单片机原理及应用：第1章 单片机概论

1、单片机原理及应用课程目的 单片机，即集成在单一硅片上的微型计算机，主要在在工业智能仪器仪表、光机电设备、自动检测、信息处理、家电等设备中作为控制核心使用。单片机采集外部数据，通过对数据做处理，以驱动外部设备作出相应的动作。 单片机原理与应用是为电子类专业本科生开设的专业必修课。本课程的教学目的是通过理论教学与实验环节，使学生正确理解单片机的基本概念、基本原理，掌握单片机程序设计，并能根据设计要求设计单片机硬件电路，编写程序，使系统按照要求完成相应的动作。第一章 概论第二章 MCS-51系列单片机的资源配置第三章 虚拟仿真开发软件工具proteus及keil软件的使用 第四章 单片机的C语言编程

2、第五章 MCS-51系列单片机的片内接口及中断 第六章 MCS-51系列单片机的扩展技术第七章 单片机应用系统接口技术第八章 MCS系列单片机的指令系统及汇编语言程序设计课时： 理论48 实验16先修课程： C语言程序设计；模、数电路；计算机原理；微机原理；汇编语言等该课学习特点和要求：1、先修课程： C语言程序设计；模、数电路；计算机原理；微机原理；汇编语言等。2、学习特点：要记的多，111条指，40条引脚的功能和用途，内部结构和工作方式。 所以必须经常复习和练习 3、单片机品种虽然繁多，原理大同小异 选用MCS-8051（为什么？） 4、多实践 多实践是学好单片机的唯一途径学习要求上课认真

3、听讲，认真练习独立完成作业认真做好实验 学习方法：动手实践，单片机和PC机一样，是实践性很强的一门技术，有人说“计算机是玩出来的”，单片机亦一样，只有多练习、多实际操作，才能真正掌握。 Practice is a best way to learning.课程考核 平时成绩（50%）+期末成绩（50%）（考试） 平时成绩主要有： （1）实验成绩（30）：包括基础实验（16分）+综合实验（14 分）（7个综合大作业（每个2分） （2）平时作业（12）：每一章作业，总计6章（每章2分） （3）考勤（8分）：旷课一次扣2分，不够从其他项中扣除。第1章 单片机概论 20世纪70年代问世。 已广泛应用在

4、：工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等方面。 1 什么是单片机 在半导体硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器(RAM、ROM)、并行IO口、串行IO口、定时/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的用于测控领域的微型计算机，简称单片机。也称为： 微控制器 MCU(MicroController Unit) 嵌入式控制器 EMCU（Embedded microController Unit）1.1、单片机技术的发展过程及趋势 按用途可分为通用型和专用型两大类： （1）通用型 可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户。用户根据需

5、要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。 （2）专用型 专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大。 对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑。2、单片机的历史及发展概况衡量单片机的主要指标：（1）CPU：数据处理（2）存储器（RAM、ROM）：存储数据和程序（3）I/O口：并行输入输出数据（4）定时/计数器：定时及对外部输入CLK计数（5）中断系统：对随机事件的处理（6）串行口：串行输入输出数据（7）寻址能力：片外扩展的存储器的容量（8）其他：标准外围电路的内部化 (1) 单芯片微机形成阶段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机

6、 。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。 特点：存储器容量小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。 特点：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在MCS-51已成为公认的单片机经典机种 。 (2) 性能完善提高阶段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。 (3) 微控制器化阶段 特点：片内面向测控系统电路增强，使之可以方便灵活地用于复杂的自动测控

7、系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。 1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。(4) 片上系统阶段 近年来，许多单片机厂商以MCS-51系列单片机的8051为内核，将许多应用系统中的标准外围电路（A/D转换器、D/A转换器，实时时钟等）或接口（SPI，I2C，CAN等）集成到单片机中，从而生产出多种功能强大、使用灵活的新一代80C51单片机。 特点：面向系统的应用系统设计，片上集

8、成了各种功能模块，以满足不同应用领域的需要。3、单片机的特点（1）简单方便： 单片机应用系统设计、组装、测试容易（2）功能齐全、应用可靠，抗干扰能力强（3）发展迅速前景广阔（4）嵌入容易： 在单片机应用系统中，测控功能的绝大部分由单片机的软件实现，其他电子线路由片内的外围功能部件实现。4、单片机的应用（1）工业控制与检测： 工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集与处理、测试、测量、监控等（2）仪器仪表： 仪器仪表的自动化和智能化（3）消费类电子产品 家用电器等（4）通信 调制解调器、手机、传真机、程控电路交换机、信息网络等（5）武装装备 飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天

9、飞机导航系统等（6）终端及计算机外部设备 计算机网络终端（银行终端、移动终端）以及计算机外部设备（打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等）（7）汽车电子设备 汽车安全系统、汽车信息系统、智能自动驾驶系统、卫星汽车导航系统、汽车紧急请求服务系统、汽车防碰撞系统、汽车自动诊断系统以及汽车黑匣子等（8）分布式多机系统 多节点测控系统5、单片机的发展趋势（1）.CPU的改进采用双CPU结构，提高处理能力增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。串行总线结构，菲利浦公司的I2C总线（InterIcbus）。用两根信号线代替现行的8位数据总线。（2）存储器的发展加大存储容量。片内EPROM采用E2P

10、ROM或闪烁（Flash）存储器 （FLASH存储器：既读写方便，数据由不会因掉电而丢失）（3）片内I/O的改进增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。设置了一些特殊的串行接口功能，构成分布式、网络化系统 。引入数字交叉开关。通过编程设备交叉开关寄存器、将片内功能部件灵活配置在相应的IO引脚。（4）外围电路内装化 器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内系统的单片化。代表：C8051F单片机（5）低功耗化 CMOS化;CHMOS工艺。 总之，向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化方向发展。1.2 单片机的典型结构及工作原理1、单片机组成及结构 将微处理器、一定

11、容量的存储器、有限的I/O接口及定时器/计数器等功能部件集成在一块芯片上的微型计算机，且具有一套完整的指令系统。CPU内核内部总线A/D转换器D/A转换器I/O端口Watchdog异步串行通信口UARTRAMROM/Flash低电压检测与复位中断系统定时器/计数器（1）CPU：单片机核心部件，由运算器和控制器组成。主要完成运算和控制功能。（2）RAM（数据存储器）：存放实时数据，或者作为通用寄存器、堆栈和数据存储器使用。（3）ROM(程序存储器)：用于存放程序和固定常数等等。（4）并行I/O口：实现与存储器或者外围设备间数据的并行输入输出操作。（5）串行I/O口：用于串行数据传输，可以把单片机

12、内部的并行数据变成串行数据输出，也可以串行方式接受外部送来的数据，并把数据变成并行数据送给CPU。（6）.特殊模块：定时器/计数器：用于产生定时脉冲，用于计时；A/D和D/A转换器：用于模拟量与数字量之间的转换。DMA通道：实现单片机和外设之间数据的快速传送；串行通信接口：实现单片机系统与其他系统的数据通信。2、单片机的工作原理 单片机是通过执行程序来工作的，执行不同的程序便完成不同的任务。(1) 指令和程序 指令：规定计算机执行某种操作的二进制代码形式命令。 指令系统：单片机全部指令的集合。 程序：根据任务要求有序的编排出的指令集合。 系统软件：为了运行和管理单片机所编制的各种程序的综合(2

13、)、CPU 由运算器、控制器、寄存器以及内部总线构成。 运算器：对数据进行算术、逻辑运算以及位操作处理等。由ALU，累加器ACC，暂存寄存器，程序状态字寄存器（PSW）组成。 控制器：在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部控制信息及CPU外部所需的控制信号，完成指令所规定的各种操作。由PC，指令寄存器，指令译码器，时序部件和操作控制部件等部分组成。 寄存器：用于存放参加运算的操作数及操作结果。 总线：完成地址信息和各种数据的传送。（3）、单片执行程序的过程 取指令，分析指令，执行指令 取指令：根据程序计数器PC中的值，从程序存储器中读出现行指令，送到指令寄存器。 分析指令：将指令寄存器中的指令

14、操作码取出后进行译码，分析指令信息。 执行指令：取出操作数，然后按照操作码的性质对操作数进行操作。外部总线数据总线缓冲器PC状态寄存器累加器暂存器1暂存器2ALU微操作控制电路指令译码器时序电路指令寄存器地址寄存器存储器-1微命令控制信号单片机执行指令过程示意图数据总线缓冲器：在CPU对外传送数据时予以缓冲；地址寄存器：用于存放存储器或者输入输出接口的地址信息；暂存器：暂存等待输入到ALU中进行操作的数据；微操作控制电路：与时序电路配合，把指令译码器输出的信号转换为执行该命令所需的各种控制信号。累加器：用于存放参加运算的操作数以及操作结果；状态寄存器：用于存放运算过程以及运算结果中的某些特征和

15、特点；程序计数器PC：指引程序的执行方向，具有自动加1功能；1.3、典型单片机的结构和特点1、MCS-51系列单片机的结构和特点 存储器I/O接口 MCS-51单片机芯片有许多种：如8051、8031、8751、80C51、80C31等。 它由8个部件组成： 1、中央处理器（CPU）核心 2、时钟电路 12MHz 3、程序存储器（ROM/EPROM） 4KB 4、数据存储器（RAM） 128B+128B SFR 5、并行I/O口（P0P3口）P0和P2兼作外总线 6、串行口 全双工串行口 7、定时器/计数器 2个16位 8、中断系统 5个中断源，高级和低级两级优先级别 它们都是通过单一总线连接

16、，并被集成在一块半导体芯片上，为单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer） 片内存储器片内I/O接口 MCS-51系列单片机 MCS是Intel公司单片机的系列符号，如MCS-48、MCS-51、 MCS-96系列单片机。 MCS-51系列单片机主要包括 基本型：8031/8051/8751（低功耗型80C31/80C51/87C51） 增强型：8032/8052/8752。已为我国广大技术人员所熟悉和掌握。在上世纪80年代和90年代，MCS-51系列是在我国应用最为广泛的单片机机型之一。 MCS-51系列品种丰富，经常使用的是基本型和增强型。 302、MCS-51系

17、列单片机323、其他类型的51单片机 Intel公司以专利形式把8051内核技术转让给ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。 生产的兼容机与8051兼容，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列单片机来称呼所有这些具有8051指令系统的单片机，这些兼容机的各种衍生品种统称为51系列单片机或简称为51单片机，是在8051的基础上又增加一些功能模块（称其为增强型、扩展型子系列单片机）。33 近年来，世界上单片机芯片生产厂商推出的与8051（80C51）兼容的主要产品如表1-2所示。（1）AT89系列单片机：闪烁存储器（FLASH）+8

18、051内核=AT89C5X/AT89S5X单片机AT89C5X：基于CMOS工艺，需要专门的编程器下载程序AT89S5X：有串行下载的Flash存储器 AT89S51系列单片机与AT89C51相比，时钟频率及运算速度有了较大提高，AT89S51系列增加了双数据指针DPTR、看门狗定时器、具有低功耗空闲工作方式和掉电工作方式。AT89C5X系列单片机不再生产。（2）STC89系列单片机： 具有我国自主知识产权的单片机 高性能、高可靠性的机型、尤其是具有较高的抗干扰性（3）C8051FXXX单片机 1个8位ADC、1个12位ADC、1个双12位DAC；64K片内flash程序存储器、256BRAM

19、、64个IO口、5个16位定时器；5个捕捉/比较模块的计数/定时器阵列，1个UART，1个I2C串口，1个SPI串口，2个电压比较器，电源监测器，内置温度传感器 C8051FXXXX单片机突出的特点是引入了数字交叉开关。（4）PIC单片机 从实际出发，重视产品的性价比。 采用精简指令集，指令执行效率增加 具有优越的开发环境 引脚可以通过限流电阻接至220V交流电压，可以直接与继电器控制电路连接 保密性好 （5）AVR系列单片机 废除机器周期，采用精简指令集，指令执行高速 FLASH程序存储器，大容量的数据存储器，支持高级语言开发系统程序 丰富的外设 IO口功能强，驱动能力大 低功耗，支持程序的在线编程通常开发一个单片机系统可按以下几个步骤进行。(1) 明确系统设计任务，完成单片机及其外围电路的选型工作。(2)