单片微机原理系统设计与应用浙大本科课件 第1章

1、任课教师：杨红宇 2013.2,课程简介,课时： 48学时（32学时授课、12学时实验、 4学时上机） 内容： MCS-51单片机的原理、应用。 教材： 单片微机原理系统设计及应用 考核方式：开卷考试 成绩构成：平时成绩：15%（作业、点名)， 期末：60%，上机：10%， 实验：15%。 联系方式：新校区主楼C2510， 电话：61830308， 邮箱：,目 录,1 微型机的基本知识,2 MCS-51单片机硬件结构,3 MCS-51指令系统,4 汇编语言程序设计,6* 单片机系统扩展设计,5 MCS-51定时/计数器、串行口及中断系统,下页,上页,7 C51介绍,第1章 微型机的基本知识,下

2、页,回目录,上页,1.1 微处理器、微型机和单片机的概念,1.2 微型机模型的组成,上页,下页,回目录,1.3 微机系统,1.4 单片微型计算机,1.1 微处理器、微型机和单片机的概念,1微处理器,2微型机,3微机系统,上页,下页,回目录,Central Processing Unit,Microprocessor,Microcomputer,Microcomputer System,4. 单片机,Singel Chip Microcomputer,One Chip Microcomputer,Microcontroller,Electronic Control Unit（ECU）,1.2 微

3、型机模型的组成,上页,下页,回目录,运算器,控制器,（CPU）,一、CPU的内部结构,运算器由 算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit） 累加器A（Accumulator） 标志寄存器F（Flag) 寄存器组 R（Registers） 相互之间通过内部总线连接而成。,它的主要作用是进行数据处理与加工,1. 运算器,上页,下页,回目录,CU（Control Unit）由 程序计数器PC（Program Counter） 指令寄存器IR（Instruction Register） 指令译码器ID（Instruction Decoder） 操作控制部件或称为组合逻辑阵列 PL

4、A（ Programmed Logic Array） 时序发生器等电路组成,2. 控制器,控制器的主要作用有： 原始数据的输入 从内存中取出指令并译码 控制运算器对数据信息进行传送与加工 运算结果的输出 外部设备与主机之间的信息交换 计算机系统中随机事件的自动处理等,上页,下页,回目录,“+1”,计数,3. CPU中的主要寄存器,上页,下页,（1）累加器 A,（2）数据寄存器 DR（Data Register）,（3）寄存器组 R,（5）程序计数器 PC,（6）地址寄存器 AR（Address Register）,回目录,4. 标志寄存器F,标志寄存器 F 也称程序状态字 PSW（Progra

5、m State Word），是用来存放ALU运算结果的各种特征状态的，如：运算有无进（借）位、有无溢出、结果是否为零等,5. 堆栈与堆栈指示器SP（Stack Pointer）,（1）按照先进后出FILO（First In Last Out） 顺序向堆栈读/写数据； （2） SP始终指向栈顶； （3）堆栈的两种操作压入（PUSH） 和弹出（POP）,它有三个主要特点：,上页,下页,回目录,二、存储器M（Memory）,存储器 RAM基本结构一般由四个部分组成： 存储矩阵、地址译码器 读写控制电路、三态双向缓冲器。,上页,下页,回目录,02H,02H,按地址访问的一维线性空间,三、I/O接口和外

6、设,四、模型机的工作过程,1. 指令和指令系统,（1）指令的格式,输入操作,“读”操作,输出操作,“写”操作,上页,下页,回目录,*程序的存储与执行,指令地址 “+1”,（2）指令的执行过程,指令执行的两个阶段，取指阶段与执指阶段,上页,下页,回目录,以直接寻址的指令为例,2. 程序的执行过程,表1-1 “15H+30H”程序执行过程,上页,下页,回目录,1.3 微机系统,上页,下页,回目录,一、微机硬件组成,上页,下页,回目录,RAM,I/O,ROM,外设,CBUS,DBUS,ABUS,CBUS ：控制总线 ， DBUS：数据总线，双向三态 ABUS ：地址总线，单向三态,0,0,0,数据总

7、线,单向缓冲器,双向缓冲器,双向缓冲器,. 总线 在CPU与其它部件之间信息传送的公共通道,（1）数据总线 “双向三态 ”,（2）地址总线 “单向三态 ”,（3）控制总线,地址译码,片选信号,上页,下页,回目录,上页,下页,二、软件系统,1. 程序设计语言,2. 系统软件,3. 应用软件,回目录,三、衡量计算机性能的主要技术指标,上页,下页,回目录, 1.4 单片微型计算机,单片机, Single Chip Microcomputer, Microcontrollor, Electronic Control Unit （ECU）,定义：,是将微机的CPU、存储器M、I/O接口和总线制作在一块芯

8、片上的超大规模集成电路。,上页,下页,回目录,三维图形 处理器,1位机,4位机,用于玩具、家用电器、计算器等,8 位机,16位机,工业控制器、智能仪表、计算机外设通用测控单元、通讯和医疗设备等,32位机,高性能图形工作站、高级机器人等,上页,下页,回目录,如：i80860 1.2亿次/秒,32位定点 64位浮点, 1.4 .1 单片机的发展史,第一阶段（19741976）：,单片机的初级阶段,例如：,8位单片机F8,特点：,采用双片组成,结构：,F8,CPU,64B RAM,2个I/O,3851,1K ROM,1个T/C,2个I/O,完整的单片机,上页,下页,回目录,存放数据,存放程序,第二阶

9、段（19761979）：,低性能单片机阶段,例如：,MCS 48 系列,特点：,小而全,结构：,MCS 48,8位CPU,RAM,I/O,ROM,T/C,上页,下页,回目录,单片机,第三阶段（19791982）：,高性能单片机阶段,例如：,MCS 51 系列,特点：,系列化、功能强,结构：,MCS 51,8位CPU,RAM,I/O,ROM,UART,INT,上页,下页,回目录,UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,INT Interrupt System,通用异步收/发器串行口,T/C,第四阶段（1982 ）：,16位、32位单片机阶

10、段,例如：,MCS 96 系列,特点：,增加了内部资源、实时处理能力更强、,除了具有16位CPU和存储器外又增加了部分 内部资源，如：,MCS 96 16位CPU 16位M,10位A/D转换器,高速输入输出HSIO,脉宽调制输出装置PWM,8XC196增强型,之后又推出：,上页,下页,回目录,又增加了,MCS-51系列单片机已被国内用户广泛采用,例如：,ATMEL公司的AT89系列,Philips公司的80C51系列,ADI公司的ADuC系列,ADuC812:多通道12位A/D转换器,ADuC816:多通道16位A/D转换器,ADuC824:多通道24位A/D转换器,上页,下页,回目录,转换周

11、期 仅5S, 1.4 .2 单片机的发展趋势,1、高档单片机性能不断提高,速度：,是原来单片机的515倍,精度：,CPU字长增加，16位、32位单片机问世,指令系统丰富、效率高, 内部资源的增加,程序存储器：,ROM、EPROM、E2PROM或FLASH达几十KB, CPU功能的增强,上页,下页,回目录,Erasalble Programmable ROM,Electrically EPROM,闪速存储器,数据存储器：,RAM达几KB,I/O口：,并口,串口,串行扩展口,定时/计数器（T/C）：,定时输出,捕捉输入,监视器Watchdog,A/D转换器：8位、12位、16位、24位，多通道输入

12、,脉宽调制输出PWM ，可代替D/A输出, 寻址范围的增加,上页,下页,回目录,2、超小型、低功耗、价廉,3、微机单片化,如: ATMEL公司的 89C 1051 / 2051 20引脚，工作电压（26V），电流仅几个mA,上页,下页,回目录,如：Microchip 公司的PIC 16/17系列 18引脚、20引脚、28引脚，有的仅5个引脚 工作电压（26V），电流仅2个mA,如：台湾凌阳单片机有8位、16位具有高速、低价、 可靠、实用、体积小、功耗低、简单易学等特点, 1.4 .3 单片机内部结构,CPU,ROM,RAM,串行 I/O,定时/ 计数器,并行 I/O,中断 系统,图 1-13

13、单片机的内部结构,上页,下页,回目录,内部总线,1、中央处理器CPU,2、存储器, 数据存储器RAM, 程序存储器ROM,3、I/O接口,并行接口：用于外接输入输出设备,串行接口：可实现异步串行通信,上页,下页,回目录, 1.4 .4 单片机应用系统,1、基本系统,单 片 机,复位 电路,电源,输入/输出 设 备,时 钟 电 路,图 1-14 单片机的基本系统结构图,上页,下页,回目录,辅助电路,控制对象,最小系统,2、扩展系统,上页,下页,回目录,通过总线来扩展一些部件，以弥补单片机内部资源的不足。这样可满足一些应用系统的特殊需要。,对用户的特殊要求的适应性就更强, 1.4 .5 单片机典型

14、产品,8位单片机, MCS-48系列,8035 8位 无 64B 1 15,8039 8位 无 128B 1 15,上页,下页,回目录,内部资源的配置不同, MCS-51系列,8031 8位 无 128B 2 32,8051 8位 4KB ROM 128B 2 32,与MCS-48系列相比MCS-51系列在速度、内部资源、功能等方面增强，且软件丰富，开发装置齐全。,特点：,上页,下页,回目录,内核,内部资源的配置不同, Philips 51系列单片机, ATMEL 51系列单片机,特点：用E2PROM和FLASH代替ROM，价格低，编程方便, ADuC系列单片机,特点：用FLASH代替ROM；用ADC进行数据采集； 12位DAC两通道电压型输出进行控制，灵活 、快捷、方便、且价廉,特点：片内具有I2C总线、A/D等丰富的功能部件,上页,下页,回目录,以上所述51增强型单片机，都是以8051/8031为内核，,51基本型,增加一些功能部件构成的。,51单片机的更新换代主要是通过不断地推出新