理学单片机硬件系统.pptx

什么是单片机什么是单片机 单片微型计算机（单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简）简称单片机，是指集成在一个芯片上的微型计算机，它称单片机，是指集成在一个芯片上的微型计算机，它的各种功能部件，包括的各种功能部件，包括CPU（Central Processing Unit）、存储器（）、存储器（memory）、基本输入）、基本输入/输出输出（Input/Output，简称，简称I/O）接口电路、定时）接口电路、定时/计数器计数器和中断系统等，都制作在一块集成芯片上，构成一个和中断系统等，都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机。单片机内部基本结构如图完整的微型计算机。单片机内部基本结构如图1.7所所示。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求示。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又称为微控制器（设计的，故又称为微控制器（Micro-Controller Unit，简称，简称MCU）。）。第1页/共22页单片机的应用十分广泛，在工业控制、智能仪单片机的应用十分广泛，在工业控制、智能仪器仪表、家用电器、通信系统、信息和通信产器仪表、家用电器、通信系统、信息和通信产品、办公自动化设备、商业营销设备、医疗设品、办公自动化设备、商业营销设备、医疗设备、汽车电子系统等领域，都有重要的用途。备、汽车电子系统等领域，都有重要的用途。学单片机需要什么基础？学单片机需要什么基础？1）只需要掌握很基本的数电模电知识；）只需要掌握很基本的数电模电知识；2）与以前所学的知识关联很少；）与以前所学的知识关联很少；3）对各种器件的概念基本上是从）对各种器件的概念基本上是从0开始；开始；4）如果要用）如果要用C语言编程，需具备简单的语言编程，需具备简单的C语言基础；语言基础；第2页/共22页预备知识预备知识1）电平特性）电平特性q所以计算机与单片机之间通讯时需要加电平转所以计算机与单片机之间通讯时需要加电平转换芯片换芯片max232。数字电路中只有两种电平：数字电路中只有两种电平：高和低高和低（本课程中）定义单片机为（本课程中）定义单片机为TTL电平：电平：高高+5V 低低 0VRS232电平：计算机的串口电平：计算机的串口高高-12V 低低+12V第3页/共22页2）2进制与进制与16进制的表示与转换进制的表示与转换0 0 6 1101 1 7 1112 10 8 10003 11 9 10014 100 10 10105 101 11 1011二进制的表示方式：二进制的表示方式：第4页/共22页十六进制的表示方式：十六进制的表示方式：q规律：一般把四个二进制数放在一起转换成一规律：一般把四个二进制数放在一起转换成一个十六进制数，转换时先把二进制数转换成十进个十六进制数，转换时先把二进制数转换成十进制数，再把十进制数转换成十六进制数。制数，再把十进制数转换成十六进制数。是二进制的简短表示形式。是二进制的简短表示形式。十进制中的十进制中的0-15分别表示为十六进制的分别表示为十六进制的0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F熟练掌握二进制与十六进制之间的转换。熟练掌握二进制与十六进制之间的转换。第5页/共22页什么是单片机什么是单片机 C P U 存 储 器定 时 器/计 数 器 中 断 系 统P0-P3TxDRxD TINT并行I/O口串行I/O口第6页/共22页单片机应用系统 单片机应用系统单片机应用系统单单片片机机接口接口电路电路及外及外设等设等软软软软件件件件硬件硬件硬件硬件单单片片机机应应用用系系统统由由硬硬件件和和软软件件组组成成硬件是硬件是应用系统的基础应用系统的基础软件是在硬件的基础上软件是在硬件的基础上对其资源对其资源进行合理调配和使用进行合理调配和使用，从而完成，从而完成应用系统所要求的任务，二者相应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可互依赖，缺一不可第7页/共22页单片机种类 目前目前8 8位位单片机仍是单片机的单片机仍是单片机的主流主流机型；机型；生产厂商：生产厂商：单片机的发展经历了由单片机的发展经历了由单片机的发展经历了由单片机的发展经历了由4 4 4 4位位位位机到机到机到机到8 8 8 8位位位位机机机机,再到再到再到再到16161616位位位位机的发展过程机的发展过程机的发展过程机的发展过程美国微芯片公司美国微芯片公司美国微芯片公司美国微芯片公司:PIC16C:PIC16C:PIC16C:PIC16C系列、系列、系列、系列、PIC17CPIC17CPIC17CPIC17C系列、系列、系列、系列、PIC1400PIC1400PIC1400PIC1400系列，系列，系列，系列，美国英特尔公司的美国英特尔公司的美国英特尔公司的美国英特尔公司的MCS-48MCS-48MCS-48MCS-48和和和和MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51系列，系列，系列，系列，美国摩托罗拉公司的美国摩托罗拉公司的美国摩托罗拉公司的美国摩托罗拉公司的MC68HC05MC68HC05MC68HC05MC68HC05系列和系列和系列和系列和MC68HC11MC68HC11MC68HC11MC68HC11系列，系列，系列，系列，美国齐洛格公司的美国齐洛格公司的美国齐洛格公司的美国齐洛格公司的Z8Z8Z8Z8系列，系列，系列，系列，日本电气公司的日本电气公司的日本电气公司的日本电气公司的PD78PD78PD78PD78系列，系列，系列，系列，美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的F8F8F8F8（3870387038703870）系列等。）系列等。）系列等。）系列等。第8页/共22页单片机硬件结构单片机硬件结构时钟电路CPUROMRAMT0 T1中断系统串行接口并行接口P0 P1 P2 P3TXD RXDINT0 INT1定时计数器中央处理器中央处理器CPU：8位，位，运算和控制运算和控制功能功能内部内部RAM：共共256个个RAM单单元，用户使用元，用户使用前前128个单元，个单元，用于存放可读用于存放可读写数据，后写数据，后128个单元被个单元被专用寄存器占专用寄存器占用。用。内部内部ROM：4KB掩膜掩膜ROM，用于存放程，用于存放程序、原始数据序、原始数据和表格。和表格。定时定时/计数器：计数器：两个两个16位的定位的定时时/计数器，实计数器，实现定时或计数现定时或计数功能。功能。并行并行I/O口：口：4个个8位的位的I/O口口P0、P1、P2、P3。串行口：串行口：一个全一个全双工串行口。双工串行口。中断控制系统：中断控制系统：5个中断源（外个中断源（外中断中断2个，定时个，定时/计数中断计数中断2 个，串行中断个，串行中断1个）个）时钟电路：时钟电路：可可产生时钟脉冲产生时钟脉冲序列，允许晶序列，允许晶振频率振频率6MHZ和和12MHZ复位电路第9页/共22页80518051单片机的基本组成单片机的基本组成中央处理器中央处理器CPU：8位，运算和控制功能位，运算和控制功能内部内部RAM：共共256个个RAM单元，用户使用前单元，用户使用前128个单元，个单元，用于存放可读写数据，后用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。个单元被专用寄存器占用。内部内部ROM：4KB掩膜掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。，用于存放程序、原始数据和表格。定时定时/计数器：计数器：两个两个16位的定时位的定时/计数器，实现定时或计数功能。计数器，实现定时或计数功能。并行并行I/O口：口：4个个8位的位的I/O口口P0、P1、P2、P3。串行口：串行口：一个全双工串行口。一个全双工串行口。中断控制系统：中断控制系统：5个中断源（外中断个中断源（外中断2个，定时个，定时/计数中断计数中断2个，个，串行中断串行中断1个）个）时钟电路：时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和和12MHZ第10页/共22页MCS-51单片机信号引脚简介 P3P3口线的第二功能口线的第二功能口线的第二功能口线的第二功能VCCVSSXTAL2XTAL1RSTP0.0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7P1.0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0ALEP3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.72 2、振荡电路：、振荡电路：、振荡电路：、振荡电路：XTAL1XTAL1、XTAL2XTAL23 3、复位引脚：、复位引脚：、复位引脚：、复位引脚：RSTRST4 4、并行口：、并行口：、并行口：、并行口：P0P0、P1P1、P2P2、P3P37 7、ALEALE：地址锁存控制信号：地址锁存控制信号：地址锁存控制信号：地址锁存控制信号1 1、电源线：、电源线：、电源线：、电源线：VCC(+5V)VCC(+5V)、VSS(VSS(地地地地)EAPSEN5 5、EAEA：访问程序存储控制信号：访问程序存储控制信号：访问程序存储控制信号：访问程序存储控制信号6 6、PSENPSEN：外部：外部：外部：外部ROMROM读选通信号读选通信号读选通信号读选通信号RXD/TXD/INT0/INT1/T0/T1/WR/RD/1234567891011121314151617181920403938373635343332313029282726252424222180318051 875189C51第11页/共22页时钟电路与复位电路时钟电路与复位电路(1)时钟振荡电路第12页/共22页时时 序序 关于关于MCS-51系列单片机的时序概念有系列单片机的时序概念有4个，可用定时单位来说明，从个，可用定时单位来说明，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期，下面分别加以说小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期，下面分别加以说明。明。l1）节拍）节拍 把振荡脉冲的周期定义为节拍，用把振荡脉冲的周期定义为节拍，用P表示，也就是晶振的振荡频率表示，也就是晶振的振荡频率fosc。l2）状态）状态 振荡脉冲振荡脉冲fosc经过二分频后，就是单片机时钟信号的周期，定义为状经过二分频后，就是单片机时钟信号的周期，定义为状态，用态，用S表示。一个状态包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫表示。一个状态包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫P1，后半周期对应的节拍叫，后半周期对应的节拍叫P2。l3）机器周期）机器周期 MCS-51系列单片机采用定时控制方式，有固定的机器周期。规定一系列单片机采用定时控制方式，有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为个机器周期的宽度为6个状态，即个状态，即12个振荡脉冲周期，因此机器周期个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的十二分频。就是振荡脉冲的十二分频。l小提示小提示 当振荡脉冲频率为当振荡脉冲频率为12 MHz时时,一个机器周期为一个机器周期为1s；当振荡脉冲频率；当振荡脉冲频率为为6 MHz时，一个机器周期为时，一个机器周期为2 s。第13页/共22页(2)复位电路复位电路单片机复位条件单片机复位条件单片机复位条件单片机复位条件:必须使必须使必须使必须使RSTRST引脚持续引脚持续引脚持续引脚持续2 2微秒微秒微秒微秒高电平高电平高电平高电平(外部时钟外部时钟外部时钟外部时钟12MHz)12MHz)第14页/共22页12345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM276412345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM27641234567891011121314151617181920403938373635343332313029282726252424222112345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 12345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 存储器80318751805189C51片内片内片内片内RAMRAM片内片内片内片内ROMROM256B（字节）4K第15页/共22页(1)(1)程序存储器程序存储器程序程序存储器存储器内部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序执行的起始单元是程序执行的起始单元,在这三个单元存放一条在这三个单元存放一条无条件转移指令无条件转移指令中断中断5中断中断4中断中断3中断中断2中断中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中断外部中断0定时器定时器0中断中断外部中断外部中断1定时器定时器1中断中断串行口中断串行口中断8位位0FFFH0FFEHEA=1 EA=0EA=1 EA=0程序程序存储器资源分布存储器资源分布中断入口地址中断入口地址第16页/共22页l在单片机在单片机C语言程序设计中，用户无需考虑程语言程序设计中，用户无需考虑程序的存放地址，编译程序会在编译过程中按照序的存放地址，编译程序会在编译过程中按照上述规定，自动安排程序的存放地址。上述规定，自动安排程序的存放地址。l例如：例如：C语言是从语言是从main()函数开始执行的，编函数开始执行的，编译程序会在程序存储器的译程序会在程序存储器的0000H处自动存放一处自动存放一条转移指令，跳转到条转移指令，跳转到main()函数存放的地址；函数存放的地址；中断函数也会按照中断类型号，自动由编译程中断函数也会按照中断类型号，自动由编译程序安排存放在程序存储器相应的地址中。因此，序安排存放在程序存储器相应的地址中。因此，读者只需了解程序存储器的结构就可以了。读者只需了解程序存储器的结构就可以了。第17页/共22页0000HFFFFH(64K)内部外部(2)(2)(2)(2)数据存储器数据存储器数据存储器数据存储器数据数据存储器存储器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM专用寄存器00H00H07H07H08H08H0FH0FH10H10H17H17H18H18H1FH1FH0区区R0R0R7R7R0R0R7R7R0R0R7R7R0R0R7R71区区2区区3区区工作寄存器区工作寄存器区可位寻址区可位寻址区20H2FH7F 7807 0030H7FH数据缓冲区数据缓冲区/堆栈区堆栈区内部内部RAMRAM存储器存储器 1 11 1第第第第 3 3 区区区区18H1FH18H1FH 0 10 1第第第第 1 1 区区区区08H0FH08H0FHRS1 RS0RS1 RS0寄存器区寄存器区寄存器区寄存器区片内片内片内片内RAMRAM地址地址地址地址 0 00 0第第第第 0 0 区区区区00H07H00H07H 1 0 1 0第第第第 2 2 区区区区10H17H10H17H工作寄存器区选择位RS0、RS1第18页/共22页注意注意:一个单元地址对应有一个单元地址对应有8 8个位地址个位地址MSBMSBMost Significant Bit Most Significant Bit （最高有效位）（最高有效位）LSB LSB Least Significant Bit Least Significant Bit（最低有效位）（最低有效位）单元地址单元地址2FH2FH2EH2EH2DH2DH2CH2CH2BH2BH2AH2AH29H29H28H28H27H27H26H26H25H25H24H24H23H23H22H22H21H21H20H20H7F7F77776F6F67675F5F57574F4F47473F3F37372F2F27271F1F17170F0F0707 MSBMSB 位地址位地址 LSBLSB7E7E76766E6E66665E5E56564E4E46463E3E36362E2E26261E1E16160E0E06067D7D75756D6D65655D5D55554D4D45453D3D35352D2D25251D1D15150D0D05057C7C74746C6C64645C5C54544C4C44443C3C34342C2C24241C1C14140C0C04047B7B73736B6B63635B5B53534B4B43433B3B33332B2B23231B1B13130B0B03037A7A72726A6A62625A5A52524A4A42423A3A32322A2A22221A1A12120A0A020279797171696961615959515149494141393931312929212119191111090901017878707068686060585850504848404038383030282820201818101008080000RAM位寻址区位地址表位寻址区位地址表第19页/共22页高高128128个单元个单元离散分布有离散分布有2121个个特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFR。1111个可以进行个可以进行位寻址。位寻址。特别提示：对特别提示：对SFRSFR只能使用直接只能使用直接寻址方式，书写时寻址方式，书写时可使用寄存器符号，可使用寄存器符号，也可用寄存器单元也可用寄存器单元地址。地址。第20页/共22页在单片机的在单片机的C语言程序设计中，可以通过关键字语言程序设计中，可以通过关键字sfr来定义所有特殊来定义所有特殊功能寄存器，从而在程序中直接访问它们，例如：功能寄存器，从而在程序中直接访问它们，例如：sfr P1=0 x90;/特殊功能寄存器特殊功能寄存器P1的地址是的地址是90H，对应，对应P1口的口的8个个I/O引脚在程序中就可以直接使用引脚在程序中就可以直接使用P1这个特殊功能寄存器了，这个特殊功能寄存器了，下面语句是合法的：下面语句是合法的：P1=0 x00;/将将P1口的口的8位位I/O口全部清口全部清0C语言中，还可以通过关键字语言中，还可以通过关键字sbit来定义特殊功能寄存器中的可寻址来定义特殊功能寄存器中的可寻址位，在程序位，在程序ex1_1.c中，采用了下面语句定义中，采用了下面语句定义P1口的第口的第0位：位：sbit P1_0=P10;通常情况下，这些特殊功能寄存器已经在头文件通常情况下，这些特殊功能寄存器已经在头文件reg51.h中定义了，中定义了，只要在程序中包含了该头文件，就可以直接使用已定义的特殊功只要在程序中包含了该头文件，就可以直接使用已定义的特殊功能寄存器。能寄存器。如果没有头文件如果没有头文件reg51.h，或者该文件中只定义了部分特殊功能寄存，或者该文件中只定义了部分特殊功能寄存器和位，用户也可以在程序中自行定义。器和位，用户也可以在程序中自行定义。第21页/共22页感谢观看！感谢观看！第22页/共22页