4计算机测试系统_微处理器基础知识

计算机测控系统 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 吴义鹏yipeng wu 微处理器基础知识 学单片机需要什么基础 机械结构力学及控制国家重点实验室 2 与以前所学的知识关联很少 只需要掌握很基本的数电模电知识 如二进制 十进制 十六进制之间的转换 与 或 非逻辑关系等 对各种器件的概念基本上是从0开始 如果要用C语言编程 需具备简单的C语言基础 所有人都站在了同一起跑线上 郭天祥 十天学会单片机 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 3 5 微处理器基础知识 51单片机 5 1单片机基本概念5 2单片机应用系统设计的一般方法5 351单片机用于测控系统的实例 机械结构力学及控制国家重点实验室 4 5 1单片机基本概念 什么是单片机 将微处理器CPU 一定容量的ROM和RAM以及I O口 定时器 计数器 中断系统等电路集成在一块芯片上 构成单片机微型计算机 简称单片机 机械结构力学及控制国家重点实验室 5 5 1单片机基本概念 单片机与单片系统 单片机系统是为了实现某一控制应用需要由用户设计的 是一个围绕单片机芯片组建的计算机应用系统 在单片机系统中 单片机处于核心地位 是构成单片机系统的硬件和软件基础 机械结构力学及控制国家重点实验室 6 5 1单片机基本概念 单片机的发展状况 发展历程 4位 8位 16位 32位 自单片机诞生以来的近四十年中 单片机已有70多个系列 近500个机种 国际上较有名 影响大的公司及其产品 Intel公司 MCS 48 MCS 51 MCS 96系列 Motorola公司 6801 6802 6803 6805 68HCH系列 Zilog公司 Z8 Super8系列 Fairchild 仙童 公司和Mostek公司的F8 3870系列 NEC公司 COM 87系列 Rockwell公司 6500 6501系列ATMEL PHILIPS LG 三星 华邦等公司的51兼容机 机械结构力学及控制国家重点实验室 7 5 1单片机基本概念 单片机的特点 集成度高 抗干扰能力较强 可靠性高 体积小 重量轻 低电压 低功耗 便于生产便携式产品 控制功能强 运算速度快 硬件通用化 应用灵活 单片机的系统扩展 系统配置较为典型 规范 易构成各种规模的应用系统 研制周期短 价格便宜 机械结构力学及控制国家重点实验室 8 5 1单片机基本概念 单片机的发展趋势 单片机的发展趋势将是向大容量 高性能化 外围电路内装化等方面发展 为满足不同用户的要求 各公司竞相推出能满足不同需要的产品 1 CPU的改进 1 增加CPU数据总线宽度 例如 各种16位单片机和32位单片机 数据处理能力要优于8位单片机 另外 8位单片机内部采用16位数据总线 其数据处理能力明显优于一般8位单片机 2 采用双CPU结构 以提高数据处理能力 机械结构力学及控制国家重点实验室 9 5 1单片机基本概念 2 存储器的发展 1 片内程序存储器普遍采用闪烁 Flash 存储器 可不用外扩展程序存储器 简化系统结构 2 加大存储容量 目前有的单片机片内程序存储器容量可达128KB甚至更多 3 片内I O的改进 1 增加并行口驱动能力 以减少外部驱动芯片 有的单片机可以直接输出大电流和高电压 以便能直接驱动LED和VFD 荧光显示器 2 有些单片机设置了一些特殊的串行I O功能 为构成分布式 网络化系统提供方便条件 单片机的发展趋势 机械结构力学及控制国家重点实验室 10 5 1单片机基本概念 单片机的发展趋势 4 低功耗化CMOS化 功耗小 配置有等待状态 睡眠状态 关闭状态等工作方式 消耗电流仅在 A或nA量级 适于电池供电的便携式 手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品 5 外围电路内装化众多外围电路全部装入片内 即系统的单片化是目前发展趋势之一 例如 美国Cygnal公司的C8051F0208位单片机 内部采用流水线结构 大部分指令的完成时间为1或2个时钟周期 峰值处理能力为25MIPS 片上集成有8通道A D 两路D A 两路电压比较器 内置温度传感器 定时器 可编程数字交叉开关和64个通用I O口 电源监测 看门狗 多种类型的串行接口 两个UART SPI 等 一片芯片就是一个 测控 系统 机械结构力学及控制国家重点实验室 11 5 1单片机基本概念 单片机的发展趋势 综上所述 单片机正在向多功能 高性能 高速度 时钟达40MHz 低电压 2 7V即可工作甚至更低 低功耗 低价格 几元钱 外围电路内装化以及片内程序存储器和数据存储器容量不断增大的方向发展 机械结构力学及控制国家重点实验室 12 5 1单片机基本概念 51内核单片机 尽管计算机科学技术得到充分发展 但是计算机体系结构仍然没有突破由计算机的开拓者 数学家约翰 冯 诺曼最先提出的经典体系结构框架 即一台计算机是由运算器 控制器 存储器 输入设备以及输出设备五部分构成 单片机系统也不例外 机械结构力学及控制国家重点实验室 13 5 1单片机基本概念 51内核单片机 1 中央处理器 CPU CPU是整个单片机的核心部件 是8位数据宽度的处理器 能处理8位二进制数据或代码 CPU负责控制 指挥和调度整个单元系统协调的工作 完成运算和控制输入输出功能等操作 1 运算器由ALU 暂存器1 暂存器2 累加器 ACC 寄存器B 程序状态字 PSW 和布尔处理机共同组成 主要任务是完成算术运算 逻辑运算 位运算和数据传送等操作 2 控制器包括程序计数器 PC PC增1寄存器 指令寄存器 IR 指令译码器 ID 数据指针 DPTR 堆栈指针 SP 缓冲器及定时控制电路等 控制器电路完成指挥控制工作 协调单片机各部分正常工作 机械结构力学及控制国家重点实验室 14 5 1单片机基本概念 51内核单片机 2 数据存储器 RAM 8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元 它们是统一编址的 专用寄存器只能用于存放控制指令数据 用户只能访问 而不能用于存放用户数据 所以 用户能使用的的RAM只有128个 可存放读写的数据 运算的中间结果等 掉电后数据消失 3 程序存储器 ROM 8051有4K的8位掩膜ROM 存放用户程序 原始数据或表格 EPROM EEPROM 机械结构力学及控制国家重点实验室 15 5 1单片机基本概念 51内核单片机 4 定时 计数器 Timer Counter 8051有两个16位的可编程定时 计数器 以实现定时或计数 并产生中断用于控制程序转向 5 并行输入输出 I O 口 8051共有4组8位并行I O口 P0 P1 P2或P3 用于对外部数据的传输 6 全双工串行口 8051内置一个全双工串行通信口 用于与其它设备间的串行数据传送 该串行口既可用作异步通信收发器 也可以当同步移位寄存器使用 机械结构力学及控制国家重点实验室 16 5 1单片机基本概念 51内核单片机 系统结构示意图 机械结构力学及控制国家重点实验室 17 5 1单片机基本概念 51单片机外部引脚 机械结构力学及控制国家重点实验室 18 5 1单片机基本概念 51单片机外部引脚 机械结构力学及控制国家重点实验室 19 5 1单片机基本概念 51单片机外部引脚 第二功能 由于工艺及标准化等原因 芯片的引脚数目是有限制的 而单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过实际管脚数 解决这一矛盾的方式是引脚复用 具有第二功能的引脚 EPROM存储器程序固化所需信号 编程脉冲ALE PROG编程电压备用电源引入 RST VPDP3口 机械结构力学及控制国家重点实验室 20 5 1单片机基本概念 51单片机外部引脚 第二功能 以P3口为例 机械结构力学及控制国家重点实验室 21 5 1单片机基本概念 51单片机外部引脚 第二功能 对于各种型号的芯片 引脚的第一功能是相同的 所不同的只在第二功能信号上 对于9 30和31各引脚 由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号 因此不会发生使用上的矛盾 P3口的情况有所不同 它的第二功能信号都是单片机的重要控制信号 因此在实际使用中 总是先按需要优先选用它的第二功能 机械结构力学及控制国家重点实验室 22 5 1单片机基本概念 51单片机的存储器 MCS 51单片机程序存储器和数据存储器相互独立 独立编址 独立访问 即存储器采用是哈佛结构 另外一种是冯诺曼结构又称为普林斯顿结构 在物理结构上有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 单片机的外部数据存储器和I O接口采用统一编址的方式 在逻辑结构上有3个存储空间 64K字节片内片外统一编址的程序存储器 256字节片内数据存储器 64K片外数据存储器 在访问三个不同的逻辑存储空间时 采用不同的指令和不同的控制信号 机械结构力学及控制国家重点实验室 23 5 1单片机基本概念 51单片机的存储器 程序存储器ROM 作用 用于存放程序和常数表格 一般采用只读式存储器ROM EPROM E2PROM 特点 寻址范围64K 与之对应的编址为0000H FFFFH 片内片外连续统一编址 先片内再片外 地址不重合 片内0000H 0FFFH 片外1000H FFFFH 选择片内片外ROM与哪个控制引脚有关 有6组特殊单元0000H 002AH 机械结构力学及控制国家重点实验室 24 5 1单片机基本概念 51单片机的存储器 数据存储器 作用 用于存放运算的中间结果 数据暂存和缓存 标志位等 一般采用读写存储器 静态 动态RAM 特点 片内 片外分别编址 片内 00 FFH片外 0000H FFFFH片外RAM用数据指针DPTR寻址 由管脚RD WR控制RAM的读出 写入 片内RAM分为四个区 工作寄存器区 位寻址区 数据缓冲区和特殊功能寄存器区 机械结构力学及控制国家重点实验室 25 5 1单片机基本概念 51单片机 时钟电路 51单片机的时钟有2种方式 1 内部振荡方式 利用单片机内部的振荡电路 产生时钟信号 这种方式单片机的时钟引脚上接石英晶体和振荡电容 2 外部时钟方式 外部已有时钟信号引入单片机 机械结构力学及控制国家重点实验室 26 5 1单片机基本概念 51单片机 CPU时序 时序是用定时单位来描述的 MCS 51时序单位有4个 从小到大依次为节拍 状态 机器周期 指令周期 1 节拍 状态一个时钟周期定义为一个节拍 用P表示 二个节拍定义为一个状态周期 用S表示 这两个节拍中的前一拍称为P1 后一拍为P2 2 时钟周期也称为振荡周期 定义为时钟脉冲的倒数 它是计算机中最基本的 最小的时间单位 时钟周期就是单片机外接晶振的倒数 例如12M的晶振 它的时间周期就是1 12us 机械结构力学及控制国家重点实验室 27 5 1单片机基本概念 51单片机 CPU时序 3 机器周期CPU访问存储器一次所需的时间 例如 取指令 读存储器 写存储器等 51系列单片机的1个机器周期同6个状态周期组成 也就是说1个机器周期等于6个状态周期 即12个时钟周期 4 指令周期执行1条指令所需要的时间 一般由若干个机器周期组成 指令不同 所需的机器周期数也不同 有单周期指令 双周期指令和四周期指令 机械结构力学及控制国家重点实验室 28 5 1单片机基本概念 51单片机 复位电路 机械结构力学及控制国家重点实验室 29 5 1单片机基本概念 AT89S51单片机的最小系统 作业 机械结构力学及控制国家重点实验室 30 1 典型的AT89C51单片机是 位的单片机 2 51单片机的存储器按存储内容分 可以分为 存储器和 存储器 3 试画出单片机上电复位的电路图并分析复位电平随时间的变化关系 4 试分别阐述时钟周期 机器周期 指令周期三者的概念及关系 5 采用定时器0 工作方式1定时30ms 单片机晶振为12MHz 请问初值应设为多少 作业 机械结构力学及控制国家重点实验室 31 6 8051共有 组8位并行I O口 分别为 用于对外部数据的传输 7 8051有 个16位的可编程定时 计数器 以实现定时或计数 并产生中断用于控制程序转向 8 P3 0 P3 1口的第二功能主要用于实现什么 9 P3 2 P3 3口的第二功能主要用于实现什么 10 51单片机的时钟方式有哪两种 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 32 5 微处理器基础知识 51单片机 5 1单片机基本概念5 2单片机应用系统设计的一般方法5 351单片机用于测控系统的实例 机械结构力学及控制国家重点实验室 33 5 2单片机应用系统设计的一般方法 单片机应用系统的设计过程 单片机应用系统是以单片机为核心 配上一定的外围电路和软件 实现某种功能的系统 虽然单片机的硬件选型不尽相同 软件编写也千差万别 但系统的研制步骤和方法是基本一致的 一般都分为如下几个阶段 总体设计硬件电路的构思设计软件的编制仿真调试 机械结构力学及控制国家重点实验室 34 5 2单片机应用系统设计的一般方法 单片机应用系统的设计过程 1 确定总体设计方案 拟定设计任务书 确定功能技术指标 单片机的选型 器件和设备选择 软件硬件功能划分 机械结构力学及控制国家重点实验室 35 5 2单片机应用系统设计的一般方法 单片机应用系统的设计过程 2 硬件设计硬件设计是以芯片和元件为基础的完整的单片机系统的设计 根据总体设计要求 确定能实现该项目的所有功能的电路原理图 涉及到芯片选择 外设I O通道设计 电源设计等 尽可能选用典型应用电路 系统的扩展与外围电路的水平 应充分满足系统功能的要求并留有余地 充分考虑系统各部分的驱动能力和电气性能的配合 以软件功能代替硬件电路 机械结构力学及控制国家重点实验室 36 5 2单片机应用系统设计的一般方法 单片机应用系统的设计过程 3 软件设计一旦单片机系统产品研发完成 软件就固化在硬件环境中 单片机软件是针对相应的单片机硬件系统开发的 是专用的 根据总体方案的要求和硬件电路的设计 编写应用程序完成软件功能 编写时可将其分成多个功能模块 便于调试 修改 连接和移植 机械结构力学及控制国家重点实验室 37 5 2单片机应用系统设计的一般方法 单片机应用系统的设计过程 4 单片机应用系统抗干扰的设计 滤波技术 隔离技术接地技术 比如AGND与DGND分开 最后单点接地 交流地 功率地和信号地不能共用 高频电路就近多点接地 低频电路一点接地等 机械结构力学及控制国家重点实验室 38 5 2单片机应用系统设计的一般方法 单片机应用系统的设计过程 5 仿真与调试PC 仿真器 开发板 自己设计的硬件电路 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 39 5 微处理器基础知识 51单片机 5 1单片机基本概念5 2单片机应用系统设计的一般方法5 351单片机用于测控系统的实例 机械结构力学及控制国家重点实验室 40 5 351单片机用于测控系统的实例 51单片机应用系统举例 试设计一个基于51单片机的周期性报警指示系统 提示 采用LED灯指示报警 要求每隔一定的时间 LED灯闪烁一次 达到报警指示的目的 机械结构力学及控制国家重点实验室 41 51单片机应用系统举例 什么是LED灯 LED LightEmittingDiode 发光二极管 是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件 它可以直接把电转化为光 LED的心脏是一个半导体的晶片 晶片的一端附在一个支架上 一端是负极 另一端连接电源的正极 使整个晶片被环氧树脂封装起来 5 351单片机用于测控系统的实例 机械结构力学及控制国家重点实验室 42 51单片机应用系统举例 什么是LED灯 发光二极管 压降一般为1 8左右 工作电流一般大于10mA 以具体产品型号的数据手册为准 5 351单片机用于测控系统的实例 机械结构力学及控制国家重点实验室 43 51单片机应用系统举例 什么是LED灯 发光二极管 压降一般为1 8左右 工作电流一般大于10mA 以具体产品型号的数据手册为准 Vcc R P0 0 5 351单片机用于测控系统的实例 机械结构力学及控制国家重点实验室 44 51单片机应用系统举例 Proteus仿真软件 怎么去搭 利用Proteus仿真软件 Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件 它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能 还能仿真单片机及外围器件 它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具 是目前世界上唯一将电路仿真软件 PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台 5 351单片机用于测控系统的实例 机械结构力学及控制国家重点实验室 45 插叙 Proteus概述 在传统的CAD功能中添加了嵌入式系统的仿真可以完整地仿真微控制器以及相连的模拟和数字电路 机械结构力学及控制国家重点实验室 46 Proteus概述 在Proteus中 从原理图设计 单片机编程 系统仿真到PCB布线一气呵成 完成了从概念到产品的整个过程 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 47 Proteus概述 单片机仿真部分 1 支持多种主流单片机系统的仿真1 支持当前的主流单片机 如51系列 AVR系列 PIC12系列 PIC16系列 PIC18系列 Z80系列 HC11系列 68000系列等 8086和MSP430等 2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器 并持续增加其他系列处理器模型 在编译方面 它也支持IAR Keil和MPLAB等多种编译 2 提供软件调试功能 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 48 Proteus概述 单片机仿真部分 3 提供丰富的外围接口器件及其仿真RAM ROM 键盘 马达 LED LCD AD DA 部分SPI器件 部分IIC器件 这样很接近实际 在训练时 可以选择不同的方案 4 提供丰富的虚拟仪器利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性 培养学生实际硬件的调试能力 5 具有强大的原理图绘制功能 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 49 Proteus概述 原理图搭建 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 50 Proteus概述 原理图搭建 主要模型 MainModes 1 选择元件 components 默认选择的 2 放置连接点3 放置标签 用总线时会用到 4 放置文本5 用于绘制总线6 用于放置子电路7 用于即时编辑元件参数 先单击该图标再单击要修改的元件 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 51 Proteus概述 原理图搭建 模糊查找 分类查找 结果列表 元件预览 封装预览 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 52 Proteus概述 仿真调试 实时显示系统输出结果 实时显示元器件引脚电平 说明 红色代表高电平 兰色代表低电平 灰色代表不确定电平 floating 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 53 Proteus概述 仿真调试 51单片机是如何根据调试者的期望运行的 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 54 51单片机应用系统举例 Proteus仿真软件 怎么去搭 利用Proteus仿真软件 5 351单片机用于测控系统的实例 机械结构力学及控制国家重点实验室 55 51单片机应用系统举例 C语言编译器 用于51单片机 怎么让单片机运行 利用Keil编译软件 Keil编译软件一般也称为KeilC 是德国KEIL公司开发的单片机C语言编译器 Vision4是一个forWindows的 集成化的C51开发环境 集成了文件编辑处理 项目管理 编译链接 软件仿真调试等多种功能 是强大的C51开发工具 5 351单片机用于测控系统的实例 机械结构力学及控制国家重点实验室 56 KeilC编译器开发 1 新建工程 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 57 KeilC编译器开发 2 选择所要的单片机 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 58 KeilC编译器开发 3 创建新的程序文件或加入旧程序文件 点击图中的新建文件的快捷按钮 出现一个新的文字编辑窗口 这个操作也可通过菜单File New或快捷键Ctrl N来实现 输入程序代码保存文件 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 59 KeilC编译器开发 4 将程序文件加入项目中 右击SourceGroup1文件夹图标 可以在项目中增加减少文件等操作 选择AddFiletoGroup SourceGroup1 在弹出文件窗口选择需添加的文件 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 60 KeilC编译器开发 5 编译运行程序 图中1 2 3都是编译按钮1是用于编译单个文件2是编译当前项目3是重新编译在3右边的是停止编译按钮5是菜单中的相应项在4中可以看到编译的信息等 以后我们要查错就靠它了 6是 开启 关闭调试模式 的按钮 快捷键为Ctrl F5 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 61 KeilC编译器开发 6 生成HEX文件 KEIL编译生成用于烧写芯片的HEX文件 右击项目文件夹 弹出项目功能菜单 选OptionsforTarget Target1 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 62 KeilC编译器开发 6 生成HEX文件 转到Output选项页 1是选择编译输出的路径 2是设置生成的文件名 3是决定是否要创建HEX文件 插叙 机械结构力学及控制国家重点实验室 63 51单片机应用系统举例 C语言编程 基础知识 各种进位制的对应关系 5 351单片机用于测控系统的实例 机械结构力学及控制国家重点实验室 64 51单片机应用系统举例 C语言编程 基础知识 5 351单片机用于测控系统的实例 基本数据类型 类型 符号 关键字 数的表示范围 所占位数 整型 字符型 实型 有 无 signed int 16 32768 32767 signed short 16 32768 32767 signed long 32 2147483648 2147483647 16 unsignedint 0 65535 32 0 4294967295 unsignedlongint unsignedshortint 16 0 65535 有 float 32 3 4e 38 3 4e38 有 double 64 1 7e 308 1 7e308 有 char 8 128 127 无 unsignedchar 8 0 255 机械结构力学及控制国家重点实验室 65 51单片机应用系统举例 C语言编程 基础知识 5 351单片机用于测控系统的实例 数据类型声明 定义 数据类型变量名charvar1 bitflags unsignedcharvextor 10 intwwww 注意 变量名不能用C语言中的关键字表示 机械结构力学及控制国家重点实验室 66 51单片机应用系统举例 C语言编程 基础知识 5 351单片机用于测控系统的实例 C51的数据类型扩充定义 sfr 特殊功能寄存器声明sfr16 sfr的16位数据声明sbit 特殊功能位声明bit 位变量声明例 sfrSCON 0X98 sfr16