《片机实践应用与技术》第9章.ppt

第9章 单片机硬件基础,9.1 单片机总体介绍,单片机微型计算机简称单片机，又称微控制器（简称MCU）、嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机（以大规模集成电路为特征）。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器等集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。 正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器代替单片微型计算机这一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质，但由于单片机这个名称已经为国内大部分人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。,单片机的主要特点,具有优异的性能价格比 集成度高、体积小、可靠性高 控制功能强 低电压、低功耗,单片机的主要应用领域,由于单片机具有上述显著的特点，因此，其应用领域无所不至，在自动化装置、智能化仪器仪表和家用电器等领域得到日益广泛的应用。 下面仅列举一些典型的应用领域。 工业控制 仪器仪表 电信技术 办公自动化和计算机外部设备 汽车与节能 制导与导航 商用产品 家用电器,9.2 常用单片机系列介绍,一、INTEL公司产品及性能简介 Intel公司于1976年推出了MCS48系列单片机，于1980年推出了MCS-51系列单片机，于1983年推出了MCS-96系列单片机。 MCS-51系列单片机是一种高性能的8位单片机，它是在MCS-48的基础上推出的第二代单片机。其典型产品为8051，封装为40引脚。 MCS-51系列单片机采用HMOS（如8051）和CHMOS（如80C51）工艺。这两种单片机完全兼容。CHMOS工艺先进，它综合了HMOS工艺的高速度和CMOS工艺的低功耗特点。 MCS-51系列单片机按片内有无程序存储器及程序存储器的形式分为三种基本产品：即8051、8751和8031。,ATMEL公司产品及性能简介,ATMEL公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性存储器和数字集成电路的制造公司。ATMEL公司最令人注目的是它的EEPROM电可擦除技术，闪速存储器技术和高质量、高可靠性的生产技术。 特点： 以EEPROM电可擦除及Flash技术为主导 有多种封装形式和高质量 高标准的质量检测 AT89系列单片机与MCS-51系列完全兼容 AT89系列单片机简介,PHILIPS公司产品及性能简介,PHILIPS半导体公司近年来针对ATMEL、ST系列单片机，开发了众多基于80C51内核架构的派生器件。该系列单片机的基本结构、汇编指令等方面与MCS-51系列完全兼容，其时钟达33MHz，还有功能非常丰富的I/O接口，这给用户的应用开发带来了诸多方便。,STC89C51RC/RD+系列单片机性能简介,STC89C51RC/RD+系列单片机是美国技术、宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。,9.3 80C51单片机的硬件结构,80C51系列单片机是由Intel等各大公司推出的8位主流单片机,是目前我国应用最广泛的一种单片机系列。 以80C51为例子介绍单片机的内部结构、外部引脚、存储器配置、并行I/O端口、外围电路。 80C51是51系列单片机中最典型的单片机，其他芯片都具有与它基本相同的硬件结构和软件特征。,80C51单片机的内部结构,80C51单片机的内部结构,中央处理器（CPU）：单片机的核心，完成运算和控制功能，由运算器和控制器组成。运算器包括算术逻辑单元、位处理器、累加器、寄存器、暂存器和程序状态字寄存器等，其功能是实现数据的算术运算、逻辑运算、位处理和数据传送操作。控制器包括定时控制逻辑、指令寄存器、译码器和信息传送控制部件等，实现控制功能。 80C51单片机的CPU能处理8位二进制和代码，即1B。,80C51单片机的内部结构,内部存储器：包括程序存储器和数据存储器，相互独立，严格分工。程序存储器为只读存储器，只存放程序指令、常数和数据表格；数据存储器为随机存储器，只存放数据。 80C51：4KB程序存储器，存放程序和不改写的数据，称为内部ROM；256BRAM单元存放可读/写的数据，其中后128B被专用寄存器占用，用户使用的只是前128B，称为内部RAM。,80C51单片机的内部结构,定时与中断系统：内部集成2个16位的定时器/计数器，用于实现定时或计数功能，同时以定时或计数的结果（查询或中断方式）来实现控制功能。 80C51有5个中断源，其中外部中断2个，定时器/计数器中断2个，串行中断1个，分为高级和低级两个优先级别。,80C51单片机的内部结构,I/O口：有4个8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入和输出；有一个全双工的串行口，以实现单片机之间及单片机与外部设备之间的串行数据传送。,80C51单片机的内部结构,时钟电路：为单片机产生时钟脉冲序列，用于协调和控制单片机的工作。 80C51单片机内部有时钟电路，在采用内部时钟时须外接石英晶体振荡器和微调电容，系统允许的最高时钟频率为12MHz。 80C51虽是单个芯片，但作为计算机应该有的基本部件都包括，它实际是一个简单的微型计算机系统。,80C51外部引脚功能,80C51单片机共有40个引脚，两种封装形式：双列直插式，方形封装（44引脚，其中4个空脚NC），图中为双列直插式的芯片排列图，40个引脚分布：电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根，输入输出引脚32根。,80C51存储器配置,80C51存储器配置,从物理上分有4个存储空间；片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。 从逻辑上分有3个存储器地址空间：片内外统一的64KB的程序存储器地址空间、256B的内部数据存储器地址空间和64KB的外部数据存储器地址空间。,80C51存储器配置,程序存储器：用于存放编好的程序和表格常数，有4KB的程序存储器。 1、EA引脚的连接：正常运行时接高电平，使程序从内部ROM开始运行，考虑到目前许多厂家为用户提供了的内部ROM容量能满足需求，建议不要进行外部ROM的扩展。 2、关键的存储单元：一、0000H-0002H，系统复位后程序计数器PC的值为000H，系统从该处开始执行程序，所以应从该处开始存放程序，该单元区域放一条跳转命令，用户设计的主程序从跳转后的地址开始存放。二、另有5个特殊单元，分别对应5个中断源的入口地址（见表9-6）。,80C51存储器配置,内部数据存储器（RAM）在物理上分为两个不同的存储空间，即数据存储器空间（低128单元）和特殊功能寄存器存储空间（高128单元）。这两个空间是相连的。从用户角度而言，低128单元才是真正的数据存储器 数据存储器（低128单元） 数据存储空间共有128个单元，地址00H7FH，配置见图9-4。 （1）通用寄存器区 （00H-1FH）：32个单元，分为四个通用工作寄存器区，每个区有8个8位寄存器，编号为R0-R7。任一时刻CPU只能使用一组寄存器，称为当前寄存器。 （2）位寻址区 （RAM中20H-2FH的16个单元可进行位寻址，共128位，位地址为00H-7FH，表9-7为位寻址区位地址表） （3）用户RAM区 （30H-7FH，共80个单元）供用户使用，不做规定，但栈一般开辟在此区。,特殊功能寄存器SFR（高128单元，80H-FFH）给特殊寄存器使用，这些寄存器功能有专门规定，称为专用寄存器，有21个，仅占用了128个单元中很小一部分，不连续地分配在内部RAM中高128个单元中，尽管还有空闲地址，但用户不能使用，表9-8给出了专用寄存器的符号、名称和地址。 程序计数器PC独立与SPR之外，不可寻址，不可直接控制，只能间接用指令控制，不占RAM单元，物理上独立存在，不包括在21个特殊功能寄存器中。 21个专用寄存器中11个不仅可以进行字节寻址，也可以进行位寻址，起特征是字节地址能被8整除（字节地址末位0或8） IP有3位，IE有2位，PSW中有1位对用户无实际意义，因此直接寻址位为82位，再加上数据存储器中128位，80C51有210位可寻址位。,80C51单片机的四个I/O口都是8位双向口。这些口在结构和特性上是基本相同的，但又各具特点。,P1口线逻辑电路图,P2口线逻辑电路图,单片机应该说是一个小系统了；然而，由于实用系统中有一些功能器件无法集成到芯片内部，如晶振、复位电路等，因此需要在片外附加相应的电路。下面介绍实际应用中的单片机外围电路设计。,引入外部时钟,时序的定时单位 （1）节怕与状态 （2）机器周期 （3）指令周期,典型时序分析,STC89C51RC/RD+系列单片机结构特点,总体结构特点 高速 时钟频率可达80MHz，大大提高了程序运行的速度。 高可靠性 超强抗干扰能力，包括对静电、高压快速脉冲、电源抖动及温度变化等方面。单片机内部的I/O口、电源供电系统、时钟电路、复位电路、看门狗电路等都经过了特殊处理。 超低功耗 正常工作模式典型功耗为47mA；空闲模式典型功耗为2mA；掉电模式典型功耗小于2uA；且掉电模式可由中断唤醒。 增加了I/O口和外部中断等硬件资源且可用户程序用ISP/IAP机制写入。,9.4 实验 简单汇编程序,一、硬件电路说明： 1、P1.1是LD2发光二极管的控制端，高电平使之发亮并经Q10晶体管放大导通使J2继电器线圈吸合。 2、P1.5是SPK的控制端，为低电平时经二路使蜂鸣器发声。 3、P1.6是LD1发光二极管的控制端，低电平时二极管发光并经三路使J1继电器线圈吸合。 二、程序设