单片机课件基础知识.ppt

1 单片机原理及接口技术 武汉大学电子信息学院 2 第1章基础知识 本章内容 本章主要介绍单片机的概念 单片机的发展 基本的结构和特点 单片机的应用模式和领域以及MCS 51单片机等 3 1 1计算机的一些概念 计算机由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备五个部分组成 计算机的结构 冯 诺伊曼 4 什么是单片机 随着微电子技术的发展和近代超大规模集成电路的出现 微处理器及相关的外围芯片又有了飞速的发展 其最新进展之一是将微处理器和外围芯片 如可编程只读存储器 EPROM 随机存储器 RAM 并行I O端口 PIO 串行I O端口 SIO 定时 计数 CTC 中断控制器 ICU 模 数转换器 ADC 数 模转换器 DAC 监控定时器 WDT 通讯控制器 CCU 脉宽调制器 PWM 数字信号处理器 DSP 等等部件集成在一块芯片之中 制成了单片微型计算机 SingleChipMicroComputer 简称单片机 它的另外一个名字 叫微控制器 Micro Controller简记为MCU 由于它通常以嵌入某个电路或设备中的面目出现的 故也被称为嵌入式控制器 EmbeddedController 单片机与微处理器 cpu 微机概念不同 5 集中指令集 CISC 和精简指令集 RISC 采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用 即所谓冯 诺伊曼结构 它的指令丰富 功能较强 但取指令和取数据不能同时进行 速度受限 价格亦高 采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离 即所谓哈佛结构 这使得取指令和取数据可同时进行 且由于一般指令线宽于数据线 使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息 执行效率更高 速度亦更快 同时 这种单片机指令多为单字节 程序存储器的空间利用率大大提高 有利于实现超小型化 属于CISC结构的单片机有Intel8051系列 Motorola的M68HC系列 Atmel的AT89系列 台湾Winbond 华邦 W78系列 荷兰Pilips的PCF80C51系列等 属于RISC结构的有Microchip公司的PIC系列 Zilog的Z86系列 Atmel的AT90S系列 韩国三星公司的KS57C系列4位单片机 台湾义隆的EM 78系列等 一般来说 控制关系较简单的小家电 可以采用RISC型单片机 控制关系较复杂的场合 如通讯产品 工业控制系统应采用CISC单片机 不过 RISC单片机的迅速完善 使其佼佼者在控制关系复杂的场合也毫不逊色 6 1 主机运算器 控制器 存储器合称主机 2 CPU运算器 控制器合称为中央处理单元3 MPU若将这两部分集成在同一块集成电路硅片上 则称为微处理器 4 单板微型计算机将五大部件集中在一块印刷电路板 含MPU 的计算机称为单板微型计算机 5 单片机将五大部件集中在一块集成电路硅片上的计算机称为单片机 6 微型计算机系统这五大部件加上对应的系统软件和应用软件等合称为微型计算机系统 7 MCS 51和8051概念 MCS是Intel公司单片机的系列符号 Intel推出有MCS 48 MCS 51 MCS 96系列单片机 MCS 51系列单既包括三个基本型8031 8051 8751 以及对应的低功耗型号80C31 8051 87C51 因而MCS 51特指Intel的这几种型号 在计算机领域 系列机是指同一厂家生产的具有相同系统结构的机器 20世纪80年代中期以后 Intel以专利转让的形式把8051内核给了许多半导体厂家 如AMTEL PHILIPS ANANOGDEVICES DALLAS等 这些厂家生产的芯片是MCS 51系列的兼容产品 准确地说是与MCS 51指令系统兼容的单片机 这些单片机与8051的系统结构 只要是指令系统 相同 采用CMOS工艺 因而常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机 他们对8051一般都作了一些扩充 更有特点 功能更强 市场竞争力更强 不应该把他们称为MCS 51系列单片机 MCS只是Intel公司专用的 8 1970年微型计算机研制成功之后 随着大规模集成电路的发展又出现了单片微机 并且按照不同的发展要求 形成了二个独立发展的分支 美国Intel公司1971年生产的4位单片微机4004和1972年生产的雏型8位单片微机8008 特别是1976年MCS 48单片微机问世以来 在短短的二十几年间 经历了四次更新换代 其发展速度大约每二三年要更新一代 集成度增加一倍 功能翻一番 发展速度之快 应用范围之广 已达到了惊人的地步 它已渗透到生产和生活的诸领域 可谓 无孔不入 1976年Intel公司首先推出MCS 48系列单片微型计算机 它已包括计算机的三个基本单元 已成为真正意义的单片微机 赢得了广泛的应用 为单片微机的发展奠定了基础 成为单片微机发展进程中的一个重要阶段 9 在MCS 48单片微机成功的刺激下 许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片微机系列 有Motorola公司的6801 6802 Zilog公司的Z 8系列 Rockwell公司的6501 6502等 此外 日本的NEC公司 日立公司及EPSON公司等 也都相继推出了各具特色的单片微机品种 对工业控制 智能仪表等诸多较高层次的应用领域 8位单片微机系列在性能 价格两方面有较好的兼顾 尽管目前单片微机的品种很多 但其中最具典型性的当属Intel公司的MCS 51系列单片微机 此外 它还具有品种全 兼容性强 软硬件资料丰富等特点 直到现在MCS 51仍不失为单片微机中的主流机型 由于8位单片微机的高性能价格比 估计近十年内 8位单片微机将仍是单片微机中的主流机型 10 在8位单片微机之后 16位单片微机也有很大发展 例如 1983年Intel公司推出的MCS 96系列单片微机 与MCS 51相比 MCS 96不但字长增加一倍 而且还具有4路或8路的10位A D转换功能 此外 在其它性能方面也有一定的提高 飞利浦公司推出了与80C51在源码级兼容性的16位单片微机 即80C51XA 每一条80C51指令可以1 1地被翻译成一条XA指令 仅XCHD指令除外 用户不需投入很大的软件开销和人员就能较大的提高产品性能 80C51XA具有的高性能包括 执行速度快 支持高级语言 比如C语言 支持实时多任务执行 易于形成派生系列产品 地址宽度可变 用户可以方便地将外部地址线宽度选定为12位 16位 20位 24位等等 在工业控制产品 高档智能仪表 彩色复印机 录像机等应用领域 11 单片微机正朝多功能 多选择 高速度 低功耗 低价格 扩大存储容量和加强I O功能及结构兼容方向发展 今后的发展趋势不外乎在以下几个方面 多功能在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需要的存储器 各种功能的I O口都集成在一块芯片内 即外围器件内装化 如把LED LCD或VFD显示驱动器集成在8位单片微机中 如把A D D A 乃至多路模拟开关和采样 保持器也集成在单片微机芯片中 从而成为名副其实的单片微机 高性能为了提高速度和执行效率 在单片微机中开始使用RISC体系结构 并行流水线操作和DSP等的设计技术 使单片微机的指令运行速度得到大大提高 其电磁兼容等性能明显地优于同类型的微处理器 12 全盘CMOS化趋势单片微机采用二种半导体工艺生产 HMOS工艺即高密度短沟道MOS工艺 具有高速度和高密度 CHMOS工艺即互补金属氧化物的HMOS工艺 除具有HMOS的优点外 还具有CMOS工艺的低功耗特点 如8051的功耗为630mw 而80C51的功耗仅120mw 从第三代单片微机起开始淘汰非CMOS工艺 目前 数字逻辑电路和外围器件等都已普遍CMOS化 推行串行扩展总线推行串行扩展总线可以显著减少引脚数量 简化系统结构 随着外围器件串行接口的发展 单片微机的串行接口的普遍化 高速化 使得并行扩展接口技术日渐衰退 13 许多公司都推出了删去了并行总线的非总线单片微机 需要外扩器件 存储器 I O等 时 采用串行扩展总线 甚至用软件虚拟串行总线来实现 由于集成度的进一步提高 有的单片微机的寻址能力已突破64KB的限制 8位 16位的单片微机有的寻址能力已达到IMB和16MB 片内ROM的容量可达62KB RAM的容量可达2KB 14 8051单片微机是美INTEL公司在1980年推出的MCS 51系列单片微机的第一个成员 MCS是INTEL公司的注册商标 凡INTEL公司生产的以8051为核心单元的其它派生单片微机都可称为MCS 51系列 有时简称为51系列 其它公司生产的以8051为核心单元的其它派生单片微机却不能称为MCS 51系列 只能称为8051系列 8051系列泛指所有公司 也包括INTEL公司 生产的以8051为核心单元的所有单片微机 80C51系列单片微机包括Intel公司的MCS 51单片微机 又包括了以8051为核心单元的世界许多公司生产的单片微机 比如PHILIPS 飞利浦公司 的83C552及51LPC系列等 SIEMENS 西门子公司 的SAB80512等 AMD 先进微器件公司 的8053等 OKI 日本冲电气公司 的MSM80C154等 15 ATMEL公司的Flash单片微机89C51等 DALLAS公司的DS5000 DS5001等 华邦公司的W78C51及W77C51等 从MCS 48单片微机发展到如今的新一代单片微机 大致经历了三代 如以Intel8位单片微机为例 这三代的划分大致如下 第一代 以MCS 48系列单片微机为代表 属于低性能单片微机阶段 第二代 以MCS 5l系列的8051 8052单片微机为代表 可以看出 这一代单片微机主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并行总线 AB DB CB 和具有多机识别功能的串行通信接口 UART 规范了功能单元的特殊功能寄存器 SFR 控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统 为发展具有良好兼容性的新一代单片微机奠定了良好的基础 16 第三代 以80C51系列单片微机为代表 它包括了Intel公司发展MCS 51系列的新一代产品 如8XC152 80C51FA FB 80C5lGA GB石XC451 8XC452 还包括了Phlips Siemens ADM Fujutsu OKI ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色 与MCS 51兼容的单片微机 80C51系列单片微机是在MCS 51的HMOS基础上发展起来的 它们具有CHMOS结构 部分厂家所生产的80C51系列或与之相兼容的单片微机的特点列于表1 l 表1一2及表1一3中 从表中可以看出 80C51系列单片微机保留了MCS 51单片微机的所有特性 内部组成基本相同 80C51系列单片微机增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式 空闲方式和掉电方式 17 表1 1 PHILIPS 18 表 2 ATMEL 19 表1 3 华邦公司 20 单片机存储器的组织结构 8051单片机在物理上有四个存贮空间 四大物理空间 片内程序存贮器和片外程序存贮器 片内数据存贮器和片外数据存贮器 8051片内有256B数据存贮器RAM和4KB的程序存贮器ROM 除此以外 还可以在片外扩展RAM和ROM 并且各有64KB的寻址范围 程序存贮空间 MP 与数据存贮空间 MD 从物理上分开 称为哈佛结构 对于用户来说 8051存储器地址空间分为三类 三大逻辑空间 片内 片外统一编址0000H FFFFH的64KB程序存储器地址空间 用16位地址 64K片外数据存储器地址空间 地址也从0000H FFFFH编址 用16位地址 256B数据存储器地址空间 用8位地址 21 22 1 1计算机的一些概念 8位计算机每个单元可存放一个8位二进制数 即一个字节 每一位的状态是0或1 存储单元保存的8位二进制数称为单元的内容 存储单元示意图 如图地址为0110单元的内容为10101001 表示为 06H A9H 23 1 2单片机 单片机即单片机微型计算机 就是将CPU RAM ROM 定时 计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机 单片机也称为微控制器 Microcontrollerunit MCU 嵌入式控制器 EmbeddedMicrocontrollerunit EMCU 1 2 1单片机的概念及特点 单片机分为通用型和专用型 通用型单片机把可开发的内部资源全部提供给用户 内部资源丰富 性能全面 适应性强 专用型单片机针对某些产品的特定用途而制作的单片机 是MCU发展的一个趋势 24 1 2单片机 单片机有以下特点 1 集成度高 功能强 单片机在一块芯片上集成了CPU RAM ROM I O接口等资源 在芯片上还包含了中断系统 串行通信接口 定时器 计数器等功能部件 芯片功能强 体积小 集成度高 2 具有较高的性能价格比 单片机尽可能地把应用所需的各种资源集成在一块芯片内 性能高 但是价格却相对较低廉 3 抗干扰能力强 单片机是面向工业检测控制环境设计的 因此 抗噪声干扰能力较强 程序固化在ROM类型的存储器中不易被破坏 许多资源集成在一个芯片 可靠性高 1 2 1单片机的概念及特点 25 第1阶段 1971 1976 单片机萌芽阶段 第2阶段 1976 1980 初级单片机阶段 第3阶段 1980 1983 高性能单片机阶段 第4阶段 1983 1990 8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段 第5阶段 1990 单片机在集成度 功能 速度 可靠性 应用领域等方面全方位地向更高水平发展 1 2单片机 1 2 2单片机的发展 26 计算机的发展历史 1 用电子管实现这五大部件的计算机称为第一代电子计算机 2 用晶体管实现这五大部件的计算机称为第二代电子计算机 3 用中小规模集成电路实现这五大部件的计算机称为第三代电子计算机 4 用大规模和超大规模集成电路实现这五大部件的计算机称为第四代电子计算机 27 MCS 51单片机的第一代产品 IntelMCS 518031 8051 8751 第二代产品系列采用了CMOS技术制造而成 集成度高 速度快 功耗低 ATMELMCS 51兼容系列89C51 89C52 89C2051 89C2052 第三代80C51产品的单片机内核SoC SystemOnChip SoC 化 CYGNALC8051Fxxxx SilabC8051F 1 2单片机 1 2 3MCS 51系列单片机及其兼容单片机 28 1 2单片机 1 家用电器 2 办公自动化 3 商业领域 4 工业领域 5 汽车电子 6 航空航天与军事单片机应用从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法 以前必须由硬件 模拟电路或数字电路 实现的控制功能 现在可以用单片机的软件方法实现 这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术 称之为微控制技术 随着单片机应用技术的推广普及 微控制技术将发挥将越来越重要的作用 1 2 4单片机的应用 29 按照所使用单片微机的类型不同 单片微机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式 在总线方式的应用系统中 单片微机都具有完善的外部扩展总线 如并行总线 AB DB CB 串行通信总线 如UART 通过这些总线可方便地扩展外围单元 外设接口等 采用总线方式的应用系统多属较复杂的工控系统 智能仪表 监测系统 或满足这些应用而构成的多机与网络系统 总线方式的单片微机在不使用外部并行总线时 外部并行总线引脚可作为I O口用 在掩膜用户程序时 还可要求将这些I O口改造成具有各种驱动能力的I O口 非总线方式的应用系统 如80C51系列中的83C751 87C751 83C752 WC752 Motorola的MC68HC05系列中的许多产品 省去了外部并行总线 可构成各种小封装芯片 有限的引脚可提供更多的用户I O口 以使应用系统的芯片数量最少 30 采用非总线方式的应用系统多属小型控制器 测控单元 单元仪表等 以下大致介绍一些典型的应用领域和应用特点 l 家用电器领域国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控制电路 做成单片微机控制系统 如洗衣机 电冰箱 空调机 微波炉 电饭堡 电视机 录像机及其它视频音像设备的控制器 2 办公自动化领域比如一台PC机可能嵌入了10个单片微机 如控制键盘 鼠标 显示器 CD ROM 声卡 打印机 软 硬盘驱动器 调制解调器等 31 现代办公室中所使用的大量通信 信息产品 如绘图仪 复印机 电话 传真机等 多数都采用了单片微机 3 工业自动化领域的在线应用如工业过程控制 过程监测 工业控制器及机电一体化控制系统等 许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系统 如工业机器人的控制系统是由中央控制器 感觉系统 行走系统 擒拿系统等节点构成的多机网络系统 而其中每一个小系统都是由单片微机进行控制的 4 智能仪器仪表与集成智能传感器领域应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行 更新换代 提供了非常理想的的条件 目前各种变送器 电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统 使测量系统具有各种智能化功能 如存储 数据处理 查找 判断 联网和语音功能等 32 5 汽车电子与航空航天电子系统通常在这些电子系统中的集中显示系统 动力监测控制系统 自动驾驭系统 通信系统以及运行监视器 黑匣子 等 都要构成冗余的网络系统 比如一台RMW 7系列宝马轿车就用了63个单片微机 大部分还是16位单片微机 单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法 从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能 现在已能使用单片微机通过软件方法实现了 这种以软件取代硬件 并能提高系统性能的控制技术 称之为微控制技术 这标志着一种全新概念的建立 33 34 1 3计算机的数学基础 1 十进制十个数符 0 9 逢十进一 加权展开式以10称为基数 各位系数为0 9 一般表达式 ND dn 1 10n 1 dn 2 10n 2 d0 100 d 1 10 1234 5 1 103 2 102 3 101 4 100 5 10 1 1 3 1数制及转换 一 数制 35 2 二进制两个数符 0 1 逢二进一 加权展开式以2为基数 各位系数为0 1 一般表达式 NB dn 1 2n 1 dn 2 2n 2 d0 20 d 1 2 1 1101 101 1 23 1 22 0 21 1 20 1 2 1 1 2 3 1 3 1数制及转换 一 数制 1 3计算机的数学基础 36 3 十六进制十六个数符0 9 A F 逢十六进一 展开式以十六为基数 各位系数为0 9 A F 一般表达式 NH hn 1 16n 1 hn 2 16n 2 h0 160 h 1 16 1 DFC 8 13 162 15 161 12 160 8 16 1 1 3 1数制及转换 1 3计算机的数学基础 一 数制 37 进位计数制的一般表达式 N an 1 Rn 1 an 2 Rn 2 a1 R1 a0 R0 a 1 R 1 a mR m一种进制的数转换成另一种进制数的方法 按权展开 求和计算 1 3 1数制及转换 1 3计算机的数学基础 二 数制之间的转换 38 一 十六进制数转换成十进制数按权展开 然后按照十进制运算法则求和 举例 1011 1010B 1 23 1 21 1 20 1 2 1 1 2 3 11 625DFC 8H 13 162 15 161 12 160 8 16 1 3580 5 1 3 1数制及转换 1 3计算机的数学基础 39 二 二进制与十六进制数之间的转换24 16 四位二进制数对应一位十六进制数 3AF 2H 001110101111 0010 1110101111 001B3AF21111101 11B 01111101 1100 7D CH7DC 1 3 1数制及转换 1 3计算机的数学基础 40 三 十进制数转换成二 十六进制数整数 小数分别转换1 整数转换法 除基取余 十进制整数不断除以转换进制基数 直至商为0 每除一次取一个余数 从低位排向高位 1 3 1数制及转换 1 3计算机的数学基础 41 2 小数转换法 乘基取整 用转换进制的基数乘以小数部分 直至小数为0或达到转换精度要求的位数 每乘一次取一次整数 从最高位排到最低位 1 3 1数制及转换 1 3计算机的数学基础 42 1 3 2计算机中数的表示方法 机器数 机器中数的表示形式 其位数通常为8的倍数真值 机器数所代表的实际数值 一个8位机器数 84和 84与它们的真值对应关系真值 X1 84 1010100BX2 84 1010100B机器数 X1 机 01010100 X2 机 11010100 机器中 数的最高位作符号位 0 表示 1 表示 机器数与真值 一 带符号数的表示 1 3计算机的数学基础 43 最高位为符号位 0表示 1表示 数值位与真值数值位相同 x1 1010100B x1 原 01010100 x2 1010100B x2 原 11010100在计算机中 0可表示为 0和 0 故0在原码中有两种表示法 0 原 00000000B 0 原 10000000B 带符号数通常有三种表示方法 原码 反码 补码 1 原码 1 3 2计算机中数的表示方法 1 3计算机的数学基础 44 正数的反码与原码表示相同 负数反码符号位为1 数值位为原码数值各位取反 2 反码 1 3 2计算机中数的表示方法 1 3计算机的数学基础 x 4 x 原 00000100 x 反 00000100 x 4 x 原 10000100 x 反 11111011 负数的反码 45 3 补码 正数的补码表示与原码相同 负数的补码等于其反码加1 x 4 x 原 x 反 x 补 00000100 x 4 x 原 10000100 x 反 11111011 x 补 11111100 补码表示的优点 0的表示唯一 1 3 2计算机中数的表示方法 1 3计算机的数学基础 负数的补码 46 4 真值与机器数之间的转换 1 3 2计算机中数的表示方法 1 3计算机的数学基础 1 正数的原码 反码 补码相同 无需转换 2 负数原码的最高位为符号位 其余位为数值位 由数值位可以获取真值 负数反码的数值位按位取反 可转换为原码 即一个负数反码的反码为该负数的原码 负数补码的数值位按位取反