《单片机原理与应用》电子教案.ppt

1、单片机原理及应用电子教案，第1章单片机概述，第2章MCS-51系列单片机结构，第3章MSC-51指令系统，第6章存储器及存储器扩展，第4章MCS-51汇编语言编程，第7章单片机接口技术，第5章MCS-51定时器/计数器及中断系统，第9章MCS-51应用系统设计，单片机原理及应用，第8章串口通信技术；第一章：单片机概述。本章主要介绍单片机的发展、基本结构和特点、应用方式和领域以及供应状况。单片机是将中央处理器、随机存储器、只读存储器、定时器/计数器和各种接口集成到一个集成电路芯片中的微型计算机。因此，芯片构成了计算机。它已经成为工业控制、智能仪器仪表、尖端武器和日常生活领域中使用最广泛的计算机。

2、单片机的发展历史可以分为四个阶段：第一阶段(1976-1978):低性能单片机的探索阶段。以英特尔公司的MCS-48为代表，采用单芯片结构，即包含8位中央处理器、定时器/计数器、并行输入输出端口、内存和只读存储器等。主要用于工业领域。第二阶段(1978-1982):高性能单片机阶段，具有串行输入输出端口、8位数据线和16位地址线，可寻址64 KB，控制总线和丰富的指令系统。这种单片机应用广泛，并在不断改进和发展。第三阶段(1982-1990): 16位单片机阶段。除了16位CPU外，片上随机存储器和只读存储器的容量进一步增加，实时处理能力更强，体现了微控制器的特点。例如，英特尔公司的MCS-9

3、6的主振动频率为12M，片内随机存取存储器为232字节，片内只读存储器为8字节，中断处理能力为8级，片内模数转换器具有10位和高速输入/输出组件。第四阶段(1990):微控制器的总体开发阶段。虽然各公司的产品尽可能兼容，但它们正朝着高速、强计算能力、大寻址范围和小而便宜的方向发展。硬件系统是指构成微机系统的实体和设备，通常由运算单元、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。其中，运算单元和控制器通常在集成芯片上制成，统称为中央处理器，它是微型计算机的核心部件。中央处理器配备有用于存储程序和数据的存储器、输入/输出接口电路和外部设备，它们构成了微型计算机的硬件系统。

4、12单片机硬件和软件系统，1.2.1单片机硬件系统，图1-1微机硬件系统组成示意图，下面对计算机的五个基本组成部分进行简要说明。1)算术单元算术单元是计算机的运算部分，用于实现算术和逻辑运算。计算机的数据操作和处理在这里进行。2)控制器是计算机的指挥和控制部分，控制计算机的各个部分自动协调工作。算术单元和控制器是计算机的核心部分，通常称为中央处理器。3)内存内存是计算机的内存组件，用于存储程序和数据。内存分为内部内存和外部内存。EPROM2764在实际训练中使用的是记忆。4)输入设备输入设备用于将程序和数据输入计算机，如键盘。5)输出设备输出设备用于以用户要求的形式显示或打印计算机数据计算或处

5、理的结果，如监视器和打印机。一般来说，外部存储器、输入设备和输出设备被称为计算机的外部设备，简称为“外设”。单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是说，它集成了各种功能部件，包括中央处理器、随机存取存储器、只读存储器、基本输入输出接口电路、定时器/计数器等。都制作在一个集成芯片上，形成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机内部结构示意图如图1-2所示。图1-2单片机内部结构示意图。软件系统是微机系统使用的各种程序的总称。通过它，人们可以控制整个机器并与微机系统交换信息，这样微机就可以按照人们的意图完成预定的任务。软件系统和硬件系统共同构成了一个完整的微机系统，二者相辅

6、相成，缺一不可。微机系统组成示意图如图所示。1.2.2单片机软件系统，微机系统组成原理图，1.3 MCS-51系列单片机，虽然单片机种类很多，但应用最广泛的单片机应该是MCS-51，无论是从世界还是从国家的角度来看。MCS-51系列单片机有十几个芯片，如表1-1所示。表1-1 MCS-51系列单片机分类表。MCS-51系列分为51和52个子系列，由芯片型号的最后一位数字标记。其中，51个子系列为基本型，52个子系列为增强型。从表1-1所列内容可以看出52个子系列功能增强的具体方面：(1)片上只读存储器从4 KB增加到8 KB。(2)片上内存从128增加到256。(3)定时器/计数器从2增加到3

7、。(4)中断源数量从5个增加到6个。1 . 3 . 1 MCS-51系列单片机的51个子系列和52个子系列采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺，即高速、高密度、短沟道的金属氧化物半导体工艺。另一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。在表1.1中，带有字母“C”的芯片型号是CHMOS芯片，其余是通用HMOS芯片。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，既保持了HMOS的高速度和高密度，又具有CMOS的低功耗。低功耗在便携式、手持式或野外操作仪器和设备中具有重要意义。因此，这些产品必须使用CHMOS的单片机芯片。1.3.2单片机半导体技术，MCS-51单片机程序存储器有三种配置形

8、式，即屏蔽只读存储器、可编程只读存储器和无只读存储器。这三种配置形式对应三种不同的单片机芯片，每一种都有自己的特点和应用场合，使用时应根据需要选择。一般来说，片上掩模只读存储器适用于大规模应用产品的生产；片上可编程只读存储器适用于开发原型产品；外部EPROM适用于开发新产品。最近，英特尔推出了一款带有片上可编程只读存储器的单片机，可以在线编写程序。1.3.3片上只读存储器的配置形式，第二章MCS-51单片机结构，本章主要介绍MCS-51系列的P0、P1、P2和P3四个输入输出端口的基本结构、工作原理、存储结构、基本工作原理和工作特点。单片机的各种工作模式，单片机的时序等。2.1 MCS-51单

9、片机的内部组成和信号引脚。MCS-51单片机的典型芯片有8031、8051和8751。8051内部有4KB的只读存储器，8751内部有4KB的可编程只读存储器，8031内部没有只读存储器。否则，三者的内部结构和引脚是相同的。因此，以8051为例，说明该系列单片机的内部组成和信号引脚。8051单片机的基本组成见图2-1。下面描述每个部分的基本情况。2 . 1 . 1 8051单片机的基本组成，图2-1 MCS-51单片机结构框图，1)中央处理器中央处理器是单片机的核心，它完成操作和控制功能。MCS-51中央处理器可以处理8位二进制数或代码。2)内部数据存储器(内部随机存取存储器)8051芯片中有

10、256个随机存取存储器单元，但最后128个单元被专用寄存器占用，只有前128个单元可以作为用户存储可读和可写数据的寄存器。因此，内部数据存储器通常3)内部程序存储器(内部只读存储器)8051共有4KB屏蔽只读存储器，用于存储程序、原始数据或表格，因此它被称为程序存储器。4)定时器/计数器8051有两个16位定时器/计数器，用于实现计时或计数功能，并用计时或计数结果控制计算机。5)并行输入输出端口MCS-51有四个8位输入输出端口(P0、P1、P2、P3)，实现数据的并行输入输出。串口MCS-51单片机有一个全双工串口，实现单片机与其他设备之间的串行数据传输。串口功能强大，既可以作为全双工异步通

11、信收发器，也可以作为同步移位器。7)中断控制系统MCS-51单片机具有很强的中断功能，满足控制应用的需要。8051有五个中断源，即两个外部中断、两个计时/计数中断和一个串行中断。所有中断分为两个优先级：高电平和低电平。8)时钟电路MCS-51芯片内部有一个时钟电路，但应时晶体和微调电容需要外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶体频率通常为6 MHz和12 MHz。MCS-51是一款标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。引脚排列见图2-2。1)信号引脚p0.0p0.7的引入：p0端口的8位双向端口线。P1.0 P1.7 :P1端口8位双向端口线路。p 2.0 p 2.7:p2端口的

12、8位双向端口线。P3.0 P3.7 :P3端口8位双向端口线路。2 . 1 . 2 MCS-51的信号引脚，图2-2 MCS-51引脚图，表21 P3端口第二功能表，2)信号引脚介绍，2.2 8051内部存储器，图2- 3片内随机存取存储器的配置，2.2.1内部数据存储器的下部128个单元，图24 8051内部随机存取存储器的位地址区，表22特殊功能寄存器表，*位可寻址特殊功能寄存器，2.2.2具有128个单元的内部数据存储器图25端口线路逻辑电路图，2.3.1端口P0，2.3并行输入/输出端口电路结构，2.3.2端口P1，以及图26端口线路逻辑电路图。 2.3.3端口p2，图27端口p2逻辑

13、电路图，2.3.4端口P3逻辑电路图，图28端口P3逻辑电路图，2.4.1时钟电路和时序，基本时序关系，24 MCS-51单片机时序，1。时钟信号产生，图2-9时钟振荡电路和图2-10外部时钟源连接。图211 MCS-51的索引/执行定时，(2)机器周期，4。MCS-51指令时序，(3)指令周期，1次复位操作，表24特殊寄存器的复位值，2.4.2单片机的复位电路，2个复位信号及其产生，图212复位电路逻辑图，3种复位模式，图213各种复位电路31 MCS-51指令系统概述，3.1.1指令格式，汇编语言格式：标签：操作码助记符的操作数，源操作数；注意，其中标签是语句的符号地址，可以根据需要进行设

14、置。当汇编程序汇编汇编语言源程序时，标签被替换为指令的地址值。在编程过程中，标签的正确使用使程序易于查询、修改和传递编程指令。该标签通常用于分支指令所需的分支地址。标签通常由16个字符组成，但第一个字符必须是字母，其余的可以是字母或其他符号或数字。标记和操作码用冒号“:”分隔。函数助记符也被称为操作码。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。操作码由MCS-51系列单片机指定的助记符表示，其功能是告诉单片机的中央处理器做什么。操作数分为目标操作数和源操作数，它们由符号(如寄存器、标签等)表示。)或常量(如立即数、地址值等。)。操作码和目标操作数用空格分隔，而目标操作数和源操作数

15、用逗号分隔。某些指令中可能没有操作数。注释是对指令的功能或效果的描述，但注释不是指令的必要部分，而是可选的。注释的主要功能是解释和说明程序段或指令在整个程序中的作用，从而帮助阅读、理解和使用源程序。是否有注释对源程序没有影响，但是如果你使用注释，你必须用分号“；”分开。3.1.2寻址模式，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。索引寻址，7。相对寻址，5。位寻址。根据指令功能，MSC-51的111条指令可分为5类：l数据传输指令(29)、l算术运算指令(24)、l逻辑运算指令(24)、l控制转移指令(17)、l位运算指令(17)、第4章MCS-51汇编语言编程、基本

16、程序结构、4.1汇编语言和汇编语言编程机器代码是由二进制代码“0”和“1”组成的二进制数据串，执行速度快但可读性差。机器语言一般只用于简单的开发设备，设计、输入、修改和调试程序非常麻烦。汇编语言是指用指令助记符代替机器代码的编程语言。汇编语言是单片机应用系统开发中最常用的编程语言，因为它结构简单、执行速度快、易于优化、编译后存储空间小。汇编语言的缺点是可读性差。只有熟悉单片机的指令系统，有一定的编程经验，才能开发出功能复杂的应用程序。高级语言以汇编语言为基础，使用自然语言语句编写程序，如PL/M-51、富兰克林C51、MBASIC 51等。程序可读性强，通用性强，适合不熟悉单片机指令系统的用户使用。高级语言编程的缺点是实时性低、结构不紧凑、编译后存储空间大，这在内存有限的单片机应用系统中没有优势。4.1.3简单程序设计，即顺序程序，是最简单和最基本的程序结构，其特征是按照指令的顺序一个接一个地执行，直到所有指令都被执行。不管程序有多复杂，它总是由几个连续的程序段组成。示例4.1两个字节的二进制数是互补的。在这个程序中，R3(高)和R2(低)中的二进制不动点数反相加1得到它们的补码。程序流程图如图4- 1所示。图4- 1是双字节二进制数补码程序的流程图，程序列表如下：binpl: mova，r2cplaa