单片机原理与应用.ppt

1、单片机原理与应用电子教学计划，第1章微控制器概述，第2章MCS-51系列微控制器结构，第3章MSC-51命令系统，第6章内存和存储扩展，第4章MCS-51汇编语言编程，第7章微控制器接口技术，第5章MCS-51定时/计数器介绍了其基本结构和特性、单片机的应用模式和领域、单片机的供应状态等。 单片机是一种小型计算机，它将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和各种接口集成到单个集成电路芯片中。所以一个芯片就构成了计算机。工业控制领域、智能仪表、尖端武器、成为日常生活中使用最广泛的计算机。1.1单片机开发的历史，我们可以把单片机开发的历史分为四个阶段：第一阶段(19761978):低性能单片机探索的

2、阶段。Intel corporation的MCS-48使用单一晶片架构，其中一个晶片包含8位元CPU、计时/计数器、平行I/O连接埠、RAM、ROM等。主要用于工业领域。阶段2(1978-1982):高性能微控制器阶段，包括串行I/O端口、8位数据线、16位地址线可寻址64K字节、控制总线、丰富的命令系统等。这种单片机应用范围广，持续改进和发展。步骤3(1982-1990):16位微控制器步骤。16位微控制器进一步增加了芯片内RAM和ROM的容量(CPU为16位时除外)，并通过反映微控制器的特性进一步增强了实时处理能力。例如，Intel corporation的MCS-96主振动频率为12米，

3、片上RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理功能为8级，片上10位A/D转换器和高速输入/输出部件。阶段4(1990 ):微控制器的全面发展阶段，各公司的产品以尽可能兼容的高速、强大的计算、寻址范围、小成本发展。硬件系统是构成计算机系统的物理和设备，通常包括计算设备、控制器、内存、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等。其中，计算计量器和控制器通常用于集成芯片，中央处理器(CentralProcessingUnit)统称为CPU，它是计算机的核心组件。CPU随计算机硬件系统提供，该系统具有存储程序和数据的内存、输入/输出(I/O)接口电路和外部设备。1.2单片机硬件和软件系统，

4、1.2.1单片机硬件系统，图1-1微机硬件系统配置图，以下是组成计算机的5个基本组件的简要说明。1)运算评价器是实现算术和逻辑运算的计算机的运算部分。计算机的数据运算和处理都在这里完成了。2)控制器是计算机的命令控制部件，用于控制计算机的每个部分自动协调运行。计算计量器和控制器是计算机的关键部分，经常捆绑在一起，称为CPU。3)内存是计算机中存储程序和数据的内存组件。内存分为内部内存和外部内存。用于培训的EPROM2764是内存。4)输入设备输入设备用于在键盘等计算机上输入程序和数据。(5)输出设备输出设备用于计算或加工计算机数据的结果，以用户希望的形式(例如显示器、打印机等)显示或打印。通常

5、，将外部存储、输入设备和输出设备组合在一起，称为计算机的外部设备(下称“外围设备”)。，单片微型计算机集成在一个芯片上，即构成微型计算机的各种功能组件包括中央处理器(CPU)、随机访问内存(randomaccessmemory，read-only memory)如图1-2所示，微控制器内部结构图。图1-2单片机内部结构图，软件系统是计算机系统中使用的各种程序的通用术语。人们通过控制整个机器和与计算机系统交换信息，使计算机按照人的意图完成预定的任务。软件系统和硬件系统共同构成了完整的计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。微型计算机系统配置图如图所示。1.2.2单片机软件系统，微机系统配置图，1.3

6、MCS-51系列单片机，虽然有很多种单片机，但在世界范围内，以及全国范围内使用最广泛的MCS-51单片机。MCS-51单芯片系列共包含10个以上的芯片，如表1-1所示。表1-1MCS-51系列单片机分类表；MCS-51系列分为51和52个子系列，并将芯片型号的最后一个数字作为标志。其中51子系列是基础，52子系列是增强的。52子系列功能增强的具体方面可通过表1-1中所示的内容了解。(1)片内的ROM从4KB增加到8KB。(2)片上RAM从128B增加到256B。(3)计时/计数器从2增加到3。(4)中断源从5个增加到6个。1.3.151子系列和52子系列，MCS-51系列微控制器采用两种半导体

7、工艺制造。一个是HMOS工艺，即高速、高密度、短通道MOS工艺。另一个是CHMOS工艺，一种互补金属氧化物的HMOS工艺。在表1.1中，芯片型号中有字母“c”，有CHMOS芯片，其馀是常规HMOS芯片。CHMOS结合了CMOS和HMOS，除了保持HMOS的高速度和高密度外，还具有CMOS低功耗功能。便携式、便携式或现场操作设备的低功耗非常重要，因此必须在这些产品中使用用于CHMOS的微控制器芯片。MCS-51单芯片程序内存是1.3.2单芯片半导体工艺，可以采用三种配置形式：掩码ROM、EPROM和无ROM。这三种配置对应于三种不同的单片机芯片，每种都适合于独特的特性和用途，应根据需要进行选择。

8、通常，掩码ROM适用于定型的批量应用程序生产。EPROM适用于产品原型开发。外部EPROM方法适用于新产品开发。最近，英特尔公司推出了基于EEPROM的单芯片微型计算机，使您可以在线记录程序。1.3.3片内部ROM内存配置形式、第2章MCS-51单片机结构、本章主要介绍MCS-51系列8051的基本结构、工作原理、存储结构、P0、P1、P2、P3 4 I/O端口的基本工作原理和工作特性。Scm多种工作方式、SCM计时等。2.1MCS-51微控制器内部配置和信号针，MCS-51微控制器通用芯片为8031、8051和8751。8051内部有4KBROM，8751内部有4KBEPROM，8031内部

9、没有ROM。另外，三种内部结构和销完全相同。因此，以8051为例，说明这一系列单片机内部组件和信号针。有关8051单片机的基本配置，请参阅图2-1。每个部分的基本情况如下所述。2.1.18051单片机的基本配置，图2-1MCS-51单片机方块图，1)中央处理器(CPU)中央处理器是单片机的核心，完成计算和控制功能。MCS-51中的CPU可以处理8位二进制数或代码。2)内部数据内存(内部RAM)8051芯片总共有256个RAM单元，但其中随后的128个单元用于专用寄存器，可用作存储读/写数据的寄存器。因此，内部数据存储通常是指称为内部RAM的前128个单元。，3)内部程序内存(内部ROM)805

10、1具有用于存储程序、原始数据或表单的4KB掩码ROM，因此称为内部ROM。4)定时/计数器8051由两个16位定时/计数器组成，并且作为定时或计数结果控制计算机。5)并行I/O端口MCS-51总共有4个8位I/O端口(P0、P1、P2和P3)，用于数据的并行输入/输出。(6)串行端口MCS-51单片机与其他设备之间串行数据传输的全双工串行端口。此串行端口是一种强大的功能，既可以用作全双工异步通信收发器，也可以用作同步转换器。7)中断控制系统MCS-51单片机具有很强的中断功能，以满足控制应用的需要。8051总共有5个中断源：2个外部中断、2个定时/计数中断和1个串行中断。完全中断分为两个优先级

11、：高级和低级。(8)时钟电路MCS-51芯片内部有时钟电路，但需要额外的修改和微调电容。时钟电路为单片机生成时钟脉冲序列。系统允许的晶体频率通常为6MHz和12MHz。MCS-51是标准的40针双列直插集成电路芯片，有关针脚排列，请参阅图2-2。1)信号针介绍p 0.0到p 0.7: P0端口8位双向端口线。P 1.0到p 1.7: P1端口8位双向端口线。P 2.0至p 2.7: p2端口8位双向端口线。P 3.0到p 3.7: P3端口8位双向端口线。2.1.2MCS-51的信号针，图2-2MCS-51针图表，表21p 3的第二个菜单，2)信号针简介，2.28051的内部内存，图2-3的内

12、部RAM配置，2.2.1内部数据内存低128个单位图2-5 P0端口的端口线路逻辑电路图、2.3.1P0端口、2.3并行输入/输出端口电路结构、2.3.2P1端口、图2-6 P1端口的端口线路逻辑电路图、2.3.3P2端口、图27p 2 I的入站逻辑电路图、2 . 3 . 44 产生时钟信号，图2-9时钟振荡电路和图2-10外部时钟源连接方式，(1)比特和状态，图2-11 MCS-51的拾取/执行定时，(2)机器周期，4。MCS-51命令计时，(3)命令周期，1 .重置操作，表24每个专用寄存器的重置值，2.4.2微控制器重置电路，2。复位信号及其生成，图212复位电路逻辑，3。重置方法，图2

13、13各种重置电路，第3章MSC-51命令系统，3.1 MCS-51命令系统概述，3.1.1命令格式，汇编语言格式：标签：操作码助手目的操作数， 源操作数)，其中标签是相应门的符号地址，可以根据需要设置。汇编程序在汇编汇编语言源程序时用带有相应指令的地址值替换标签。在编程过程中，适当地使用标签，以便于查看、修改和传输程序。标签通常用于发送指令所需的传输地址。标签通常由1到6个字符组成，但是第一个字符必须是文字，其他字符可以是文字，也可以是其他符号或数字。标签和操作码之间用冒号“:”分隔。功能助记符也称为操作码。操作码和操作数(源操作数和目标操作数)是指令的核心部分。操作码使用MCS-51系列微控

14、制器中描述的助记符表示此功能将告诉您微控制器CPU的工作方式。操作数分为目标操作数和源操作数，它们用符号(如寄存器、标签等)或常量(如立即数、地址值等)表示。Opcode和目标操作数用空格分隔，目标操作数和源操作数用逗号“，”分隔。某些命令可能没有操作数。注释是对命令功能或功能的说明，但注释不是命令的必需部分，也可能不是。注释的主要作用是描述和说明程序段或命令在整个程序中的作用，以帮助阅读、理解和使用源程序。注释是否存在并不影响源程序，但是如果使用注释，注释部分将包含分号“；”必须使用隔开。3.1.2寻址方法，1 .寄存器寻址，2 .直接寻址，4 .立即寻址，3 .寄存器间接寻址，6 .寻址，

15、7 .相对寻址，5 .位寻址、MSC-51单芯片命令系统命令功能、MSC-51的111个指令可分为5个类别。l数据传输类指令(29) l算术运算类指令(24) l逻辑操作类指令(24) l控制传输类指令(17) l位操作类指令(17条)，第4章MCS-51汇编器设计，基本程序结构，4.1汇编机器代码是由二进制代码“0”和“1”组成的一系列二进制数据，执行速度快，但可读性很差。机器语言通常只在简单的开发设备中使用，程序的设计、输入、修改和调试有困难。汇编语言(AssemblyLanguage)是一种使用命令助记符而不是机器代码的编程语言。汇编语言程序结构简单，执行速度快，程序优化容易，编译后占用

16、的存储空间小，是开发单片机应用系统最常用的编程语言。汇编语言的缺点是可读性比较差，熟悉单片机的指令系统，具有一定的编程经验，才能开发功能复杂的应用程序。高级语言(High-LevelLanguage)是以汇编语言为基础，以自然语言的语句编写程序，适用于PL/M-51、FranklinC51、MBASIC51等程序可读性强、多功能性强、不熟悉微控制器命令系统的用户。高级语言生成器的缺点是实时性不高，结构不窄，编译后使用更多存储空间，这在存储有限的单片机应用系统中没有优势。4.1.3简单的编程，即顺序程序是最简单、最基本的程序结构，其特点是按顺序逐个执行，直到所有命令都执行。无论程序多么复杂，它总是由多个连续的程序段组成。示例4.1补充双字节二进制数。此过程将R3(高)、R2(低)的二进制数加1，获得相应的补码，如图4-1所示。图4-1双字节二进制修补过程流程图，程序列表如下。bin pl: mova、R22 cplaadda、# 01 h movr2、a；低阶位元组码传输R2 mova、R3 cplaaddca、# 00h高进位位元movr 3，a；父字节补充传递R3RET，4.1.4分支编程，在实际应用程序中不能总是直线运行。要使用计算机解决实际问题，通常需要计算机做出一些判断，根据不同的判断结果创建不同的处理，即不同的