单片机的基本原理演示幻灯片

单片机原理及应用,计算机科学与技术学院李长青,2,2,教学目的,了解计算机的两大分类了解单片机的发展及分类了解MCS-51系列单片机的常用机型了解单片机的不同封装理解AT89C52单片机的原理结构理解特殊功能寄存器的含义和作用主要教学参考书：李泉溪等编著的单片机原理及应用，谢维成等编著的单片机原理与应用及C51程序设计本次教学课堂32学时，实验16学时,第1章单片机的基本原理,3,3,本章内容,单片机的发展与应用单片机的分类AT89系列单片机的基本特性AT89C52单片机的内部结构AT89C52单片机的时钟与复位电路AT89C52单片机的低功耗工作方式,4,4,引言,单片机全称为单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器(C/T)和多种I/O。从某种意义上讲一块芯片就是一台计算机。俗话说：麻雀虽小，五脏俱全。单片机具有体积小、功能强、价格便宜等优点，被广泛应用在产品智能化和工业自动化上。,5,5,单片机存在于：,计算机键盘（8049）、硬盘控制器、网卡（i960）饭卡读卡器VCD机、洗衣机、电饭煲、微波炉家用电器商务通、好译通、文曲星、PDA手机手持设备存储示波器、温控仪、电子秤智能仪器仪表心电监护仪（Holter）等医疗仪器智能玩具、游戏机、电子宠物高级汽车、飞机、火车及黑匣子智能大厦电表水表煤气POS、ATM、出租车计价器,6,6,三金工程：金卡（IC卡）、金税（税务）、金桥（即指网络）。计算机的应用：1、非嵌入式应用：通用微机；2、嵌入式应用：微控制器（即单片机）、微处理器、DSP（数字信号处理器）信息家电(IA，InformationAppliance)：机顶盒嵌入式系统（EmbeddedSystem）：一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统。最活跃方向：嵌入式系统、网络,7,7,单片机应用特点：,1、小巧、灵活、成本低、易于产品化2、面向控制3、抗干扰能力强4、方便实现多机和分布式控制,8,8,单片机现状：微机产量80%,1、4位机NEC公司PD75XX系列和NS公司COP400INTEL40402、8位机INTELMCS-51系列（PHILIPS,ATMEL,WINBOND）MOTOROLA68HCHMICROCHIPPIC16XXZILOGZ8NEC公司PD78XX,9,9,3、16位机INTELMCS-96系列NSHPC16040NEC783XXPHILIPSXA系列4、32位机INTEL386EX，StrongARM，xScaleMOTOROLA68KMX1,10,10,单片机的编程规范化网络化发展,实时多任务操作系统RTOS（Real-TimeOperatingSystem）：VxWorks，PSOS，QNX，WindowsCE现场总线技术FieldBus：LonWorksLocalNetworkCANBusControlAreaNetwork,11,11,单片机的概念,在一块硅片上集成了中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路的微型计算机即为单片机（microcontroller）因为它是为了实时控制应用而设计制造，所以又称为微控制器。一般统称为微型处理部件MCU（MicroControllerUnit）,12,12,13,13,单片机与微型机的区别,微型机由CPU、存储器、I/O接口及中断系统组成，各部分通过总线连接单片机将CPU、存储器、I/O接口（并、串）和A/D集成在一块芯片上，各部分用内部总线连接通用计算机的缺点（*）：1）系统的软硬件的应用/配置比比较低。2）相对来讲可靠性差。3）价格高。4）体积较大,14,14,单片机的特点,1）片内存储容量小2）集成度高3）高可靠性单片机按工业级制造，可靠性商用品，价格军用品高可靠性原因（*）4）易扩展5）控制功能强,15,15,6）性能价格比高7）低功耗8）保密性好,1.1单片机的发展与应用,单片机的发展历史单片机的应用,17,17,单片机的发展历史,单片机概念由美国仙童（Fairchild）提出。第一阶段1974-1976特点：初级阶段，还需要外接ROM、定时/计数器、I/O口等，还没有形成真正意义上的单片机第二阶段1976-1980特点：初步走向成熟，代表产品为美国Intel公司生产的8048第三阶段1980-1983特点：已成熟，代表产品为美国Intel公司生产的8051第四阶段1983-今特点：百花齐放阶段，上千种型号,1.1单片机的发展与应用,18,18,单片机的应用,工业领域：各种测控系统、数字采集系统、工业机器人、机电一体化产品、光机电一体化产品等等。通信领域：调制解调器（MODEM）、程控交换技术、手机等等。军事领域：导弹控制、鱼雷制导、各种雷达系统、智能武器装备、航天飞机导航系统等等。医疗器械领域：智能血压计、B超仪、彩超仪、普通CT仪、核磁共振仪、心电图仪、脑电图仪等等。家用电器领域：冰箱、彩电、洗衣机、缝纫机、微波炉、空调机、摩托车、小汽车等等。,1.1单片机的发展与应用,1.2单片机的分类,通用/专用运行位使用域,20,20,通用/专用、运行位,通用/专用通用单片机专用单片机运行位8位单片机16位单片机32位单片机,1.2单片机的分类,21,21,使用域,使用域家电类单片机工控类单片机通信类单片机军工类单片机,1.2单片机的分类,1.3AT89系列单片机的基本特性,标准型AT89系列单片机的基本特征高档型AT89系列单片机的基本特性低档型AT89系列单片机的基本特征AT89系列单片机型号的编码说明及封装形式部分ATMEL单片机的升级替代及推荐产品,23,23,标准型AT89系列单片机的基本特征,标准型AT89系列单片机：AT89C51、AT89C52、AT89S51、AT89S52基本特征：1、8051的内核2、片内有装程序的闪存，装数据的RAM3、提供丰富的I/O口：32条I/O连接线4、提供定时器、计数器、外中断、串行通信等资源5、工作电源的电压为（50.2）V；6、振荡器最高频率为24MHz,1.3AT89系列单片机的基本特性,24,24,高档型AT89系列单片机的基本特性,高档型AT89系列单片机：AT89C51RC、AT89S8252、AT89S53、AT89C55WD等基本特征：标准型AT89资源升级上述资源升级有：芯片内Flash程序存储器增加到：32KB；芯片内的数据存储器增加到：512B；数据指针增加到：2个,1.3AT89系列单片机的基本特性,25,25,低档型AT89系列单片机的基本特性,低档型AT89系列单片机：AT89C1051、AT89C2051、AT89C1051U等基本特征：比标准型AT89资源少，比标准型AT89体积小,1.3AT89系列单片机的基本特性,26,26,AT89系列单片机型号的编码说明及封装形式,单片机的常见封装形式：1、PDIP（PlasticDualInlinePackage）塑封双列直插式封装2、PQFP（PlasticQuadFlatPackage）塑封方形贴片式封装,1.3AT89系列单片机的基本特性,27,27,AT89系列单片机型号的编码说明及封装形式,单片机的常见封装形式：3、TQFP（ThinPlasticGullWingQuadFlatPack）塑封超薄封装形式方形贴片式封装4、PLCC（PlasticJ-LeadedChipCarrie）塑封方形引脚插入式封装,1.3AT89系列单片机的基本特性,28,28,部分ATMEL单片机的升级替代及推荐产品,注：不推荐在新的产品设计中应用，可用替代产品。新产品设计中建议采用推荐产品。,1.3AT89系列单片机的基本特性,1.4AT89C52单片机的内部结构,AT89C52单片机的CPUAT89C52单片机的存储器AT89C52单片机的I/O接口部分和特殊功能部分,30,30,1.4.1AT89C52单片机的CPU,1.4AT89C52单片机的内部结构,31,31,单片机引脚图,32,32,AT89C52单片机的引脚说明,1.输入/输出引脚(1)P0口（3932引脚）P0.0P0.7总称为P0口。分时复用口，为低8位地址总线和双向数据总线。也可作为准双向输入/输出接口(2)P1口（18引脚）P1.0P1.7总称为P1口。可作为准双向输入/输出接口，对于52子系列，P1.0与P1.1有复用功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。(3)P2口（2128引脚）P2.0P2.7总称为P2口。为高8位地址总线。也可作为准双向输入/输出接口使用,33,33,AT89C52单片机的引脚说明,(4)P3口（1017引脚）P3.0P3.7总称为P3口。可作为准双向输入/输出接口外，每位还有特殊功能(见教材42页表2.5）2.控制线(1)ALE/PROG(30引脚)：地址锁存信号输出端，在编程期间，作为编程脉冲输入端(2)/PSEN(29引脚)：片外程序存储器读选通信号，输出，低电平有效(3)RST/VPD(9引脚)(4)/EA/VPP(31引脚)3.电源引脚：VCC(31引脚):接+5V电源；VSS(20引脚):接电源地4.外接晶体引脚XTAL1、XTAL2(19、18引脚),34,34,AT89C52单片机的引脚说明,片外总线结构1.地址总线地址总线宽度16位，P0、P2口构成2.数据总线数据总线宽度8位，P0口构成3.控制总线控制总线由第二功能状态下的P3口和4条独立的控制线RST、EA、ALE、PSEN组成,35,35,AT89C52单片机的CPU,由运算器和控制器组成1、运算器ALU功能：算术运算：加、减、乘、除逻辑运算：与、或、异或位操作（布尔）：与、或、取反由加法器和其他逻辑电路组成，两个操作数分别通过暂存器1和暂存器2输入，运算结果的状态送程序状态字PSW，该字的内容反映了运算的情况，通常根据该字的某位情况，决定程序执行的流程转向,36,36,CY(PSW.7)：进位或借位标志，依据运算结果自动设置AC(PSW.6)：辅助进位或借位标志，反映低4位在进行加/减运算时有无向高4位进位或借位，依据运算结果自动设置.F0(PSW.5)：用户标志位，用户编程设置。RS1、RS0(PSW.4、PSW.3)：寄存器组选择位，可编程选择，选择范围有4个寄存器组，共32位。（R0R7)OV(PSW.2):溢出标志位，依据有符号数运算结果自动设置P(PSW.0):偶标志位，依据运算结果自动设置，运算结果,1的个数为偶数则P=0，1的个数为奇数则P=1。（举例说明）PSW.1：未定义，可供用户定义使用,37,37,例：分析执行下面指令后，PSW各位情况MOVA,#67H;67H=01100111BADDA,#58H;58H=01011000B01100111+0101100010111111=0BFH运算后PSW：CY=0，AC=0，OV=1，P=1,38,38,2、控制器控制部件包括：定时器和控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、地址数据指针DPTR、程序计数器PC，堆栈指针SP等单片机工作过程；以时钟振荡信号为基准产生CPU工作的时序信号，先从程序存储器ROM中取指令到指令寄存器，而后在指令译码器中进行译码，产生执行指令所需的各种控制信号，送到单片机的各功能部件，协调各功能部件之间完成赋予的工作。,39,39,1）程序计数器（PC）16位，存放即将执行的指令地址。功能：CPU工作时可根据PC内容去程序存储器中到对应的地址取指令代码。可顺序递增或被赋予新的值2）指令寄存器IR：3）指令译码器ID：4）数据指针DPTR：16位地址寄存器5）定时与控制部件：产生CPU所需的机器时钟,40,40,6）时序（*）概念：一条指令译码产生的一系列微操作信号在时间上有严格的先后次序，这种次序就是计算机的时序。a、振荡周期：1/fOSCb、时钟周期：2/fOSCc、机器周期：12/fOSC=Td、指令周期：14T（*）,41,41,1.4.2AT89C52单片机的存储器,存储器特点：程序存储器分开哈佛型数据存储器合并普林斯顿型,42,42,AT89C52单片机的存储器结构,1.4AT89C52单片机的内部结构,存储器空间结构分布图,43,43,1.4.2.1程序存储器,最大64K，放程序和始终要保留的常数1、程序存储器分布1）内部（芯片本身自带）：8K2）外部（扩展）：64K0000H1FFFH8K2000HFFFFH56K3）用PC作为地址指针，通过16位地址总线,44,44,4）8031芯片本身无内部程序存储器，8051有4KROM，8751有4KEPROM作为程序存储器，AT89C52有8KFlash5）内外部的低8K空间地址重叠，不能同时使用/EA=1：内部/EA=0：外部使用AT89C52时，/EA=1，即要接高电平（+5V），当PC超过8KB，自动转2000HFFFFH（片外）8031芯片无内部程序存储器，其/EA应接地（*）,45,45,程序存储器,程序存储器使用时注意的问题（见教材34页）1）注意/EA是否接地2）编程时用户主程序应放在0030H后（之前存放中断源）例：ORG0000HLJMPminORG0030Hmin：NOPNOPLJMPmin,46,46,1.4.2.2数据存储器,1.4AT89C52单片机的内部结构,图1.16片内数据存储器的结构,47,47,数据存储器（可读写）,放程序运行中所需的常数或变量1、外部64K（movx）：0000HFFFFH2、内部数据存储器分为物理上独立且性质不同的几个区（256B，mov）,48,48,数据存储器,片内部分2块：007FH：128B，RAM区80HFFH：128B，特殊功能寄存器区（SFR区）,49,49,数据存储器,内部RAM（低128B）分为：通用寄存器区：4组（R0R7）可位寻址区：20H2FH（16个）用户RAM,50,50,片内RAM区结构,51,51,1.通用寄存器(R0R7)区,4个组0区00H07H1区08H0FH2区10H17H3区18H1FH由PSW中的RS1,RS0来决定用哪个工作区(00,01,10,11)设置4个工作寄存器区的原因,52,52,53,53,例：若程序分三段，在1段R0工作在0区（00H），在2段R0中的内容要改变，在3段程序中要用到1段中的R0的内容（0区中A*B，结果送R0，1区中02H送R0）,54,54,CLRRS0CLRRS1;寄存器组R0R7在0区MOVA,#02HMOVB,#03HMULABMOVR0,ASETBRS0;寄存器组R0R7在1区MOVR0,#02HINCR0MOVA,R0CLRRS0;寄存器组R0R7在0区MOVB,R0ADDA,BEND,55,55,2.可位寻址区,位寻址区范围：202FH,16字节位地址范围：007FH,128位,57,57,*：1、2FH的D3位对应的位地址是多少？若（2FH）=28H，则2FH.3=7BH2、movC,00H;位地址movA,00H；数据地址若（20H）=55H,（00H）=55H,则C,A的值分别为多少？3、movC,20HmovA,20H（24H）=55H,（20H）=33H,58,58,3.用户RAM（数据缓冲区、堆栈区、数据区）,30H7FH堆栈,向上增长,59,59,4.专用寄存器区（特殊功能寄存器）,位于内部RAM的80HFFH,只能采用直接寻址方式除PC和4组R0R7外其他都是SFR,有的寄存器可以进行位操作，有的不行。可位寻址的SFR其地址可被8整除（即其字节地址的低位非0即8）,60,60,61,61,1）累加器Acc（*）功能：算术运算、送数、比较、布尔操作（位操作）等围绕Acc进行书写：位操作与push,pop指令中写为Acc，其他情况下写成A,62,62,2）B寄存器（*）功能：用于乘除指令汇编(8086)：8051：MOVAL,05HMOVA,#05HMOVBL,11HMOVB,#11HMULBLMULABAX=(AL)*(BL)B,AD4进位/借位时置1，软件不能对其进行操作。F0：状态标记，用软件置位或清零RS1,RS0：通用寄存器选择位OV：溢出标志。带符号数运算结果超出-128+127、无符号数乘法结果超过255或除数为0时置1，否则OV=0P：奇偶标志。每条指令执行完，A中的1的个数为奇数时置1，偶数时置0。常用于串行通讯的奇偶校验,65,65,4）SP51单片机的堆栈为向上增长型（*）,66,66,初始时指向栈底，初始值=07H，事实上从08H单元开始放数注：初始化程序中应对SP修改（*）MOVSP,#30H,67,67,5）DPTR数据指针（*）16位，也可分成两个8位的寄存器DPH,DPL。MOVDPH,#05HMOVA,DPH；（A）=05H当DPTR放16位对64KB外部数据存储器寻址时，可作为间址寄存器用MOVDPTR,#1234HMOVXA,DPTR(1234H)=08H,则（A）=08H,68,68,当DPTR放16位对程序存储器访问时，可作为基址寄存器用MOVCA,A+DPTRA=(A)+(DPTR)注：在中断服务程序中，若要将DPTR中内容压栈时，应分为高8位（DPH）和低8位（DPL）分别压栈（因为栈指针是8位寄存器）,69,69,与通用微机不同的特点,程序存贮器和数据存贮器严格分开特殊功能寄存器和内部数据存贮器统一编址,70,70,AT89C52单片机的I/O接口部分和特殊功能部分,AT89C52单片机的I/O接口AT89C52单片机内部集成了4个可编程的并行I/O接口（P0P3）,每个接口电路都具有锁存器和驱动器，P0P3口同RAM统一编址，可以当作特殊功能寄存器SFR来寻址。AT89C52单片机可以利用其I/O接口直接与外围电路相连，在实际使用中要注意，P0P3口在开机或复位时均呈高电平。第4章对I/O接口有专门介绍。,1.4AT89C52单片机的内部结构,71,71,AT89C52单片机的I/O接口部分和特殊功能部