单片机原理与接口技术1.ppt

单片机原理及接口技术 张晓光讲授 一 学习课程目的 单片机原理与接口技术 课程主要是培养同学掌握单片机的基本原理 组织结构和基本的运行方式 课程以MCS 51系列单片机为基础 掌握单片微机的内部结构 指令系统及汇编语言程序设计 掌握单片微机与外部接口芯片及相关设备的接口方式 具有应用系统硬件 软件设计的初步能力 能根据现场的实际情况 合理选用单片微机并设计相应的硬件和软件系统 二 学习课程的基本要求 1 了解微型计算机的发展 基本组成与工作过程 单片微机的概况 2 掌握MCS 51系列单片微机的内部结构 存储器的配置 时序及输入 输出端口的结构和原理 3 掌握MCS 51系列单片微机的寻址方式及指令系统和汇编语言程序设计的基本方法 4 掌握MCS 51系列单片微机的中断 定时器及串行口的结构及应用 二 学习课程的基本要求 5 掌握MCS 51系列单片微机的存储器扩展接口 数字量接口 A D D A接口 串行接口 显示接口等常用集成电路及接口方法 6 具有设计单片微机应用系统的初步能力 三 单片机原理及接口技术 课程的特点及学习方法 1 本课程以电子技术课为基础 2 学习本课程应硬件 软件兼顾并重 既要注意单片机的结构 原理 也要注意其汇编语言指令和程序 做到二者融会贯通 3 学习的目的在于应用 要重视单片机应用的整个系统 在理解系统的各个芯片 各部分电路工作原理和作用的基础上 把握整个系统的功能 4 学习本课程 在理解教材内容的基础上 认真完成习题 实验和课程设计等 5 要多编程序 用单片机仿真软件调试运行 6 充分发挥自己的聪明才智 开发设计各种各样的单片机应用系统 学时安排 总学时48学时 其中讲课42学时 课堂讨论6学时评价方式 平时作业占总成绩的20 考试占80 考试方式为开卷 目录 第一章微机基础知识第二章89C51单片机硬件结构和原理第三章89C51单片机指令系统第四章汇编语言程序设计知识第五章中断系统第六章定时器及应用 目录 第七章串行口及串行通信技术第八章单片机小系统及外扩展第九章应用系统配置及接口技术MCS 51指令系统表MCS 51指令矩阵 汇编 反汇编 表参考资料 参考资料 单片机原理及接口技术李朝青北京航空航天大学出版社MCS 51单片机应用设计张毅刚哈尔滨工业大学出版社单片微型计算机原理接口及应用徐惠民北京邮电大学出版社单片机实用系统设计技术房小翠国防工业出版社单片微型机原理及应用 徐维祥等大连理工大学出版社单片机原理及应用曹巧媛编著电子工业出版社 1 各种单片机书籍 2 单片机应用文集 3 计算机类 自动化类 电子应用类杂志 4 网络资源 想要学好单片机 建立一个单片机学习环境至关重要 可以借助于网络 网络上有很多有用的资源 利用这些资源 廉价和快速地建立自己的软 硬件学习环境 下面介绍一些学习网址 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 第一章微机基础知识 1 1微处理器 微机和单片机概念 1 2微机的工作过程 1 3计算机中的数和编码 1 1微处理器 微机和单片机概念 1 1 1概念 1 1 3存储器和输入输出接口 1 1 2微处理器的组成 1 1 1概念 1 微处理器 3 单片机 Back 2 微型计算机 1 微处理器 Microprocessor 简称 P 微处理器 芯片 本身不是计算机 但它是小型计算机或微型计算机的控制和处理部分 微处理器包括两个主要部分 运算器和控制器 又称中央处理单元CPU CentralProcessingUnit 18 19 20 21 2 微型计算机 Microcomputer 简称微机 C 是具有完整运算及控制功能的计算机 包括 微处理器 CPU 如图1 1所示 存储器 接口适配器 输入输出接口电路 输入 输出 I O 设备 23 24 25 多板机 主板 显卡 声卡 存储器接口 网卡 输入输出接口 内存条 CPU 26 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 3 单片机 Single ChipMicrocomputer 是将微处理器 一定容量RAM和ROM以及I O口 定时器等电路集成在一块芯片上 构成单片微型计算机 微处理器RAMROMI O口定时器 单片微型计算机 Back 28 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 系统机 多板机 单板机 单片机 三种应用形态的比较 单片机全称为 单片微型计算机 简称为 单片机 或 单片微机 单片机是微型计算机的一个很重要的分支 它是在一块芯片上集成 嵌入 了CPU RAM和ROM存储器 I O接口等而构成的微型计算机 自70年代问世以来 以极其高的性能价格比 受到人们的重视和关注 应用很广 发展也很快 因主要用于工业测控领域 故又称为微控制器 Micro Controller 或嵌入式控制器 Embedded Controller 单片机的核心是中央处理器CPU 用超大规模集成技术把CPU集成在一块芯片上 称为微处理器 微处理器 微控制器和微型计算机三者的关系十分密切 微处理器 微机和单片机的关系 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 目前 单片机在工业测控领域中已占重要地位 各电气厂商 机电行业和测控企业都把单片机作为本部门产品更新换代 产品智能化的重要工具 全世界单片机的生产厂家有30多家 能生产60多个系列 1000多个型号的产品 产量大 仅1996年的产量就达18亿片 单片机的特点及应用领域 1 单片机的特点 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 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 单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类 通常所说的和本书所介绍的单片机是指通用型单片机 通用型单片机是把可开发资源 如ROM RAM EPROM I O口 全部提供给使用者 专用型单片机其硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的 例如 频率合成调谐器 录音机机芯控制器 打印机控制器等 这类单片机不属于本书讨论的范围 单片机根据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 42 单片机的发展 我们可以把单片机的发展历史划分为四阶段 第一阶段 1976 1978年 使用NMOS工艺 速度低 功耗大 集成度低 低性能单片机的探索阶段 以Intel公司的MCS 48为代表 采用了单片结构 即在一块芯片内含有8位CPU 定时 计数器 并行I O口 RAM和ROM等 主要用于工业领域 43 第二阶段 1978 1982年 采用CMOS工艺 并逐渐被高速低功耗的HMOS工艺代替 代表产品 高性能单片机阶段 这一类单片机带有串行I O口 8位数据线 16位地址线可以寻址的范围达到64K字节 控制总线 较丰富的指令系统等 这类单片机的应用范围较广 并在不断的改进和发展 代表产品 MC146805 Intel8051 44 单片机的发展 第三阶段 1982 1990年 16位单片机阶段 16位单片机除CPU为16位外 片内RAM和ROM容量进一步增大 实时处理能力更强 体现了微控制器的特征 例如Intel公司的MCS 96主振频率为12M 片内RAM为232字节 ROM为8K字节 中断处理能力为8级 片内带有10位A D转换器和高速输入 输出部件等 45 MCU的发展出现了许多新特点 1 在技术上 由可扩展总线型向纯单片型发展 即只能工作在单片方式 2 MCU的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线 3 将多个CPU集成到一个MCU中 4 在降低功耗 提高可靠性方面 MCU工作电压已降至0 9V甚至更低 第四阶段 1990年 微控制器的全面发展阶段 各公司的产品在尽量兼容的同时 向高速 强运算能力 寻址范围大以及小型廉价方面发展 46 单片机诞生于20世纪70年代末 经历了SCM MCU SoC三大阶段 1 SCM即单片微型计算机 SingleChipMicrocomputer 阶段 主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构 创新模式 获得成功 奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路 在开创嵌入式系统独立发展道路上 Intel公司功不可没 47 2 MCU即微控制器 MicroControllerUnit 阶段 主要的技术发展方向是 不断扩展满足嵌入式应用时 对象系统要求的各种外围电路与接口电路 突显其对象的智能化控制能力 它所涉及的领域都与对象系统相关 因此 发展MCU的重任不可避免地落在电气 电子技术厂家 从这一角度来看 Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素 在发展MCU方面 最著名的厂家当数Philips公司 Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势 将MCS 51从单片微型计算机迅速发展到微控制器 48 3 单片机是嵌入式系统的独立发展之路 向MCU阶段发展的重要因素 就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决 因此 专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势 随着微电子技术 IC设计 EDA工具的发展 基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展 因此 对单片机的理解可以从单片微型计算机 单片微控制器延伸到单片应用系统 SoC 片上系统 SoC就是将微处理器 模拟IP核 数字IP核和存储器 或片外存储控制接口 集成在单一芯片上 1 1 2微处理器的组成 一 计算机的模型 Back 二 微处理器的组成 主要包括 运算器和控制器 一 计算机的模型 微处理单元与存储器及I O接口组成的计算机模型如图1 2所示 图中只画出CPU主要的寄存器和控制电路 并且假设所有的计数器 寄存器和总线都是8位宽度 51 ALU 计数器 寄存器和控制部分除在微处理器内通过内部总线相互联系以外 还通过外部总线和外部的存储器和输入 输出接口电路联系 外部总线一般分为数据总线 地址总线和控制总线 统称为系统总线 存储器包括RAM和ROM 微计算机通过输入 输出接口电路可与各种外围设备联接 Back 二 微处理器的组成 1 运算器 Back 2 控制器 3 CPU中的主要寄存器 运算器 Back 1 组成 2 作用 3 ALU的两个主要的输入来源 4 运算器的两个主要功能 算术逻辑单元 简称ALU Back 1 运算器的组成 运算器 累加器 寄存器 2 运算器ALU的作用 是把传送到微处理器的数据进行算术运算或逻辑运算 Back 举例 ALU可对两个操作数进行加 减 与 或 比较大小等操作 最后将结果存入累加器 ALU执行不同的运算操作是由不同控制线上的信息所确定的 58 例如 两个数 7和9 相加 在相加之前 操作数9放在累加器中 7放在数据寄存器中 执行两数相加运算的控制线发出 加 操作信号 ALU即把两个数相加并把结果 16 存入累加器 取代累加器前面存放的数9 Back 3 ALU的两个主要的输入来源 Back 输入来源 数据寄存器 累加器 4 运算器的两个主要功能 1 执行各种算术运算 Back 2 执行各种逻辑运算 并进行逻辑测试 如零值测试或两个值的比较 控制器 Back 1 控制器的组成 2 控制器的作用 3 控制器的主要功能 Back 1 控制器的组成 2 控制器的作用 Back 它是发布命令的 决策机构 即协调和指挥整个计算机系统的操作 3 控制器的主要功能 Back 对指令进行译码或测试 并产生相应的操作控制信号 以便启动规定的动作 指挥并控制CPU 内存和输入 输出设备之间数据流动的方向 从内存中取出一条指令 并指出下一条指令在内存中的位置 CPU中的主要寄存器 Back 1 累加器 A Back 在算术和逻辑运算时 它具有双重功能 运算前 用于保存一个操作数 运算后 用于保存所得的和 差或逻辑运算结果 累加器是微处理器中最繁忙的寄存器 2 数据寄存器 DR 是通过数据总线 DBUS 向存储器 M 和输入 输出设备I O送 写 或取 读 数据的暂存单元 Back 3 指令寄存器 IR 用来保存当前正在执行的一条指令 Back 当执行一条指令时 先把它从内存取到数据寄存器中 然后再传送到指令译码器中 69 什么是指令 指令是CPU根据人的意图来执行某种操作的命令 CPU所能执行的全部集合称为指令系统 4 指令译码器 ID 指令分为操作码和地址码字段 由二进制数字组成 当执行任何给定的指令 必须对操作码进行译码 以便确定所要求的操作 Back 指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入 操作码一经译码后 即可向控制器发出具体操作的特定信号 5 程序计数器 PC 通常又称为指令地址计数器 Back 在程序开始执行前 必须将其起始地址 即程序的第一条指令所在的内存单元地址送到PC 当执行指令时 CPU将自动修改PC的内容 使之总是保存将要执行的下一条指令的地址 由于大多数指令都是按顺序执行的 所以修改的过程通常是简单的加1操作 6 地址寄存器 AR 地址寄存器用来保存当前CPU所要访问的内存单元或I O设备的地址 Back 因为内存 I O设备 和CPU之间存在着速度上的差别 所以必须使用地址寄存器来保存地址信息 直到内存 I O设备 读 写操作完成为止 1 1 3存储器和输入输出接口 一 存储器 Back 二 I O接口及外设 一 存储器 存储器包括RAM和ROM 其容量大小以多少字节 Byte 评价 地址总线 数据总线和若干控制线把存储器和微处理器连接起来 存储器从CPU接收控制信号 以确定存储器执行读 写操作 随即存取存储器 地址总线将8位地址信息送入地址译码器 地址译码器的输出可以确定唯一的存储单元 数据总线用来传送存储器到CPU或CPU到存储器的数据信息 Back 二 I O接口及外设 每个外设与微处理器的连接必须经过接口适配器 I O接口 每个I O接口及其对应的外设都有一个固定的地址 在CPU的控制下实现对外设的输入 读 和输出 写 操作 Back 1 2微机的工作过程 1 2 1执行一条指令的顺序 1 2 2执行一条指令的过程 1 2 3执行一个程序的过程 Back 79 计算机采取 存储程序 的工作方式 即事先把程序加载到计算机的存储器中 当启动运行后 计算机便自动进行工作 任何计算机都有指令系统 有十几条至一百多条指令 并有若干种寻址方式 1 2 1执行一条指令的顺序 执行一条指令分两个阶段 取指 执指 取指 从存储器中取出指令 执指 CPU执行指令规定的操作 Back 1 2 2执行一条指令的过程 以指令 LDA23 为例将地址为23的内存单元中的内容送入累加器A中 LDA指令的指令周期由三个CPU周期 即机器周期 组成 Back 三个CPU周期 机器周期 第一个机器周期 取指令阶段 第二个机器周期 将操作数的地址送往地址寄存器并完成地址译码 第三个机器周期 从内存取出操作数并执行装入的操作 Back Back 1 2 3执行一个程序的过程 计算机执行一个程序是一条指令一条指令执行的 程序的执行顺序是 取指 执指 取指 执指 取指 执指 直至程序结束 Back 1 3计算机中的数和编码 1 3 1数制及转换1 3 2数据在计算机中的表示1 3 3计算机中的常用编码 一 进