片机的基本结构和用途.ppt

第一节单片机的基本结构和用途,李朝青编单片机原理与接口技术北京航天航空大学出版社,系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。,单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。,单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。,1.2单片机的发展过程及产品近况,1.2.1单片机的发展过程,单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：单芯片微机形成阶段1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。,特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。,性能完善提高阶段1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。,特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。,1.2.2单片机产品近况,STC单片机，宏晶科技8051单片机全球第一品牌中国大陆本土MCU领航者http:/www.mcu-,80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：,非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间，近年来推出的非80C51系列的主要产品有：,ATMEL公司的AVR单片机（8位，16位）；Microchip的PIC系列RISC单片机（8位，16位，32位）；TI的MSP430F系列16位低功耗单片机。32位单片机ARM7，ARM9，可以运行嵌入式Linux操作系统和WINCE操作系统。,1.3单片机的特点及应用领域,1.3.1单片机的特点,近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。,控制性能和可靠性高实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。,体积小、价格低、易于产品化单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。,1.3.2单片机的应用领域,智能仪器仪表,单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。,机电一体化产品,机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。,实时工业控制,单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。,分布式系统的前端模块,在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。,家用电器,家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。,另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。,2.180C51系列概述,2.1.1MCS-51系列（1）MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种，如：,8051/8751/8031；8052/8752/8032；80C51/87C51/80C3180C52/87C52/80C32等。,（2）该系列生产工艺有两种：,CHMOS是CMOS和HMOS的结合，既保持了HMOS高速度和高密度的特点，还具有CMOS的低功耗的特点。在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片，CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。,一是HMOS工艺（高密度短沟道MOS工艺）。二是CHMOS工艺（互补金属氧化物的HMOS工艺）。,（3）在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类：,增强型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32,基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C31,（4）在片内程序存储器的配置上，该系列单片机有三种形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(无片内程序存储器)。如：,80C51有4K字节的掩膜ROM；87C51有4K字节的EPROM；80C31在芯片内无程序存储器。,2.1.280C51系列,Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；STC的：89C51、89C52、89C2051等；ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；Philips、华邦、等公司的许多产品。,80C51是MCS-51系列中CHMOS工艺的一个典型品种；其它厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要产品有：,2.1.380C51典型产品资源配置,1.1MCS_51系列单片机介绍,所谓单片机是指在一块硅片上集成了中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、程序存储器(ROM或EPROM)、定时计数器、中断控制器以及各种IO接口，也就是集成在一块芯片上的计算机。,INTEL公司的8051单片机结构框图,由图可知，在一块芯片上包含了九个部件，它们分别为：CPU、振荡器电路、中断控制、4K字节ROM、128字节RAM、128字节的特殊功能寄存器区、4个IO口(32根IO线)、两个16位定时计数器、一个串行接口。,RAM和ROM的概念（1）,本课程主要介绍INTEL公司出产的MCS_51系列单片机，该系列单片机是目前性能价格比最佳，应用较多的8位微机系列产品。它们包括8051、8751和8031三种。介绍这三种单片机芯片前，先了解一下RAM和ROM的概念。RAM是能够将程序和数据读出和写入的存储器，可分静态和动态两种。一般小容量存储器采用静态SRAM，而较大容量存储器采用动态DRAM。静态和动态RAM在停电后记忆内容都会消失。这给工业控制用微机带来不便。采用由小型电池支持的CMOS静态RAM可以使停电后记忆内容保持下来。,RAM和ROM的概念（2）,ROM主要可分为掩膜ROM和PROM两类。掩膜ROM在制造时就用掩膜工艺将存储内容一起制成，此后再也不能变更；而PROM则在制成芯片后，用户能将存储内容写入芯片。PROM分四种：一种为PROM，PROM在采用高压脉冲写入内容后再也不能消去，而另一种EPROM芯片上却有一个能通过紫外线的小窗口当需要擦除已写入的内容时，将小窗口对着一定频谱的紫外光线光源照射一定时间(15min左右)。就可擦除写入的所有信息。要重新写入信息，需插在专用编程器上，在25V编程电压下，用高压脉冲写入。第三种为EEPROM(E2PROM)，它可以在不脱机的情况下用芯片内产生的电脉冲进行擦洗改写，它完全使用单电源5V供电不要求任何编程高压。还有一种FLASH闪存型ROM，它可在专用编程器上即擦即写，而且读写速度快。现在已经支持ISP在线下载了！,8051、8751和8031三种单片机型号的区别,8051片内有4KB的ROM。用户将已开发好的程序交给芯片制造厂商，在制造芯片时用掩膜工序将用户程序写入ROM。显然用户本身是无法将自己的程序写入8051芯片的。程序一经写入片内ROM，用户也无法改变程序。所以8051用在批量较大(1000片以上)时，经济上才合算。8751片内有4KB的EPROM。用户可以用高压脉冲将用户程序写入片内EPROM。所以当用户的程序不长时使用这种芯片可简化电路。由于EPROM可通过照射紫外线抹去原有程序进行改写，所以这类芯片也可用于程序的开发工作。8031片内无ROM或EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。这三种单片机芯片引脚相容，均可寻址64KB的外部程序存储器和64KB的外部数据存储器。,思考题,1.ROM和RAM的区别如何，为什么软件程序存在ROM中？2.MCS-51系列单片机中，片内无ROM的机型是，有4KBROM的机型是，而有4KBEPROM的机型是。3.8051单片机芯片上包含了九个部件，它们分别为：CPU、振荡器电路、4K字节ROM、128字节RAM、4个IO口(32根IO线)、两个16位定时计数器、一个串行接口。,1.2MCS-51系列单片机芯片引脚功能,MCS-51系列单片机芯片引脚功能I/O口线（1）,这40根引脚按功能可分为三部分：I/O口线4个8位并行I/O口，它们的引脚为：P0.0P0.7、P1.0P1.7、P2.0P2.7、P3.0P3.7，共32根引脚，这32根引脚中P0口在单片机需要对外扩展功能芯片时，它担任地址数据复用的总线口，即它的8根线既是8根数据线，又是8根地址线（低八位）。在这种情况下，扩展所需的高位地址线由P2口提供。,图示,MCS-51系列单片机芯片引脚功能I/O口线（2）,P3口既可作为一般的I/O口使用，必要时，它还可用作串行通信的接口、定时器的外部计数输入端、外部中断请求输入端和外部数据存储器的读写选通信号输出端，所以它的引脚具有第二功能：P3.0RXD（串行输入）；P3.1TXD（串行输出）；P3.2/INT0（外部中断0输入）；P3.3/INT1（外部中断1输入）；P3.4T0（定时器0外输入端）；P3.5T1（定时器1外输入端）；P3.6/WR（外部RAM写选通）；P3.7/RD（外部RAM读选通）；这种一口多用的功能是单片机很重要的特点。在单片机需要对外扩展时，只有P1口以及部分作为第一功能使用的P3口引线，才能用作用户I/O线。,图示,MCS-51系列单片机芯片引脚功能控制线（1）,ALE地址锁存允许当单片机访问外部存储器时，输出信号ALE用于锁存P0口输出的低8位地址A0A7，单片机需要对外扩展功能芯片时，P0担任地址数据复用的总线口，即它的8根线既是8根数据线，又是8根地址线（低八位）。那么P0口何时传送低八位地址，何时传送八位二进制数据，就是靠ALE地址锁存允许线来协调。,MCS-51系列单片机芯片引脚功能控制线（2）,/EA程序存储器选择8051和8751片内都有4KB的ROM，单片机是执行自身芯片内部4KB容量的ROM中的程序，还是执行外部ROM的程序，由/EA的电平高低来决定。/EA0，单片机只访问外部程序存储器。对内部无程序存储器的单片机8031，/EA必须接地。/EA1，单片机访问内部程序存储器，若地址超过内部程序存储器的范围，单片机将自动访问外部程序存储器。对内部有程序存储器的单片机，/EA应接高电平。,MCS-51系列单片机芯片引脚功能控制线（3）,/PSEN片外程序存储器读选通线此信号为低电平时，才允许读外部程序存储器的程序。它与外部程序存储器的数据输出选通线/OE相连。外部RAM写选通线/WR、读选通线/RD由于P3口具有第二功能，其中P3.6为/WR，是外部RAM写选通线。P3.7为/RD，是外部RAM读选通线。所以只有当/RD或/WR为低电平时，才能读或写外部数据存储器中的数据。,MCS-51系列单片机芯片引脚功能控制线（4）,RST复位信号输入RST的作用是使单片机内部特殊功能寄存器清零和复位，与个人电脑的复位按钮的功能相似。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和上电与按键复位两种方式。复位后，单片机将回到开始工作的初始状态。,MCS-51系列单片机芯片引脚功能电源及时钟,VSS为接地线，VCC接5V。XTAL1和XTAL2接晶振或外部振荡信号源，图中为外接晶振方式，晶振可在1.2MHZ至12MHZ之间选择。晶振频率越高，程序执行速度越快。,1.3单片机的用途,机电一体化系统的微机系统一般分三种类型：工业控制机，可编程控制器（PLC），和单片机系统。工业控制机实际上就是加强了抗干扰能力的个人电脑，多用于在要求很高的实时控制及复杂的过程控制、高速运算及大量数据处理的场合，如智能机器人、导航系统、信息处理系统和数控加工中心等。可编程控制器是从电气继电接触控制发展而来的，它可以代替成千上万的继电器，这样可使机械设备的电气控制柜的体积大大缩小，而且还大大提高了电气控制的可靠性。由于可编程控制器是专为工作环境条件较