单片机应用技术第6章

单片机应用技术第6章单片机概述单片机体系结构指令系统与汇编语言程序设计中断系统与定时/计数器应用串行通信原理及应用单片机系统扩展与接口技术单片机概述01定义单片机是一种集成电路芯片，它将中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口等计算机主要部件集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机系统。发展历程从20世纪70年代的第一代4位单片机，到80年代的8位单片机，再到90年代的高性能16位、32位单片机，单片机的性能不断提高，应用领域也不断扩展。单片机定义与发展工业控制智能家居医疗设备汽车电子单片机应用领域单片机在工业控制领域应用广泛，如电机控制、温度控制、压力控制等。医疗设备中常常使用单片机来实现数据采集、处理和控制等功能，如血压计、心电图机等。智能家居系统中大量使用单片机，如智能门锁、智能照明、智能家电等。汽车电子系统中也大量使用单片机，如发动机控制、车身控制、车载娱乐系统等。常见单片机类型及特点8051系列8051系列是Intel公司推出的8位单片机，具有高性能、低功耗、易于扩展等优点，被广泛应用于各种控制领域。PIC系列PIC系列是Microchip公司推出的8位单片机，具有高性能、低功耗、丰富的外设接口等特点，适用于各种低功耗应用场合。AVR系列AVR系列是Atmel公司推出的8位单片机，具有高性能、低功耗、快速执行速度等特点，适用于各种高性能应用场合。ARM系列ARM系列是AdvancedRISCMachines公司推出的32位单片机，具有高性能、低功耗、丰富的外设接口和强大的扩展能力等特点，被广泛应用于各种高端应用场合。单片机体系结构02执行算术和逻辑运算，处理数据。运算器控制器寄存器组负责指令的取指、译码和执行，控制整个单片机的运行。包括通用寄存器、专用寄存器等，用于暂存数据和地址。030201中央处理器CPU03特殊功能寄存器用于存放单片机的控制信息和状态信息。01程序存储器用于存放程序代码和一些固定常数。02数据存储器用于存放程序中用到的变量、中间结果等。存储器结构实现单片机与外部设备之间的数据交换。I/O端口处理外部或内部异步事件，提高单片机处理效率。中断系统提供精确的定时或计数功能，用于产生时间延迟、事件计数等。定时/计数器输入/输出接口电路时钟电路与复位电路时钟电路提供单片机运行所需的基本时钟信号。复位电路使单片机在开机或异常情况下能够恢复到初始状态。指令系统与汇编语言程序设计03123指令是计算机执行某种操作的命令，指令系统是计算机所能执行的全部指令的集合。指令系统的基本概念指令通常由操作码和操作数两部分组成，操作码指明操作的性质，操作数表示操作的对象。指令格式根据指令的功能和性质，可以将指令分为数据传送类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、控制转移类指令等。指令的分类指令系统概述寻址方式是指确定操作数有效地址的方法，常见的寻址方式有立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等。寻址方式数据传送类指令用于在存储器、寄存器和I/O端口之间传送数据，如MOV指令等。数据传送类指令寻址方式与数据传送类指令加法运算加法运算指令用于将两个操作数相加，并将结果存储在指定的寄存器或存储器中，如ADD指令等。减法运算指令用于将两个操作数相减，或将一个操作数减去另一个操作数，并将结果存储在指定的寄存器或存储器中，如SUB指令等。乘法运算指令用于将两个操作数相乘，并将结果存储在指定的寄存器或存储器中，如MUL指令等。除法运算指令用于将两个操作数相除，或将一个操作数除以另一个操作数，并将结果存储在指定的寄存器或存储器中，如DIV指令等。减法运算乘法运算除法运算算术运算类指令逻辑与运算逻辑与运算指令用于对两个操作数进行逻辑与运算，并将结果存储在指定的寄存器或存储器中，如AND指令等。逻辑或运算逻辑或运算指令用于对两个操作数进行逻辑或运算，并将结果存储在指定的寄存器或存储器中，如OR指令等。逻辑非运算逻辑非运算指令用于对一个操作数进行逻辑非运算，并将结果存储在指定的寄存器或存储器中，如NOT指令等。010203逻辑运算类指令010203无条件转移无条件转移指令用于将程序的控制权无条件地转移到指定的地址处执行，如JMP指令等。条件转移条件转移指令用于根据某个条件判断是否将程序的控制权转移到指定的地址处执行，如JZ（结果为0则转移）、JNZ（结果不为0则转移）等。子程序调用与返回子程序调用与返回指令用于实现程序的模块化设计，通过调用子程序来执行特定的功能，并在执行完毕后返回到调用点继续执行后续的程序代码。常见的子程序调用与返回指令有CALL和RET等。控制转移类指令中断系统与定时/计数器应用04中断的基本概念中断是指在CPU执行程序的过程中，由于某种原因，需要暂时停止当前正在执行的程序，转而去执行另一段处理程序，待处理程序执行完毕后，再返回原程序继续执行的过程。中断系统的组成中断系统由中断源、中断控制器和中断处理程序三部分组成。中断的工作原理当某个中断源发出中断请求时，中断控制器根据优先级判断是否响应中断，如果响应，则保存现场信息，跳转到相应的中断处理程序执行，执行完毕后恢复现场信息，返回原程序继续执行。中断系统基本概念及工作原理利用定时器/计数器扩展外部中断源通过将定时器/计数器配置为外部计数模式，可以实现对外部信号的计数功能，从而扩展外部中断源。利用串行通信接口扩展外部中断源通过串行通信接口接收外部信号，并在接收到特定信号时触发中断，从而扩展外部中断源。利用并行I/O口扩展外部中断源通过将并行I/O口配置为输入模式，并检测输入信号的变化来触发中断，从而扩展外部中断源。外部中断源扩展方法定时/计数器的工作原理定时/计数器是单片机内部的一个计时器，通过对内部时钟信号或外部输入信号进行计数来实现定时或计数功能。定时/计数器的编程方法首先需要对定时/计数器进行初始化配置，包括工作模式、计数初值、溢出方式等参数的设置。然后在主程序中启动定时/计数器，并在需要的时候读取定时/计数器的计数值或状态位。定时/计数器工作原理及编程方法定时/计数器应用举例利用定时器产生精确的延时时间，可以用于实现各种时间相关的操作，如按键消抖、LED闪烁等。计数器实现脉冲计数利用计数器对外部输入的脉冲信号进行计数，可以用于实现转速测量、频率测量等功能。定时器实现PWM波输出利用定时器产生PWM波信号，可以用于实现电机调速、LED调光等功能。定时器实现精确延时串行通信原理及应用05串行通信工作原理发送端将并行数据转换为串行数据，通过传输线逐位发送到接收端，接收端再将串行数据转换为并行数据。串行通信与并行通信比较串行通信传输线少，成本低，但传输速度较慢；并行通信传输线多，成本高，但传输速度快。串行通信定义串行通信是一种异步或同步的数据传输方式，数据在单条传输线上按位顺序传输。串行通信基本概念及工作原理RS-422/485接口标准采用差分信号传输方式，具有更高的抗干扰能力和更远的传输距离。USB接口标准通用串行总线（USB）是一种高速、双向、同步的数据传输接口，广泛应用于计算机外设和移动设备等领域。RS-232C接口标准定义了数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准，采用负逻辑电平。串行通信接口标准初始化串行口设置波特率、数据位、停止位、奇偶校验等参数。数据发送将要发送的数据写入发送缓冲区，启动发送过程。数据接收从接收缓冲区读取接收到的数据，并进行处理。错误处理检测和处理通信过程中可能出现的错误，如帧错误、奇偶校验错误等。串行通信编程方法计算机与外设通信通过串行接口连接鼠标、键盘、打印机等外设，实现数据传输和控制。远程监控系统通过串行通信实现远程设备的数据采集和监控，如温度、湿度、压力等参数的实时监测。多机通信系统构建多机通信系统，实现多个单片机之间的数据传输和协同工作，如分布式控制系统、数据采集系统等。串行通信应用举例单片机系统扩展与接口技术0601通过单片机的外部总线（地址总线、数据总线和控制总线）连接外部芯片或模块，实现系统功能的扩展。外部总线扩展法02利用单片机的串行通信接口（如UART、SPI、I2C等）与外部设备或模块进行通信，实现系统扩展。串行通信扩展法03通过单片机的中断系统连接外部中断源，实现中断服务程序的扩展。中断扩展法系统扩展方法并行I/O口扩展技术可编程I/O口扩展使用可编程并行I/O接口芯片（如8255、8155等），通过编程实现I/O口的灵活配置和功能扩展。简单I/O口扩展使用单片机内部的并行I/O口或通过外部芯片扩展并行I/O口，以满足更多的输入/输出需求。特殊功能I/O口扩展针对特定应用需求，使用具有特殊功能的并行I/O接口芯片（如键盘接口芯片、LED驱动芯片等），实现特定功能的I/O口扩展。模拟量输入/输出通道设计通过模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，以便单片机进行处理。设计时需要选择合适的ADC芯片，并考虑信号的采样频率、分辨率和抗干扰能力等因素。模拟量输入通道设计通过数模转换器（DAC）将数字信号转换为模拟信号，以便驱动外部设备或模块。设计时需要选择合适的DAC芯片，并考虑信号的输出范围、精度和稳定性等因素。模拟量输出通道设计人