第5章 微控制器

1、第第5 5章章 智能汽车设计基础智能汽车设计基础微控制器微控制器武汉科技大学信息科学与工程学院5.1 5.1 单片机简介单片机简介15.2 5.2 单片机系统单片机系统25.3 Freescale HCS125.3 Freescale HCS12单片机单片机3第第5 5章章 智能汽车设计基础智能汽车设计基础微控制器微控制器 思考题思考题4武汉科技大学信息科学与工程学院5.1 5.1 单片机简介单片机简介 随着大规模集成电路的出现及发展，将计算机的随着大规模集成电路的出现及发展，将计算机的CPUCPU、RAMRAM、ROMROM、定时、定时/ /数器和多种数器和多种I/OI/O接口集成在一片芯片

2、上，形成芯片接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机（Single Chip MicrocomputerSingle Chip Microcomputer），直译为单片机，又称为微），直译为单片机，又称为微控制器（控制器（MicrocontrollerMicrocontroller）或嵌入式控制器（）或嵌入式控制器（Embedded Embedded C o n t r o l l e rC o n t r o l l e r ） 。 近 年 来 ， 单 片 机 结 合 专 用 集 成 电 路） 。 近

3、年 来 ， 单 片 机 结 合 专 用 集 成 电 路（Application Specific Integrated Circuit, ASICApplication Specific Integrated Circuit, ASIC）和精）和精简指令集计算机（简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer, RISCReduced Instruction Set Computer, RISC）技术，发展为嵌入式处理器（技术，发展为嵌入式处理器（Embedded ProcessorEmbedded Processor），适用于），适用于数据与数值分析、信号处

4、理、智能机器人及图像处理等高技术数据与数值分析、信号处理、智能机器人及图像处理等高技术领域领域。武汉科技大学信息科学与工程学院5.2 5.2 单片机系统单片机系统1 5.2.1 5.2.1 单片机最小系单片机最小系统统2 5.5.2 5.5.2 单片机系统的单片机系统的扩展扩展武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.1 5.2.1 单片机最小系统单片机最小系统v 所谓单片机最小系统，是指在单片机外部增加尽可所谓单片机最小系统，是指在单片机外部增加尽可能少的元件电路，组成一个让单片机可独立工作的系统。能少的元件电路，组成一个让单片机可独立工作的系统。以以MCS-51MCS-51系列单片机为例，图系

5、列单片机为例，图5.15.1和图和图5.25.2所示的分别是所示的分别是使用单片机内部程序存储器和单片外部程序存储器组成使用单片机内部程序存储器和单片外部程序存储器组成的单片机最小系统。在图的单片机最小系统。在图5.25.2中，中，80318031的程序存储器是通的程序存储器是通过使用外部程序存储器过使用外部程序存储器EPROMEPROM实现的。实现的。74LS37374LS373是一种是一种8D8D透明锁存器，其作用是存储单片机透明锁存器，其作用是存储单片机P0P0口输出的对口输出的对EPROMEPROM取取指令用的低指令用的低8 8位地址。这两个最小系统的复位电路均由位地址。这两个最小系统

6、的复位电路均由10 10 F F的电容器与正电源相连，构成上电复位电路。时钟电的电容器与正电源相连，构成上电复位电路。时钟电路均采用内部振荡方式，外接一个频率为路均采用内部振荡方式，外接一个频率为12 MHz12 MHz的晶体的晶体振荡器。图振荡器。图5.25.2中，从接地，我们可以得知程序存储器在中，从接地，我们可以得知程序存储器在单片机外部，因此，对外部程序存储器来说，单片机的单片机外部，因此，对外部程序存储器来说，单片机的取指令操作有效的。取指令操作有效的。武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.1 5.2.1 单片机最小系统单片机最小系统图图5.1 5.1 完全使用单片机内部程序存储器的

7、单片机最小系统完全使用单片机内部程序存储器的单片机最小系统武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.1 5.2.1 单片机最小系统单片机最小系统 图图5.2 5.2 使用单片机外部程序存储器的单片机最小系统使用单片机外部程序存储器的单片机最小系统武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展 在单片机应用系统硬件设计中，虽然单片机的最小应在单片机应用系统硬件设计中，虽然单片机的最小应用系统拥有较高的性价比，但在功能很复杂的系统中，用系统拥有较高的性价比，但在功能很复杂的系统中，最小系统往往不能满足要求，往往需要连接各种设备，最小系统往往不能满足要求，往往需要

8、连接各种设备，形成各种接口通道。因此，单片机系统的扩展成了单片形成各种接口通道。因此，单片机系统的扩展成了单片机应用系统硬件设计中最常遇到的也是不可避免的问题。机应用系统硬件设计中最常遇到的也是不可避免的问题。 单片机系统的扩展包括数据存储器（单片机系统的扩展包括数据存储器（RAMRAM）扩展、程）扩展、程序存储器（序存储器（ROM/EPROMROM/EPROM）扩展、输入）扩展、输入/ /输出（输出（I/OI/O）扩展、）扩展、定时定时/ /计数器扩展、中断系统扩展及其他特殊功能扩展。计数器扩展、中断系统扩展及其他特殊功能扩展。武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统

9、的扩展单片机系统的扩展 1 1程序存储器扩展程序存储器扩展 单片机系统扩展中，最常见的是程序存储器扩展，在扩展时需单片机系统扩展中，最常见的是程序存储器扩展，在扩展时需注意以下几方面的问题：注意以下几方面的问题： （1 1）可分配地址空间。）可分配地址空间。在在MCS-51MCS-51系列单片机中，程序存储器可占用系列单片机中，程序存储器可占用0000 H0000 HFFFF HFFFF H间间64 K64 K的存储空间。虽然地址可与数据存储器或的存储空间。虽然地址可与数据存储器或I/OI/O口重叠，但它们实际上是两个相互对立的存储空间。硬件上程序存口重叠，但它们实际上是两个相互对立的存储空间

10、。硬件上程序存储器通过使用储器通过使用PSENPSEN而不是用而不是用RDRD进行控制读操作；软件上用进行控制读操作；软件上用MOVCMOVC而非而非MOVXMOVX执行读操作命令。执行读操作命令。 （2 2）地址译码电路。）地址译码电路。随着大规模集成电路的发展，程序存储器的容随着大规模集成电路的发展，程序存储器的容量越来越大，仅需使用一两片芯片就可满足系统对容量的要求，因量越来越大，仅需使用一两片芯片就可满足系统对容量的要求，因此地址译码通常采用直接或用反相器产生片选信号的方式。但是，此地址译码通常采用直接或用反相器产生片选信号的方式。但是，在扩充多片程序存储器时，地址译码一般采用译码器方

11、式，以获得在扩充多片程序存储器时，地址译码一般采用译码器方式，以获得地址范围连续而又不相重叠的片选信号。这是因为程序机器码在存地址范围连续而又不相重叠的片选信号。这是因为程序机器码在存储空间中需要连续放置，因此各存储器占用的程序存储器空间必须储空间中需要连续放置，因此各存储器占用的程序存储器空间必须相互连续。另外，分配给程序存储器的地址范围还必须包含单片机相互连续。另外，分配给程序存储器的地址范围还必须包含单片机的启动程序。的启动程序。武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展 （3 3）程序存储器扩展方法。）程序存储器扩展方法。其他接口扩展芯片与程

12、序存储其他接口扩展芯片与程序存储器共用地址总线、数据总线和部分控制总线。其中控制器共用地址总线、数据总线和部分控制总线。其中控制总线有总线有ALEALE低低8 8位地址信号锁存控制、位地址信号锁存控制、PSENPSEN外部程序存储外部程序存储器读控制。器读控制。EPROMEPROM程序存储器扩展电路如图程序存储器扩展电路如图5.35.3所示。图所示。图5.3(a)5.3(a)中系统只扩展一片中系统只扩展一片EPROMEPROM，可将，可将EPROMEPROM的片选端直的片选端直接接地；图接接地；图5.3(b)5.3(b)中的系统扩展了两片中的系统扩展了两片EPROMEPROM，若，若P2P2.

13、i.i等等于于0 0，就选择了，就选择了EPROM(1)EPROM(1)，若，若P2.P2.i i等于等于1 1，就选择了，就选择了EPROM(2)EPROM(2)。 （4 4）常用程序存储器芯片。）常用程序存储器芯片。程序存储器芯片最常见的是程序存储器芯片最常见的是IntelIntel公司的典型系统芯片公司的典型系统芯片 27162716（2K 2K 8 8）, 2732, 2732（4K 4K 8 8）, 2764, 2764（8K 8K 8 8）, 27128, 27128（16K 16K 8 8）, , 2725627256（32K 32K 8 8）和）和2751227512（64K

14、64K 8 8）等。近年来大）等。近年来大容量容量EPROMEPROM芯片不断涌现，芯片不断涌现，27642764以上的大容量芯片在单片以上的大容量芯片在单片机应用系统程序存储器扩展中得到越来越广泛的使用。机应用系统程序存储器扩展中得到越来越广泛的使用。武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展图5.3 EPROM程序存储器扩展电路 图图5.3 EPROM5.3 EPROM程序存储器扩展电路程序存储器扩展电路武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展v 2 2数据存储器扩展数据存储器扩展v 在单片机系统扩展

15、中，最常见的数据存储器扩展是静态随机存取存在单片机系统扩展中，最常见的数据存储器扩展是静态随机存取存储器储器SRAMSRAM的扩展，在扩展时应注意以下几个方面的问题：的扩展，在扩展时应注意以下几个方面的问题：v （1 1）存储器地址空间。）存储器地址空间。在在MCS-51MCS-51系列单片机中，任何扩展的数据存系列单片机中，任何扩展的数据存储器、储器、I/OI/O口及外围设备的地址都不能相互重叠，但可以和程序存储口及外围设备的地址都不能相互重叠，但可以和程序存储器地址重叠。因为数据存储器与器地址重叠。因为数据存储器与I/OI/O口是统一编址的，共用口是统一编址的，共用0000 H0000 H

16、FFFF HFFFF H间的间的64K64K地址空间。地址空间。v （2 2）数据存储器读写控制。）数据存储器读写控制。数据存储器与数据存储器与I/OI/O口的读口的读/ /写控制可以通写控制可以通过过RDRD和和WRWR指令，地址总线和数据总线则与程序存储器共用。指令，地址总线和数据总线则与程序存储器共用。v （3 3）数据存储器扩展方法。）数据存储器扩展方法。图图5.45.4所示的是数据存储器扩展电路。所示的是数据存储器扩展电路。除了在读写控制上使用不同信号和不同指令外，数据存储器扩展方除了在读写控制上使用不同信号和不同指令外，数据存储器扩展方法与程序存储器扩展方法是一样的。法与程序存储器

17、扩展方法是一样的。v （4 4）常用数据存储器芯片。）常用数据存储器芯片。目前常用数据存储器芯片有目前常用数据存储器芯片有SRAM 6116SRAM 6116（2K2K8 8）, 6264, 6264（8K8K8 8）和）和6225662256（32K32K8 8）等。另外，电可擦除）等。另外，电可擦除只读存储器、只读存储器、E2PROM 2816E2PROM 2816（2K2K8 8）和）和E2PROM2864E2PROM2864（8K8K8 8）等也可）等也可作为数据存储器使用。作为数据存储器使用。武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展 图图

18、5.4 RAM5.4 RAM数据存储器扩展电路数据存储器扩展电路武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展v 3 3输入输入/ /输出（输出（I/OI/O）口扩展）口扩展v 大部分单片机应用系统设计中都不可避免地要进行大部分单片机应用系统设计中都不可避免地要进行I/OI/O口口扩展。因为单片机本身能提供的有限的扩展。因为单片机本身能提供的有限的I/OI/O口中的许多都口中的许多都有复用功能，当这些口被复用功能占用后，留给用户系有复用功能，当这些口被复用功能占用后，留给用户系统的统的I/OI/O口就不多了。在进行口就不多了。在进行I/OI/O口扩展时，

19、应注意以下口扩展时，应注意以下几个方面的问题：几个方面的问题：v （1 1）I/OI/O口寻址空间。口寻址空间。在在MCS-51MCS-51系列单片机应用系统中，系列单片机应用系统中，扩展的扩展的I/OI/O口与数据存储器占用统一编址的口与数据存储器占用统一编址的64K64K存储空间，存储空间，而与外部程序存储器空间无关。指令上扩展而与外部程序存储器空间无关。指令上扩展I/OI/O口具有与口具有与数据存储器相同的寻址方式，且地址总线、数据总线与数据存储器相同的寻址方式，且地址总线、数据总线与控制总线的连线也与数据存储器相同。控制总线的连线也与数据存储器相同。v （2 2）单片机提供的）单片机提

20、供的I/OI/O口。口。当单片机本身的当单片机本身的I/OI/O口在复用口在复用功能未被使用时，这些口可当作普通的功能未被使用时，这些口可当作普通的I/OI/O口使用。口使用。武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展 图图5.55.5所示的是用所示的是用TTLTTL芯片扩展的简单芯片扩展的简单I/OI/O口电路。图口电路。图5.5(5.5(a a) )中中通过锁存器通过锁存器74LS27374LS273扩展扩展8 8位并行输出口。在通过数据总线扩展输位并行输出口。在通过数据总线扩展输出口时，锁存器被视为一个外部出口时，锁存器被视为一个外部RAMRA

21、M单元，输出控制信号为单元，输出控制信号为WRWR，使，使用用MOVX DPTR, AMOVX DPTR, A指令。当单片机向锁存器输出数据时，地址信号指令。当单片机向锁存器输出数据时，地址信号P2.7P2.7和写信号和写信号WRWR同时有效，使或门输出低电平接入锁存器同时有效，使或门输出低电平接入锁存器CLKCLK端。端。当当WRWR由低变高时，锁存器由低变高时，锁存器CLKCLK端的信号上升沿将数据总线上的数据端的信号上升沿将数据总线上的数据锁存到输出端，完成输出操作。图锁存到输出端，完成输出操作。图5.5(b)5.5(b)所示为用三态门所示为用三态门74LS24574LS245通过数据总

22、线扩展的通过数据总线扩展的8 8位并行输入接口。三态门由位并行输入接口。三态门由P2.7P2.7和和RDRD进行或进行或控制，使用控制，使用MOVX DPTR, AMOVX DPTR, A指令。当单片机产生地址信号和指令。当单片机产生地址信号和RDRD信号，信号，经或门产生低电平信号时，控制三态门打开，输入信号便可经数经或门产生低电平信号时，控制三态门打开，输入信号便可经数据总线送入单片机内部。据总线送入单片机内部。 武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展 图图5.5 TTL5.5 TTL芯片扩展的简单芯片扩展的简单I/OI/O接口电路接口电路武

23、汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展 此外，还可以利用单片机的串行口和移位寄存器也可以实现此外，还可以利用单片机的串行口和移位寄存器也可以实现I/OI/O口的扩展。这种口的扩展。这种I/OI/O是通过串行口把串行数据转换为并行数据，或是是通过串行口把串行数据转换为并行数据，或是把并行数据转换为串行数据，此种扩展方法速度较慢，但所扩展的把并行数据转换为串行数据，此种扩展方法速度较慢，但所扩展的I/OI/O口不占用片外口不占用片外I/OI/O口地址。图口地址。图5.6(a)5.6(a)所示是利用移位寄存器所示是利用移位寄存器74LS16574LS16

24、5（并行输入串行输出）扩展的（并行输入串行输出）扩展的8 8位并行输入接口电路。单片位并行输入接口电路。单片机与机与74LS16574LS165的串行输出端相连的的串行输出端相连的RXDRXD作为串行输入端，与作为串行输入端，与74LS16574LS165的的时钟输入端相连的时钟输入端相连的TXDTXD端作为移位脉冲输出端，控制端作为移位脉冲输出端，控制74LS16574LS165数据输数据输出节拍。移位和置数过程通过单片机的一根出节拍。移位和置数过程通过单片机的一根I/OI/O线（如线（如P1.0P1.0）来控制。）来控制。图图5.6(b)5.6(b)所示是利用串行输入并行输出移位寄存器所示

25、是利用串行输入并行输出移位寄存器74LS16474LS164扩展的扩展的8 8位并行输出接口电路。单片机与位并行输出接口电路。单片机与74LS16474LS164的数据输入端相连的的数据输入端相连的RXDRXD和和TXDTXD分别作为串行数据输出端和移位脉冲输出端，普通分别作为串行数据输出端和移位脉冲输出端，普通I/OI/O口口P1.0P1.0用用于清除于清除74LS16474LS164的输出数据。的输出数据。武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展v 除了以上除了以上I/OI/O口的扩展方法外，口的扩展方法外，I/OI/O接口的扩展还可以接口的扩

26、展还可以通过专用接口芯片，例如可编程的并行通过专用接口芯片，例如可编程的并行I/OI/O接口芯片接口芯片82558255，图图5.75.7所示的就是通过所示的就是通过82558255进行进行I/OI/O扩展的电路。扩展的电路。v 8255 8255由并行由并行I/OI/O端口、数据总线驱动器、读端口、数据总线驱动器、读/ /写控制逻写控制逻辑和辑和A A组组, B, B组控制块四个逻辑结构组成。组控制块四个逻辑结构组成。82558255通过读、写通过读、写控制逻辑实现全部的工作状态。在单片机应用系统中，控制逻辑实现全部的工作状态。在单片机应用系统中，82558255的读写操作是通过单片机的地址

27、信号线的读写操作是通过单片机的地址信号线A0A0和和A1A1、数据、数据信号线信号线D0D0D7D7，及控制信号线，及控制信号线WR, RD, CSWR, RD, CS实现的。实现的。v 在使用可编程接口芯片时，除要有正确的硬件，软件在使用可编程接口芯片时，除要有正确的硬件，软件中应增加相应的初始化操作。这是因为，用可编程接口芯中应增加相应的初始化操作。这是因为，用可编程接口芯片扩展片扩展I/OI/O口可以通过软件灵活方便地选择接口的工作方式。口可以通过软件灵活方便地选择接口的工作方式。初始化工作主要是根据应用对芯片的工作方式进行相应的初始化工作主要是根据应用对芯片的工作方式进行相应的设定，使

28、各口线工作在输入或输出状态。设定，使各口线工作在输入或输出状态。武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展 图图5.6 5.6 利用串行口扩展利用串行口扩展I/OI/O接口电路接口电路武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展 图图5.7 5.7 可编程芯片扩展可编程芯片扩展I/OI/O接口电路接口电路武汉科技大学信息科学与工程学院5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展 在使用可编程接口芯片时，除要有正确的硬件，软件在使用可编程接口芯片时，除要有正确的硬件，软件中应增加相应的初始化操作。这

29、是因为，用可编程接口中应增加相应的初始化操作。这是因为，用可编程接口芯片扩展芯片扩展I/OI/O口可以通过软件灵活方便地选择接口的工作口可以通过软件灵活方便地选择接口的工作方式。初始化工作主要是根据应用对芯片的工作方式进方式。初始化工作主要是根据应用对芯片的工作方式进行相应的设定，使各口线工作在输入或输出状态。行相应的设定，使各口线工作在输入或输出状态。 （3 3）常用）常用I/OI/O口扩展芯片口扩展芯片 常用的常用的I/OI/O口扩展的口扩展的TTLTTL芯片有三态门（芯片有三态门（74LS241, 74LS241, 74LS244, 74LS24574LS244, 74LS245）、锁存

30、器（）、锁存器（74LS273, 74LS273, 74LS273, 74LS273, 74LS37474LS374）、串行输入）、串行输入/ /并行输出移位寄存器（并行输出移位寄存器（74LS164, 74LS164, 74LS59574LS595）、并行输入）、并行输入/ /串行输出寄存器（串行输出寄存器（74LS165, 74LS165, 74LS16674LS166）和可编程）和可编程I/OI/O接口芯片（接口芯片（8255, 81558255, 8155）等。）等。武汉科技大学信息科学与工程学院 5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展v 4 4其他外围芯片扩展其他外

31、围芯片扩展v 在单片机应用系统中，除了程序存储器、数据存储器及在单片机应用系统中，除了程序存储器、数据存储器及I/OI/O口这些系统主要部件外，还有一些满足系统应用的十口这些系统主要部件外，还有一些满足系统应用的十分有用的外围芯片，如中断系统、定时分有用的外围芯片，如中断系统、定时/ /计数器、键盘、计数器、键盘、显示控制器及串行通信控制器等。这些外围芯片内部大显示控制器及串行通信控制器等。这些外围芯片内部大都设有与微处理器芯片的接口电路，接口电路主要由控都设有与微处理器芯片的接口电路，接口电路主要由控制命令逻辑电路、状态存储器与设置电路、数据存储与制命令逻辑电路、状态存储器与设置电路、数据存

32、储与缓冲电路三部分组成，用来实现单片机信号与外围芯片缓冲电路三部分组成，用来实现单片机信号与外围芯片内部信号的转换工作。内部信号的转换工作。v 由于大部分外围芯片能与微处理器芯片直接相连，因此由于大部分外围芯片能与微处理器芯片直接相连，因此在单片机应用系统中扩展，接口电路比较简单。图在单片机应用系统中扩展，接口电路比较简单。图5.85.8所所示为外围芯片与微处理器芯片连接的典型电路，中央处示为外围芯片与微处理器芯片连接的典型电路，中央处理器理器CPUCPU与外围芯片连接的信号主要是总线信号，包括地与外围芯片连接的信号主要是总线信号，包括地址信号、数据信号、读写控制信号、定时信号、中断信址信号、

33、数据信号、读写控制信号、定时信号、中断信号和复位信号等。号和复位信号等。武汉科技大学信息科学与工程学院 5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展 图图5.8 5.8 一般外围芯片扩展电路一般外围芯片扩展电路武汉科技大学信息科学与工程学院 5.2.2 5.2.2 单片机系统的扩展单片机系统的扩展v 此外，有些外围芯片（接口芯片）专门用来控制微处理此外，有些外围芯片（接口芯片）专门用来控制微处理器芯片与外围设备的连接，它们与外围设备连接的信号器芯片与外围设备的连接，它们与外围设备连接的信号主要是输入主要是输入/ /输出控制信号和数据信号。不同的控制方式输出控制信号和数据信号。不同的

34、控制方式下，接口信号的复杂程度也不同。由于中断接口与下，接口信号的复杂程度也不同。由于中断接口与DMADMA接接口的控制信号更为复杂，因此通常要由接口芯片提供专口的控制信号更为复杂，因此通常要由接口芯片提供专用控制信号才能完成数据传输。用控制信号才能完成数据传输。v 在单片机应用系统中用到的外围芯片较常见的有：可编在单片机应用系统中用到的外围芯片较常见的有：可编程控制器程控制器82598259，可编程直接存储器存取控制器（，可编程直接存储器存取控制器（DMADMA）8237, 82578237, 8257；可编程；可编程CRTCRT控制器控制器8275, 8276, MC6845, 8275,

35、 8276, MC6845, MC6847MC6847，可编程键盘、显示接口，可编程键盘、显示接口82798279；可编程通信接口；可编程通信接口8250, 82518250, 8251；可编程定时器；可编程定时器8253, 82548253, 8254；点阵式打印机；点阵式打印机控制器控制器82958295；A/DA/D和和D/AD/A转换芯片等。转换芯片等。武汉科技大学信息科学与工程学院5.3 Freescale HCS125.3 Freescale HCS12单片机单片机1 5.3.1 5.3.1 Freescale HCS12单片机单片机 系列简介系列简介2 5.3.2 5.3.2 F

36、 r e e s c a l e HCS12单片机单片机 最小系统最小系统武汉科技大学信息科学与工程学院 5.3.1 Freescale HCS12 5.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介单片机系列简介 Freescale HCS12 Freescale HCS12微控制器系列产品是飞思卡尔公司于微控制器系列产品是飞思卡尔公司于20022002年在年在68HC1268HC12微控制器的基础上升级开发出来的。它微控制器的基础上升级开发出来的。它是基于是基于1616位位CPUCPU的控制器，其前身是的控制器，其前身是8 8位的位的68HC1168HC11微控制微控制器。器。v H

37、CS12HCS12系列产品的工作电压为系列产品的工作电压为5 V5 V，时钟频率最高为，时钟频率最高为25 25 MHzMHz。该系列产品微控制器的结构及特点如下：。该系列产品微控制器的结构及特点如下：v （1 1）HCS12HCS12的核心的核心v 1616位位HCS12CPUHCS12CPU：2020位位ALUALU，指令队列，增强型索引寻，指令队列，增强型索引寻址；址；v 多种外部总线接口（多种外部总线接口（MEBIMEBI）；）；v 模块映射控制机制（模块映射控制机制（MMCMMC）；）；v 中断控制（中断控制（INTINT）；）；武汉科技大学信息科学与工程学院 5.3.1 Frees

38、cale HCS12 5.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介单片机系列简介v 断点（断点（BKPBKP）；）；v 背景调试模块（背景调试模块（BDMBDM）。）。v （2 2）CRGCRG时钟和复位发生器时钟和复位发生器v 锁相环（锁相环（PLLPLL）；）；v 看门狗（看门狗（COP WATCHDOGCOP WATCHDOG）；）；v 实时中断（实时中断（RTIRTI）；）；v 时钟监视器（时钟监视器（CMCM）。）。v （3 3）带中断功能的）带中断功能的8 8位和位和4 4位端口位端口v 可编程的上升沿或下降沿触发。可编程的上升沿或下降沿触发。武汉科技大学信息科学与工程

39、学院5.3.1 Freescale HCS125.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介单片机系列简介v （4 4）存储器）存储器v HCS12HCS12存储器有内部寄存器、存储器有内部寄存器、RAMRAM、EEPROMEEPROM和和FLASH/ROMFLASH/ROM。每个存储单元对应一个地址，共有每个存储单元对应一个地址，共有64K64K个地址，用个地址，用4 4位十位十六进制数表示（六进制数表示（0000HFFFFH0000HFFFFH）。存储器中每个存储单元）。存储器中每个存储单元可存放一个可存放一个8 8位二进制信息，这就是存储器存储单元内的位二进制信息，这就是存储器

40、存储单元内的内容。不同的存储器占用不同的存储空间。内容。不同的存储器占用不同的存储空间。v （5 5）2 2个个8 8通道通道A/DA/D转换器转换器v HCS12HCS12内置了内置了2 2个个1010位位/8/8位的位的A/DA/D模块：模块：ATD0ATD0和和ATD1ATD1。HCS12HCS12的的ATDATD是逐次逼近型是逐次逼近型A/DA/D转换器，它内置多路器，精转换器，它内置多路器，精度为度为2LSB2LSB，无需外部采样保持电路。，无需外部采样保持电路。HCS12ATDHCS12ATD在寄存器在寄存器区内共有区内共有2828个寄存器，其中个寄存器，其中3 3个仅用于个仅用于

41、HCS12HCS12生产线的内生产线的内部调试。部调试。HCS12ATDHCS12ATD的最高转换频率约为的最高转换频率约为2 MHz2 MHz，ATDATD模块模块的特点如下：的特点如下：武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.1 Freescale HCS125.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介单片机系列简介v 8 8位位/10/10位精度可选择；位精度可选择；v 8 8位数字量转换时间仅需位数字量转换时间仅需6 s6 s，1010位数字量转换时间位数字量转换时间仅需仅需7 s7 s；v 具有采样缓冲器和放大器；具有采样缓冲器和放大器；v 可编程采样时间；可编程采样时间；

42、v 数据可选择左数据可选择左/ /右对齐方式和无符号右对齐方式和无符号/ /有符号数据方式；有符号数据方式；v 转换结束标志和转换结束中断；转换结束标志和转换结束中断；v 外部触发控制；外部触发控制；v 模拟输入的模拟输入的8 8个通道为复用方式，采用多通道扫描方个通道为复用方式，采用多通道扫描方式；式；v 模拟模拟/ /数字输入引脚复用；数字输入引脚复用；v 可选择单次转换模式或连续转换模式。可选择单次转换模式或连续转换模式。武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.1 Freescale HCS125.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介单片机系列简介v （6 6）3 3个个1

43、 Mb/s1 Mb/s的的CANCAN总线模块，兼容总线模块，兼容CAN2.0 A/BCAN2.0 A/Bv 5 5个接收缓冲器，个接收缓冲器，3 3个发送缓冲器；个发送缓冲器；v 4 4个独立的中断通道（发送中断、接收中断、错误中个独立的中断通道（发送中断、接收中断、错误中断和唤醒中断）；断和唤醒中断）；v 低通滤波器唤醒功能。低通滤波器唤醒功能。v （7 7）增强型捕捉定时器（）增强型捕捉定时器（ECTECT）v ECTECT功能相当于高速的功能相当于高速的I/OI/O口，由一个口，由一个1616位自由运行计数位自由运行计数器、器、8 8个个1616位的输入捕捉位的输入捕捉/ /输出比较通

44、道、一个输出比较通道、一个1616位脉冲位脉冲累加器以及一个累加器以及一个1616位模数递减计数器（位模数递减计数器（MDCMDC）组成。）组成。HCS12 ECTHCS12 ECT有以下特点：有以下特点：v 4 4个具有个具有1616位缓冲寄存器的输入捕捉通道；位缓冲寄存器的输入捕捉通道；v 4 4个个8 8位脉冲累加器可以通过级联形成位脉冲累加器可以通过级联形成2 2个个1616位的脉冲位的脉冲累加器；累加器； 武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.1 Freescale HCS125.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介单片机系列简介v 1 1个具有个具有4 4位预分频的

45、位预分频的1616位递减模位递减模/ /数计数器；数计数器；v 4 4个可选的延迟计数器用来增强输入抗干扰能力。个可选的延迟计数器用来增强输入抗干扰能力。v （8 8）8 8个个PWMPWM通道通道v 每个通道的周期和占空比由程序决定；每个通道的周期和占空比由程序决定；v 8 8个个8 8通道或通道或1616个个4 4通道；通道；v 各通道独立控制；各通道独立控制；v 脉冲在周期内中心对称或左对齐输出；脉冲在周期内中心对称或左对齐输出；v 可编程时钟选择逻辑；可编程时钟选择逻辑；v 紧急事件关断输入；紧急事件关断输入；v 可作为中断输入。可作为中断输入。 武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.

46、1 Freescale HCS125.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介单片机系列简介v （9 9）串行口）串行口v 2 2个异步串行通信接口（个异步串行通信接口（SCISCI）v SCISCI是一种采用标准的不归零数据是一种采用标准的不归零数据NRZNRZ格式的异步串行通格式的异步串行通信接口，它内置独立的波特率产生电路和信接口，它内置独立的波特率产生电路和SCISCI收发器，可收发器，可以选择以选择8 8或或9 9个数据位（其中个数据位（其中9 9位数据格式的第位数据格式的第9 9位可由位可由SCISCI控制寄存器的控制寄存器的M M位指定位奇或偶校验位）。发送和接收的位

47、指定位奇或偶校验位）。发送和接收的奇偶校验位可以选择是否由硬件生成。奇偶校验位可以选择是否由硬件生成。SCISCI的特点是：双的特点是：双线串行接口，标准线串行接口，标准NRZNRZ格式，硬件自动生成奇偶标志，全格式，硬件自动生成奇偶标志，全双工操作，独立波特率产生逻辑，独立的发送器和接收双工操作，独立波特率产生逻辑，独立的发送器和接收器允许控制位，通信中采用中断驱动机制，具有回送方器允许控制位，通信中采用中断驱动机制，具有回送方式，可以监视发送器的输出，实现通信过程的自诊断。式，可以监视发送器的输出，实现通信过程的自诊断。武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.1 Freescale HCS1

48、25.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介单片机系列简介v 2 2个同步串行设备接口（个同步串行设备接口（SPISPI）v SPISPI系统的时钟源是总线时钟，可以通过设置系统的时钟源是总线时钟，可以通过设置SPISPI波特率波特率寄存器来选择分频系数。寄存器来选择分频系数。HCS12 SPIHCS12 SPI的核心是一个的核心是一个8 8位移位移位寄存器，数据传输时，在时钟信号位寄存器，数据传输时，在时钟信号SCKSCK的控制下，数据的控制下，数据寄存器的数据从寄存器的数据从8 8位移位寄存器移出或移入。位移位寄存器移出或移入。SPISPI数据寄数据寄存器有存器有SPISPI

49、控制寄存器控制寄存器 1 1（SPICR1SPICR1）和）和SPISPI控制控制器器2 2（SPICR2SPICR2）设置。）设置。SPISPI状态寄存器可以通过设置改变状态寄存器可以通过设置改变SPISPI的工作状态。当的工作状态。当SPISPI系统使能时，系统使能时，PORTSPORTS端口的端口的PS7PS7PS4PS4四个引脚将分别为四个引脚将分别为SPISPI的的MISO,MISO,v MOSI, SCK, MOSI, SCK, 引脚。引脚。SPISPI有三种工作模式：主机模式、从有三种工作模式：主机模式、从机模式和双工模式。机模式和双工模式。武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.

50、1 Freescale HCS125.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介单片机系列简介v （1010）总线）总线v 兼容总线标准；兼容总线标准；v 多组总线模块。多组总线模块。v （1111）LQFP-112LQFP-112和和QFP-80QFP-80封装选择封装选择v 5 V5 V输入和带驱动能力输入和带驱动能力I/OI/O；v 5 V A/D5 V A/D转换器输入；转换器输入；v 50 MHz50 MHz系统频率；系统频率；v 单线背景调试模块；单线背景调试模块；v 片上硬件断点。片上硬件断点。武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.2 5.3.2 MC9S12DG128

51、MC9S12DG128最小系统设计最小系统设计v MC9S12DG128MC9S12DG128芯片是全国智能汽车竞赛组委会指定各参赛队使芯片是全国智能汽车竞赛组委会指定各参赛队使用的用的Freescale HCS12Freescale HCS12系列中的一款芯片，本节介绍以系列中的一款芯片，本节介绍以MC9S12DG128MC9S12DG128芯片为核心的最小系统的组成，如图芯片为核心的最小系统的组成，如图5.95.9所示。该所示。该最小系统主要包括以下几个部分：时钟电路、串口电路、最小系统主要包括以下几个部分：时钟电路、串口电路、BDMBDM接口、供电电路、复位电路和调试用接口、供电电路、复

52、位电路和调试用LEDLED灯。各个部分的功能灯。各个部分的功能分别如下：分别如下：v （1 1）时钟电路为单片机提供一个外接的）时钟电路为单片机提供一个外接的16 Hz16 Hz的石英晶振。的石英晶振。v （2 2）串口的）串口的RS-232RS-232驱动电路可实现驱动电路可实现TTLTTL电平与电平与RS-232RS-232之间的转之间的转换。换。v （3 3）BDMBDM接口允许用户通过该接口向单片机下载和调试程序。接口允许用户通过该接口向单片机下载和调试程序。v （4 4）供电电路主要是给单片机提供）供电电路主要是给单片机提供+5 V+5 V的电源。的电源。v （5 5）复位电路是通过

53、一个复位芯片给单片机一个复位信号。）复位电路是通过一个复位芯片给单片机一个复位信号。v （6 6）调试用）调试用LEDLED灯和单片机的灯和单片机的PORTBPORTB口相连，供程序调试使用。口相连，供程序调试使用。武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.2 5.3.2 MC9S12DG128MC9S12DG128最小系统设计最小系统设计v 1 1时钟电路时钟电路v 时钟电路是单片机系统可靠运行的关键之一。如果时钟时钟电路是单片机系统可靠运行的关键之一。如果时钟电路在设计上存在问题，会造成时钟电路不稳定，且时电路在设计上存在问题，会造成时钟电路不稳定，且时钟电路的高频噪声会引起系统的兼容性下降，

54、会成为系钟电路的高频噪声会引起系统的兼容性下降，会成为系统永久的隐患。这种不稳定因素带来的不可靠性会给整统永久的隐患。这种不稳定因素带来的不可靠性会给整个系统的调试工作带来极大的困难，设计人员一般很难个系统的调试工作带来极大的困难，设计人员一般很难发现会是由于时钟电路设计不合理或辅助元器件参数有发现会是由于时钟电路设计不合理或辅助元器件参数有问题造成的。因此，时钟电路的设计需要引起初学者的问题造成的。因此，时钟电路的设计需要引起初学者的重视，在辅助元器件参数的选择、印刷电路板的布线等重视，在辅助元器件参数的选择、印刷电路板的布线等方面需要给予很大程度的重视。方面需要给予很大程度的重视。v 对于

55、初学者，在设计时钟电路时，可以首先使用有源振对于初学者，在设计时钟电路时，可以首先使用有源振荡器作为外部时钟，并且振荡器的频率不必太高，积累荡器作为外部时钟，并且振荡器的频率不必太高，积累足够的经验后再使用频率更高的晶振。若使用无源石英足够的经验后再使用频率更高的晶振。若使用无源石英晶振时，也可以不使用内部锁相环倍频电路。晶振时，也可以不使用内部锁相环倍频电路。武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.2 5.3.2 MC9S12DG128MC9S12DG128最小系统设计最小系统设计武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.2 5.3.2 MC9S12DG128MC9S12DG128最小系统设计最小

56、系统设计 标准的标准的MC9S12DG128MC9S12DG128单片机的时钟电路，通过把一个单片机的时钟电路，通过把一个16 MHz16 MHz的外的外部晶振接到单片机的外部晶振输入接口部晶振接到单片机的外部晶振输入接口EXTALEXTAL和和XTALXTAL上，然后利用上，然后利用MC9S12DG128MC9S12DG128内部的压控振荡器（内部的压控振荡器（VCOVCO）和锁相环（）和锁相环（PLLPLL）把这个频率）把这个频率提高到提高到25 MHz25 MHz，使之作为单片机工作的内部总线时钟。值得注意的，使之作为单片机工作的内部总线时钟。值得注意的是，是，MC9S12DG128MC

57、9S12DG128单片机的外时钟电路既可以使用串联振荡电路，也单片机的外时钟电路既可以使用串联振荡电路，也可以使用并联振荡电路。使用串联振荡电路时，可以使用并联振荡电路。使用串联振荡电路时，XCLKSXCLKS引脚即引脚即PE7PE7引引脚要拉低，而使用并联振荡电路或外部有源振荡器时，该引脚要拉脚要拉低，而使用并联振荡电路或外部有源振荡器时，该引脚要拉高。因此，在最小系统的设计中，通常会设计一处跳线，方便选择高。因此，在最小系统的设计中，通常会设计一处跳线，方便选择外部有源振荡器还是串联振荡电路。图外部有源振荡器还是串联振荡电路。图5.105.10所示是最小系统外接无所示是最小系统外接无源晶振

58、的接口电路。若直接使用有源振荡器，则可以接一个源晶振的接口电路。若直接使用有源振荡器，则可以接一个16 MHz16 MHz的外部有源晶体振荡器，经单片机内部分频后得到一个的外部有源晶体振荡器，经单片机内部分频后得到一个8 MHz8 MHz的总线的总线时钟。由于时钟。由于EXTALEXTAL的输入电压为的输入电压为2.5 V2.5 V，故有源晶体振荡器输出的时，故有源晶体振荡器输出的时钟信号必须经分压后才可以和钟信号必须经分压后才可以和EXTALEXTAL连接。连接。武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.2 5.3.2 MC9S12DG128MC9S12DG128最小系统设计最小系统设计 图图5

59、.10 5.10 最小系统外接无源晶振的接口电路最小系统外接无源晶振的接口电路 武汉科技大学信息科学与工程学院5.3.2 5.3.2 MC9S12DG128MC9S12DG128最小系统设计最小系统设计 对于锁相环模块，需要加上一个如图对于锁相环模块，需要加上一个如图5.115.11所示的滤波器电路。所示的滤波器电路。其中，其中，VDDPLLVDDPLL引脚由单片机内部提供引脚由单片机内部提供2.5 V2.5 V电压，电压，XFCXFC端是压控振荡端是压控振荡器（器（VCOVCO）的电压控制端，通过给锁相环电路编程，以数字方式锁定）的电压控制端，通过给锁相环电路编程，以数字方式锁定VCOVCO

60、的控制端电。而的控制端电。而Cs, CpCs, Cp和和RsRs的取值与晶振、的取值与晶振、REFDVREFDV寄存器和寄存器和SYNRSYNR寄存器有关，需要通过计算得出，若其参数选择不当，会使得寄存器有关，需要通过计算得出，若其参数选择不当，会使得VCOVCO的的控制端电压抖动，导致系统工作不正常。控制端电压抖动，导致系统工作不正常。 图图5.11 5.11 锁相环滤波电路锁相环滤波电路 武汉科技大学信息科学与工程学院 5.3.2 5.3.2 MC9S12DG128MC9S12DG128最小系统设计最小系统设计v 时钟电路的振荡器一方面为单片机系统提供时钟，时钟电路的振荡器一方面为单片机系