情境1 汽车单个信号灯的点亮

1.1概述1.2MCS-51单片机结构和原理1.3并行输入/输出口电路结构1.4时钟电路与复位电路1.5单片机的工作过程1.6单片机I/O扩展1.7MOTOROLA公司单片机在汽车控制中的应用,情境1汽车单个信号灯的点亮,1.1.1、单片机及其应用1.1.2、MCS-51单片机系列,1、1概述,第一阶段是单片机的初级阶段第二阶段是低性能单片机阶段第三段是高性能单片机阶段第四阶段是单片机的发展、巩固、提高阶段,1.1.1单片机及其应用,单片机芯片技术的发展概况,体积小，重量轻,电源单一，功耗低,功能强，价格低,运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高,可以嵌入到电子产品中嵌入式应用系统,单片机的特点,工业方面,民用方面,仪表方面,电讯方面,数据处理方面,汽车方面,单片机的应用,单片机的应用领域,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。,智能仪器仪表,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。,机电一体化产品,单片机的应用,*ATMEL公司带Flash存储器技术的AT89系列*Philips公司的80C51、80C552系列*华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列*ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列*LG公司的GMS90/97低压高速系列*Maxim公司的DS89C420高速(50MIPS)系列*Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机,80C51系列单片机兼容的主要产品,主流单片机简介,非80C51结构单片机新品不断推出,*ATMEL公司AVR系列RISC单片机*Intel的MCS-96系列16位单片机*Microchip的PIC系列RISC单片机*TI的MSP430F系列16位低功耗单片机*ARM32位系列,主流单片机简介,1、微型计算机硬件结构常见的微机外形,微型计算机及微型计算机系统,微型计算机硬件结构微机硬件组成,主机,键盘,鼠标,显示器,1972年800820001978年8086/80882.9万（3万）1982年8028613.5万1985年8038632万1990年80486120万1993年Pentium320万1996年PentiumPro550万1997年PentiumII750万1999年PentiumIII13千万，2004年PentiumIV超过1亿2005年AMD64/EM64T超过1亿4GHz0.09um,主流微处理器发展情况一览表,微型计算机硬件结构,内部结构,硬件系统构成微机的实体和装置,软件系统微机系统所使用的各种程序的总称,软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统，两者是相辅相成、缺一不可的。,微型计算机系统,单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机单片机实质上就是一个芯片,单片微型计算机,单片机应用系统,单片机应用系统由硬件和软件组成,硬件是应用系统的基础,软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可.单片机本身没有自我开发能力，必须借助开发工具来生成目标程序，排除目标系统中的软硬件故障。并需借助开发工具把目标程序固化到单片机内部或外部EPROM中,注：本课程的重点,1.掌握单片机应用系统硬件原理的分析方法。,2.掌握软件设计与调试的基本技能。,单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。,MCS-51系列单片机配置一览表,1.1.2MCS-51单片机系列,1.2.1MCS-51单片机的内部组成及引脚信号1.2.2单片机的数据存储器1.2.3单片机的程序存储器,1、2MCS-51单片机结构和原理,8051单片机的基本组成,中央处理器CPU：8位，运算和控制功能内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一个全双工串行口。中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ,1.2.1MCS-51单片机的内部组成及引脚信号,MCS-51单片机的引脚配置图,返回本节,MCS-51单片机的引脚定义,输入输出口：P0、P1、P2、P3RST（复位）/VPD（后备电源引入端）EA（读内/外ROM控制）/Vpp（编程电压）ALE（地址低8位锁存）/PROG（编程脉冲）PSEN外部ROM读选通信号XTAL1、XTAL2外接晶振端Vcc+5v电源Vss地P3口的第二功能,返回本节,上一页,1.片内数据存储器低128单元，00H7FH。（1）寄存器区：32个8位寄存器，00H1FH分为4组。每组8个寄存器，分别为R0R7,4个组的选择由状态字中的RS1、RS0的值确定。（2）位地址区：20H2FH,共16个字节单元，128个位单元。（3）用户RAM区:30H7FH,通常堆栈放在此区。2.片内数据存储器高128单元，80H0FFH。(1)专用(特殊功能)寄存器SFR：22个，其中21个可寻址，PC不可寻址。A、程序计数器PC（16位）：用于存放将要执行的指令地址（程序存储器地址），并具有自动加1的功能。B、累加器A（8位）：存放运算中的操作数据及运算后的结果。C、B寄存器（8位）：用于乘除法中的第二个操作数和运算后的结果。,下一页,1.2.2单片机的数据存储器,内部数据存储器中的位地址,返回,特殊功能寄存器地址及功能表,返回,工作寄存器组选择控制表,程序状态字PSW,返回,D、程序状态字PSW（8位）：寄存着程序运行中的状态信息。E、栈指针寄存器SP（8位）：其值始终指向栈的顶部，PUSH时值先加1，后存数。F、其它专用寄存器：数据指针寄存器DPTR（16位）、端口寄存器P0/P1/P2/P3（8位）、串行数据缓冲器SBUF（8位）、定时/计数器T0/T1（16位）、控制寄存器IP/IE/TMOD/TCON/SCON/PCON（8位）（2）专用寄存器的字节寻址：只能使用直接寻址方式，在指令中既可以使用寄存器符号表示，也可以使用寄存器地址表示。（3）专用寄存器的位寻址：21个SFR中的11个可以位寻址。,返回本节,片外数据存储器,外部数据存储器又称外部RAM，当片内RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其他I/O口扩展外部数据RAM，其最大容量可达64K字节。在片外数据存储器中，数据区和扩展的I/O口是统一编址的，使用的指令也完全相同，因此，用户在应用系统设计时，必须合理地进行外部RAM和I/O端口的地址分配，并保证译码的唯一性。,返回本节,1.2.3程序存储器,程序存储器,内部,外部,(PC),程序存储器资源分布,中断入口地址,MCS-51单片机片内、外程序存储器的使用示意图,片内ROM,0FFFH0000H,0FFFH0000H,FFFFH1000H,EA=1时，ROM的使用,EA=0时ROM的使用,片外程序存储器（最大64K）,单片机内部程序存储器（4K）,返回,在程序存储器中，有六个单元是具有特定功能。编程者是不能随便使用的。0000H：单片机复位后的入口地址0003H：外部中断0的入口地址000BH：定时器0的入口地址0013H：外部中断1的入口地址001BH：定时器1的入口地址0023H：串行口的入口地址,FFFH,000H,可寻址片内FlashROM,4K字节,89C51,程序存储器六个特殊的单元,1、3并行输入/输出口电路结构,MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0P3，P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路，P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电路。,1P0口的结构,VCC,P0.X锁存器,读锁存器,地址/数据,控制,D,读引脚,写锁存器,内部总线,Q,Q,MUX,T2,P0.X,T1,CL,P0口的1位结构图,1,0,下一页,2P1口的结构,下一页,3.P2口的结构,P2口的一位结构图,下一页,4P3口的结构,P3口的一位结构图,返回本节,4.1.1单片机的时钟电路,单片机时钟电路通常有两种形式：1内部振荡方式：MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲（如图1所示）。2外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内（如图2所示）。,返回本节,图1内部振荡方式,图2外部振荡方式,返回,图MCS-51单片机各种周期的相互关系,振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期,下一页,1振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。2时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。3机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。4指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。,下一页,若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期1/12MHz1/12s0.0833s时钟周期1/6s0.167s机器周期1s指令周期14s,返回本节,MCS-51单片机指令的取指和执行时序,图MCS-51单片机典型指令的取指和执行时序,返回本节,4.1.2单片机复位电路及复位状态,1复位电路单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。如图所示。2单片机复位后的状态单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，如表所示。,下一页,复位后，P0P3口输出高电平，初值07H写入栈指针SP，清“0”其余的特殊功能寄存器和程序计数器PC。只要RESET保持高电平，单片机循环复位RESET由高变低后，单片机从0地址开始执行程序。单片机初始复位不影响内部RAM的状态，包括工作寄存器R0R7。,返回本节,22FC1,1K,R21K,图几种复位电路,返回,表单片机复位后特殊功能寄存器的状态,返回,假设指令MOVA，#08H机器码74H、08H已存在0000H开始的单元中，表示把08H这个值送入A累加器。下面我们来说明单片机的工作过程。接通电源开机后，PC=0000H，取指令过程如下：PC中的0000H送到片内的地址寄存器；PC的内容自动加1变为0001H指向下一个指令字节；地址寄存器中的内容0000H通过地址总线送到存储器，经存储器中的地址译码选中0000H单元；CPU通过控制总线发出读命令；被选中单元的内容74H送内部数据总线上，该内容通过内部数据总线送到单片机内部的指令寄存器。到此取指令过程结束，进入执行指令过程。执行指令的过程：指令寄存器中的内容经指令译码器译码后，说明这条指令是取数命令，即把一个立即数送A中；PC的内容为0001H送地址寄存器，译码后选中0001H单元，同时PC的内容自动加1变为0002H；CPU同样通过控制总线发出读命令；0001H单元的内容08H读出经内部数据总线送至A，至此本指令执行结束。PC=0002H，机器又进入下一条指令的取指令过程。一直重复上述过程直到程序中的所有指令执行完毕，这就是单片机的基本工作过程。,1.5单片机的工作过程,图2-8MCS-51片外总线结构示意图,下一页,1.6单片机I/O扩展,微型计算机中的总线通常分为：（1）地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0-A7）；P2口直接提供高8位地址（A8A15）。地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。（2）数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。（3）控制总线（CB）：控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。,返回本章首页,1）发动机电脑控制装置：主要包括电控燃油喷射系统、电控燃油点火系统、发动机怠速控制系统、废气再循环控制系统、汽油机进气控制系统、气缸变排量控制系统、可变压缩比系统、柴油机电控系统等。2）汽车传动系统微电脑控制装置：主要有电控自动变速器、四轮驱动系统控制、防滑差速器控制等。3）汽车转向和行驶系统电控装置：动力转向系统控制、电脑控制主动悬架系统、巡航行驶控制系统等。,汽车电脑控制装置主要有：,4）保证行车安全的电控装置：主要有电子控制防抱死制动系统（ABS）、电子防滑系统(ASR)、电子控制安全气囊和安全带装置、防撞报警系统、电子防盗系统等。5）舒适性和娱乐性的电控装置：包括电脑控制的全天候空调系统、自动驾驶系统、汽车导向信息控制装置、车载电视等。6）汽车工况监视及信息管理系统：主要有数字式仪表、油耗指示仪、维修间隔指示仪、汽车导向行驶系统、电子地图等。,控制单元内部结构,汽车总线拓扑结构,自推出玛瑞利单点电喷发动机管理系统起，包括沈阳金杯海狮客车、金杯中华轿车、安徽奇瑞轿车、天津夏利轿车等车型都已采用了这种基于玛瑞利单点电控发动机管理系统。微控制器是MC68HC11F1为摩托罗拉8bit汽车专用MCU,Motronic1.5.4电脑是由上海大众汽车有限公司与德国博世（BOSCH）公司合作开发的新型电子燃油喷射系统，其形式为型集中控制式，称为Motronic（莫特朗尼