTAL1, XTAL2: 片内振荡电路输入、输出端 RESET: 复位端 （正脉冲有效，宽度8 mS）,+5V,单片机的引脚（复位端）,单片机的引脚（EA端）（输入）,Vcc, GND: 电源端 （+5V/3.3V/2.7V) XTAL1, XTAL2: 片内振荡电路输入、输出端 RESET: 复位端 （正脉冲有效，宽度8 mS） EA/Vpp: 寻址外部ROM控制端/编程电源输入端。 ALE/PROG: 地址锁存允许/编程脉冲输入端。 P0口寻址外部低8位地址时接外部锁存器 G端； ALE端平时会输出周期正脉冲：f fosc/6 ； 对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入。,单片机的引脚（ALE端）（输出）,PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的 读控制端（OE）低有效。,单片机的引脚（PSEN端）（输出）,单片机,锁存器74LS373,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的 读控制端（OE）低有效。,单片机的引脚（PSEN端）,单片机能工作的最简电路图,计算机的组成,冯.诺依曼：计算机可以存储程序，通过存储在硬件中程序控制硬件完成各种操作 硬件由Bus 、CPU、Memory 、IO Interface、IO device构成 软件：程序由指令构成,D触发器、锁存器、寄存器,1. 寄存器通常分为两大类：,数码寄存器：存储二进制数码、运算结果或指令等信息的电路。 移位寄存器：不但可存放数码，而且在移位脉冲作用下，寄存器中的数码可根据需要向左或向右移位。,2. 组成：触发器和门电路。,一个触发器能存放一位二进制数码； N个触发器可以存放N位二进制数码。,寄存器（Register）,(1) 运算中存贮数码、运算结果。 (2) 计算机的CPU由运算器、控制器、译码器、寄存器组成，其中就有数据寄存器、指令寄存器、一般寄存器。,寄存器与存储器有何区别?,寄存器内存放的数码经常变更，要求存取速度快，一般无法存放大量数据。（常用在CPU中。） 存储器存放大量的数据，因此最重要的要求是存储容量。（类似于仓库）,寄存器应用,寄存器的用途,双D触发器74LS74 (a) 外引脚图 (b)逻辑符号,1. 双D触发器74LS74外引脚图和逻辑符号,集成D触发器（D-TYPE FLIP-FLOP）, 逻辑符号 “”表示边沿触发方式, “”表示主从触发方式, 非号“”：表示低电平有效, 加小圆圈“”：表示低电平有效触发或下降沿有效触发, 不加小圆圈“”：表示高电平有效触发或上升沿有效触发 （Positive Edge-Triggered）。,数码寄存器具有接收、存放、输出和清除数码的功能。 在接收信号（称为写信号）控制下，将数据送入寄存器存放；需要时可在输出信号（读出信号）控制下，将数据由寄存器输出。,图5-1 单拍工作方式的数码寄存器,1由D触发器构成的数码寄存器 （1）电路组成,CP：接收脉冲（控制信号输入端),输出端,数码输入端,数码寄存器,锁存器的工作原理,图5-2 锁存器,送数脉冲CP为锁存控制信号输入端，即使能信号（电平信号）。,工作过程： 当CP=0时，Q =D，电路接收输入数据； 不锁存数据，输出端的信号随输入信号变化；,当CP1时，数据被锁住，输出原来的状态（锁存） 。,由D型锁存器（LATCH）构成的数码寄存器,2.3 中央处理器CPU （Central Processing Unit）,作用 指令的执行场所 运算 控制功能 组成 运算部件 控制部件 寄存器组,CPU,2.3.1 运算部件,组成： 算术逻辑单元ALU 累加器A、 寄存器B 暂存器TMP1和TMP2 程序状态寄存器PSW 布尔处理机 作用 ： 实现数据的算术逻辑运算 位变量处理 数据传送操作,程序状态字,作用 程序状态字寄存器PSW（8位）是一个标志寄存器, 它保存指令执行结果的特征信息, 以供程序查询和判别。 格式,PSW.7,PSW.0,PSW各位定义,CY（PSW.7）进位标志位。 AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志。 F0（PSW.5）由用户定义的标志位。 RS1（PSW.4）、 RS0（PSW.3）工作寄存器组选择位。 OV（PSW.2）溢出标志位。 由硬件置位或清零。 PSW.1未定义位。 P（PSW.0）奇偶标志位。,2.3.2 控制部件及振荡器,组成 定时和控制电路 指令寄存器 译码器以及信息传送控制等部件。 微操作 一条指令的执行过程,2.6.1 CPU时序,什么是时序 计算机在执行指令时, 通常将一条指令分解为若干基本的微操作, 这些微操作所对应的脉冲信号在时间上的先后次序称为计算机的时序 周期 振荡周期: 为单片机提供定时信号的振荡源的周期（晶振周期或外加振荡源周期）。 状态周期: 2个振荡周期为1个状态周期, 用S表示。 机器周期: 1个机器周期含6个状态周期, 用S1、 S2、 、 S6表示, 共有12个节拍。 指令周期：它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。,振荡器,内部时钟方式 外部时钟方式,（a） 内部振荡器方式; （b） 外部振荡器方式,例如:,外接晶振为12 MHz时, MCS51单片机的4个时间周期的具体值为: 振荡周期=1/12 s; 状态周期=1/6 s; 机器周期=1 s; 指令周期=14 s。,计算机的组成,冯.诺依曼：计算机可以存储程序，通过存储在硬件中程序控制硬件完成各种操作 硬件由Bus 、CPU、Memory 、IO Interface、IO device构成 软件：程序由指令构成,2.4 MCS51单片机存储器及存储空间,2.4.1 MCS51单片机存储器分类 从物理结构上可分为: 从寻址空间分布可分为: 程序存储器、 内部数据存储器和外部数据存储器 从功能上可分为: 程序存储器、 内部数据存储器、 特殊功能寄存器、 位地址空间和外部数据存储器5大部分。,51系列单片机结构图,存储器寻址空间和编址,FFFFH,0000H,00H,FFH,FFFFH,0000H,程序存储器,内部数据存储器,外部数据存储器,存储器寻址空间有效条件,怎样用同样的地址找到位于不同存储器中的单元？,2.4.2 程序存储器,1. 程序存储器的编址 2. 程序运行的入口地址,程序存储器的编址,外部,程序运行的入口地址,ORG 0000H START: MOV A,#03 ADD A,#02 MOV P1,A LJMP $,2.4.3 内部数据存储器,FFFFH,0000H,00H,FFH,FFFFH,0000H,程序存储器,内部数据存储器,外部数据存储器,内部数据存储器的构成,RAM块 工作寄存器区 位寻址区 数据缓冲区 特殊功能寄存器（SFR）块组成,内部数据存储器编址,内部数据存储器,工作寄存器区,组成： 内部RAM块的00H1FH区, 共分4个组, 每组有8个工作寄存器R0R7, 共32个内部RAM单元。 组的选择 通过软件修改PSW中RS0和RS1两位的状态, 就可任选一个工作寄存器工作。 组的用途 使MCS51单片机具有快速现场保护功能, 对于提高程序的效率和响应中断的速度是很有利的。,工作寄存器区,工作寄存器区,位寻址区,什么是位地址 范围 用户区(20H-2FH) SFR区(80H-FFH) 和字节地址的对应关系,和字节地址的对应关系,数据缓冲区,用途： 存放用户数据 范围： 30H7FH是数据缓冲区, 也即用户RAM区, 共80个单元。 MCS52子系列片内RAM有256个单元, 前两个的单元数与地址都和MCS51子系列一致。 用户RAM区从30HFFH, 共208个单元。,堆栈与堆栈指针,用途： 在程序实际运行中, 往往需要一个后进先出的RAM区, 在子程序调用、 中断服务处理等场合用以保护CPU的现场, 这种后进先出的缓冲区称为堆栈。 范围： 堆栈指针寄存器SP 大小 堆栈类型： 向上生长型,特殊功能寄存器SFR块,用途 特殊功能寄存器SFR, 又称为专用寄存器。 它专用于控制、 管理单片机内算术逻辑部件、 并行I/O口锁存器、 串行口数据缓冲器、 定时器/计数器、 中断系统等功能模块的工作 SFR的地址空间 80HFFH。 寻址 寻址方式 位寻址 分类 内部功能的控制寄存器 和芯片