单片机最小系统PPT课件

精选,1,单片机最小系统,精选,2,用最少的元件组成以单片机为核心元件的可以正常工作并具有特定功能的单片机系统。让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分。指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。要让单片机里面的程序运行，需要的最小配置。用最少的元件让单片机运行起来的电路。能够正常运行的单片机最小组成。单片机可以工作的最低硬件配置。,单片机最小系统？,精选,3,什么是单片机？单片机一般用在哪里？单片机有什么功能？单片机有哪些引脚？单片机有哪几种工作方式？单片机最小系统包含哪些基本电路？,精选,4,微型计算机通常由五部分组成:,输入设备,输出设备,控制器,存储器,微型计算机（Microcomputer）,如果把运算器与控制器封装在一小块芯片上，则称该芯片为：微处理器（MicroProcessingUnit，MPU）中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）,运算器,精选,5,微型计算机可以分为3种应用形态：多板机（系统机）单板机单片机,1、多板机（系统机）,精选,6,通用计算机通常由多块印刷电路板制成：,精选,7,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,印刷电路板,2、单板机,精选,8,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,3、单片机,单片机有体积小、功耗低、价格低、控制功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。,一块芯片就成了一台计算机,精选,9,组成：性能:价格:,精选,10,单片机,单芯片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）微控制器（MicrocontrollerUnit）在一块硅片上集成了中央处理器（CPU）、存储器（随机存储器RAM，程序存储器ROM、EPROM、E2PROM或FlashMemory）、输入/输出接口（并行I/O接口、串行接口）、定时/计数器和中断控制器等部件（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、A/D转换器等电路）而构成的微型计算机系统。,精选,11,单片机有怎样的发展历史？,单片机诞生至今已有40多年的历史。1971年，Intel公司研制第一块4位微处理器芯片Intel4004。1974年，美国Fairchild（仙童）公司研制出单片微型计算机F8。1975年，美国德州仪器公司的第一个单片机TMS-1000问世。1976年，Intel公司推出了MCS-48单片机。,根据CPU处理的数据的宽度：4位单片机8位单片机16位单片机32位单片机64位单片机,精选,12,4位单片机,每次可并行运算或传送4位二进制数据。至今仍有一定市场需求。主要用于家用电器、电子玩具等。目前主要产品：美国国家半导体公司（NationalSemiconductor）的COP402系列。日本电气公司（NEC）的Mpd75xx系列。美国洛尔威克（Rockwell）的PPS/1系列。日本松下公司（MN1400）系列。富士通公司的MB88系列。,精选,13,8位单片机,是目前应用最广泛的单片机。用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域。1980年，美国Intel公司推出MCS-51系列单片机。MCS-51系列及其兼容机型,ATMEL公司融入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,精选,14,1、STC单片机,STC系列单片机是深圳宏晶公司生产的产品。采用8051的内核。加密性强，很难解密或破解超强抗干扰超低功耗在系统可编程，无需编程器，可远程升级STC单片机直接替换ATMEL,PHILIPS,Winbond等产品,精选,15,2、AT89系列单片机,AT89系列单片机是美国ATMEL公司的8位FlashROM单片机产品，它以MCS-51为内核，与MCS-51系列单片机软硬件兼容。,精选,16,3、AVR单片机,1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术,共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。简便易学，费用低廉高速、低耗、保密I/O口功能强,具有A/D转换等电路有功能强大的定时器/计数器及通讯接口常用型号有：atmega48、atmega8、atmega16、atmega169P,精选,17,4、C8051F系列高速SOC单片机,美国Cygnal（2003年被SiliconLabs公司收购）的C8051F单片机以51为内核并在芯片上扩展了AD、DA、PWM、CAN、USB等实用的附加功能。具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。,精选,18,16位单片机,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AtXmega系列的单片机,精选,19,1、Microchip公司的PIC16位单片机,基本级系列：该级产品的特点是低价位，如PIC16C5X，适用于各种对成本要求严格的家电产品选用。中级系列：该级产品其性能很高，如内部带有A/D变换器、E2PROM数据存储器、比较器输出、PWM输出、I2C和SPI等接口，适用于各种高、中和低档的电子产品的设计中。高级系列：该系列产品的特点是速度快，所以适用于高速数字运算的应用场合中。具有丰富的I/O控制功能，并可外接扩展EPROM和RAM，很适用于高、中档的电子设备中使用。,精选,20,2、TI公司的MSP430单片机,MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位的，具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。电源电压采用的是1.83.6V电压，最低功耗只有0.1uA。,精选,21,广泛应用在嵌入式系统中。,单片机一般用在哪里？,精选,22,电子式组合仪表,提花机,1、工业过程控制,单片机用来完成开关量和模拟量的采集、计算和处理，然后输出控制信号以控制设备有条不紊地工作。,精选,23,示波器,智能卡水表,PH值测试仪,2、智能仪表,单片机能促进仪表的数字化、智能化，解决修正误差、显性化处理等难题。,精选,24,激光焊接机,3、机电一体化产品,光热治疗仪恒温水浴,单片机使机械产品结构简化，控制智能化。,精选,25,4、计算机网络与通信,基于“网络通”的单片机以太网,单片机具有通信接口，可以制作分布式控制系统，可以制作管控一体化系统。,单片机雨量监测及远程通信系统,精选,26,5、家用电器,太阳能显示仪温控电茶壶,单片机价格低逻辑判断控制能力强内部具有定时/计数器,精选,27,不同的单片机，功能也有所不同。,单片机有什么功能？,精选,28,根据什么区分不同的单片机？,外形型号编码单片机的型号编码由三个部分组成，它们是前缀、型号和后缀。,精选,29,STC系列,精选,30,查阅单片机芯片手册查阅相关的书本资料,怎么知道一款单片机的功能？,精选,31,网络图书馆厂家,去哪里找芯片手册、单片机参考书？,精选,32,查看哪些内容可以知道单片机的功能？,产品性能参数产品资源配置表内部结构方框图,精选,33,一个8位中央处理器CPU一个片内振荡器及时钟电路4KB程序存储器ROM（有的型号没有）256B数据存储器RAM。两个16位定时/计数器（T0、T1）。可寻址64KB外部数据存储空间和64KB外部程序存储器的控制电路。4个8位并行I/O端口（P0P3）。1个可编程的串行I/O端口。21个特殊功能寄存器。具有5个中断源、2个优先级的中断结构。,1、80C51单片机功能描述,精选,34,2、MCS-51系列单片机典型产品资源配置,精选,35,在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类：,片内ROM字节数：从4K增加到8K；片内RAM字节数：从128增加到256；定时/计数器从2个增加到3个；中断源由5个增加到6个。,通常以芯片型号的末位数字来区分：末位数字为“1”的型号为基本型；末位数字为“2”的型号为增强型。,精选,36,该系列生产工艺有两种：,在产品型号中凡带有字母“C”的即为CMOS芯片，不带有字母“C”的即为HMOS芯片。,一是HMOS工艺（高密度短沟道MOS工艺）。二是CMOS工艺（互补金属氧化物的MOS工艺），具有低功耗的特点。,精选,37,在片内程序存储器的配置上，该系列单片机有三种形式：,无ROM（ROMLess）型，应用时要在片外扩展程序存储器；,掩膜ROM（MaskROM）型，用户程序由芯片生产厂写入；,EPROM（ErasableProgrammableROM）型，用户程序通过写入装置写入，通过紫外线照射擦除；,精选,38,3、MCS-51单片机的内部结构,精选,39,RAM128B,RAM地址寄存器,P3口,P1口,P2口,P0口,锁存器,锁存器,锁存器,锁存器,中断定时/计数器串行口,SP,B,ACC,暂存器1,暂存器2,PSW,指令寄存器IR,指令译码器ID,DPL,缓冲器,程序计数器PC,PC增量器,地址寄存器AR,定时与控制,4KROM,ALU,DPH,运算器,控制器,80C51的内部逻辑结构图,精选,40,电源引脚时钟引脚控制引脚并行输入/输出引脚,单片机有哪些引脚？,精选,41,80C51单片机,总线型单片机PDIP40封装双列直插式40个引脚2条电源线2条时钟线4条控制线32条（4个8位）并行I/O接口线,精选,42,Vcc（40脚）：电源端，接+5V；Vss（20脚）：接地端；,1、电源引脚,2、时钟引脚,XTAL1（19脚）XTAL2（18脚）外接石英晶体、微调电容或振荡信号输入引脚。,精选,43,RST/VPP（9脚）：复位信号输入端引脚。第二功能为备用电源输入端。EA/Vpp（31脚）：读片内或片外程序存储器选择端引脚。第二功能为编程电压输入端。ALE/PROG（30脚）：低8位地址锁存允许信号输出引脚。第二功能为编程脉冲输入引脚。PSEN（29引脚）：读片外程序存储器选通信号输出端引脚。,3、控制引脚,精选,44,RST复位信号当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。,精选,45,EA访问内外部存储器选择信号接高电平时：CPU读取内部程序存储器。内部程序存储器读取完毕后自动访问外部程序存储器。接低电平时：CPU读取外部程序存储器。,精选,46,ALE地址锁存控制信号在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。当ALE是高电平时，允许地址锁存信号。当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。,精选,47,PSEN外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。内部ROM读取时，PSEN不动作。外部ROM读取时，PSEN在每个机器周期会动作两次。,精选,48,P0口的P0.0P0.7引脚（3932脚）P1口的P1.0P1.7引脚（18脚）P2口的P2.0P2.7引脚（2821脚）P3口的P3.0P3.7引脚（1017脚）,4、并行I/O引脚,精选,49,P0口：P0.0P0.7可作普通I/O口，可作地址/数据总线口。P1口：P1.0P1.7可作普通I/O口。P2口：P2.0P2.7可作普通I/O口，可作地址总线口（高8位）。P3口：P3.0P3.7可作普通I/O口，可按每位定义的第二功能用。,MCS-51单片机有4个8位并行输入输出接口，共32根I/O线。,精选,50,作为输出口用时，可直接与外设相连。作为输入口用时，要先通过指令，把每根端口线的锁存器置1。,4个接口作普通I/O口时，特性基本相同。,P0口内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。P1口、P2口、P3口内部均有上拉电阻。,但也有不同：,精选,51,P0口：8位（准）双向I/O接口用作通用I/O口用作低8位地址线和8位数据线,精选,52,（1）P0用作通用I/O口,当系统不进行片外的ROM扩展，也不进行片外RAM扩展时，P0用作通用I/O口。,在这种情况下，单片机硬件自动使C=0，MUX开关接向锁存器的反相输出端。,另外，与门输出的“0”使输出驱动器的上拉场效应管T1处于截止状态。因此，输出驱动级工作在需外接上拉电阻的漏极开路方式。,精选,53,作输出口时，CPU执行口的输出指令，内部数据总线上的数据在“写锁存器”信号的作用下由D端进入锁存器，经锁存器的反向端送至场效应管T2，再经T2反向，在P0.X引脚出现的数据正好是内部总线的数据。,作输入口时，数据可以读自口的锁存器，也可以读自口的引脚。这要根据输入操作采用的是“读锁存器”指令还是“读引脚”指令来决定。,精选,54,执行“读-修改-写”类输入指令时（如：ANLP0，A），内部产生的“读锁存器”操作信号，使锁存器Q端数据进入内部数据总线，在与累加器A进行逻辑运算之后，结果又送回P0的口锁存器并出现在引脚。,读口锁存器可以避免因外部电路原因使原口引脚的状态发生变化造成的误读。,精选,55,在执行“MOV”类输入指令时（如：MOVA，P0），内部产生的操作信号是“读引脚”。注意，在执行该类输入指令前要先把锁存器写入“1”，使场效应管T2截止，使引脚处于悬浮状态，可以作为高阻抗输入。,否则，在作为输入方式之前曾向锁存器输出过“0”，则T2导通会使引脚箝位在“0”电平，使输入高电平“1”无法读入。,P0口在作为通用I/O口时，属于准双向口。,精选,56,（2）P0用作地址/数据总线,当系统进行片外的ROM扩展或进行片外RAM扩展，P0用作地址/数据总线。,在这种情况下，单片机内硬件自动使C=1，MUX开关接向反相器的输出端，这时与门的输出由地址/数据线的状态决定。,精选,57,CPU在执行输出指令时，低8位地址信息和数据信息分时地出现在地址/数据总线上。P0.X引脚的状态与地址/数据线的信息相同。,CPU在执行输入指令时，首先低8位地址信息出现在地址/数据总线上，P0.X引脚的状态与地址/数据总线的地址信息相同。然后，CPU自动地使转换开关MUX拨向锁存器，并向P0口写入FFH，同时“读引脚”信号有效，数据经缓冲器进入内部数据总线。,P0口作为地址/数据总线使用时是一个真正的双向口。,精选,58,P1口：8位准双向I/O接口只用作通用I/O口,精选,59,P1口由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成。输出驱动电路与P2口相同，内部设有上拉电阻。,P1口是通用的准双向I/O口。输出高电平时，能向外提供拉电流负载，不必再接上拉电阻。当口用作输入时，须向口锁存器写入1。,精选,60,P2口：8位准双向I/O接口用作通用I/O口用作高8位地址线,精选,61,（1）P2用作通用I/O口,当不在单片机芯片外部扩展程序存储器，只扩展256B的片外RAM时，仅用到了地址线的低8位，P2口仍可以作为通用I/O口使用。,执行输出指令时，内部数据总线的数据在“写锁存器”信号的作用下由D端进入锁存器，经反相器后送至场效应管T，再经T反相，在P2.X引脚出现的数据正好是内部总线的数据。,P2口用作输入时，数据可以读自口的锁存器，也可以读自口的引脚。这要根据输入操作采用的是“读锁存器”指令还是“读引脚”指令来决定。,精选,62,执行“读修改写”类输入指令时内部产生的“读锁存器”操作信号使锁存器Q端数据进入内部数据总线，在与累加器A进行逻辑运算之后，结果又送回P2的口锁存器并出现在引脚。,执行“MOV”类输入指令时，内部产生的操作信号是“读引脚”。应在执行输入指令前要把锁存器写入“1”，从而使引脚处高阻抗输入状态。,P2口在作为通用I/O口时，属于准双向口。,精选,63,（2）P2用作地址总线,当需要在单片机芯片外部扩展程序存储器或扩展的RAM容量超过256字节时，单片机内硬件自动使控制C=1，MUX开关接向地址线，这时P2.X引脚的状态正好与地址线的信息相同。,精选,64,P3口：8位准双向I/O接口用作通用I/O口用作第二功能,精选,65,（1）P3用作第一功能（通用I/O口）,对P3口进行字节或位寻址时，单片机内部的硬件自动将第二功能输出线的W置1。这时，对应的口线为通用I/O口方式。,输出时，锁存器的状态（Q端）与输出引脚的状态相同；输入时，要先向口锁存器写入1，使引脚处于高阻输入状态。输入的数据在“读引脚”信号的作用下，进入内部数据总线。,P3口作为通用I/O口时，属于准双向口。,精选,66,（2）P3用作第二功能使用,当CPU不对P3口进行字节或位寻址时，内部硬件自动将口锁存器的Q端置1。这时，P3口作为第二功能使用。,P3.0：RXD（串行口输入）；P3.1：TXD（串行口输出）；P3.2：（外部中断0输入）；P3.3：（外部中断1输入）；P3.4：T0（定时器0的外部输入）；P3.5：T1（定时器1的外部输出）；P3.6：（片外数据存储器“写”选通控制输出）；P3.7：（片外数据存储器“读”选通控制输出）。,精选,67,1、AT89S51单片机,总线型单片机PDIP40封装双列直插式40个引脚2条电源线2条时钟线4条控制线32条并行I/O接口线P1.5MOSI用于ISP编程，主出从入数据端P1.6MISO用于ISP编程，主入从出数据端P1.7SCK用于ISP编程，串行时钟输入端,精选,68,2、AT89C2051单片机,非总线型单片机PDIP20封装双列直插式20个引脚2条电源线2条时钟线1条控制线15条并行I/O接口线,精选,69,复位方式程序执行方式单步执行方法低功耗操作方式EPROM编程和校验方式,单片机有哪几种工作方式？,精选,70,RST引脚是复位信号的输入端。复位信号时高电平有效。高电平有效的持续时间应为24个振荡周期（2个机器周期）以上。复位方式有上电自动复位和手工复位两种。复位后，程序计数器PC=0000H。单片机从0000H单元开始执行程序。复位后，SFR恢复初值。片内RAM不受影响，上电后RAM中的内容随机。,1、复位方式,精选,71,复位后特殊功能寄存器（SFR）的状态,精选,72,程序执行方式是单片机的基本工作方式。单片机复位之后，从程序存储器的0000H单元开始执行程序。,2、程序执行方式,精选,73,使程序的执行处于外加脉冲的控制下，一条指令一条指令地执行。按一次键，执行一条指令。可以利用中断控制来实现。,3、单步执行方式,精选,74,待机方式（空闲方式、节电方式）：CPU停止工作，但仍向RAM、中断、串行口和定时器/计数器电路提供时钟。可以在无外部事件触发时降低电源的消耗。消耗电流从24mA降为3.7mA。有两种途径退出待机方式，恢复到正常方式：1、任一种中断被激活。2、硬件复位。,4、低功耗操作方式,精选,75,掉电方式（停机方式）：振荡器工作停止，单片机内部所有部件都停止工作，但是内部RAM中的数据仍被保存。电源电压可降至2V，耗电电流仅为50A。只有以种途径退出掉电方式，恢复到正常方式：硬件复位。,精选,76,PCON,87H,通过设置电源控制寄存器PCON的相关位可以确定当前的低功耗方式。,SMOD：波特率倍增位，在串行通讯时用；GF0，GF1：通用标志位；PD：掉电方式位。PD1，进入掉电方式；IDL：待机方式位。IDL1，进入待机方式。利用软件置IDL位为1，单片机就进入待机方式。退出待机方式可以采用引入中断的方法或硬件复位。利用软件置PD位为1，单片机就进入掉电方式。退出掉电工作方式的唯一方法是硬件复位。,精选,77,电源能量的来源时钟电路让单片机活起来的心脏复位电路恢复初始化状态值,VCC（40脚）：电源正极GND（20脚）：接地端,XTAL1（19脚）XTAL2（18脚）：晶体振荡器输入端,RST（9脚）：复位输入端,单片机最小系统包含哪些基本电路？,精选,78,时钟电路是用于产生单片机工作时所需的时钟信号的电路。单片机的工作过程是：取一条指令、译码、进行微操作，再取一条指令、译码、进行微操作，各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序称作时序。单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部各种微操作提供时间基准。,1、时钟电路,精选,79,内部时钟电路在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就能产生自激振荡。定时元件通常是石英晶体（晶振）和电容组成的并联谐振电路。晶振频率fosc的范围是1.212MHz。电容器C1和C2主要起频率微调、快速起振作用，电容值为30pF左右。,精选,80,外部时钟电路XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。一般要求外部信号为高电平的持续时间大于20ns，且频率低于12MHz的方波信号。HMOS：外部振荡信号接至XTAL2端，XTAL1端接地。CMOS：外部振荡信号接至XTAL1端，XTAL2端可不接地。,精选,81,工作时序时序是用定时单位来说明的。定时单位：节拍、状态、机器周期、指令周期。节拍P（振荡周期）：把振荡脉冲的周期称为节拍，为最小的时序单位。状态S（时钟周期）：一个状态S包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫P1，后半周期对应的节拍叫P2。机器周期：是最基本、最常用的时序单位。一个机器周期共有12个振荡脉冲周期。一个机器周期的宽度为6个状态，依次表示为S1S6。指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它是最大的时序定时单位。,精选,82,精选,83,振荡周期（晶振周期）：振荡频率的倒数。时钟周期：振荡周期的2倍。机器周期：时钟周期的6倍，振荡周期的12倍。在一个机器周期中包含2个ALE信号。,晶振频率为12MHz，机器周期为多少？,晶振频率为6MHz，机器周期为多少？,精选,84,RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平时系统复位。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间（20ms100ms）。,2、复位电路,精选,85,单片机最小系统,内部有程序存储器,电源,精选,86,所谓单片计算机就是将电子计算机的基本环节如中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器和一些输入/输出接口电路、总线等都集成在一块芯片上的微型计算机，简称单片机（Single-ChipMicrocomputer，简称SCM）。,单片计算机概述,精选,87,中央处理器包括运算器、控制器和寄存器，是单片机的核心。存储器是用来存放数据和程序的，在单片机芯片中包含两类存储器：随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。RAM可以被CPU随机读写，但单片机断电后，所保存的信息就会消失，一般用来存放临时数据；ROM中的信息只能被CPU读取，CPU不能对它进行写操作，通常用于存放系统程序和固定的表格数据。ROM中的内容只能通过专用的编程器事先对它写入。输入/输出接口是单片机与外部设备连接的桥梁，单片机和外部设备（如键盘、显示器等）之间信息的传送全部都通过输入/输出（I/O）接口来实现。总线就是连接各部件信号线的总称，主要是用来传送数据、地址和控制信息。,单片机最小系统,精选,88,图1-3,精选,89,单片机最小系统,控制总线ALE/PROG（引脚号30）：地址锁存允许，主要功能是提供一个定时的时钟。EA/VPP（引脚号31）：访问外部存储器控制信号。如果使用内部ROM作为程序存储器，此引脚需接高电平（VCC）；如果使用外部ROM作为程序存储器，则要将此引脚接地。RST/VPD（引脚号9）：复位信号输入端。当系统主电源发生故障，降低到规定的电压以下时，可以通过VPD端为单片机提供备用电源，以保证存储在单片机中的RAM中的信息不会丢失。PSEN(引脚号29)：外部程序存储器ROM读选通信号。当单片机需要从外部ROM读取指令或数据时，此引脚输出低电平信号。,精选,90,单片机最小系统,输入/输出P0.0P0.7（引脚号3239）：双向输入/输出端口。P1.0P1.7（引脚号18）：双向输入/输出端口。P2.0P2.