微机系统及编程.ppt

1、0，2012年11月，主讲人：王红星，主修：机械制造及自动化，机械专业必修课，1，教学内容，0，课程准备，1，微机基础，3，微机系统接口扩展，2，微机系统结构及编程，4，微机系统通信接口，5，人机交互接口。微机系统和MCS-51单片机的内部结构如图2-1所示。除了中央处理器，单片机还集成了存储器、中断系统、定时器/计数器、并行输入输出接口和串口等外围设备，通过内部总线与中央处理器相连。3，第2讲微机系统与编程，4，1中央处理器，包括两部分：运算单元和控制器。MCS-51单片机的运算单元可以实现多种数据处理，并具有二进制数据和BCD码数据的处理能力，尤其是布尔运算能力。算术单元由算术逻辑单元AL

2、U、累加器a、寄存器b和程序状态字PSW组成。算术逻辑单元可以实现8位二进制数据的加、减、乘、除等算术运算，以及逻辑与、或、异或、清零、反相等逻辑运算，还可以实现数据传输、循环移位、测试跳转等功能。MCS-51单片机的算术逻辑单元也具有很强的位处理能力，可以对位变量进行数据传输、置位、清零、否定、测试跳转、逻辑“与”、“或”等操作。第二讲是微机系统和程序设计。5.累加器A是一个8位寄存器，是中央处理器中最常用的寄存器。在算术运算和逻辑运算指令中，累加器A一般用于存储操作数和运算结果，一些特殊的运算如移位和求逆只能对累加器A中的数据进行.寄存器b也是一个8位寄存器，主要用于实现与累加器a的乘法和

3、除法。在乘法中，寄存器b存储一个乘法器和乘积的高字节。6.程序状态字PSW中的每个位反映了中央处理器的当前工作状态，定义如下：Cy(PSW.7):进位标志(进位标志)AC(PSW.6):辅助进位标志(辅助进位标志)。F0(PSW.5):标志位0(标志0)。RS1(PSW.4)和RS0(PSW.3):寄存器组选择位。OV(PSW.2):溢出标志。PSW.1:位未定义。奇偶标志。控制器由指令寄存器、指令解码器、程序计数器、堆栈指针、数据指针DPTR等组成。本质上，控制器是一个复杂的定时控制电路。中央处理器从程序存储器中获取指令，并将其放入指令寄存器，然后用指令解码器对指令进行解码，并发出各种控制信

4、号，使计算机的各个硬件部分能够根据时钟信号的节拍相互协调和配合，最终实现各种功能。第二讲是微机系统和程序设计。9.程序计数器是一个16位寄存器，它控制程序的执行顺序。要执行的下一条指令的存储头地址总是存储在计算机中。指令执行后，中央处理器自动从PC机指向的下一条指令的内存地址中取出一个字节，然后PC机的值自动增加1，指向下一个内存位置。如果当前执行的指令改变了PC机的值，程序的运行方向也会改变，这就是所谓的程序跳转。当单片机复位时，PC机的值被清零，所以复位后执行的第一条指令总是存储在只读存储器中地址为0的存储单元中。10.堆栈是在内存中创建的存储区域，按照“先进先出”的原则进行管理。1.用于

5、子程序调用和返回过程中的断点保护和字段保护；2.用于主程序和子程序之间的参数传递。操作堆栈时，需要一个堆栈指针来指示堆栈的顶部位置。在MCS-51单片机中，堆栈指针SP是一个8位寄存器。当执行PUSH、ACALL、LCALL指令和响应中断(即调用中断服务子程序)时，sp的值将自动增加；当执行持久性有机污染物、可再生能源和RETI指令时，可再生能源的值将自动降低。当微控制器复位时，速度值为07H。第2讲微机系统与编程，第11页。数据指针DPTR是一个16位寄存器。MCS-51单片机外部地址总线的宽度为16位。当访问外部数据存储器或程序存储器时，DPTR可用于寻址。DPTR的高字节寄存器由DPH表

6、示，低字节寄存器由DPL表示。DPTR可以作为16位寄存器访问，也可以作为两个独立的8位寄存器操作。复位后的DPTR值为0000小时。在一些新型单片机中，为了提高C语言程序的执行效率，实现了双DPTR或多DPTR。第二讲是微机系统与编程，12，2。记忆，1。单片机存储器根据其功能可分为数据存储器和程序存储器；2.根据其位置，可将其分为片外存储器和片内存储器。3.在片内随机存取存储器中，划分出一个特殊区域来存储特殊功能寄存器，称为特殊功能寄存器区。在片上随机存取存储器中，具有特定地址的存储单元的每个二进制位都有一个位地址，这些存储单元构成一个位可寻址区域。片内随机存取存储器地址为00H1FH的存

7、储单元用作工作寄存器区。综上所述，根据其位置和功能，单片机的整个存储空间可以分为六个区域：内部程序存储区、外部程序存储区、低128字节的内部数据存储区(包括工作寄存器区和位寻址区)、高128字节的内部数据存储区、特殊功能寄存器区和外部数据存储区。MCS-51单片机的存储结构如图2-2所示。2。记忆，14。第二讲微机系统和程序设计，15。MCS-51单片机的程序存储器中有几个专用存储单元。地址为0000的单元存储微控制器复位后执行的第一条指令的第一个地址。此外，有五个单元地址对应于微控制器的五个中断源，称为中断服务程序入口地址，也称为中断向量，如表2-2所示。第二讲是微机系统和程序设计。16位寻

8、址区域中的每个二进制位都有一个独立的位地址，总共有128位。位地址范围为00H7FH，如表2-3所示。第二讲是微机系统和程序设计。17，2。特殊功能寄存器在单片机中起着非常重要的作用。单片机的各个硬件部件，如算术逻辑单元、并行输入输出端口、串口、定时器/计数器、中断系统等。具有相应的特殊功能寄存器。用户程序通过专用功能寄存器设置各个硬件组件，并通过专用功能寄存器获取各个设备的当前工作状态。如果你想使用单片机的功能，你必须熟悉相关的特殊功能寄存器。本质上，特殊功能寄存器是具有特殊功能的存储单元，它们分布在内部数据存储地址80H7FH的存储区域中，并通过直接寻址来访问。MCS-51单片机特殊功能寄

9、存器在存储器中的分布见表2-4。MCS-51特殊功能寄存器的具体功能和定义见表2-5。表2-5 MCS-51特殊功能寄存器的定义，第二讲微机系统与编程，20，MCS-51特殊功能寄存器的定义(续)，第二讲微机系统与编程，21，3针微机系统功能。MCS-51系列单片机的基本型号主要采用40引脚双列直插式(DIP)封装，并定义了其引脚功能。第二讲微机系统与编程。22.单片机的40针可分为以下四类：1 .电源引脚。当单片机正常运行或编程验证时，VCC应接5V电源，VSS应接地(GND)。2.并行输入输出接口，有四个并行输入输出端口，分别是P0、P1、P2和P3，每个并行端口有8个引脚，共32个引脚。

10、3。时钟引脚XTAL1是内部反相振荡器放大器的输入端，XTAL2是内部反相振荡器放大器的输出端。第二讲微机系统与编程，23，4。特殊功能引脚，复位引脚RST。在两个机器周期内，RST引脚上出现的高电平将导致微控制器复位。常见的外部复位电路如图2-4所示。(a)上电复位电路(b)上电复位和手动复位电路图2-4上电复位电路，第二讲微机系统和编程，24，ALE/PROG引脚，ALE是数据锁存使能脉冲的输出信号，用于在访问外部存储器时锁存P0端口输出的低8位地址(A0A7)，ALE脉冲的频率约为振荡器频率的1/6。对内部程序存储器进行编程时，此引脚输入编程脉冲信号(用作PROG功能)。PSEN引脚是外

11、部程序存储器选通信号。二、微机系统与编程，25，1。P1端口，4个输入输出端口，MCS-51有32个输入输出引脚，构成4个8位并行输入输出端口，分别称为P0端口、P1端口、P2端口和P3端口，特殊功能寄存器P0、P1、P2和P3是它们的端口锁存器。四个并行端口可以作为字节或位来操作。四个并行端口是双向端口，可以是输入或输出。在四个并行输入输出端口中，P1端口的功能最简单。图2-20为P1港1位结构示意图，P1港8个引脚结构相同。第二讲是微机系统与编程，26。锁存器的功能是锁存输出信息。P1端口的八个锁存器构成特殊功能寄存器P1，而V1场效应晶体管和上拉电阻构成输出驱动器。读取引脚信号和读取锁存

12、信号各自控制三态门。第二讲是微机系统和程序设计。当端口27用作输出时，要输出的数据(0或1)通过内部总线写入端口P1的每个引脚的锁存器。如果输出数据为0，反相输出端Q开启V1场效应晶体管，外部引脚出现低电平。如果输出数据为1，反相输出端将关闭V1场效应晶体管，并且由于内部上拉电阻，外部引脚将具有高电平。当P1端口用作输入时，P1端口工作在引脚读取状态。如果P1的端口锁存为0，反相输出端Q将保持V1场效应晶体管始终打开，P1.x引脚将被箝位在低电平，不能输入高电平。因此，在读取P1端口的引脚状态或P1的某个位之前，用户程序必须在相应的端口锁存器中写入1。正因为如此，P1港也被称为准双向港。第2讲

13、微机系统与编程，28，P2端口不仅可以用作通用输入输出端口，还可以用作高8位地址总线。图2-21是P2港1位结构示意图。图中模拟开关由内部控制信号控制，用于选择P2端口的工作状态。2。P2港，第二讲是微机系统与编程，29。当模拟开关在左边时，P2端口用作通用输入/输出。此时，工作原理与P1端口基本相同。当输出0时，场效应晶体管V1导通，外部引脚输出低电平。当输出为1时，V1关闭，由于内部上拉电阻，外部引脚输出高电平。输入时，端口锁存的值必须保持在1，这样高电平才能正常输入。输入也分为读引脚状态和读锁存状态，这与P1端口相同。当模拟开关位于右侧时，P2端口输出高8位的地址信息。地址总线是单向的，

14、只能输出，不能输入。第二讲是关于微型计算机系统和程序设计。除了用作通用输入/输出之外，端口30和P3各有第二个功能。详见表2-10。图2-22为P3 1号口钻头结构示意图。3。P3端口，图2-22 P3端口1位结构示意图，第二讲微机系统与编程，31和P3端口作为通用输入输出端口与P1端口相同。当P3端口的管脚使用其第二功能时，对应的锁存器必须是“1”；否则，图中与非门的输出始终为1，V1开启，引脚被箝位在低电平，因此无法正常工作。第二讲是微机系统和程序设计。端口32和P0可以在通用输入/输出模式下工作，并且可以作为数据总线a进行分时复用，4。P0端口，第二讲是微机系统与编程，33。当控制信号C

15、=0时，P0端口用作通用输入/输出(图2-23)。此时，图中与门的输出为0，V2场效应晶体管始终关闭。当输出电平低时，端口锁存器的内容为“0”，V1接通，V2断开，外部引脚处于低电平状态；当输出电平为高电平时，当端口锁存器的内容为“1”时，V1和V2均关断，外部引脚实际上处于浮动状态，因此需要额外的上拉电阻来获得高电平状态。当P0端口用作通用输入/输出的输出时，它是一个“开漏”输出。当用作输入时，端口锁存器的内容必须为“1”，P0端口在高阻抗输入状态下工作。输入也分为读引脚状态和读锁存状态，这与P1端口相同。第2讲微机系统与编程，34，当控制信号C=1时，端口P0被分时复用到数据总线和低位8位

16、地址总线。4个I/O端口驱动能力，P0端口、P1端口和P2端口可驱动4个LS TTL负载，即输出电流不小于400uA；端口P0的输出缓冲器可以驱动八个最小二乘TTL负载，当用作通用输入/输出时，它是一个“开漏”输出，需要一个外部上拉电阻，但当用作数据/地址总线时，不需要外部上拉电阻。二、微机系统与编程，35、二、微机系统与编程，2.2单片机C语言编程。单片机应用系统的编程可以用汇编语言或C语言实现。C语言具有良好的可读性、可移植性和基本的硬件操作能力，因此本课程主要研究单片机的C语言编程。单片机应用系统的c语言开发主要采用凯尔公司的uVision作为集成开发平台。软件设计是工作量中最大也是最重要的部分。设计任务是在总体系统设计和硬件设计的基础上，确定程序结构，划分功能模块，然后设计主程序和各模块程序，最后将它们连接成一个完整的应用程序。1.单片机程序的开发过程；1.程序的模块化设计，以独立功能和协作任务为特征。方法：整个程序分为模块，独立设计、调试和检查，运行正常后连接成一个整体。2.2单片机的C语言编程，37.2)绘制每个程序模块的详细流程图。方法：在具体编程之前，考虑可实现的方案，针对具体的模块功能绘制详细的流程图。简单的模块函数可以直接编写程序。常见问题：大多数人不想花时间画流程图，而是边思考边编程。因为没有对