1-1单片机概述解析.ppt

单片机原理与接口技术单片机原理与接口技术第一章MCS-51单片机系统结构第二章MSC-51单片机的指令系统第三章汇编语言程序设计第六章模拟量输入/输出通道第四章单片机的中断系统和定时/计数器单片机原理与接口技术单片机原理与接口技术第五章单片机的串行通信第七章8255A可编程并行接口芯片第八章8279可编程键盘/显示接口芯片n主要内容主要内容 概述概述 单片机的内部结构和外部引脚单片机的内部结构和外部引脚 MCS-51单片机的存储器配置单片机的存储器配置 单片机输入单片机输入/输出接口电路输出接口电路 单片机的外围电路单片机的外围电路第一章第一章MCS-51单片机系统结构单片机系统结构一、嵌入式系统与单片机一、嵌入式系统与单片机 计算机的发展经历了四个发展阶段：电子管、计算机的发展经历了四个发展阶段：电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路阶段。晶体管、集成电路和大规模集成电路阶段。微型计算机属于第四代计算机，于微型计算机属于第四代计算机，于1971年问年问世以来，随着大规模集成电路技术的不断发展导世以来，随着大规模集成电路技术的不断发展导致微型计算机向两个主要的方向发展：致微型计算机向两个主要的方向发展：1.1 1.1 概述概述一方面是向高速度、高性能的通用计算机方向一方面是向高速度、高性能的通用计算机方向发展；发展；另一方面向稳定可靠，小而廉的嵌入式计算机另一方面向稳定可靠，小而廉的嵌入式计算机方向发展。方向发展。通用计算机是指具有数值计算、信息处理、多通用计算机是指具有数值计算、信息处理、多媒体和网络应用等功能的计算机。常用的媒体和网络应用等功能的计算机。常用的PC机就机就属于此类计算机。属于此类计算机。嵌入式计算机是指具有对象交互、嵌入式应用、嵌入式计算机是指具有对象交互、嵌入式应用、I/O管理功能的计算机。这类计算机又叫专用计算管理功能的计算机。这类计算机又叫专用计算机，如单片机、机，如单片机、DSP、MCU等。等。1.嵌入式系统嵌入式系统（1）概念）概念 嵌入式系统是实现嵌入式应用，无通用计算机嵌入式系统是实现嵌入式应用，无通用计算机形态和功能的专用计算机系统。形态和功能的专用计算机系统。（2）特点）特点 嵌入性，专用性，计算机系统嵌入性，专用性，计算机系统（3）种类）种类按存在形态可分为：按存在形态可分为：系统级工控机：将通用计算机加固而成，具有通系统级工控机：将通用计算机加固而成，具有通用计算机的形态、操作系统，开发方便但造价高。用计算机的形态、操作系统，开发方便但造价高。系统级工控机系统级工控机板级板级芯片级芯片级CPU芯片芯片内存条内存条存储器接口存储器接口存储器芯片存储器芯片输入输出接口输入输出接口输入输出接口输入输出接口芯片芯片定时计数器定时计数器芯片芯片A/D、D/A芯片芯片单板机 印印 刷刷 电电 路路 板板板级：以通用微处理器为核心板级：以通用微处理器为核心构成功能模块。构成功能模块。芯片级：真正的嵌入式系统。芯片级：真正的嵌入式系统。单单 硅硅 晶晶 片片 CPU存储器存储器控制电路控制电路定时器定时器时钟电路时钟电路I/O口口单片机2.单片机（单片机（Single Chip Microcomputer）(1)概念概念 所谓单片机，就是把中央处理器所谓单片机，就是把中央处理器CPU，存储，存储器（器（RAM，ROM），定时器），定时器/计数器以及计数器以及I/O接口电路等主要的计算机部件集成在一块集成电接口电路等主要的计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。路芯片上的微型计算机。（2）内部结构）内部结构 虽然单片机只是一个芯片，但从其组成和功虽然单片机只是一个芯片，但从其组成和功能上可看，它已经具有了微型计算机系统的含义。能上可看，它已经具有了微型计算机系统的含义。(3)单片机的特点单片机的特点 单片机具有嵌入式系统的所有特点：单片机具有嵌入式系统的所有特点：单片机集成有存储器，存储器的容量和它所占单片机集成有存储器，存储器的容量和它所占用的芯片面积成比例。由于集成度的限制，单片用的芯片面积成比例。由于集成度的限制，单片机内存贮器容量不会很大，但可以根据需要在片机内存贮器容量不会很大，但可以根据需要在片外扩展存贮器。外扩展存贮器。单片机内的单片机内的ROM和和RAM严格分工：严格分工：ROM为程序存贮器，只存放程序指令，常数及为程序存贮器，只存放程序指令，常数及数据表格；数据表格；RAM则为数据存贮器。则为数据存贮器。为满足工业控制的需要，有很强的位处理能力。为满足工业控制的需要，有很强的位处理能力。其逻辑控制功能，在许多方面也都优于现在流行其逻辑控制功能，在许多方面也都优于现在流行的通用微处理器，计算机的运行速度也较高。的通用微处理器，计算机的运行速度也较高。引脚的分时复用功能。引脚的分时复用功能。通用微处理器的引线功能，一般都是固定的，如通用微处理器的引线功能，一般都是固定的，如有的作地址总线，有的则作为数据总线或控制总有的作地址总线，有的则作为数据总线或控制总线。单片机上带有接口电路，需要的引脚就较多，线。单片机上带有接口电路，需要的引脚就较多，但由于工艺和成品率的关系，芯片上的引脚不能但由于工艺和成品率的关系，芯片上的引脚不能太多，如太多，如8位单片机的芯片引脚为位单片机的芯片引脚为40条。为了解条。为了解决实际引脚数和需要的引出线数的矛盾，单片机决实际引脚数和需要的引出线数的矛盾，单片机的引脚一般都是多功能的。每条线在一定时刻起的引脚一般都是多功能的。每条线在一定时刻起到什么作用，由指令及机器状态来区分。到什么作用，由指令及机器状态来区分。单片机内一般只存放用户调试好的应用程序，而单片机内一般只存放用户调试好的应用程序，而不存放通用的系统软件，如监控程序、汇编程序。不存放通用的系统软件，如监控程序、汇编程序。但近年来也开始出现了在片内固化有但近年来也开始出现了在片内固化有BASIC语语言、言、FORTH语言的单片机。语言的单片机。系列齐全，功能扩展性强。可从外部对系列齐全，功能扩展性强。可从外部对ROM、RAM及及I/O接口进行扩充，与许多微机通用接接口进行扩充，与许多微机通用接口芯片兼容。口芯片兼容。单片机把微型计算机的各个部分集成在一块单片机把微型计算机的各个部分集成在一块芯片上，大大缩短了系统内信号传送距离，从而芯片上，大大缩短了系统内信号传送距离，从而提高了系统的可靠性及运行速度。因而，在工业提高了系统的可靠性及运行速度。因而，在工业测控领域中，单片机系统是最理想的控制系统。测控领域中，单片机系统是最理想的控制系统。1974年年，美美国国仙仙童童公公司司首首先先推推出出第第一一款款单单片片机机F-8，由由此此单单片片机机开开始始迅迅速速发发展展。通通常常可可以以把把单单片片机的发展历史划分为四个阶段：机的发展历史划分为四个阶段：第第一一阶阶段段（19761978年年）：低低性性能能单单片片机机的的探探索索阶阶段段。以以Intel公公司司的的MCS-48为为代代表表，采采用用了了单单片片结结构构，即即在在一一块块芯芯片片内内含含有有8位位CPU、定定时时/计计数数器器、并并行行I/O口口、RAM和和ROM等等。主主要要用于工业领域。用于工业领域。第第二二阶阶段段（19781982年年）：高高性性能能单单片片机机阶阶段段，这这一一类类单单片片机机带带有有串串行行I/O口口，8位位数数据据线线、16位位地地址址线线可可以以寻寻址址的的范范围围达达到到64K字字节节、控控制制总总线线、较较丰丰富富的的指指令令系系统统等等。这这类类单单片片机机的的应应用用范范围较广，并在不断的改进和发展。围较广，并在不断的改进和发展。二、单片机的发展二、单片机的发展 第第三三阶阶段段（19821990年年）：16位位单单片片机机阶阶段段。16位位单单片片机机除除CPU为为16位位外外，片片内内RAM和和ROM容容量量进进一一步步增增大大，实实时时处处理理能能力力更更强强，体体现现了了微微控控制制器器的的特特征征。例例如如Intel公公司司的的MCS-96主主振振频频率率为为12M，片片内内RAM为为232字字节节，ROM为为8K字字节节，中中断断处处理理能能力力为为8级级，片片内内带带有有10位位A/D转转换换器器和和高高速速输输入入/输输出出部部件件等。等。第第四四阶阶段段（1990年年）：微微控控制制器器的的全全面面发发展展阶阶段段，各各公公司司的的产产品品在在尽尽量量兼兼容容的的同同时时，向向高高速速、强强运运算算能能力力、寻寻址址范范围围大大以以及及小小型型廉廉价价方方面面发展。发展。三、三、MCS-51系列单片机系列单片机 单单片片机机的的制制造造商商很很多多，如如美美国国的的Intel公公司司，荷荷兰兰的的Philip公公司司，德德国国的的Siemens公公司司，日日本本的的NEC公公司司等等等等。尽尽管管各各类类单单片片机机很很多多，但但无无论论是是从从世世界界范范围围或或是是从从全全国国范范围围来来看看，使使用用最最为为广泛的应属广泛的应属MCS-51单片机。单片机。MCS-51单单片片机机系系列列共共有有十十几几种种芯芯片片，如如表表1-1所示。所示。表表1-1 MCS-51系列系列单片机分片机分类表表子子系系列列片内片内ROM形式形式片内片内ROM容量容量片片内内RAM容容量量寻址寻址范围范围I/O特性特性中断中断源源无无ROMEPROM计数计数器器并行并行口口串行串行口口51子子系系列列8031805187514 KB128 B264 KB216481580C3180C5187C514 KB128 B264 KB216481552子子系系统统8032805287528 KB256 B264 KB316481680C3280C5287C528 KB256 B264 KB3164816 MCS-51系系列列又又分分为为51和和52两两个个子子系系列列，并并以以芯芯片片型型号号的的最最末末位位数数字字作作为为标标志志。其其中中，51子子系系列列是是基基本本型型，而而52子子系系列列则则属属增增强强型型。52子子系系列列功功能能增增强强的的具具体体方方面面，从从表表1-1所所列列内内容容中中可可以以看看出出51子系列和子系列和52子系列相比：子系列相比：(1)片内片内ROM从从4 KB增加到增加到8 KB。(2)片内片内RAM从从128 B增加到增加到256 B。(3)定时定时/计数器从计数器从2个增加到个增加到3个。个。(4)中断源从中断源从5个增加到个增加到6个。个。1、51子系列和子系列和52子系列子系列MCS-51系系列列单单片片机机采采用用两两种种半半导导体体工工艺艺生生产产：HMOS工工艺艺和和CHMOS工工艺艺。芯芯片片型型号号中中带带有有字字母母“C”的的，为为 CHMOS芯芯 片片，其其 余余 均均 为为 一一 般般 的的HMOS芯片。芯片。CHMOS是是CMOS和和HMOS的的结结合合，除除保保持持了了HMOS高高速速度度和和高高密密度度的的特特点点之之外外，还还具具有有CMOS低低 功功 耗耗 的的 特特 点点。例例 如如 8051的的 功功 耗耗 为为630mW，而而80C51的的功功耗耗只只有有120mW。在在便便携携式式、手手提提式式或或野野外外作作业业仪仪器器设设备备上上，低低功功耗耗是是非非常常有有意意义义的的，因因此此，在在这这些些产产品品中中必必须须使使用用CHMOS的单片机芯片。的单片机芯片。2、单片机芯片半导体工艺单片机芯片半导体工艺MCS-51单单片片机机片片内内程程序序存存储储器器有有多多种种配配置置形形式式：3、片内、片内ROM存储器配置形式存储器配置形式 这几种配置形式对应三种不同的单片机芯片，这几种配置形式对应三种不同的单片机芯片，它们各有特点，也各有其适用场合，在使用时应它们各有特点，也各有其适用场合，在使用时应根据需要进行选择。根据需要进行选择。没有没有掩膜掩膜ROMEPROMEEPROM由厂家一次性写入，由厂家一次性写入，适用于定型大批量应适用于定型大批量应用产品的生产用产品的生产紫外线擦紫外线擦除，适合除，适合于研制产于研制产品样机品样机可以可以实现实现在线在线编程编程以单片机为核心的应用系统广泛应用于：以单片机为核心的应用系统广泛应用于：家用电器；家用电器；工业过程控制；工业过程控制；仪器仪表；仪器仪表；智能武器；智能武器；航空、汽车等领域。航空、汽车等领域。四、四、单片机的片机的应用和用和发展展趋势1、单片机的应用、单片机的应用2、发展趋势、发展趋势制作工艺制作工艺CMOS化（全盘化（全盘CMOS化）化）出于对低功耗的普遍要求，目前各大厂商推出于对低功耗的普遍要求，目前各大厂商推出的各类单片机产品都采用了出的各类单片机产品都采用了CHMOS工艺。工艺。尽量实现单片化尽量实现单片化 由于工艺和其它方面的原因，很多功能部件由于工艺和其它方面的原因，很多功能部件并为集成在单片机芯片内部。于是，用户通常并为集成在单片机芯片内部。于是，用户通常的做法是根据系统设计的需要在外围扩展功能的做法是根据系统设计的需要在外围扩展功能芯片。芯片。低功耗低功耗高集成度高集成度共性与个性共存共性与个性共存 如今的市场上为我们提供了丰富多彩的单片机如今的市场上为我们提供了丰富多彩的单片机产品。从宏观上讲，有产品。从宏观上讲，有RISC和和CISC两大类型两大类型，在未来相当长的时间内，都将维持这种群雄并，在未来相当长的时间内，都将维持这种群雄并起、共性与个性共存的局面。究其原因，主要有起、共性与个性共存的局面。究其原因，主要有以下几点：首先，以以下几点：首先，以80C51为代表的单片机的为代表的单片机的基础地位不会动摇。这是因为基础地位不会动摇。这是因为80C51的架构和的架构和指令系统为后来的单片机提供了参考基准和强大指令系统为后来的单片机提供了参考基准和强大支持。其次，个性化的产品如专用单片机等在满支持。其次，个性化的产品如专用单片机等在满足用户需求方面得到了大家的认可，在应用领域足用户需求方面得到了大家的认可，在应用领域大有后来赶上的架势。大有后来赶上的架势。高性能高性能本本节小小结n嵌入式系嵌入式系统与与单片机片机n单片机的片机的发展展nMCS-51系列系列单片机片机n单片机的片机的发展展趋势单片机的基本概念单片机的基本概念代表机型代表机型51单片机特点单片机特点