[工学]soc型单片机原理及应用-2

SoC型单片机原理及应用,课时量和讲义,48学时的课程32学时的实验关于讲义和参考资料,我们课程的一些特点:,1.加强单片机的专业英语(口语)2.C语言的反刍, 编程语言: C语言3.放弃汇编语言4.面向实验, 面向项目的教学, 不最求全面和系统的知识(传统是怎么教的，我是怎么教的？)5.传统的AT89C51仅作为核,学习最新型SoC单片机C8051F320 6. 注重与ARM的衔接 7. 加强实验,加强动手能力, 以工程师为目标, 以进一步的ARM学习为目标.-这样做法的依据: 就业形势和我校师生的特点,哈佛大学校园,我们要做的实验（暂定）,LED数码管PWM, （Pulse Width Modulation）,舵机控制UART(RS232串口), TSP（触摸屏）字符液晶,16键盘,IC卡,电机正反转控制，电机转速调节 中断,ADC(模数转换),USB(中断型,批处理型)通信,1. 概述,1.1 单片机基本概念, 发展, MCS-51MCU(Micro Controller Unit)-单片机单片机在嵌入式系统中的地位,MCU 8-bit,ARM 32-bit,ASM, C,ASM, C/C+, OS,什么是嵌入式系统? 根据IEEE（国际电气电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“用于控制,监视或者辅助其它设备,机器和工厂运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.）,单片机是不是嵌入式系统? Yes/no? Yes, but 它是低端嵌入式系统.,MCU-ARM关系,1. 概述(续),MCS-51系列单片机 -Atmel公司的AT89C51(15年历史) -Silabs公司的C8051F320(5年历史),51单片机发展过程,8048=8031=8051=8751=89C51=89C52=89CxxxIntel, Atmel, SST, Philips, SiLab,.我们简单学习AT89C51,重点学习C8051F320,单片机的今后发展,参看讲义第1章“绪论”,1.2 学习单片机的目的和方法,应用性: 就业, 工程师, 项目经理(MCU命还长着)深造的基础: 为32位嵌入式系统学习考研: 单片机知识为理工本科生必须具备的就业：硬件很“硬”，软硬兼施支持：帮助理解 计算机有关知识有关课程: C语言, IT电子技术,及线路板设计, VB6.0, VC+.,我们的单片机学习方法,从内核到芯片充分应用SoC芯片的功能, 补充一些外设通过详细讲解实验程序学习芯片的sfr同学的实验要求在样板的基础上，自己部分编程,1.3 开发工具,环境,开发过程,-硬件: Protel99, 原理图, PCB（马慧敏老师）-编程: 工程的建立，C51编程，编译，链接，下载，在线调试 C51编译器(uKeil), IDE, EC5+JTAG+目标板-文件: xx.wsp:工程，xx.asm:汇编程序, xx.c, xx.lst, xx.obj, xx.hex, xx.bin-项目开发流程 可行性分析=立项=需求分析=硬件方案(框图)和设计(原理图, PCB图)=制板=软件方案(流程框图)=编程=调试=定型=性能测试=文档 -学习内容：单片机结构, C51编程, 十几个实验 （马慧敏老师）,EC5-JTAG-Kit(Kit-EH200)连接,PC,USB,EC5,适配器,JTAG,Kit(开发机),5V DC,EH200,About JTAG,JTAG: Joint Test Action Group（联合测试行动组织）JTAG于1990 年被IEEE 批准为IEEE1149.1-1990. JTAG是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议,如DSP、FPGA, ARM器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。,U-EC5 + Kit-EH200,IDE界面(Integrated Development Environment),1.4 单片机的实际应用,1. 工控(Industrial Control): 数据采集(Data Acquisition),数控(Numerical Control),.2. 仪器&仪表(Apparatus & Instruments)3. 家电(Household Items)4. PC外设(Peripherals of PC)5. 商用设备(Commercial Apparatus)6. 下位机（Host-Slave）7. 军事,2 传统型单片机 AT89C51,很老的型号：8031,8051,8751,80C31,80C51,87C51,(/52),2.1 51系列单片机简介,老型号：AT89C51,AT89C52,AT89C2051,现代型号：C8051F320,C8051F340,2.2.1 51单片机的内部结构,内部结构(Block Diagram),1.2.1 结构框图(AT89C51),CPU (Central Processing Unit),CPU到底包含哪些模块(module)?ALU+指令寄存器IR+指令译码器+DPTR+PC+SP = CPUArithmetic Logic Unit + Instruction Register + Data Pointer + Program Counter + Stack Pointer,2.1.2 AT89C51的引脚(Pin Assignments),2011.08.31三 -2h,C8051F320引脚,引脚说明(Pin Definitions),AT89C51有多种封装形式，最常使用的封装形式是双列直插(DIP:Dual In-line Package)40引脚形式。Pin Number 逆时针。电源引脚Vcc, GND(20,40)：Vcc是供电电压，GND为地线。供电电压为5伏，变化范围允许为2.7V6V。5V工作电压下正常工作电流约为20mA，休眠方式维持电流为5mA，掉电方式维持电流（电压为3V时）为40A。振荡器引脚XTAL1，XTAL2（19，18）：芯片工作需要时钟脉冲。AT89C51单片机的时钟振荡有两种接法。一种为外接振荡器信号输入，一种为外接石英晶体和电容。,石英晶体振荡线路用得较多。AT89C51允许的最高时钟频率为24MHz，最低允许时钟频率为4MHz。石英晶体可用4MHz24MHz，电容C1，C2可用20Pf的电容。时钟脉冲周期在单片机内部组成机器周期，每12个时钟脉冲形成一个机器周期。机器周期是单片机的基本计时单位。如果使用12MHz晶体的时钟脉冲，则单片机的机器周期为1s。,复位引脚RST（9）： 复位引脚能使单片机系统复位。所谓复位就是使程序从第一句开始执行。如何通过复位引脚使系统复位？只要使RST引脚为高电位并保持2个机器周期以上。平时正常工作时，复位引脚RST应处于低电位。,何时需要复位？接通电源一瞬间，希望程序从头开始执行，这个复位称为上电复位。在单片机上电一瞬间电容C1有一个充电过程，瞬间电容对RST引脚仿佛是通路，RST引脚得到高电位，系统复位。电容充电后C1对RST引脚仿佛是断路，RST引脚通过R1电阻接地，使RST为低电位，系统能正常工作。当单片机程序处于混乱状态或死机，需要人工复位，可采用图 b）线路。按键K接通时使RST接高电位，系统复位。为保证单片机系统不死机，很多情况下外接看门狗线路。在系统死机时，系统不能定时地给看门狗线路一个响应信号，看门狗经过一段小延时后会给复位引脚RST发一个高电位信号，使系统从头开始执行程序，从死机状态中跳出来。,地址锁存/编程引脚ALE/PROG（30）：在正常工作时ALE引脚输出稳定的正脉冲，用于在访问外部程序存储器时锁存地址的。ALE输出的脉冲频率为时钟的1/6。由于AT89C51程序存储器在芯片内部，ALE一般不用于它本来的用途，只是作为一个振荡器供外部线路使用。这个引脚另一个用途是在给芯片下载程序（编程）时，用于输入编程脉冲。外部程序存储器选通引脚PSEN（29）：芯片在访问外部程序时PSEN引脚会发出外部存储器芯片的选通信号（低电位）。在从外部存储器取程序指令时，每个机器周期PSEN信号出现两次。访问外部数据存储器时PSEN信号不出现。如果AT89C51使用内部程序存储器，所以PSEN引脚已失去其原有的用途。,外部访问允许引脚EA/VPP（31）：当EA引脚接地时AT89C51只能访问外部程序存储器，内部程序存储器被隔离了。所以正常运行时EA引脚应接高电位，一般串接一个几K电阻接到电源正极。在给芯片编程时，EA引脚要接编程电压12V。I/O口P0（3932）：P0口是8位漏极开路(Open Drain)双向I/O口。作为输出口，输出数据为0时它的驱动能力可吸收8个TTL门电路的电流。由于是漏极开路作为输出口输出1时实际P0口的引脚为高阻态（相当于与内部断开状态）。这时应在P0口外部加上拉电阻，信号1由上拉电阻提供，驱动能力也决定于上拉电阻的电阻值。一般由于上拉电阻为几K，所以驱动能力很弱。作为输入引脚时应给P0口内部先写1，使其为高阻态，读P0口的指令会使P0口的引脚直接接到内部总线上，反映了加在P0口引脚上的外部信号的真实值。,这一点很重要，如果疏忽了这一点，在P0口上刚输出过0，P0口线与地线接通，再作为输入时，加在引脚上的高电位会被短路掉，内部总线读到的输入是0，发生了一个很难查获的错误。P0口在我们的应用中经常作为外部数据总线口使用，通过指令MOVX读取外部的数据，或将数据输出到外部总线上。在输出数据时，内部控制线路将口线的一个上拉场效应管接通，使具有上拉电阻作用，所以不需外接上拉电阻。在输入数据使仍应先给P0口输一高电位，使其与地线断开。AT89C51也可以外挂程序，此时EA引脚应接地，P0口将输出指令的地址，并读入程序指令。这个过程是硬件自动完成的，软件无法干预，也不需要对P0口写1。,当AT89C51编程时，P0口作为代码的输入口。编程后校验时P0作为代码的输出口，此时外部要有上拉电阻。I/O口P1（18）：P1口是一个带内部上拉电阻的双向I/O口。它能接收或输出4个TTL门电路的电流。P1口的上拉电阻是固定的，（20K），因此作为输出时一般无需外接上拉电阻。其它部分的内部电路两者类似，所以P1口作为输入时也必须事先在P1口写1。输入为0时电流经内部上拉电阻，引脚流经外部电路通地，电流值为50A。,I/O口P2（2128）：P2口是一个带内部上拉电阻的双向I/O口。它的一部分基本结构类同P1口。它也可以接收和输出4个TTL门的电流。内部写1以后使引脚与地线断开，内部上拉电阻起作用，可用作输入引脚，输入0时，电流经过上拉电阻，引脚流经外部电路通地，电流值为50A。此外P2口的另一个作用是在访问外部程序存储器或用MOVX指令访问外部数据时作为高8位地址的输出。所以P2口除了作I/O口以外，通过MOVX指令也能作为输出。这种输出常作为外部设备选通信号，使得外部设备被选通的同时由MOVX指令直接访问被选通的这个外部设备。P2口在AT89C51芯片编程和校验时作为高8位地址输入口。,I/O口P3（1017）：P3口也是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。可接收和输出4个TTL门电流。内部写1以后，内部上拉电阻起作用，可用作输入。当输入为0时，电流经内部上拉电阻通过引脚流经外部电路通地。这个输出的电流值为50A。P3口除了作通用的I/O口以外，它的每一个引脚都还分别可作专门的特殊功能口。,英文阅读: about P3,P0 结构,AT89C51最小系统,振荡电路复位电路EA脚上拉电源,2.1.3 存储器配置,冯.诺依曼(von.Neumann)结构/哈佛(Harvard)结构?程序存储器(ROM,EROM,EPROM,EEPROM,Flash)数据存储器(RAM),片内存储器(Memory on Chip),AT89C51: EEPROM 4kB RAM 256 BC8051F320: Flash(ROM) 16kB RAM 256 B RAM 1kB + 1kB FIFO(USB),2011.09.02.五-4h,RAM(Data)和Flash(程序代码)-AT89C51-最重要的部分,RAM Flash,00h,7Fh,80h,FFh,SFR,自由RAM,代码,0000h,0FFFh,128 Byte,128 Byte,4096 Byte,(AT89C51),Homework(1),说明最小系统(2011.09.02.布置),三部分的功能,1. Flash: 保存程序。通过下载（烧写）的手段。相当于PC的硬盘2. SFR: 是RAM，存放特定的寄存器。（什么是寄存器？），系统上电时由CPU写入一些默认值，不自由。相当于PC的内存条的一个特殊区域。3. 自由RAM：由用户自己随意用的。C语言下由编译器分配（可能是动态地）给用户自己定义的变量的。相当于PC的内存条。,自由RAM（00h 7Fh）,R0 R7 的映射: 00 1Fh (map:映射的概念）位寻址的(允许)区域: 20 2FhStack (堆栈): 全部自由区: 00 7Fh（参看讲义图2-5）,特殊功能寄存器(SFR)RAM(80h-FFh),Specific Function Registers,P0, P1, P2, P3, PSW, TCON, SCON,(注意这里Px是寄存器，不是硬件的Px口)IE, A, B, SP, DPH, DPL, TMOD, TH0, TL0, TH1, TL1, SBUF,PCON, IP, 共 21字节(51系列),SFR(特殊功能寄存器),SFR(特殊功能寄存器),2.4 定时器/计数器T0,T1,硬件上有T0,T1(16bit),配置了2套相关寄存器C/T : Counter/TimerSFR: TMOD(高4位:C/T1, 低4位:C/T0)(89h)(GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0)GATE=0 (测INTx的脉宽)C/T=0: 内部定时器, =1:外部计数器M1 M0=00: 0模式(弃用), 01: 1模式(16位), 10: 2模式(8位自动重装), 11: 3模式(C/T0:2个独立8位, C/T1:不用,停止记时)对应的TH1,TL1, TH0,TL0注:自动重装, TH1装入TL1中，TH0装入TL0中,定时器/计数器T0,T1,T0,T1的信号源：1）内部振荡信号2）引脚（14，15）输入外部信号1)称为“内部定时器”，2)称为“外部计数器”1) ”T” 2) “C”TMOD：规定了计数器的容量和方式TCON：启动/停止，是否溢出TH0，TL0：计数器值,要强调的一点,T0,T1模块的工作和运行是脱离CPU的,一旦运行后就与程序的运行无关了.就好象你的闹钟一样,溢出前它不干预你的正常日程.它是并行工作的.,2011.09.06二 - 6h,SFR TCON(88h),(TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0),低4位只与外部中断有关(混合了)TF1: 溢出标志(硬件自动置1, 如果中断,自动清0)TR1: 1:启动, 0:停止(软件设置)IT1: 外部中断(INT1)类型设置, 1:下降沿, 0:低电平IE1: 外部中断检测到下降沿自动置1, 进中断后自动复0 TF0, TR0, IE0, IT0 同上 注:对于TF1, TF0, IE1, IE0, 一般不太关心,SFR TH1, TL1, TH0, TL0(8Dh,8Bh,8Ch,8Ah),TH1,TL1 用于C/T1, TH0,TL0用于C/T016位模式(1模式): TH1高字节,TL1低字节8位自动重装(2模式):TH1向TL1充值, 初始化:TH1=TL1启动后,TL1以机器周期加1,溢出后进位到高字节(1模式) 或中断如果设置成外部计数: 计数信号由引脚T1, T0输入(Pin15, Pin14),关于 T0模式3（略）,1) T1没有模式3, T0为模式3时, T1可以为模式0, 1, 2, 但不能使用中断.2) T0模式3: TL0,TH0为2个独立8位计数器,TL0可记数,也可定时. TH0只能定时,TH0的启动用TR1,溢出和中断申请用TF1.3) T1到底能干什么? 可以用于波特率发生器, T1的停止将用怪招:将其设置为模式3提问：8位自动重装是什么意思？,2.5 串行I/O,1.关于RXD, TXD引脚的工作方式(51系列):a) 工作在“移位”串行通信方式时,RXD为发送和接收. TXD为移位脉冲. 低位在前(LSB: little significant bit). 8位数据. 传送靠移位脉冲,所以频率的精度不重要. 半双工(Half Duplex).同步方式。b) 异步通信时, RXD为接收, TXD为发送. LSB, 常用8位数据, 双方设为相同波特率(Baud Rate). 全双工(Full Duplex).UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)1. 可以满足RS232通信协议的信号时序(与PC兼容)2. 无信号时,发送端拉高电平3. 常用的波特率:9600, 115204. 起始位:0, 8数据位, 1:停止位,SFR SCON(98h)串行控制寄存器,SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI,S工作模式,模式0: RXD为发送和接收. TXD为移位脉冲. 低位在前(LSB). 8位数据. 传送靠移位脉冲, 频率固定为机器周期. 半双工(Half Duplex).晶体的1/12.模式1:异步通信, RXD为接收, TXD为发送. LSB. 全双工(Full Duplex).1位起始+8位数据+1位停止. 波特率为T1的溢出率/32 (或1/16). 模式2:异步通信, RXD为接收, TXD为发送. LSB. 全双工. 1位起始+8位数据+1位特数据+1位停止. 波特率晶体的1/32或1/64. 适用多机通信.模式3:异步通信, RXD为接收, TXD为发送. LSB. 全双工. 1位起始+8位数据+1位特数据+1位停止. 波特率为T1的溢出率/32 (或1/16). 适用多机通信.,SCON,SM2是接收中断请求的控制位。在模式2和模式3的多机通信中，如果SM2设置成1，接收到的第9位（RB8)为0，则接收中断不会被激活。这能起什么作用呢？它的控制逻辑是这样的，在多机通信中,主机先发送子机地址，第9位发送的是1。各子机都收到这个数据，接收中断都被激活。各子机核对这个地址，被选中的子机将自己的SM2清0(处于等数据态)，未被选中的子机将SM2设置1。紧接着主机向子机发送数据实体，其第9位(RB8)为0（定义为数据实体）。这样未被选中的子机由于SM2的作用都将拒绝接收这个数据实体，而仅有被选中的子机，由于SM2已被清0，能接收这个数据实体，在被激活的中断中读SBUF(数据)即可。,SCON,在模式0中，SM2必须清0，接收中断才能被激活。SM2由程序置1或清0的。在模式1中，如果SM2=1(硬件置1和清0)，则没有接收到停止位，接收中断也不会被激活。SM2在这里用来控制数据传输的完整性.(这没有什么用)REN是允许接收位。由程序置1或清0的。当REN=1时表示允许接收。由外部发送过来的数据会被接收。如果REN=0，则不接收串行口的数据,所以一般要事先置1。,SCON,TB8和RB8是模式2和模式3中的发送的第9位和接收的第9位(因为多机通信,或数据宽不够)。TB8作为发送第9位由程序赋值。RB8作为接收第9位，由程序读取。它们可用于奇偶校验，也可在多机通信中用来标明是地址还是数据实体。在模式1中，若SM2=0，则RB8是收到的停止位，它应该是1。在模式0中这两位都没有用。TI是发送中断标志。在这个模式中发送完成后，也即SBUF数据全部发送完成，芯片硬件会使TI置1。(当TI=1时即自动请求中断。如果事先已申请串行中断允许，则程序进入串行中断服务程序). TI必须由程序清0，一般在中断服务程序中清0，以免造成又一次错误中断。如果无中断申请, 也要查询TI是否为1,并接着清0.,SCON,RI是接收中断标志。在各个模式中，接收到外部通过串行口发送来的一个数据后，RI被芯片硬件置1，并申请中断。此时SBUF缓存器中存放的是接收到的数据。如果事先已申请串行中断允许，芯片即响应中断请求，立即进入串行中断服务程序。RI的清0由程序进行。,串口发送/接收缓存器举例:发送: mov A, #0aah mov SBUF, A ;数据aah发送 jnb TI, $ ;等TI变脸,表示发送完 clr TI ;清标志接收: 中断(数据已经到SBUF, RI=1) mov A, SBUF ;接收数据 clr RI ;清标志,SFR SBUF(99h) (Serial Buffer),一般, 接收用中断, 发送不用中断.从单片机看, 流程是这样的:PC发一个字节- 引起MCU中断-MCU在中断服务内, 或在外发1个, 1串字节给PC-PC回答1个字节-MCU中断- 课堂提问：模式1串口数据是几位的？物理上是几位的？,波特率的计算,模式2中的波特率为1/32或1/64的晶体频率.如果SFR PCON.7=1, 则1/32. PCON.7=0, 则1/64.模式1,3的波特率为T1溢出率的1/32或1/16. * 如果SFR PCON.7=0, 则1/32. PCON.7=1, 则1/16.1)晶体11.0592MHz, 设TL1=253(FDh), 3周期溢出Baut Rate = 11.0592*1000000/12/3/32 = 9600 1)晶体24MHz, 设TL1=243(F3h), 13周期溢出, PCON.7=1Baut Rate = 24*1000000/12/13/16 = 9615,SCON 的注,1. 专用寄存器SCON中有些位是由硬件置1，软件清0的。在系统复位时SCON被硬件全部清0 2. MCU横向之间多机通信技术已不太用了3. 符合RS232协议数据格式的是模式1, 物理层信号电平不对. 用MAX232芯片转换.4. S口用于其它串入器件效果也很好(同步), 例如74LS164(用模式0),2011.09.13. - 8h,三件事的关系和独立性,1. 定时器T0,T1, 机器周期，溢出，中断。2. 串口，同步，1/12晶体，异步（UART，RS232），波特率。3. 波特率发生器，借用T1（模式2，8位自动重装）+ 1/32分频器（片内硬件）,S口 编程举例,#include reg51.h /51 MCUs SFRunsigned char r_data; /received byteunsigned char s_data; /sending byteunsigned char sString9 = I, ,a,m, ,C,5,1,!;unsigned char *pS;void SerialPort_Init(void); /initiationvoid iamc51(void); /I am C51/,S口 编程举例,void main(void) SerialPort_Init(); /Serial Port Initialization while(1); /do nothing, wait for interrupt/,S口 编程举例,void serialP(void) interrupt 4 /interrupt 4: Serial Portr_data = SBUF; /get byte from pcRI = 0; /reset received flag if (r_data = G) iamc51();s_data = +r_data; /sending byte=recved B+ 1SBUF = s_data; /sending it while(TI); /waiting for until sending finish TI = 0;,S口 编程举例,/void SerialPort_Init(void)SCON = 0x50; /Serial Port Mode 1: start + 8 data + Stop /receive enabledTMOD = 0x20; /T1 as 8 bit auto-reloadingTH1 = 0xfd; /crystal:11.0592 then Baud:9600TL1 = 0xfd;,S口 编程举例,EA = 1; /Interruprt enabled(general)ES = 1; /Serial Port receive interrupt enabledTR1 = 1; /T1 start/void iamc51(void) unsigned int ii; pS = ,S口 编程举例,while(ii 10) s_data = *pS; /sendig string SBUF = s_data; /sending it while(TI); /waiting for until sending finish TI = 0; pS+; ii+; ,2.6 中断系统,中断技术的术语1)中断技术中的一些名词:中断允许(Interrupt Enabled), 中断请求(IRQ:Interrupt Request), 中断源(I. Source), 中断屏蔽(I. Mask), 中断矢量(I. Vector), 中断服务(I. Service), 中断优先级(I. Priority).2)中断服务程序的特点: 中断服务程序在程序空间中,其入口地址是固定的(中断矢量),但在执行时刻上是随机的,是不可预料的. 中断服务程序的调用大部分是硬件信号引起的. 所以在程序流程框图中它是独立的,是无法嵌入到主程序中的.3)中断技术的用途: 处理突发事件, 人机界面(通信)4)中断响应(I. Response)时间:3 8机器周期,5类中断源,MCU的中断源大多是硬件信号,只有2个内部定时器中断和发送中断是芯片内部的. 5类中断:INT0, T0, INT1, T1, SI它们在C中的编号是0，1，2，3，4,SFR: IE(A8h) 中断允许寄存器,(EA - - ES ET1 EX1 ET0 EX0) 可以位寻址EA: 1:中断总允许, 0:全部中断不允(总屏蔽)ES: 1:串口收发中断允许(请求，Request), 0:不允ET1: 1:内部定时器/计数器1中断允许,0:不允 EX1: 1:外部(引脚INT1)中断允许,0:不允ET0: 1:内部定时器/计数器0中断允许,0:不允EX0: 1:外部(引脚INT0)中断允许,0:不允请问1: mov IE, #93h; 请求了哪些中断?请问2: setb EA setb EX1; 请求了哪些中断?,2011.09.16.四 10h,中断矢量(中断入口地址)Interrupt Vector,0003h: INT0000bh: T00013h: INT1001bh: T10023h: SI,C51程序的中断矢量,C51程序的中断矢量