《单片机概述》PPT课件.ppt

LOGO1单单片片机机原原理理及及接接口口技技术术单单片片机机原原理理及及接接口口技技术术 主讲教师：主讲教师：主讲教师：主讲教师：蒋全胜蒋全胜蒋全胜蒋全胜机械工程学院机械工程学院机械工程学院机械工程学院2v计划学时：理论40学时+实验 8学时。课程性质：专业类必修课课程性质：专业类必修课v本课程教学内容：学习学习MCS-51MCS-51单片机的硬件基本结构、存储器单片机的硬件基本结构、存储器组织、指令系统、中断系统、定时器组织、指令系统、中断系统、定时器/计数器，以及串计数器，以及串行及并行接口，并通过实例了解单片机应用系统设计行及并行接口，并通过实例了解单片机应用系统设计和研制的一般方法与步骤。和研制的一般方法与步骤。一、课程情况及要求一、课程情况及要求课程特点：课程特点：实践性强，旨在应用实践性强，旨在应用 硬件、软件结合紧密硬件、软件结合紧密学习方法：学习方法：课前预习，课后复习课前预习，课后复习 软硬兼顾，上机实践软硬兼顾，上机实践 广阅书刊，用好网络广阅书刊，用好网络v平时成绩（考勤、作业、提问）：平时成绩（考勤、作业、提问）：15%15%v实验：实验：15%15%v考试成绩：考试成绩：70%70%成绩评定成绩评定 要求及说明事项：要求及说明事项：作业：要求按时完成并上交，不许抄袭他人作业。实验：要求在上实验课前做好预习，写好预习实验 报告,实验后交实验报告。v 参考书：v 单片机原理及接口技术（第单片机原理及接口技术（第3 3版）版），v 李朝青，北京航空航天大学出版社，李朝青，北京航空航天大学出版社，20052005v 单片微型计算机原理与接口技术单片微型计算机原理与接口技术，v 高锋，科技出版社高锋，科技出版社 v 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 温宗周温宗周教材：教材：第第1 1章章 单片计算机概述单片计算机概述微型计算机、单板机与微型计算机、单板机与单片机单片机单片机的单片机的特点特点及及应用应用单片机的单片机的历史历史与与发展过程发展过程单片机单片机主要产品简介主要产品简介Vision 集成开发环境集成开发环境简介简介 电子计算机概述电子计算机概述19461946年年2 2月月1515日，第一日，第一台电子数字台电子数字计算机问世。计算机问世。标标标标志志志志着着着着计计计计算算算算机机机机时时时时代代代代的的的的到到到到来来来来，对对对对人人人人类类类类的的的的生生生生产产产产和和和和生生生生活活活活方方方方式式式式产产产产生了巨大的影响生了巨大的影响生了巨大的影响生了巨大的影响 。ENIACENIAC冯诺依曼提出“程序存储”和“二进制运算”的思想，构建了计算机经典结构：1.1.2 1.1.2 微型计算机的组成及其应用形态微型计算机的组成及其应用形态 微处理器微处理器 19711971年年1 1月，月，INTELINTEL将：将：v 运算器运算器v 控制器控制器v 一些寄存器一些寄存器集成在一个芯片上集成在一个芯片上-微处理器微处理器40044004微处理器微处理器微处理器微处理器+存储器存储器+I/OI/O接口接口=微型计算机微型计算机 微型计算机微型计算机 微型计算机的应用形态微型计算机的应用形态 分为分为3 3种：种：多板机（即系统机）多板机（即系统机）工业工业PCPC机机 也属于多板机。也属于多板机。存储器存储器I/O接口接口CPUI/O接口接口 单板机单板机 早期的单板机早期的单板机当代的单板机当代的单板机CPU存储器存储器I/O接口接口CPU存储器存储器I/O接口接口I/O接口接口 单片机单片机（Single-Chip Microcomputer）是将微处理器、一定容量是将微处理器、一定容量RAMRAM和和ROMROM以及以及I/OI/O口、口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成单片微型计定时器等电路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机。算机。微处理器微处理器RAM RAM ROMROMI/OI/O口口定时器定时器单片微型计算机单片微型计算机 单片机单片机 单片机单片机单片机单片机内含：内含：CPU存储器存储器I/O接口接口 系统机（系统机（桌面应用桌面应用）属于通用计算机，主要用于数据处理、办公自动化及辅助设计。单片机（单片机（嵌入式应用嵌入式应用）属于专用计算机，主要用于智）属于专用计算机，主要用于智能仪表及传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军能仪表及传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等系统。事电子设备等系统。单单单单片片片片机机机机体体体体积积积积小小小小、价价价价格格格格低低低低、可可可可靠靠靠靠性性性性高高高高，其其其其非非非非凡凡凡凡的的的的嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式应应应应用用用用形形形形态态态态对对对对于于于于满满满满足足足足嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式应应应应用用用用需需需需求求求求具具具具有有有有独独独独特特特特的的的的优势。优势。优势。优势。系统机与单片机比较系统机与单片机比较 微机微机单片机单片机备注备注可靠性可靠性差差好好工控机工控机控制功能控制功能弱弱强强存储器容量存储器容量大大(G T)小小（64KB*2）数据存储器数据存储器128B程序存储器程序存储器4KB监控程序监控程序操作系统操作系统有有无无自开发能力自开发能力有有无无开发机开发机仿真器仿真器应用应用/配置比配置比性能性能/价格比价格比 1接近接近1速度速度快快GHz慢慢MHz体积体积大大小小功耗功耗大大小小价格价格高高低低单片机与微机比较单片机与微机比较 1.2 单片机的特点和应用单片机的特点和应用v1、单片机的基本组成中央处理器（中央处理器（CPU）存储器存储器I/O接口接口运算器运算器控制器控制器程序存储器程序存储器ROM数据存储器数据存储器RAM掩膜掩膜ROMEPROMFlash ROM串行串行I/O口口并行并行I/O口口定时器定时器/计数器计数器单单片片机机结结构构1、单片机的基本组成、单片机的基本组成(1)中央处理器 单片机中的中央处理器CPU和通用微处理器基本相同，由运算器和控制器组成，另外增设了“面向控制”的处理功能，如位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强了实时性。1、单片机的基本组成、单片机的基本组成(2)存储器 单片机的存储空间有两种基本结构。一种是普林普林斯顿结构斯顿结构(Princeton)，将程序和数据合用一个存储器空间，即ROM和RAM的地址同在一个空间里分配不同的地址。CPU访问存储器时，一个地址对应惟一的一个存储单元，可以是ROM，也可以是RAM，用同类的访问指令。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛哈佛(Harvard)(Harvard)结构结构。CPU用不同的指令访问不同的存储器空间。由于单片机实际应用中“面向控制”的特点，一般需要较大的程序存储器。目前，包括MCS5l和80C5l系列的单片机均采用程序存储器和数据存储器截然分开的哈佛结构。1、单片机的基本组成、单片机的基本组成 数据存储器(RAM)在单片机中，用随机存取的存储器(RAM)来存储数据，暂存运行期间的数据、中间结果、缓冲和标志位等，所以称之为数据存储器。程序存储器(ROM)单片机的应用中常常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中，因为不再改变，所以这种存储器都采用只读存储器ROM的形式。1、单片机的基本组成、单片机的基本组成(3)并行I/O口 单片机为了突出控制的功能，提供了数量多、功能强、使用灵活的并行I/O口。使用上不仅可灵活地选择输入或输出，还可作为系统总线或控制信号线，从而为扩展外部存储器和I/O接口提供了方便。1、单片机的基本组成、单片机的基本组成(4)串行I/O口 高速的8位单片机都可提供全双工串行I/O口，因而能和某些终端设备进行串行通信，或者和一些特殊功能的器件相连接。1、单片机的基本组成、单片机的基本组成(5)定时器/计数器 在实际的应用中，单片机往往需要精确地定时，或者需对外部事件进行计数，因而在单片机内部设置了定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理。2、单片机的特点、单片机的特点v 高集成度、高可靠性 v 控制功能强 v 低电压、低功耗 v 优异的性能价格比26单片机的特点 （1 1）控制性能控制性能和和可靠性可靠性高高 实时实时控制功能特控制功能特别别强强，其，其CPUCPU可以可以对对I/OI/O端口直接端口直接进进行操作，行操作，位操位操作能力作能力更是其它更是其它计计算机无法比算机无法比拟拟的。另外，由于的。另外，由于CPUCPU、存、存储储器及器及I/OI/O接口接口集成在同一芯片内集成在同一芯片内，各部件，各部件间间的的连连接接紧紧凑，数据在凑，数据在传传送送时时受干受干扰扰的影响的影响较较小小，且不易受，且不易受环环境条件的影响，所以境条件的影响，所以单单片机的片机的可靠性非可靠性非常高常高。近期推出的近期推出的单单片机片机产产品，内部集成有高速品，内部集成有高速I/OI/O口、口、ADCADC、PWMPWM、WDTWDT等部件，并在低等部件，并在低电压电压、低功耗、串行、低功耗、串行扩扩展展总线总线、控制网、控制网络总线络总线和开和开发发方式（如在系方式（如在系统编统编程程ISPISP）等方面都有了）等方面都有了进进一步的增一步的增强强。27（2 2）体积小、价格低、易于产品化）体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择，同时还可以专门进行芯片品种间进行匹配选择，同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系。设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系。在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到已减少到8 8个或更少，从而使应用系统的个或更少，从而使应用系统的印制板减印制板减小、接插件减少、安装简单方便。具有控制性能小、接插件减少、安装简单方便。具有控制性能和可靠性高良好的性能价格比。这是单片机得以和可靠性高良好的性能价格比。这是单片机得以广泛应用的重要原因广泛应用的重要原因。3、单片机的应用、单片机的应用v 由于单片机功能的飞速发展，它的应用范围日益广泛，已远远超出了计算机科学的领域。小到玩具、信用卡，大到航天器、机器人，从实现数据采集、过程控制、模糊控制等智能系统到人类的日常生活，到处都离不开单片机。主要的应用领域主要的应用领域 v(1)在测控系统中的应用v(2)在智能化仪器仪表中的应用v(3)在机电一体化中的应用v(4)在智能接口中的应用v(5)在人类生活中的应用v1.1.测控系统中的应用测控系统中的应用v 控制系统特别是工业控制系统的工作环境恶劣，各种干扰也强，而且往往要求实时控制，故要求控制系统工作稳定、可靠、抗干扰能力强。单片机是最适宜用于控制领域。例如炉子恒温控制、电镀生产线自动控制等。30v2.2.智能仪表中的应用智能仪表中的应用v 用单片机制作的测量、控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化、柔性化发展，并使监测、处理、控制等功能一体化，使仪表重量大大减轻，便于携带和使用，同时降低了成本，提高了性能价格比。如数字式RLC测量仪、智能转速表、计时器等。31v3.3.智能产品智能产品v 单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化、控制智能化，构成新型的机、电、仪一体化产品。如数控车床、智能电动玩具、各种家用电器和通信设备等。32v4.4.在智能在智能接口接口中的应用中的应用v 在计算机应用系统中，除通用外部设备（键盘、显示器、打印机）外，还有许多用于外部通信、数据采集、多路分配管理、驱动控制等接口。如果这些外部设备和接口全部由主机管理，势必造成主机负担过重、运行速度降低，并且不能提高对各种接口的管理水平。如果采用单片机专门对接口进行控制和管理，则主机和单片机就能并行工作，这不仅大大提高系统的运算速度，而且单片机还可对接口信息进行预处理，以减少主机和接口间的通信密度、提高接口控制管理的水平。如绘图仪控制器，磁带机、打印机的控制器等等。33单片机的历史及发展概况单片机的历史及发展概况1、单片机的发展概况、单片机的发展概况单片机的发展历史可分为四个阶段单片机的发展历史可分为四个阶段(划分不唯一划分不唯一)：第一阶段（第一阶段（1971197119761976）：单片机初级阶段单片机初级阶段 因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。第二阶段第二阶段（1976197619781978）：单片机的探索阶段单片机的探索阶段 这种单片机这种单片机片内集成有片内集成有8 8位位CPUCPU、并行、并行I/OI/O口、口、8 8位定时位定时/计数器，计数器，RAMRAM和和ROMROM，不足之处是无串行口，中断处理较简单，片内，不足之处是无串行口，中断处理较简单，片内RAMRAM和和ROMROM容量较小。容量较小。代表机型：代表机型：Intel MCS-48Intel MCS-48系列。系列。第三阶段第三阶段（19781982）：单片机的完善阶段单片机的完善阶段 普遍带有串行普遍带有串行I/O口，多级中断系统，口，多级中断系统，16位定位定 时时/计数器。计数器。RAM和和ROM容量大且可寻址范围达容量大且可寻址范围达64K，片内带有，片内带有A/D转换器。转换器。代表机型：代表机型：Intel MCS-51系列、系列、Motorola的的 6801、Zilog公司的公司的Z8。由于这类单片机的性能价格比高，所以仍被由于这类单片机的性能价格比高，所以仍被 广泛采用，是目前应用数量较多的单片机。广泛采用，是目前应用数量较多的单片机。第四阶段（第四阶段（19821982现在）：现在）：8 8位单片机巩固发展及位单片机巩固发展及1616位单片机、位单片机、3232位单片机推出阶段位单片机推出阶段 集成度高达集成度高达120000120000管子管子/片，主振为片，主振为12MHz12MHz，片内，片内RAMRAM为为232B232B，ROMROM为为8KB8KB，中断处理为，中断处理为8 8级，片内带有多级，片内带有多通道通道1010位位A/DA/D转换器及高速输入转换器及高速输入/输出部件输出部件（HIS/HSOHIS/HSO）实时处理能力很强。）实时处理能力很强。代表机型：代表机型：Intel MCS-96Intel MCS-96 3232位单片机除了具有更高的集成度外，主振已达位单片机除了具有更高的集成度外，主振已达20MHz,20MHz,其性能也比其性能也比8 8位、位、1616位单片机更加优越。位单片机更加优越。2、单片机的主要技术发展方向、单片机的主要技术发展方向v 综观单片机20多年的发展过程，再从半导体集成电路技术的发展和微电子设计技术的发展，我们可以预见未来单片机技术发展的趋势。单片机将朝着大容量高性能化、小容量低价格化、外围电路的内装化以及I/O接口功能的增强、功耗降低等方向发展。v(1)单片机的大容量化 单片机内存储器容量进一步扩大。v(2)单片机的高性能化 加快指令运算速度，提高系统控制的可靠性，加强位处理功能、中断与定时控制功能。v(3)单片机的小容量低廉化 小容量低廉的4位、8位机也是单片机发展方向之一。v(4)单片机的外围电路内装化 把众多的外围功能器件集成到单片机内。v(5)单片机将实现全面的低功耗管理 高可靠性，降低工作电压，可使抗噪声和抗干扰等各方面性能全面提高。1.4 单片机主要产品简介单片机主要产品简介 v(1)Intel公司系列单片机 Intel公司的系列单片机可分为MCS51、MCS96两个系列。Intel的单片机每一类芯片的ROM根据型号一般有片内掩膜ROM、片内EPROM和外接EPROM三种方式，这是Intel公司的首创，现已成为单片机的统一规范。最近Intel公司又推出了片内带E2PROM型单片机。片内掩膜ROM型单片机适合于已定型的产品，可以大批量生产；片内带EPROM型、外接EPROM型及片内带E2PROM型单片机适合于研制产品和生产产品样机。MCS51系列单片机的性能如P6的表1-1所示。(2)PHILIPS公司单片机公司单片机vPHILIPS公司生产与MCS51兼容的80C5l系列单片机，片内具有IC总线、A/D转换器、定时监视器等丰富的外围部件。其主要产品有80C51、80C52、80C31、80C32、80C528、80C552、80C562、80C751等，其中83C552功能最强，83C751体积最小。vPHILIPS单片机的特点是具有I2C总线，这是一种串行通信总线。可以通过I2C总线对系统进行扩展，使单片机系统结构更简单，体积更小。I2C总线也可用于多机通信。(3)Motorola公司单片机公司单片机v Motorola公司的单片机从应用角度可以分成两类，即高性能的通用型单片机和面向家用消费领域的专用型单片机。MC68HC05系列单片机的特性如P7表l-2所示。v 通用型单片机具有代表性的是MC68HC11系列，有几十种型号。其典型产品为MC68HC11A8，具有准16位的CPU、8KB ROM、256B RAM、512B E2PROM、16位9功能定时器、38位I/O口线、2个串行口、8位脉冲累加器、8路8位A/D转换器、Watchdog、17个中断向量等功能，可单片工作，也可以扩展方式工作。v 专用型单片机性能价格比较高，应用时一般采用“单片”形式，原则上一块单片机就是整个控制系统。这类单片机无法外接存储，如MC68HC05/MC68HC04系列。(4)ATMEL51系列单片机系列单片机vATMEL公司生产的CMOS型51系列单片机，具有MCS51内核，用Flash ROM代替ROM作为程序存储器，具有价格低、编程方便等优点。例如，89C51就是拥有4KB Flash ROM的单片机。vATMEL公司生产的单片机主要有89C51、89F51、89C52、89LV52、89C55等。(5)Microchip公司的单片机公司的单片机v Microchip公司推出了PIC16C5X系列单片机。它的典型产品PIC16C57具有8位CPU、2K12位E2PROM程序存储器、808位RAM、1个8位定时器/计数器、21根I/O口线等硬件资源。指令系统采用RISC指令，拥有33条基本指令，指令长度为12位，工作速度较高。主要产品有PIC16C54，PIC16C56等。(6)Zilog公司的单片机公司的单片机v Zilog公司推出的Z8系列单片机是一种中档8位单片机。它的典型产品为Z8601，具有8位CPU、2KB ROM、124B RAM、2个8位定时器/计数器、32位I/O口线、1个异步串行通信口、6个中断向量等。主要产品型号有Z8600/10、Z8601/11、Z86C06、Z86C21、Z86C40、Z86C93等。451.5 单片机应用系统开发过程单片机应用系统开发过程1.5.1 1.5.1 指令及目标码指令及目标码NoteNote：v 单片机自身无开发能力，须借助单片机自身无开发能力，须借助开发机开发机完成：完成：排除硬件故障和软件错误；排除硬件故障和软件错误；程序固化到程序存储器芯片中。程序固化到程序存储器芯片中。正确的正确的硬件设计硬件设计和良好的和良好的软件功能设计软件功能设计是一个实是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成该目标的过用的单片机应用系统的设计目标。完成该目标的过程称为程称为单片机应用系统的开发单片机应用系统的开发。2022/10/2546 指令的表示形式 指令是让单片机执行某种操作的命令，按一定的顺序以二进制码的形式存放于程序存储器。如：04H04H04H04H:累加器累加器累加器累加器A A A A的内容加的内容加的内容加的内容加1 1 1 1，难记！，难记！，难记！，难记！0000 0100B0000 0100B04H04HINC AINC AINC AINC A，记忆容易。，记忆容易。，记忆容易。，记忆容易。称为符号指令。称为符号指令。称为符号指令。称为符号指令。2022/10/25471.4.2 1.4.2 开发过程开发过程 电路板制作 使用使用Protel99SEProtel99SE软件设计软件设计 制版、安装器件、焊接制版、安装器件、焊接2022/10/2548 目标文件生成 利用利用Vision生成目标文件生成目标文件 仿真：软件仿真、硬件仿真仿真：软件仿真、硬件仿真软件界面软件界面硬件仿真器硬件仿真器2022/10/2549 目标程序烧写 利用编程器利用编程器 编程器编程器单片机开发技术的进展：单片机开发技术的进展：在系统编程技术在系统编程技术单片机可以先焊在电路板上。如：单片机可以先焊在电路板上。如：AT89S52AT89S52 在应用编程技术在应用编程技术具有具有ISPISP及及IAPIAP能力。如：能力。如：SST89E58SST89E58 2022/10/25501.5 Vision集成开发环境简介集成开发环境简介1.5.1 1.5.1 VisionVision的界面的界面511.5.2 1.5.2 目标程序的生成目标程序的生成 建立工程、配置工程、编译工程521.5.3 1.5.3 仿真调试仿真调试 软件模拟软件模拟-用于算法模拟用于算法模拟 硬件仿真硬件仿真-用于硬件调试用于硬件调试 调试步骤：调试步骤：DebugDebug菜单，单击菜单，单击Start/Stop Debug SessionStart/Stop Debug Session 选择选择DebugDebug菜单的菜单的RunRun或或StepStep等命令等命令 观察观察存储器存储器、寄存器寄存器、片内外设片内外设等状态等状态*灵活利用灵活利用虚拟串口虚拟串口与与单片机串口单片机串口交互信息交互信息v思考题思考题1-1 什么是单片机？它与一般微型计算机在结构上有何区别？1-2 单片机的发展大致可分为几个阶段？各阶段的单片机功能特点是什么？53