《单片机绪论》PPT课件.ppt

1,微机原理及接口技术（也称单片机原理及应用）一门实现智能控制的技术基础课程,请同学们认真阅读第一章明确本课程的目的，学习方法，内容,课程简介：该课程是一门实践性、应用性很强的技术基础课，通过本课程的学习，使学生较好地掌握MCS-51系列单片微型计算机的基本结构、工作原理、接口技术和应用等方面的知识。掌握单片机应用系统的设计和应用程序的设计方法，学习单片机应用于工业测控等方面的基本技术。并通过实践环节的学习，学会单片机应用系统的设计和调试方法。为将来从事自动测控技术、智能电器、电子、检测等工业领域相关工作，进行各种智能化电子产品的设计和研发等提供技术准备，奠定坚实的技术基础本课程强调建立系统概念，这也是本课程的特点之一。,2,单片机原理与应用,教学内容：单片微型机的内部结构及基本工作原理汇编语言程序设计方法单片微型计算机应用（主要中断、定时器/计数器）单片微型计算机系统扩展设计方法,学习方法？,3,工科学生把计算机用在工业测控现场中，存在两方面的困难：（1）何快速地构成一个测控系统的硬件环境？（2）何快速地完成相应的软件？市场上已有各种商品化的工控机、各种过程I/O模板（板卡）（1）如何快速构成一个测控系统的硬件环境？,（1）如何快速构成一个测控系统的硬件环境？,开关量,定时器/计数器,模拟量,驱动,信号调理,通信,搭积木式,计算机,4,（2）如何快速完成相应软件？,（1）“软件文学”学文学的三步曲：熟读优秀范文、模仿范文写作文，创作。“软件文学”的三步曲：熟读典型的（当然也是入门的）测控程序、上机运行；模仿编写或改动这些程序；自己创作编写测控程序。（2）“组合软件”尽可能选用现成的程序，把现成程序作适当的修改，作为自己程序的一部分（3）利用高性能的开发工具和平台如：组态软件，LabVIEW.。,暂不涉及,5,回顾：有关微型计算机的基础知识,硬件：微处理器，存储器，总线，I/O接口软件：系统软件，应用软件,6,计算机系统通常由多块印刷电路板制成：,7,单片机原理多媒体教程,第一章绪论,图1-1单片机,单片机：只是一个芯片。,单片机,8,CPU,CPU芯片,内存条,存储器接口,存储器芯片,输入输出接口,输入输出接口芯片,定时计数器芯片,A/D、D/A芯片,单板机,印刷电路板,9,单硅晶片,CPU,存储器,控制电路,定时器,时钟电路,I/O口,单片机,10,单片机原理与应用,第一章绪论第二章MCS-51单片机的硬件结构与工作原理第三章指令系统与程序设计第四章MCS51定时计数器及其应用第五章串行接口第六章MCS-51单片机的系统扩展第七章单片机应用系统接口技术,总目录,11,第一章绪论,第一章,12,第二章单片机的硬件结构与工作原理,第二章,13,第三章指令系统与程序设计,第三章,14,第四章单片机定时计数器及其应用,第四章,15,第五章串行接口,第五章,16,第六章单片机的系统扩展,第六章,17,第七章单片机应用系统接口技术,第七章,18,单片机原理与应用,第一章绪论,讲授内容：1.有关微型计算机、单片机的概念2.单片机的一般结构及特点3.单片机的发展过程4.常用单片机系列简介5.单片机的应用领域6.数制、码制复习本章重点：1.微处理器、微机和单片机的基本概念、单片机的结构特单片机特点与应用。2.数制、码制,19,第一节单片机的特点与发展概述,一、微处理器、微机和单片机的概念微处理器（Microprocessor）微型计算机的控制和运算器部分；微型计算机（Microcomputer）有完整运算及控制功能的计算机，包括微处理器、存储器、输入/输出(I/O)接口电路以及输入/输出设备等；单片机(singlechipmicrocomputer)直译为单片微型计算机，它将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、输入/输出(I/O)接口电路、中断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块大规模集成电路芯片上，组成单片微型计算机简称单片机。单片机的形态只是一块芯片，但是它已具有了微型计算机的组成结构和功能。由于单片机的结构特点，在实际应用中常常将它完全融入应用系统之中，故而也有将单片机称为嵌入式微控制器(embeddedmicrocon-troller)。,20,二、单片机的一般结构及特点,一般单片机有2种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序存储器和数据存储器合用一个存储空间的结构，称为普林斯顿(Princeton)结构或称冯诺依曼结构；另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛(Har-vard)结构。Intel公司的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构。目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构较多。,21,单片机按其基本操作处理的位数可分为：1位单片机、4位单片机、8位单片机、16位单片机、32位单片机、64位单片机。相对来说，8位单片机目前仍为单片机应用系统设计中的主流系列，如上图所示。,22,三、单片机的特点：,单片机的中央处理器(CPU)和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能。例如：位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理功能等，增强了控制的实用性和灵活性。,23,四、单片机的发展过程概述,Intel8位单片机的发展第一代：以1976年推出的MCS-48系列为代表。第二代：以MCS-51的8051为代表的单片机，第三代：以51系列、AVR、PIC等为代表。,一般根据控制应用需要:又可设计成通用单片机、专用单片机按内部数据总线的宽度:单片机分为4位、8位、16位及32位等。,24,单片机的发展,第一代(19761986)CISC8/16位单片机1976年Intel8位单片机系列MSC-48系列Motolora公司的68HC05系列1980年Intel高档8位单片机MSC-51系列1993年Intel16位单片机MSC-96系列特点：(1)哈佛结构，程序和数据分离，各存放于不同类型的存储器中，程序总线和数据总线分时复用；(2)使用CISC复杂指令集，指令长度不等，执行时钟周期数有长有短。(3)总体灵活、实用、利于逻辑控制。,25,第二代(19862000)RISC32位嵌入式处理器Atmel公司1997年推出的AVR系列单片机Microchip公司的PIC系列单片机台湾HOLTEK公司的HT47系列单片机SCENIX的SX系列特点：(1)哈佛结构；(2)使用精简指令集(RISC)结构，提高了时钟频率和运算速度；(3)采用COMS工艺将数字和模拟电路集成于同一个片上，丰富了片上集成外围器件和I/O的种类；(4)集成大容量片上FLASH存储器；(5)追求低电压、低功耗、低价位。,26,Segway公司的Segway个人运输车，采用PIC16F8位Flash微控制器,27,28,Atmel的新型电动车控制器，采用AVR单片机ATmega8为主控芯片，该系统性能可靠、成本较低，是一种实用的无刷直流电动机调速系统。,29,第三代(20002008)IP核32位SoC/PSoCSoC(Systemonchip)：整体设计概念，是一种芯片设计方法，系统集成了各种功能模块，每一种功能都是由硬件描述语言设计，然后在SoC内由电路实现；每一个模块不是一个已经设计成熟的ASIC器件，只是利用芯片的一部分资源去实现某种传统的功能。PSoC(ProgrammableSystemonChip)：硬件可配置的SoC。即具有设计灵活性，又有硬件重构性，能够适应非常复杂的实时控制需求。可以大大提高开发效率，增强系统的可靠性和抗干扰能力。,30,TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准(简称3G)，集成了低通滤波器，零中频架构，外围器件少，硅面积小，完全覆盖我国标准双频段。,上海鼎芯通讯TD-SCDMA3G手机SoC,31,嵌入式NiosII软核的FPGA型PSoC，可进行远程更新，满足需求的变化，不改动电路板就可对功能进行提升。,Altera公司StratixII型PSoC,三洋投影机，采用Altera的StratixII处理器来实现智能影像处理和增强功能。,32,商业营销领域：,33,第二节常用单片机系列简介,一、ATMEL单片机ATMEL公司所生产的ATMEL89系列单片机（简称89系列单片机），就是基于Intel公司的MCS-5l系列而研制的，该公司的技术优势在于Flash存储器技术。应用较多的有：AT89C51系列STC89C51/52系列SST89系列AT-tiny、AT90/、ATmega等系列的AVR单片机这些都是一种可下载（可在线读写）的Flash单片机，它和IBM微机通信进行下载程序十分方便。,34,二、Philips单片机Philips公司的的单片机都属于MCS-51系列兼容的单片机。三、Maxim-Dallas单片机四、WinBond单片机五、Motorola单片机六、其他公司的单片机1）NEC单片机；2）东芝单片机；3）Epson单片机；提示：经常上网查询，关注发展动态,35,第三节单片机的应用领域,1.3.1单片机应用系统单片机与微型计算机的区别在于单片机通常是为应用系统而设计的，本身一般不具有自我开发和编程的能力，因此必须借助于开发工具来开发。单片机最突出的特点是其本身就是一个完整的应用系统，可以通过对单片机的选型和多个联用来满足不同要求。若无特殊需要，不必进行扩展（如ROM、RAM、I/O、A/D等扩展）。一、单片机在智能仪器中的应用智能化仪器内部基本上都是用单片机进行信息控制与处理。特别是近年来出现的数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）是一种速度极高的单片机，它在通信和高速信息处理中起了极大的作用，从而扩展了单片机在智能仪器中的应用。,36,办公自动化领域：,37,二、单片机在过程控制中的应用,38,三、单片机与e-Home家用电器的嵌入式结构有单核嵌入和双核嵌入2种。例如：一般电脑电饭煲，内部只有一个单片机，这种控制系统是单核嵌入；对于分体式空调，室内机与室外机中分别有1个单片机，为双核嵌入结构。,39,单片机的应用领域,家用电器领域：,40,四、单片机与Internet各类家用电器和智能装置，它们的“心脏”多是单片机。由于单片机芯片品种达数百种，其硬件结构和指令系统各不相同，不能直接接入Internet网络。网络芯片Webchip的出现成为智能装置和家电产品连接Internet的理想“桥梁”,41,五、单片机的发展,1）强化指令功能2）增加各种接口部件3）提高专用程度,1.3.2单片机开发系统单片机开发系统是单片机应用系统开发调试的工具。通常有两种开发方式：一是对于复杂的单片机系统，可使用微机来进行应用开发，人们把能开发单片机的微机称为微型计算机开发系统MDS（MicrocomputerDevelopmentSystem）；二是有专门的单片机开发系统，称为在线仿真器ICE（InCircuitEmulator），通过它可以进行单片机应用系统的软硬件开发和EPROM程序写入。,42,单片机应用系统开发特点是：选用合适机型，开发实用软件。下图为单片机开发系统组成框图：,43,单片机原理多媒体教程,第一章绪论,单片机应用系统：在单片机芯片的基础上，扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。,数据总线(DB),单片机,地址总线(AB),控制总线(CB),单向,双向,双向,外部数据存储器(RAM),外部程序存储器(EPROM)或(EEPROM),其它外部设备(显示器)或(键盘)等,44,（1）总线(BUS)总线是连接CPU与各功能部件并进行信息传递的公共通道。总线通常分为三种，即数据总线(DB)地址总线(AB)和控制总线(CB)。,复习一：微型计算机的基本结构及工作原理1.微型计算机的基本结构微型计算机由微处理器（）、存储器、输入输出接口（/接口）三部分主成，各部分用总线相连。,45,2、输入输出(I/O)接口由于I/O设备中类繁多，它们在速度、电平、功率、信息形式等很多方面有很大差别，不能直接与CPU连接，必须经过I/O接口电路解决它们之间的匹配问题。、存储器存储器分类存储器存储的信息存储器的读写操作过程,46,（4）微处理器（）运算器寄存器阵列控制器内部总线2.复习基本概念与常用术语（1）位(Bit)位是计算中构成信息的最小单位，表示二进制数中的某个数位“0”或“1”。Bit是BinaryDigit的缩写。（2）字(Word)字是由若干位组成它与数据总线的宽度(根数)一致。（3）字节(Byte)一字节为8位(bit)，是CPU与输入/输出设备和存储器之间传送数据的基本单位。,47,（4）指令(Instruction)：指规定计算机完成某种操作的命令。目前计算机只能直接识别由二进制编码的指令，即机器码（5）指令系统(InstructionSet)：指一台计算机所能识别的全部指令的集合。（6）程序(Program)：为完成特定任务而设计的一组指令有序的集合。（7）地址(Address)地址指存贮单元的编号。（8）K和KB计算机的存储器容量较大，K和KB常用作计算存储器容量的单位1K=210=1024B;1KB=1024Byte。（9）关于时序的概念所谓时序，就是计算机在工作过程中，CPU控制器所发出的一系列控制信号在时间上的相互关系。,48,复习内容二、计算机系统中的数制、码制复习,1.数制及其互换,2.带符号数的表示法3.原码、反码、补码特点：8位二进制数表示原码、反码、补码的范围(-127+127、-127+127、-128+127)补码的运算在微型计算机中，带符号数用补码表示，减法可用补码相加来实现，运算结果为补码。.负数补码快速求法？,、补码运算举例,49,MCS-51系列单片机分类表,50,51子系列和52子系列,MCS-51系列又分为51和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中，51子系列是基本型，而52子系列则属增强型。52子系列功能增强的具体方面，从表1-1所列内容中可以看出：(1)片内ROM从4KB增加到8KB。(2)片内RAM从128B增加到256B。(3)定时/计数器从2个增加到3个。(4)中断源从5个增加到6个。,51,单片机芯片半导体工艺,MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺，即高速度、高密度、短沟道MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。表1.1中，芯片型号中带有字母“C”的，为CHMOS芯片，其余均为一般的HMOS芯片。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。如：8051的功耗630mW，80C51为120mW,在便携式、手提式或野外作业仪器设备上，低功耗是非常有意义的，因此，在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。,52,片内ROM存储器配置形式,MCS-51单片机片内程序存储器有三种配置形式，即掩膜ROM、EPROM和无ROM。这三种配置形式对应三种不同的单片机芯片,它们各有特点，也各有其适用场合，在使用时应根据需要进行选择。一般情况下，片内带掩膜型ROM适用于定型大批量应用产品的生产；片内带EPROM适合于研制产品样机；外接EPROM的方式适用于研制新产品。最近，Intel公司又推出片内带EEPROM型的单片机，可以在线写入程序。,53,1、4计算机中数据的表示和编码,计算机中的数据都是采用二进制形式存储和处理的，二进制数只有两个数字0和1，这与我们日常生活中所使用的十进制数是不同的。1、4、1计算机中常用的进制数人们最常用的数是十进制数，计算机中采用的是二进制数，同时有的时候为了简化二进制数据的书写，也采用八进制和十六进制表示方法。下面将分别介绍这几种常用的进制。1、十进制数十进制数是大家熟悉的，用0，1，2，8，9十个不同的符号来表示数值，它采用的是“逢十进一，借一当十”的原则。,54,2、二进制表示法基数为10的记数制叫十进制；基数为2的记数制叫做二进制。二进制数的计算规则是“逢二进一，借一当二”。,3、八进制表示法八进制数是基数为八的计数制。八进制数主要采用0，1，2，7这八个阿拉伯数字。八进制数的运算规则为“逢八进一，借一当八”。,4、十六进制表示法基数为16，用0-9、A-F十五个字符来数值，逢十六进一。各位的权值为16i。,55,十进制（D）二进制（B）二十进制（BCD）十六进制（H）0000000000100010001120010001023001100113401000100450101010156011001106701110111781000100089100110019101010A111011B121100C131101D141110E151111F,56,1、4、2进制间的转换1、二进制数和十进制数之间的转换（1）、二进制数转换为十进制数方法：按二进制数的位权进行展开相加求和即可。例:11101.101=124+123+122+021+120+12-1+02-2+12-3=16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125=29.875,其它进制数据转换成十进制方法同上。,57,（2）、十进制数转换为二进制数（或其它进制）方法：A、将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把转换结果进行相加。B、整数转换采用除2取余法：用2不断地去除要转换的数，直到商为0。再将每一步所得的余数，按逆序排列，便可得转换结果。C、小数转换采用乘2取整法：每次用2与小数部分相乘，取乘积的整数部分，再取其小数部分乘2直到小部分为0。将所取整数顺序放在小数点后即为转换结果。,58,例：将（136）D转换为二进制数。2136余数（结果）低位268-0234-0217-028-124-022-021-00-1高位,转换结果：（136）D=（10001000）B,59,例：将（0.625)D转换为二进制数。0.625*21.25*20.5*21.0取整：高位低位,转换结果：(0.625)D=(0.101)B,60,2、二进制数和八进制数、十六进制数间的转换（1）、二进制数到八进制数、十六进制数的转换A、二进制数到八进制数转换采用“三位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每三位分一组，向左不足三位的，从左边补0；向右不足三位的，从右边补0。B、二进制数到十六进制数的转换采用“四位化一位”的方法。从小数点开始向两边分别进行每四位分一组，向左不足四位的，从左边补0；向右不足四位的，从右边补0。例：将(1000110.01)B转换为八进制数和十六进制数。1000110.01001000110.010,(106.2)O,61,1、4、4带符号二进制数的表示与运算常用的编码方案：原码、反码、补码。1、原码表示码原码：用最高位表示符号，其中：0-正、1-负，其它位表示数值的绝对值。一个8位的二进制表示一个带符号数，最高有效位D7位为符号位。如：1表示为：00000001B127表示为：01111111B1表示为：10000001B127表示为：11111111B,62,0的表示形式（8位）+0原=00000000-0原=10000000特点A、原码与真值的对应关系简单。B、0的编码不唯一，处理运算不方便。2、反码表示法反码：最高一位表示符号，数值位是对负数取反。+0反=00000000-0反=11111111+1100111反=01100111-1100111反=10011000,63,3、补码表示法正数的补码和原码相同。负数的补码=反码+1。例：求0.1