第1章51单片机

1、徐徐淑淑华华第第1章章 微型机的基本知识微型机的基本知识第第2章章 MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构第第3章章 MCS-51指令系统指令系统第第4章章 汇编语言程序设计汇编语言程序设计第第5章章 存储器系统设计存储器系统设计第第6章章 MCS-51定时定时/计数器、串行口及中断系统计数器、串行口及中断系统 下页下页上页上页第第7章章 I/O接口扩展设计及应用接口扩展设计及应用第第8章章 数数/模、模模、模/数转换器接口数转换器接口第第1章章 微型机的基本知识微型机的基本知识下页下页回目录回目录上页上页1.1 微处理器、微型机和单片机的概念微处理器、微型机和单片机的概念 1.2 微型机模

2、型的组成微型机模型的组成上页上页下页下页回目录回目录1.3 微机系统微机系统1.4 单片微型计算机单片微型计算机单片机单片机 = CPU + M + I/O1.1 1.1 微处理器、微型机和单片机的概念微处理器、微型机和单片机的概念 1微处理器微处理器 2微型机微型机 3微机系统微机系统 上页上页下页下页回目录回目录外部设备外部设备地址总线地址总线 AB图图1-1 1-1 微型计算机组成微型计算机组成DB数据总线数据总线 CPU微处理器微处理器 M存储器存储器I/O 接口电路接口电路 控制总线控制总线CBCentral Processing UnitMicroprocessorMicrocom

3、puterMicrocomputer System4. 单片机单片机Singel Chip MicrocomputerOne Chip MicrocomputerMicrocontrollerElectronic Control Unit（ECU）1.2 1.2 微型机模型的组成微型机模型的组成上页上页下页下页回目录回目录P5 一、CPU的内部结构的内部结构 运算器由运算器由 算术逻辑单元算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit） 累加器累加器A（Accumulator） 标志寄存器标志寄存器F（Flag) 寄存器组寄存器组 R（Registers） 相互之间通过内部总线

4、连接而成。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它的主要作用是进行数据处理处理与与加工加工 1. 1. 运算器运算器上页上页下页下页回目录回目录见见 P5 图图1-2 CU（Control Unit）由由 程序计数器程序计数器PC（Program Counter） 指令寄存器指令寄存器IR（Instruction Register） 指令译码器指令译码器ID（Instruction Decoder） 操作控制部件或称为组合逻辑阵列操作控制部件或称为组合逻辑阵列 PLA（ Programmed Logic Array） 时序发生器（图时序发生器（图1-2中略）等电路组成中略）等电路

5、组成 2. 控制器控制器 控制器的主要作用有：控制器的主要作用有： 解题程序与原始数据的输入解题程序与原始数据的输入 从内存中取出指令并译码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控制运算器对数据信息进行传送与加工 运算结果的输出运算结果的输出 外部设备与主机之间的信息交换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计算机系统中随机事件的自动处理等 上页上页下页下页回目录回目录见见 P5 图图1-2“+1”计数计数3. . CPU中的主要寄存器中的主要寄存器 上页上页下页下页（1）累加器）累加器 A（2）数据寄存器）数据寄存器 DR（Data Registe

6、r）（3）寄存器组）寄存器组 R（4）指令寄存器）指令寄存器 IR、指令译码器、指令译码器 ID操作控制部件操作控制部件 PLA （5）程序计数器）程序计数器 PC（6）地址寄存器）地址寄存器 AR（Address Register） 回目录回目录* 4. . 标志寄存器标志寄存器F 标志寄存器标志寄存器 F 也称程序状态字也称程序状态字 PSW（Program State Word），是用来存放，是用来存放ALU运算结果的各种特征状态的，运算结果的各种特征状态的，如运算有无进（借如运算有无进（借）位、有无溢出、结果是否为零等）位、有无溢出、结果是否为零等 5. . 堆栈与堆栈指示器堆栈与堆栈

7、指示器SP（Stack Pointer） （1）按照先进后出按照先进后出FILO（First In Last Out） 顺序向堆栈读顺序向堆栈读/写数据；写数据；（2） SP始终指向栈顶；始终指向栈顶；（3）堆栈的两种操作压入（）堆栈的两种操作压入（PUSH） 和弹出（和弹出（POP） 它有三个主要特点：它有三个主要特点：上页上页下页下页回目录回目录二、二、存储器存储器M（Memory） 存储器存储器 RAM基本结构一般由四个部分组成：基本结构一般由四个部分组成： 存储矩阵、地址译码器存储矩阵、地址译码器 读写控制电路、三态双向缓冲器读写控制电路、三态双向缓冲器。 上页上页下页下页回目录回目录

8、自自CPU来来的的 CB来自来自CPU的地址的地址 AB往返于往返于CPU的的 DB地地址址译译码码器器控制控制00H01H02H03H .FEHFFH2568存储矩阵存储矩阵三三态态双双向向缓缓冲冲器器地地址址译译码码器器地地址址译译码码器器02H02H“读读”三三态态双双向向缓缓冲冲器器02H按地址访问的一维线性空间按地址访问的一维线性空间 三、I/O接口和外设接口和外设 四、模型机的工作过程四、模型机的工作过程 1. 1. 指令和指令系统指令和指令系统（1 1）指令的格式）指令的格式输入操作输入操作“读读”操作操作输出操作输出操作“写写”操作操作操作码操作码操作数或操作数或地址地址上页上

9、页下页下页回目录回目录*程序的存储与执行程序的存储与执行程序程序PCPCPCPCPCPC指令指令1指令指令2指令指令3指令指令nM指令地址指令地址 “+1”（2 2）指令的执行过程）指令的执行过程 指令执行的两个阶段，指令执行的两个阶段，取指阶段取指阶段与与执指阶段执指阶段 上页上页下页下页回目录回目录一个一个CPU周期周期一个一个CPU周期周期一个一个CPU周期周期一个指令周期一个指令周期下一个指令周下一个指令周a) 取指阶段取指阶段b) 执指阶段执指阶段开始开始取指令取指令PC + 1操作操作译码译码取操作取操作数地址数地址PC+1地址地址译码译码取操取操作数作数执行执行操作操作取下条取下

10、条指令指令PC+ 1以直接寻址的指令为例以直接寻址的指令为例开始开始取指令取指令PC + 1操作操作译码译码取操作取操作数地址数地址PC+1地址地址译码译码取操取操作数作数执行执行操作操作取下条取下条指令指令PC+ 1操作码操作码操作数操作数地址地址 2. . 程序的执行过程程序的执行过程 表表1-1 “1-1 “15H+30H”程序执行过程程序执行过程上页上页下页下页回目录回目录 注注 释释 地地 址址00H01H02H03H04H05H06H 内内 容容0111 01000001 01010010 01000011 00001000 00001111 1110 助助 记记 符符 MOV A

11、，#15H ADD A，#30H SJMP $ 取数指令，第一字节是操作码取数指令，第一字节是操作码第二字节就是指令的操作数第二字节就是指令的操作数加法指令，第一字节是操作码加法指令，第一字节是操作码第二字节也是指令的操作数第二字节也是指令的操作数两字节指令，两字节指令，执行原地踏步操作（暂停）执行原地踏步操作（暂停） PCPCPCPCPCPCPCPCPCPCPCP10 图图1-5， P11 图图1-6 演示了程序的操作过程演示了程序的操作过程1.3 1.3 微机系统微机系统微 处 理 器存 储 器I/O 接 口系 统 总 线微 机外 设 、 电 源 机 箱 等程 序 设 计 语 言 ： 机

12、器 语 言 汇 编 语 言 高 级 语 言系 统 软 件 ： 操 作 系 统 、 监 控 程 序 与 编 译 解 释 程 序 等应 用 软 件 ： 数 据 库 、 软 件 包 和 窗 口 软 件 等图 1-7 微 机 系 统 示 意 图微 机 系 统硬 件 系 统软 件 系 统上页上页下页下页回目录回目录P12一、微机硬件组成一、微机硬件组成上页上页下页下页回目录回目录CPU微处理器微处理器RAMI/OROM外设外设辅助电路辅助电路CBUSDBUSABUSCBUS ：控制总线：控制总线 ，不确定，不确定DBUS：数据总线，双向三态：数据总线，双向三态ABUS ：地址总线，单向三态：地址总线，单

13、向三态I/O三态数据缓冲器三态数据缓冲器RAM三态数据缓冲器三态数据缓冲器ROM三态数据缓冲器三态数据缓冲器E1E2E3111000CPUD0 D7数数据据总总线线单向缓冲器单向缓冲器双向缓冲器双向缓冲器双向缓冲器双向缓冲器. . 总线总线 在在CPU与与其它部件其它部件之间之间信息信息传送的传送的公共通道公共通道（1 1）数据总线）数据总线 “双向三态双向三态 ” ”（2 2）地址总线）地址总线 “单向三态单向三态 ” ”（3 3）控制总线）控制总线 视具体情况而定视具体情况而定 “多选一多选一”地址译码地址译码片选信号片选信号上页上页下页下页回目录回目录上页上页下页下页二、软件系统二、软件

14、系统 1. 1. 程序设计语言程序设计语言 （2 2）汇编语言）汇编语言 （3 3）高级语言）高级语言（1 1）机器语言）机器语言2. 2. 系统软件系统软件3. 3. 应用软件应用软件回目录回目录三、衡量计算机性能的主要技术指标三、衡量计算机性能的主要技术指标 1、字长、字长3、指令系统、指令系统2、存储容量、存储容量4、指令的执行时间、指令的执行时间5. 5. 外设扩展能力及配置外设扩展能力及配置上页上页下页下页回目录回目录 1.4 单片微型计算机单片微型计算机单片机单片机 Single Chip Microcomputer Microcontrollor Electronic Contr

15、ol Unit （ECU） 定义：定义：是将微机的是将微机的CPU、存储器、存储器M、I/O接口接口和总线制作在一块芯片上的超大规模和总线制作在一块芯片上的超大规模集成电路。集成电路。上页上页下页下页回目录回目录三维图形三维图形处理器处理器单片机分类单片机分类根据根据CPU 字长来划分字长来划分1位机位机4位位机机用于玩具、家用电器、计算器等用于玩具、家用电器、计算器等 8 位位机机16位位机机工业控制器、智能仪表、计算机工业控制器、智能仪表、计算机外设、通用测控单元、通讯设备外设、通用测控单元、通讯设备32位位机机高性能图形工作站、高级机器人等高性能图形工作站、高级机器人等上页上页下页下页回

16、目录回目录如：如：i808601.2亿次亿次/秒秒32位定点位定点64位浮点位浮点 1.4 .1 单片机的发展史单片机的发展史第一阶段（第一阶段（19741976）：）：单片机的初级阶段单片机的初级阶段例如：例如：8位单片机位单片机F8特点：特点：采用双片组成采用双片组成结构：结构：F8CPU64B RAM2个个I/O38511K ROM1个个T/C2个个I/O完整的完整的单片机单片机上页上页下页下页回目录回目录Random Access Memory Read Only Memory Timer /Counter 存放数据存放数据存放程序存放程序第二阶段（第二阶段（19761979）：）：低

17、性能单片机阶段低性能单片机阶段例如：例如：MCS 48 系列系列特点：特点：小而全小而全结构：结构：MCS 488位位CPURAMI/OROMT/C上页上页下页下页回目录回目录第三阶段（第三阶段（19791982）：）：高性能单片机阶段高性能单片机阶段例如：例如：MCS 51 系列系列特点：特点：系列化、功能强系列化、功能强结构：结构：MCS 518位位CPURAMI/OROMUARTINT上页上页下页下页回目录回目录UART Universal Asynchronous Receiver/TransmitterINT Interrupt System 通用异步收通用异步收/发器发器串行口串行

18、口T/C第四阶段（第四阶段（1982 ）：）： 16位、位、32位单片机阶段位单片机阶段例如：例如：MCS 96 系列系列特点：特点： 增加了内部资源、实时处理能力更强、增加了内部资源、实时处理能力更强、 除了具有除了具有16位位CPU和存储器和存储器外又增加了部分内部资源，如：外又增加了部分内部资源，如：MCS 9610位位A/D转换器转换器高速输入输出高速输入输出HSIO脉宽调制输出装置脉宽调制输出装置PWM8XC196增强型增强型之后又推出：之后又推出：上页上页下页下页回目录回目录MCS-51系列单片机已被国内用户广泛采用系列单片机已被国内用户广泛采用例如：例如：ATMEL公司的公司的A

19、T89系列系列Philips公司的公司的80C51系列系列ADI公司的公司的ADuC系列系列ADuC812:多通道多通道12位位A/D转换器转换器ADuC816:多通道多通道16位位A/D转换器转换器ADuC824:多通道多通道24位位A/D转换器转换器上页上页下页下页回目录回目录 1.4 .2 单片机的发展趋势单片机的发展趋势1、高档单片机性能不断提高、高档单片机性能不断提高速度：速度：是原来单片机的是原来单片机的515倍倍精度：精度：CPU字长增加，字长增加，16位、位、32位单片机问世位单片机问世指令系统丰富、效率高指令系统丰富、效率高 内部资源的增加内部资源的增加程序存储器：程序存储器

20、：ROM、EPROM、E2PROM或或FLASH达几十达几十KB CPU功能的增强功能的增强上页上页下页下页回目录回目录Erasalble Programmable ROMElectrically EPROM闪速存储器闪速存储器数据存储器：数据存储器：RAM达几达几KBI/O口：口：并口并口串口串口串行扩展口串行扩展口定时定时/计数器计数器（T/C）：）：定时输出定时输出捕捉输入捕捉输入监视器监视器WatchdogA/D转换器：转换器：8位、位、12位、位、16位、位、24位，多通道输入位，多通道输入脉宽调制输出脉宽调制输出PWM ，可代替，可代替D/A输出输出 寻址范围的增加寻址范围的增加上

21、页上页下页下页回目录回目录2、超小型、低功耗、价廉、超小型、低功耗、价廉3、微巨机单片化、微巨机单片化 如如: ATMEL公司的公司的 89C 1051 / 2051 20引脚，工作电压（引脚，工作电压（26V），电流仅几个），电流仅几个mA上页上页下页下页回目录回目录如：如：Microchip 公司的公司的PIC 16/17系列系列18引脚、引脚、20引脚、引脚、28引脚，有的仅引脚，有的仅5个引脚个引脚工作电压（工作电压（26V），电流仅），电流仅2个个mA时时 钟钟电电 路路 1.4 .3 单片机内部结构单片机内部结构CPUROM RAM串行串行I/O定时器定时器并行并行I/O中断中断系

22、统系统GNDVcc图图 1-13 单片机的内部结构单片机的内部结构上页上页下页下页回目录回目录内部总线内部总线1、中央处理器、中央处理器CPU2、存储器、存储器 数据存储器数据存储器RAM 容量：容量：64256B 构成：构成： 静态随机存储器静态随机存储器RAM 程序存储器程序存储器ROM 容量：容量： 164KB 构成：构成：ROM、EPROM、E2ROM或或FLASH3、I/O接口接口并行接口：用于外接输入输出设备并行接口：用于外接输入输出设备串行接口：可实现异步串行通信串行接口：可实现异步串行通信上页上页下页下页回目录回目录 1.4 .4 单片机应用系统单片机应用系统1、基本系统、基本

23、系统单单片片机机复位复位电路电路电源电源输入输入/输出输出设设 备备时时 钟钟电电 路路图图 1-14 单片机的基本系统结构图单片机的基本系统结构图上页上页下页下页回目录回目录辅助电路辅助电路控制对象控制对象最小系统最小系统2、扩展系统、扩展系统上页上页下页下页回目录回目录EPROM程序存储器程序存储器串行串行接口接口A/D单单片片机机复位复位电路电路时钟时钟电路电路电源电源RAM数据存储器数据存储器并行并行接口接口D/A外部扩展总线外部扩展总线单片机扩展系统结构图单片机扩展系统结构图 通过总线来扩展一些部件，以弥补单片机内部资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

24、应用系统的特殊需要。源的不足。这样可满足一些应用系统的特殊需要。 1.4 .5 单片机典型产品单片机典型产品8位单片机位单片机 MCS-48系列系列型号型号CPUROMRAMT/CI/O8035 8位位 无无 64B 1 158039 8位位 无无 128B 1 15 8位位 1KB EPROM874864B1278位位2KB EPROM8749128B127上页上页下页下页回目录回目录 MCS-51系列系列型号型号CPUROMRAMT/CI/O8031 8位位 无无 128B 2 328051 8位位 4KB ROM 128B 2 328位位4KB EPROM8751128B 2328位位

25、8KB ROM 8052 256B 332 与与MCS-48系列相比系列相比MCS-51系列在速度、内部资源、功能系列在速度、内部资源、功能等方面增强，且软件丰富，开发装置齐全。等方面增强，且软件丰富，开发装置齐全。特点：特点：上页上页下页下页回目录回目录8位位 8KB EPROM 8752 256B 332内内核核 Philips 51系列单片机系列单片机 ATMEL 51系列单片机系列单片机特点：用特点：用E2PROM代替代替ROM，价格低，编程方便，价格低，编程方便 ADuC系列单片机系列单片机特点：用特点：用FLASH代替代替ROM；用；用ADC进行数据采集；进行数据采集； 12位位D

26、AC两通道电压型输出进行控制，灵活两通道电压型输出进行控制，灵活 、快捷、方便、且、快捷、方便、且价廉价廉 特点：片内具有特点：片内具有I2C总线、总线、A/D等丰富的功能部件等丰富的功能部件上页上页下页下页回目录回目录 以上所述以上所述51增强型单片机，都是以增强型单片机，都是以8051/8031为内核，为内核，51基本型基本型增加一些功能部件构成的。增加一些功能部件构成的。 5151单片机的更新换代主要是通过不断地推出新的增强型单片机的更新换代主要是通过不断地推出新的增强型系列单片机完成的系列单片机完成的。 1.4 .6 单片机的应用单片机的应用1、单片机的应用特性、单片机的应用特性 体积

27、小体积小 可靠性高可靠性高 控制功能强控制功能强 使用方便使用方便 性能价格比高性能价格比高 (6)(6)开发应用快捷开发应用快捷上页上页下页下页回目录回目录2、单片机的应用、单片机的应用 智能仪表智能仪表 在机电一体化中的应用在机电一体化中的应用例：微机控制的铣床、车床、自动点（验）钞机例：微机控制的铣床、车床、自动点（验）钞机 在实时控制中的应用在实时控制中的应用例：测控系统对过程控制参数进行测量、控制例：测控系统对过程控制参数进行测量、控制 在分布式多机系统中的应用在分布式多机系统中的应用 家用电器家用电器例：全自动洗衣机、热水器、电子游戏机例：全自动洗衣机、热水器、电子游戏机上页上页回

28、目录回目录温度、压力、流量、速度温度、压力、流量、速度1.4.7 单片微机应用举例单片微机应用举例 * 在机电一体化中的应用（机械零件的制造）在机电一体化中的应用（机械零件的制造）可归纳为两个问题：可归纳为两个问题：尺寸尺寸形状形状长短、大小长短、大小直度、锥度、圆度直度、锥度、圆度圆柱度、椭圆度等圆柱度、椭圆度等超精密超精密 微米加工微米加工盲区盲区解决好上述两个问题，都离不开计算机解决好上述两个问题，都离不开计算机测量测量控制控制上页上页下页下页回目录回目录1 m=10 -6 m例例1 尺寸控制尺寸控制 0.1m以下以下惯性导航系统惯性导航系统“陀螺转子陀螺转子”的加工问的加工问题题地地

29、球球西西东东“差之毫厘差之毫厘, 谬之千里谬之千里”关键部件关键部件上页上页下页下页回目录回目录单单片片机机A/DD/A测放测放电路电路驱动驱动电路电路测控单元测控单元 微控制器微控制器气动气动稳压器稳压器ei0500V执行执行机构机构压电陶瓷微进给装置压电陶瓷微进给装置20m工件工件A超精密加工示意图超精密加工示意图分辨率分辨率=0.01 m, 精度达精度达0.1 m 测头测头vivo气气动动测测量量装装置置工件的尺寸工件的尺寸AA A+ 20m粗加工粗加工上页上页下页下页回目录回目录例例2 形状控制形状控制 变椭圆变椭圆“活塞活塞”加工控制系统加工控制系统活活 塞塞侧视图侧视图 顶视图顶视

30、图头部头部裙部裙部YX大大小小热膨胀后热膨胀后内内孔孔一定要把活塞一定要把活塞加工成一个变椭圆加工成一个变椭圆上页上页下页下页回目录回目录传统加工方式传统加工方式“硬靠模硬靠模” 利用杠杆传动（用车床车削）利用杠杆传动（用车床车削）（1）用外汇购）用外汇购靠模靠模，种类多，花费大量外汇，种类多，花费大量外汇弊端弊端（2）有传动误差）有传动误差（3）靠模靠模磨损大磨损大间隙！间隙！加工精度低加工精度低, 成本高成本高上页上页下页下页回目录回目录变椭圆变椭圆活塞活塞加工系统加工系统 “软靠模软靠模”刀接触刀接触1个同步个同步128个采样个采样微控制器微控制器功放功放纵向同步纵向同步电子开关电子开关

31、弹性弹性刀具刀具高频响高频响伺服机构伺服机构100m工件工件Vout机床机床主轴主轴夹具夹具主轴尾部主轴尾部装有光电码盘装有光电码盘变椭圆变椭圆活塞活塞加工系统总体框图加工系统总体框图上页上页下页下页回目录回目录变椭圆变椭圆活塞活塞加工系统加工系统 “软靠模软靠模”刀接触刀接触1个同步个同步128个采样个采样微控制器微控制器功放功放纵向同步纵向同步电子开关电子开关弹性弹性刀具刀具高频响高频响伺服机构伺服机构100m工件工件Vout机床机床主轴主轴夹具夹具主轴尾部主轴尾部装有光电码盘装有光电码盘上页上页下页下页回目录回目录例例3 仪器仪表仪器仪表 刚度测量仪刚度测量仪1. 测量原理测量原理工件工件AFXA刚度刚度 C =FX上页上页下页下页回目录回目录2. 测量台架测量台架 AdSJ1J2 E弹簧弹簧上页上页下页下页回目录回目录dJ1J2 ESF变形量变形量 X = S - d上页上页下页下页回目录回目录3. 求求 FJ1J2 E砝码砝码d 标定标定弹簧弹簧的的刚度系数刚度系数 = 500克克Pd PF = d