微机控制系统与应用2ppt课件.ppt

微机控制系统与应用2ppt课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2.1 MCS-51系列单片机概述2微型计算机技术主要形成两大分支微型计算机技术主要形成两大分支 n通用微处理器（通用微处理器（MPUMPU）：）：用在海量数值计算方面，以满足数字用在海量数值计算方面，以满足数字 模拟、仿真、数字信号处理、图模拟、仿真、数字信号处理、图像分析、人工智能等领域的要求像分析、人工智能等领域的要求 n微控制机（微控制机（MCUMCU）：）：用来满足快速实时地信号采集、判断、处理、参数控制用来满足快速实时地信号采集、判断、处理、参数控制2.1 MCS-51系列单片机概述什么是单片机？什么是单片机？【计算机构成【计算机构成】：CPUCPU（进行运算、控制）、（进行运算、控制）、RAMRAM（数据存储）、（数据存储）、ROMROM（程序存储）、输入（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行口等）输出设备（例如：串行口、并行口等）【单片机【单片机(Single Chip Micro Computer)(Single Chip Micro Computer)】：】：是在一个芯片上集成了一台是在一个芯片上集成了一台计算机的主要组成部件，如计算机的主要组成部件，如CPUCPU、RAMRAM、ROMROM（EPROMEPROM）、计数）、计数/定定时器、时器、I/OI/O接口等，高档系列中还集成有接口等，高档系列中还集成有A/DA/D、D/AD/A、PWMPWM、高速、高速I/OI/O等扩展部件。等扩展部件。342.1 MCS-51系列单片机概述单片机的历史发展过程：单片机的历史发展过程：第一代单片机（第一代单片机（19761976年）：年）：实现了单个芯片上的计算机集成实现了单个芯片上的计算机集成 ，以，以IntelIntel的的MCS-48MCS-48为代表，技术特点是采用了专门的结构设计，将为代表，技术特点是采用了专门的结构设计，将CPUCPU以及外围以及外围单元集成在一块芯片上；指令系统设计面向控制功能的要求，具有很强的控单元集成在一块芯片上；指令系统设计面向控制功能的要求，具有很强的控制功能。制功能。第二代单片机：第二代单片机：以以IntelIntel的的MCS-51MCS-51系列为代表，技术特点是完善了外部系列为代表，技术特点是完善了外部总线；在指令系统中增加了位操作指令；并在指令系统中增加了条件和无条总线；在指令系统中增加了位操作指令；并在指令系统中增加了条件和无条件跳转指令。件跳转指令。第三代单片机：第三代单片机：技术特点是全速发展单片机的控制功能。这一时期的综技术特点是全速发展单片机的控制功能。这一时期的综合特点是发展了非总线形单片机，尽可能将外围接口电路做在片内形成单片合特点是发展了非总线形单片机，尽可能将外围接口电路做在片内形成单片机系统；并推出了具有串行扩展总线的产品；以及发展了具有良好控制功能机系统；并推出了具有串行扩展总线的产品；以及发展了具有良好控制功能的控制网络总线。的控制网络总线。2.1 MCS-51系列单片机概述MCS-51MCS-51系列单片机系列单片机：由美国由美国IntelIntel公司在公司在2020世纪世纪7070年代开发，其核心技术公开给年代开发，其核心技术公开给Philips,Siemens,AMD,AtmelPhilips,Siemens,AMD,Atmel等著名等著名ICIC制造厂商，已有制造厂商，已有100100多种型号的多种型号的5151系列单片机问世。系列单片机问世。2020世纪世纪8080年代，年代，5151系列单系列单片机在我国开始使用，目前已成为家用电器、仪器仪表、工片机在我国开始使用，目前已成为家用电器、仪器仪表、工业测控等领域使用的主流单片机。业测控等领域使用的主流单片机。52.1 MCS-51系列单片机概述67指令：指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者更改。例如：更改。例如：MOV A,R0 MOV A,R0 机器码为机器码为1110111101000000地址：地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据。是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据。内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有的（详见程序的执行过程）。的（详见程序的执行过程）。【指令、地址、数据】【指令、地址、数据】一串一串0和和1组成的序列组成的序列 2.2 硬件结构和引脚功能8数据：数据：这是由微处理机处理的对象。这是由微处理机处理的对象。数据在各种不同的应用场合中表达的含义各不相同，一般而言，数据在各种不同的应用场合中表达的含义各不相同，一般而言，被处理的数据可能有这么几种情况：被处理的数据可能有这么几种情况：1常数（如常数（如MOV TH0，#10H）10H即定时常数。即定时常数。2地址（如地址（如MOV DPTR，#1000H），即地址），即地址1000H送入送入DPTR。3方式字或控制字（如方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），），3即是控制字。即是控制字。4实际输出值实际输出值（如（如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：MOV P1，#0FFH；要灯全暗，则执行指令：；要灯全暗，则执行指令：MOV P1，#00H），这），这里里0FFH和和00H都是实际输出值。又如用于都是实际输出值。又如用于LED的字形码，也是实际输出的字形码，也是实际输出的值。的值。2.2 硬件结构和引脚功能9【总线】【总线】计算机中所有器件共同享用的连线。所有器件的数据线全部接到计算机中所有器件共同享用的连线。所有器件的数据线全部接到公用的线上，即相当于各个器件并联起来，并且分时工作。公用的线上，即相当于各个器件并联起来，并且分时工作。数据总线、控制总线、地址总线数据总线、控制总线、地址总线2.2 硬件结构和引脚功能2.2 硬件结构和引脚功能2.2.1 2.2.1 硬件部分（硬件部分（80518051）10图图2.2 MCS-512.2 MCS-51单片机引脚图单片机引脚图（a a）引脚排列）引脚排列（b b）逻辑符号）逻辑符号2.2.2 2.2.2 引脚功能引脚功能112.2 硬件结构和引脚功能MCS-51MCS-51系列单片机有系列单片机有4040个引脚，按功能分为个引脚，按功能分为4 4类：类：1 1 电源电源 VccVcc：+5V+5V电源电源 VssVss：接地端接地端2 2 晶体振荡晶体振荡 XTAL1XTAL1：晶体震荡电路的反相输入端晶体震荡电路的反相输入端 XTAL2 XTAL2：晶体震荡电路的反相输出端晶体震荡电路的反相输出端3 3 控制信号控制信号 EA/VppEA/Vpp：片内、外程序存储器选择（输入信号）片内、外程序存储器选择（输入信号）/编程电源编程电源（输出信号）（输出信号）。“0”“0”：CPUCPU只访问片外只访问片外ROMROM “1”“1”：根据指令可访问片内、外根据指令可访问片内、外ROMROM 8751 8751编程时，接编程时，接21V21V编程电源编程电源12ALE/PROGALE/PROG：地址锁存允许（输出信号）地址锁存允许（输出信号）/编程脉冲（输入信号）编程脉冲（输入信号）ALEALE输出为脉冲信号，其频率是振荡频率的输出为脉冲信号，其频率是振荡频率的1/61/6。“1”“1”：P0P0口传送低口传送低8 8位地址（位地址（A0A0 A7A7）“0”“0”：P0P0口传送数据信息口传送数据信息87518751编程时，输入编程脉冲编程时，输入编程脉冲PSENPSEN：外部程序存储器读选通信号（输出信号）外部程序存储器读选通信号（输出信号），低电平有效。，低电平有效。RST/VPDRST/VPD：复位信号（输入信号）复位信号（输入信号），高电平（持续，高电平（持续2 2个机器周期个机器周期以上）有效。以上）有效。VccVcc掉电时，可外接备用电源。掉电时，可外接备用电源。2.2 硬件结构和引脚功能132.2 硬件结构和引脚功能4 I/O4 I/O端口端口P0P0口口：在当无片外存储器时，在当无片外存储器时，P0P0口做为一个口做为一个8 8位双向位双向I/OI/O端口使用。端口使用。访问片外存储器时，访问片外存储器时，P0P0口做为一个口做为一个8 8位双向位双向I/OI/O端口，在端口，在ALEALE信号配信号配合下，分时传送低合下，分时传送低8 8位地址信息和位地址信息和8 8位数据信息。位数据信息。1415P1P1口口：8 8位准双向位准双向I/OI/O端口。端口。准双向：当端口作为输入口时，要先向锁存器写准双向：当端口作为输入口时，要先向锁存器写1 1，才能够，才能够正确的读入引脚的信息；由于正确的读入引脚的信息；由于5151系列复位后四个锁存器都置系列复位后四个锁存器都置FFFF，所以一般可以直接作为双向口使用，所以一般可以直接作为双向口使用 。P2P2口口：当无片外存储器时，当无片外存储器时，P2P2口可做为一个口可做为一个8 8位准双向位准双向I/OI/O端口使用。端口使用。在访问片外存储器时，在访问片外存储器时，P2P2口传送高口传送高8 8位地址信息。位地址信息。P3P3口口：8 8位准双向位准双向I/OI/O端口。系统扩展时，端口。系统扩展时，P3P3口各引脚具有表口各引脚具有表2.22.2所所示的第二功能。示的第二功能。P0P0口、口、P2P2口和口和P3P3口的第二功能用法：各端口的第二功能完全是自动的，口的第二功能用法：各端口的第二功能完全是自动的，不需要用指令来转换。不需要用指令来转换。读端口读端口：也称为读锁存器，是从锁存器中读数据，进行处理，并把处：也称为读锁存器，是从锁存器中读数据，进行处理，并把处理后的数据重新写入锁存器，这类指令称为理后的数据重新写入锁存器，这类指令称为“读修改写指令读修改写指令”。一。一般当目的操作数为般当目的操作数为I/OI/O口或口或I/OI/O中的一位时，为此类指令。中的一位时，为此类指令。例如：例如：XRL P0,A 读引脚读引脚：一般都是以：一般都是以I/OI/O口作为源操作数。执行指令时，打开三态门，口作为源操作数。执行指令时，打开三态门，输入引脚的状态。在执行指令后，口锁存器的状态与引脚相同。但一旦输入引脚的状态。在执行指令后，口锁存器的状态与引脚相同。但一旦给口锁存器写入某一状态后，锁存器的状态不一定同引脚的状态相一致。给口锁存器写入某一状态后，锁存器的状态不一定同引脚的状态相一致。例如：例如：MOV A,P016图图2.4 MCS-512.4 MCS-51单片机片外三总线结构图单片机片外三总线结构图 图图2.42.4所示为单片所示为单片机系统扩展时的片外机系统扩展时的片外三总线结构图。三总线结构图。地址总线地址总线ABAB：1616位，位，P2P2口传送口传送A8A8 A15A15，P0P0口（锁存后）传送口（锁存后）传送A0A0 A7A7。数据总线数据总线DBDB：8 8位，位，由由P0P0口传送口传送D0D0 D7D7。控制总线控制总线CBCB：由由P3P3口的第二功能和口的第二功能和PSENPSEN、EAEA、ALEALE、RSTRST组成。组成。172.3 中央处理器与存储器组织2.3.1 2.3.1 中央处理器中央处理器 MCS-51 MCS-51系列单片机的中央处理器由运算单元、控制单元和时钟电系列单片机的中央处理器由运算单元、控制单元和时钟电路组成。路组成。1 1 运算单元运算单元 由算术由算术/逻辑运算部件逻辑运算部件ALUALU、暂存器、暂存器1 1、暂存器、暂存器2 2、累加器、累加器ACCACC、寄、寄存器存器B B、状态寄存器、状态寄存器PSWPSW组成。组成。ALUALU：算术算术/逻辑运算逻辑运算 暂存器暂存器1 1、22：暂存运算的中间结果暂存运算的中间结果 ACC ACC：存放参与运算的数据和运算结果存放参与运算的数据和运算结果 BB：乘法运算存放一个乘数和积的高乘法运算存放一个乘数和积的高8 8位，除法运算存放除数和余位，除法运算存放除数和余数，其它指令运算时可做数，其它指令运算时可做暂存器使用暂存器使用182.3 中央处理器与存储器组织PSWPSW：状态字寄存器，存放运算结果的状态标志状态字寄存器，存放运算结果的状态标志 CY CY：进位标志；位处理器：进位标志；位处理器C C（位运算时与（位运算时与ACCACC类似）类似）AC AC：辅助进位标志，主要用于：辅助进位标志，主要用于2-102-10进制运算进制运算 FO FO：用户自定义标志：用户自定义标志 RS1 RS1，RS0RS0：工作寄存器：工作寄存器R0R0R7R7选择选择00 00 选用第选用第0 0组工作寄存器（组工作寄存器（00H00H07H07H）为）为R0R0R7R7；01 01 选用第选用第1 1组工作寄存器（组工作寄存器（08H08H0FH0FH）为）为R0R0R7R7；10 10 选用第选用第2 2组工作寄存器（组工作寄存器（10H10H17H17H）为）为R0R0R7R7；11 11 选用第选用第3 3组工作寄存器（组工作寄存器（18H18H1FH1FH）为）为R0R0R7R7。OV OV：溢出标志，主要用于补码运算：溢出标志，主要用于补码运算 X X：保留位：保留位 P P：奇偶标志（奇校验，为：奇偶标志（奇校验，为1 1时表明结果中时表明结果中“1”“1”的个数为奇数个）的个数为奇数个）192.3 中央处理器与存储器组织2 2 控制单元控制单元 由定时控制逻辑、指令寄存器、译码器、数据地址指针寄存器由定时控制逻辑、指令寄存器、译码器、数据地址指针寄存器DPTRDPTR、程序计数器程序计数器PCPC组成。组成。单片机程序执行过程：单片机程序执行过程：（1 1）根据）根据PCPC，从程序存储器中取出一条指令，送入指令寄存器，从程序存储器中取出一条指令，送入指令寄存器，PCPC指向下一条指令的存放地址；指向下一条指令的存放地址；（2 2）对指令寄存器中的指令译码，产生相应的操作命令、控制信号，）对指令寄存器中的指令译码，产生相应的操作命令、控制信号，读取所需的操作数；读取所需的操作数；（3 3）对操作数执行指令规定的运算，将运算结果存入指定的寄存器或）对操作数执行指令规定的运算，将运算结果存入指定的寄存器或存储单元，并修改存储单元，并修改PSWPSW中的标志位；中的标志位；（4 4）返回（）返回（1 1），循环执行。），循环执行。202.3 中央处理器与存储器组织3 3 时钟电路与时序时钟电路与时序 时钟电路产生单片时钟电路产生单片机工作所需的时序节机工作所需的时序节拍。拍。212.3 中央处理器与存储器组织 振荡信号振荡信号：XTAL2XTAL2引脚的信号，为引脚的信号，为石英晶体或外部振荡信号，振荡频石英晶体或外部振荡信号，振荡频率常用率常用6MHz6MHz、11.0592MHz11.0592MHz或或12MHz12MHz，用，用f foscosc表示，对应的周期称为表示，对应的周期称为振荡周期。振荡周期。时钟信号时钟信号：时钟发生器的输出信号时钟发生器的输出信号P1P1、P2P2，是单片机的工作时序节拍，是单片机的工作时序节拍，P1P1控制算术逻辑运算的操作，控制算术逻辑运算的操作，P2P2控制寄存器之间的数据传输，频率为控制寄存器之间的数据传输，频率为f foscosc/2/2，周期等于周期等于2 2倍振荡周期，称为时钟周期倍振荡周期，称为时钟周期/状态。状态。机器周期机器周期：由由6 6个时钟周期（个时钟周期（1212个振荡周期，分为个振荡周期，分为6 6个状态）组成，是个状态）组成，是指令执行的最小单位。指令执行的最小单位。22232.3 中央处理器与存储器组织2.3.2 2.3.2 存储器组织存储器组织 MCS-51 MCS-51单片机的存储器分为程序存储器和数据存储器两种。指单片机的存储器分为程序存储器和数据存储器两种。指令系统为不同的存储器访问提供了不同的寻址方式，可以灵活、方令系统为不同的存储器访问提供了不同的寻址方式，可以灵活、方便、高效地实现存储器的访问操作。便、高效地实现存储器的访问操作。8051 8051单片机有单片机有4 4种存储器地址空间：种存储器地址空间：（1 1）4KB4KB片内程序存储器片内程序存储器（2 2）60KB60KB片外程序存储器片外程序存储器（3 3）128B128B片内数据存储器片内数据存储器（4 4）64KB64KB的片外数据存储器。的片外数据存储器。存储器空间分配如图存储器空间分配如图2.92.9所示。所示。242.3 中央处理器与存储器组织图图2.2.MCS-51 MCS-51单片机存储器组织空间配置单片机存储器组织空间配置251 1 程序存储器程序存储器 程序存储器用于存放程序代码、常数和表格，由片内存储器和片外程序存储器用于存放程序代码、常数和表格，由片内存储器和片外存储器两部分组成，用存储器两部分组成，用1616位的程序计数器位的程序计数器PCPC作为其地址指针。作为其地址指针。8051 8051单片机由单片机由1616位位PCPC和和1616条地址线来寻址程序存储器的，所以程条地址线来寻址程序存储器的，所以程序存储器最大容量为序存储器最大容量为64KB64KB。若。若EAEA引脚接高电平，则单片机根据引脚接高电平，则单片机根据PCPC中中的地址值自动执行片内程序存储器的地址值自动执行片内程序存储器(0000H-0FFFH)(0000H-0FFFH)或片外程序存储器或片外程序存储器(1000H-FFFFH)(1000H-FFFFH)中的程序，当中的程序，当EAEA接低电平时，单片机只能执行片外接低电平时，单片机只能执行片外程序存储器中的程序。程序存储器中的程序。单片机访问片外程序存储器时，使用单片机访问片外程序存储器时，使用MOVCMOVC指令，需要指令，需要ALEALE和和PSENPSEN信号配合。信号配合。访问内部程序存储器的速度同访问外部程序存储器速度一致。访问内部程序存储器的速度同访问外部程序存储器速度一致。2.3 中央处理器与存储器组织26 原则上，程序或表格常数可放置在程序存储器中的任何地方，原则上，程序或表格常数可放置在程序存储器中的任何地方，但地址为但地址为0000H-0023H0000H-0023H的单元有特殊安排。的单元有特殊安排。特殊程序存储单元特殊程序存储单元：0000H 0000H：系统复位后的程序入口地址：系统复位后的程序入口地址 0003H 0003H：外部中断：外部中断0 0中断服务程序入口地址中断服务程序入口地址 000BH 000BH：定时：定时/计数器计数器0 0中断服务程序入口地址中断服务程序入口地址 0013H 0013H：外部中断：外部中断1 1中断服务程序入口地址中断服务程序入口地址 001BH 001BH：定时：定时/计数计数1 1中断服务程序入口地址中断服务程序入口地址 0023H 0023H：串行通信中断服务程序入口地址：串行通信中断服务程序入口地址 常常在从这些地址开始的常常在从这些地址开始的3 3个单元中各放上一条绝对跳转指令个单元中各放上一条绝对跳转指令(LJMP)(LJMP)指令，跳转到相应的程序入口地址上。指令，跳转到相应的程序入口地址上。2.3 中央处理器与存储器组织272.3 中央处理器与存储器组织2 2 数据存储器数据存储器 数据存储器用于存放程序运行的数据以及运算结果，由片内存储器数据存储器用于存放程序运行的数据以及运算结果，由片内存储器和片外存储器两部分组成。和片外存储器两部分组成。（1 1）片外数据存储器）片外数据存储器 片外数据存储器用片外数据存储器用1616位的数据地址寄存器位的数据地址寄存器DPTRDPTR间接寻址，所以最间接寻址，所以最大可扩展为大可扩展为64KB64KB。使用。使用MOVXMOVX指令访问外部数据存储器或外部扩展指令访问外部数据存储器或外部扩展的的I/OI/O接口，需要接口，需要RDRD和和WRWR信号配合。信号配合。（2 2）片内数据存储器）片内数据存储器 片内数据存储器在物理上分为两个独立的区域：片内数据存储器在物理上分为两个独立的区域：RAMRAM的低的低128B128B和和高高128B128B的特殊功能寄存器的特殊功能寄存器(SFR(SFR，2121个个)区。区。28图图2.10 2.10 片内存储器地址空间片内存储器地址空间 片内片内RAMRAM低低128B128B 是读写速度最快、是读写速度最快、操作最方便的数据存储操作最方便的数据存储器。器。00H 00H1FH1FH：4 4组工组工作寄存器作寄存器R0R0R7R7单元；单元；20H 20H2FH2FH：可按字可按字节和位两种方式寻址单节和位两种方式寻址单元；元；30H 30H7FH7FH：只能按只能按字节方式寻址单元。字节方式寻址单元。29 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRSFR）是用来对片内各功能模块进行管理、控制、监视）是用来对片内各功能模块进行管理、控制、监视的多个数据寄存器。单片机内部的的多个数据寄存器。单片机内部的I/OI/O端口、定时器端口、定时器/计数器、串行口等都以计数器、串行口等都以特殊功能寄存器的形式表示，分布在特殊功能寄存器的形式表示，分布在80H-FFH80H-FFH的的RAMRAM地址空间范围内，特地址空间范围内，特殊功能寄存器的内部殊功能寄存器的内部RAMRAM地址如表地址如表2.42.4所示（所示（P24P24）。）。特殊功能寄存器可归纳为特殊功能寄存器可归纳为5 5类：类：CPUCPU：ACCACC，B B，PSWPSW，DPTRDPTR（DPHDPH和和DPLDPL），），SPSP 并行口：并行口：P0P0，P1P1，P2P2，P3P3 串行口：串行口：SCONSCON，SBUFSBUF，PCONPCON 定时定时/计数器：计数器：TMODTMOD，TCONTCON，T0T0（TL0TL0和和TH0TH0），），T1T1（TL1TL1和和TH1TH1）中断：中断：IEIE，IPIP2.3 中央处理器与存储器组织302.3 中央处理器与存储器组织【堆栈指针寄存器【堆栈指针寄存器SPSP】用于存放堆栈的栈顶在用于存放堆栈的栈顶在RAMRAM中地址，复位时中地址，复位时(SP)=07H(SP)=07H。堆栈是一种堆栈是一种“先入后出先入后出”表（表（LIFOLIFO表），只能采用表），只能采用PUSHPUSH和和POPPOP指指令操作堆栈。如图令操作堆栈。如图2.112.11所示。所示。31【堆栈【堆栈 】内部内部RAMRAM存放数据的区域，存放数据的区域，先进后出，后进先出先进后出，后进先出，专有指令，专有指令2.4 复位方式与掉电保护 当单片机的当单片机的RSTRST引脚保持引脚保持2 2个机器周期以上宽度的高电平（上电或通个机器周期以上宽度的高电平（上电或通过按键方式）时，系统进入复位状态，此时片内各寄存器的初始化状态过按键方式）时，系统进入复位状态，此时片内各寄存器的初始化状态如下：如下：322.5 单片机内的其它内部资源 串行口串行口：1 1个可编程、全双工的串行接口，个可编程、全双工的串行接口，SCONSCON设置工作方式，设置工作方式，通过读写通过读写SBUFSBUF（串行数据缓冲器）实现串行通信。（串行数据缓冲器）实现串行通信。定时定时/计数计数：2 2个个1616位可编程的定时位可编程的定时/计数器计数器T0T0、T1T1，使用，使用TMODTMOD设置工作方式，设置工作方式，TCONTCON控制启动、停止和中断，控制启动、停止和中断，TH0TH0、TL0TL0、TH1TH1、TL1TL1存放定时存放定时/计数值。计数值。中断系统中断系统：5 5个独立的中断源（外部中断个独立的中断源（外部中断0 0、外部中断、外部中断1 1、定时、定时/计计数中断数中断0 0、定时、定时/计数中断计数中断1 1、串行中断），、串行中断），2 2个优先级别。通过个优先级别。通过IEIE允许或禁止每个中断，允许或禁止每个中断，IPIP设置优先级别。设置优先级别。3334