单片机-概述课件

《单片机原理与应用》

电子教案泰山学院信息科学技术系自动化教研室《单片机原理与应用》

电子教案泰山学院信息科学技术系自动化教1教材及参考书1.《单片机初级教程-------单片机基础》《单片机中级教程-------原理与应用》《单片机高级教程-------应用与设计》何立民主编北京航空航天大学出版社

2.《单片机原理及接口技术》李朝青编著北京航空航天大学出版社3.《单片微机原理及应用》李建中编著西安电子科大出版社参考网址周立功单片机单片机学习网站

泰山学院信息科学技术系自动化教研室教材及参考书泰山学院信息科学技术系自动化教研室2学习单片机的意义1.硬件电子产品容易出成果与经商软件开发比较2.人才短缺单片机C++等（特色）3.单片机的特点所决定

体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。4.控制领域的产品利润可观

家电等成本很低

公司产品泰山学院信息科学技术系自动化教研室学习单片机的意义泰山学院信息科学技术系自动化教研室3有关本课程学习的几点建议

本课程是一门实践性、应用性很强的学科仅仅听懂还不够,重在培养动手能力硬件/软件同样重要、不可偏废

硬件是骨架，软件是皮肉器脏及思想本课程的前期基础课程是数字电路与微机原理这方面知识掌握得不够好的请自己补上预习、听课、复习、作业、实验环环都重要用科学的方法学习本课程是一门继承了硬件的特点：枯燥乏味独立的特点：独立性、多样性以MCS51为线索学习泰山学院信息科学技术系自动化教研室有关本课程学习的几点建议本课程是一门实践性、应用性很强的学4沟通：教材与实验的选择与安排（方法）会一点与一点不会等对大家的要求：责任、信心、纪律、考勤、作业严格、按时、守约方法：笔记、看书、理解、思维、比较、总结、自学（问题）网络工具成绩与能力：建议---共同提高泰山学院信息科学技术系自动化教研室沟通：教材与实验的选择与安排（方法）对大家的要求：方法：成5课程章节的安排：

自编教材《单片机原理及应用》

内容分为十章，以MCS-51系列单片机为介绍对象，分别介绍MCS-51系列单片机结构原理及应用技术。1.概述2.基础知识3.单片机结构原理4.指令系统5.汇编语言程序设计6.定时/计数器与中断技术7.串行通信技术8.扩展技术(存储器、I/O、扩展芯片8155/8255）9.接口技术（A/D转换接口、键盘与显示器接口技术）10.产品设计等内容。泰山学院信息科学技术系自动化教研室课程章节的安排：自编教材《单片机原理及应用》泰山学院6第1章概述1.1单片机技术的发展背景1.2单片机的发展概况1.3单片机的特点及应用1.4常用单片机系列介绍1.5单片机的发展方向泰山学院信息科学技术系自动化教研室第1章概述1.1单片机技术的发展背景泰山学71.1单片机技术的发展背景电子计算机的问世及其经典结构1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世，这标志着计算机时代的到来。（CALCULATOR）ENIAC泰山学院信息科学技术系自动化教研室1.1单片机技术的发展背景电子计算机的问世及其经典结构1948

◆ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有100KHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。

◆与现代的计算机相比，有许多不足，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。泰山学院信息科学技术系自动化教研室◆ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有100KHz，但9

匈牙利籍数学家冯·诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。（EDVAC-ELECTRONICDISCRETEVARIABLEAUTOMATICCOMPUTER）泰山学院信息科学技术系自动化教研室匈牙利籍数学家冯·诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。110电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代：﹡电子管计算机；﹡晶体管计算机；﹡集成电路计算机；﹡大规模集成电路计算机；﹡超大规模集成电路计算机。计算机的结构仍然没有突破冯·诺依曼提出的计算机的经典结构框架。泰山学院信息科学技术系自动化教研室电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代：﹡电子管计算机；计11微型计算机的组成及其应用形态

1971年1月，INTEL公司的特德·霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel4004）。4004微处理器泰山学院信息科学技术系自动化教研室微型计算机的组成及其应用形态1971年1月，INTEL公12现代计算机技术的两大分支：

通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20世纪末、21世纪初，计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从286、386、486到奔腾系列；操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。因此，现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于：将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具

泰山学院信息科学技术系自动化教研室现代计算机技术的两大分支：通用计算机系统与嵌入13嵌入式系统的理解

按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求；软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等；嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SoC）。有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统，因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。泰山学院信息科学技术系自动化教研室嵌入式系统的理解泰山学院信息科学技术系自动化教研室14嵌入式的两种模式：

由于嵌入式系统有过很长的一段单片机的独立发展道路，大多是基于8位单片机，实现最底层的嵌入式系统应用，带有明显的电子系统设计模式特点。大多数从事单片机应用开发人员，都是对象系统领域中的电子系统工程师，加之单片机的出现，立即脱离了计算机专业领域，以“智能化”器件身份进入电子系统领域，没有带入“嵌入式系统”概念。因此，不少从事单片机应用的人，不了解单片机与嵌入式系统的关系，在谈到“嵌入式系统”领域时，往往理解成计算机专业领域的，基于32位嵌入式处理器，从事网络、通信、多媒体等的应用。这样，“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词。但由于“单片机”是典型的、独立发展起来的嵌入式系统，从学科建设的角度出发，应该把它统一成“嵌入式系统”。考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点，可以把嵌入式系统应用分成高端与低端，把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用，含义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合。

单片机即单片机微型计算机，是将计算机主机(CPU、内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微型机。

泰山学院信息科学技术系自动化教研室嵌入式的两种模式：由于嵌入式系统有过很长的一段单片机15单片机的定义的理解：

单片机诞生于20世纪70年代末，在不同的时期又称作SCM、MCU、SoC等。SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC（SystemonChip）化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。泰山学院信息科学技术系自动化教研室单片机的定义的理解：单片机诞生于20世纪70年代末，16单片机组成框图单片机的组成：泰山学院信息科学技术系自动化教研室单片机组成框图单片机的组成：泰山学院信息科学技术系自动化教17

(1)单板机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路以及简单的输入/输出设备组装在一块印刷电路板上，称其为单板微型计算机，简称单板机。(2)单片机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路和相应实时控制器件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，简称单片机。(3)微型计算机：微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路由总线有机地连接在一起的整体，称为微型计算机。(4)微型计算机系统：微型计算机与外围设备、电源、系统软件一起构成的系统，称为微型计算机系统。相关术语的区别泰山学院信息科学技术系自动化教研室(1)单板机：将微处理器(CPU)、存储器、18(1)通用微机的CPU主要面向数据处理，其发展主要围绕数据处理功能、计算速度和精度的进一步提高。例如，现今微机的CPU都支持浮点运算，采用流水线作业，并行处理、多级高速缓冲(Cache)技术等。CPU的主频达到数百兆赫兹(MHz)，字长普遍达到32位。单片机主要面向控制，控制中的数据类型及数据处理相对简单，所以单片机的数据处理功能比通用微机相对要弱一些，计算速度和精度也相对要低一些。例如，现在的单片机产品的CPU大多不支持浮点运算，CPU还采用串行工作方式，其振荡频率大多在百兆赫兹范围内;在一些简单应用系统中采用4位字长的CPU，在中、小规模应用场合广泛采用8位字长单片机，在一些复杂的中、大规模的应用系统中才采用16位字长单片机，32位单片机产品目前应用得还不多。泰山学院信息科学技术系自动化教研室(1)通用微机的CPU主要面向数据处理，其发19(2)通用微机中存储器组织结构主要针对增大存储容量和CPU对数据的存取速度。现今微机的内存容量达到了数百兆字节(MB)，存储体系采用多体、并读技术和段、页等多种管理模式。单片机中存储器的组织结构比较简单，存储器芯片直接挂接在单片机的总线上，CPU对存储器的读写按直接物理地址来寻址存储器单元，存储器的寻址空间一般都为64KB。泰山学院信息科学技术系自动化教研室(2)通用微机中存储器组织结构主要针对增大存20(3)通用微机中I/O接口主要考虑标准外设(如CRT、标准键盘、鼠标、打印机、硬盘、光盘等)。用户通过标准总线连接外设，能达到即插即用。单片机应用系统的外设都是非标准的，且千差万别，种类很多。单片机的I/O接口实际上是向用户提供的与外设连接的物理界面。用户对外设的连接要设计具体的接口电路，需有熟练的接口电路设计技术。泰山学院信息科学技术系自动化教研室(3)通用微机中I/O接口主要考虑标准外设211.2单片机的发展概况1．4位单片机阶段自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS-1000后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例如美国国家半导体公司(NationalSemiconductor)的COP402系列，日本电气公司(NEC)的μPD75XX系列，美国洛克威尔公司(Rockwell)的PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88系列等。4位单片机主要用于家用电器、电子玩具等。泰山学院信息科学技术系自动化教研室1.2单片机的发展概况1．4位单片机阶段222．8位单片机阶段1976年9月，美国Intel公司首先推出了MCS-48系列8位单片机以后，单片机发展进入了一个新的阶段，8位单片机纷纷应运而生。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童(Fairchild)公司共同合作生产的3870(F8)系列，摩托罗拉(Motorola)公司的6801系列等。在1978年以前各厂家生产的8位单片机，由于受集成度(几千只管/片)的限制，一般没有串行接口，并且寻址空间的范围小(小于8KB)，从性能上看属于低档8位单片机。泰山学院信息科学技术系自动化教研室2．8位单片机阶段泰山学院信息科学技术系自动23随着集成电路工艺水平的提高，在1978年到1983年期间集成度提高到几万只管/片，因而一些高性能的8位单片机相继问世。例如，1978年摩托罗拉公司的MC6801系列，齐洛格(Zilog)公司的Z8系列，1979年NEC公司的μPD78XX系列，1980年Intel公司的MCS-51系列。这类单片机的寻址能力达64KB，片内ROM容量达4~8KB，片内除带有并行I/O口外，还有串行I/O口，甚至某些还有A/D转换器功能。因此，把这类单片机称为高档8位单片机。泰山学院信息科学技术系自动化教研室随着集成电路工艺水平的提高，在1978年到124在高档8位单片机的基础上，单片机功能进一步得到提高，近年来推出了超8位单片机。如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它们不但进一步扩大了片内ROM和RAM的容量，同时还增加了通信功能、DMA传输功能以及高速I/O功能等。自1985年以来，各种高性能、大存储容量、多功能的超8位单片机不断涌现，它们代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥着越来越大的作用。8位单片机由于功能强，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域。泰山学院信息科学技术系自动化教研室在高档8位单片机的基础上，单片机功能进一步得253．16位单片机阶段1983年以后，集成电路的集成度可达十几万只管/片，16位单片机逐渐问世。这一阶段的代表产品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司又推出的80C96，美国国家半导体公司推出的HPC16040和NEC公司推出的783XX系列等。16位单片机把单片机的功能又推向了一个新的阶段。如MCS-96系列的集成度为12万只管/片，片内含16位CPU、8KBROM、232字节RAM、5个8位并行I/O口、4个全双工串行口、4个16位定时器/计数器、8级中断处理系统。MCS-96系列还具有多种I/O功能，如高速输入/输出(HSIO)、脉冲宽度调制(PWM)输出、特殊用途的监视定时器(Watchdog)等等。16位单片机可用于高速复杂的控制系统。泰山学院信息科学技术系自动化教研室3．16位单片机阶段泰山学院信息科学技术系自264．32位单片机近年来，各个计算机生产厂家已进入更高性能的32位单片机研制、生产阶段。由于控制领域对32位单片机需求并不十分迫切，所以32位单片机的应用并不很多。需要提及的是，单片机的发展虽然按先后顺序经历了4位、8位、16位的阶段，但从实际使用情况看，并没有出现推陈出新、以新代旧的局面。4位、8位、16位单片机仍各有应用领域，如4位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用，8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，16位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用。泰山学院信息科学技术系自动化教研室4．32位单片机泰山学院信息科学技术系自动化教27

单片机发展阶段第一阶段（1976~1978年）：低性能单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表，8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。第二阶段（1978~1982年）：高性能单片机阶段，这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。。第三阶段（1982~1990年）：16位单片机阶段。第四阶段（1990年~）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展泰山学院信息科学技术系自动化教研室

单片机发展阶段泰山学院信息科学技术系自动化教研室281.3单片机的特点及应用1.3.1单片机的特点

(1)单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。ROM称为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储器空间，把开发成功的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中。这样，小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加速单片机的执行速度。但单片机内的RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速缓冲存储器(Cache)使用。泰山学院信息科学技术系自动化教研室1.3单片机的特点及应用1.3.1单片机的特点29(2)采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。(3)单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。

(4)单片机的外部扩展能力强。在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展(如扩展ROM、RAM，I/O接口，定时器/计数器，中断系统等)，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。泰山学院信息科学技术系自动化教研室(2)采用面向控制的指令系统。为满足控制的需301.3.2单片机的应用(1)体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。(2)面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。(3)抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。(4)可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。泰山学院信息科学技术系自动化教研室1.3.2单片机的应用(1)体积小，成本31

单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有：(1)工业控制。单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统等。如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控制等。(2)仪器仪表。如智能仪器、医疗器械、数字示波器等。(3)计算机外部设备与智能接口。如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机、智能终端机等。(4)商用产品。如自动售货机、电子收款机、电子秤等。(5)家用电器。如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等。可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。泰山学院信息科学技术系自动化教研室单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有：泰32单片机应用实列1数字式测角仪交直流电压电流表位移传感器泰山学院信息科学技术系自动化教研室单片机应用实列1数字式测角仪交直流电压电流表位移传感器泰山学33单片机应用实列2数控车床数控线切割机床泰山学院信息科学技术系自动化教研室单片机应用实列2数控车床数控线切割机床泰山学院信息科学技术系34单片机应用实列3医用呼吸机各种分析仪监护仪超声诊断设备病床呼叫系统等等电池分析仪

医用呼吸机泰山学院信息科学技术系自动化教研室单片机应用实列3医用呼吸机电池分析仪医用呼吸机泰山学院信息35单片机应用实列4泰山学院信息科学技术系自动化教研室单片机应用实列4泰山学院信息科学技术系自动化教研室36泰山学院信息科学技术系自动化教研室泰山学院信息科学技术系自动化教研室37常用单片机系列介绍MCS-51系列MC68系列PIC16系列MSP430系列AVR系列泰山学院信息科学技术系自动化教研室常用单片机系列介绍MCS-51系列泰山学院信息科学技术系自动38MCS-51系列Intel公司的高性能8位单片机，该系列机有8051、8031、8751。80C51系列是其兼容性单片机，与8051系统结构相同，但采用CMOS工艺，对8051做了一些扩充，更有特点，功能更强。泰山学院信息科学技术系自动化教研室MCS-51系列Intel公司的高性能8位单片机，该系列机有39MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。MCS-51系列又分为51和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中，51子系列是基本型，而52子系列则属增强型。52子系列功能增强的具体方面，从表所列内容中可以看出：泰山学院信息科学技术系自动化教研室MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系40表1.1MCS-51系列单片机分类表

子系列片内ROM形式片内ROM容量片内RAM容量寻址范围I/O特性中断源无ROMEPROM计数器并行口串行口51子系列8031805187514KB128B2×64KB2×164×81580C3180C5187C514KB128B2×64KB2×164×81552子系统8032805287528KB256B2×64KB3×164×81680C3280C5287C528KB256B2×64KB3×164×816泰山学院信息科学技术系自动化教研室表1.1MCS-51系列单片机分类表

子系列片内ROM形41MC68系列Motorola公司的8