单片机--第1章概述.ppt

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1、第1章概述1.1计算机的发展计算机的发展从从1946第一台电子计算机的诞生至今，计算机经第一台电子计算机的诞生至今，计算机经历了电子管计算机、晶体管计算机、大规模集成电路、历了电子管计算机、晶体管计算机、大规模集成电路、超大规模集成电路共四代的发展历程。超大规模集成电路共四代的发展历程。电子管计算机时代（从电子管计算机时代（从19461956年）年）电子计算机的主要特点是使用电子管作为逻辑元件。它的五个基本部分为运算器运算器，控制器控制器，存储器存储器，输入输入器器和输出器输出器。运算器和控制器采用电子管，存储器采用电子管和延迟线，这一代计算机的一切操作，包括输入，输出在内，都由中央处理机集中

2、控制。这种计算机主要用于科学技术方面的计算。晶体管计算机时代（从晶体管计算机时代（从19571964）在20世纪50年代之前，计算机都采用电子管作元件。电子管作元件。电子管元件有许多明显的缺点。例如，在运行时产生的电子管元件有许多明显的缺点。例如，在运行时产生的热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体积庞大积庞大，这些都使计算机发展受到限制。于是，晶体管开始被用来作计算机的元件。晶体管不仅能实现电子管晶体管不仅能实现电子管的功能，又具有尺寸小，重量轻，寿命长，效率高，发的功能，又具有尺寸小，重量轻，寿命长，效率高，发热少，功耗低等优点热少

3、，功耗低等优点。使用了晶体管以后，电子线路的结构大大改观，制造高速电子计算机的设想也就更容易实现了。用晶体管制造的计算机标志着计算机发展进入用晶体管制造的计算机标志着计算机发展进入了第二代了第二代。中、小规模集成电路集成电路计算机时代中、小规模集成电路集成电路计算机时代（从（从19651970年）年）集成电路的发明和应用标志着计算机进入了第三集成电路的发明和应用标志着计算机进入了第三代，由于采用集成电路，计算速度提高到几十万次，甚代，由于采用集成电路，计算速度提高到几十万次，甚至上千万次，内存容量达几百至上千万次，内存容量达几百K，结构实现了积木化，结构实现了积木化，磁芯存储器被大规模集成电路

4、的半导体存储器取代。因而一台大型机就成为一个计算中心，中间为中央处理机，左边为打印机，右边是内存储器和外存储器，桌上的终端设备可对存储器的信息作检查或更改，并有控制整个计算机系统的功能。计算机开始普及到商业管理领域，计算机开始普及到商业管理领域，自动控制行业和科学单位等自动控制行业和科学单位等。大、超大规模集成电路（大、超大规模集成电路（LSI、VLSI）计算机时代（从计算机时代（从1971今）今）进入20世纪60年代后，微电子技术发展迅猛。在1967年和1977年，分别出现了大规模集成电路和超大规模集成电路，并立即在电子计算机上得到了应用。由大规模和超大规模集成电路组装成的计算机，就被称为第

5、四代电子计算机（微型计算机微型计算机）。按单片集成电路上包含晶体管数目按单片集成电路上包含晶体管数目的规模（集成度）分为：的规模（集成度）分为：SSI(小规模集成电路)：晶体管数100个以下MSI(中规模集成电路)：晶体管数1003000个LSI(大规模集成电路)：晶体管数300030000个（3千3万）VLSI(超大规模集成电路)：晶体管数100000100000000个（10万1亿）ULSI(甚大规模集成电路)：晶体管数100000000个以上（1亿）可以预测：到可以预测：到2010年芯片的集成度将达到年芯片的集成度将达到10亿亿个晶体管个晶体管未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，向未

6、来的计算机将以超大规模集成电路为基础，向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。巨型化巨型化巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、功能更强。目前正在研制的巨型计算机其运算速度可达每秒千万亿次。微型化微型化微型计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。随着微电子技术的进一步发展，笔记本型、掌上型等微型计算机必将以更优的性能价格比受到人们的欢迎。网络化网络化随着计算机应用的深入，特别是家用计算机越来越普及，一方面希望众多用户能共享信息资源，另一方面也希望各计算机之间能互相传递信息进行

7、通信。计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。计算机网络己在现代企业的管理中发挥着越来越重要的作用，如银行系统、商业系统、交通运输系统等。智能化智能化计算机人工智能的研究是建立在现代科学基础之上。智能化是计算机发展的一个重要方向，新一代计算机，将可以模拟人的感觉行为和思维过程的机理，进行“看”、“听”、“说”、“想”、“做”，具有逻辑推理、学习与证明的能力。现在，世界已进入了计算机时代。计算机的发展趋势是向计算机的发展趋势是向“两极两极”分化：分化：一极是微型机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展。一极是微型机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展。一极则是巨型机向更巨型化

8、、超高速、并行处理、智能化方向一极则是巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展发展。单片微机是单片微型计算机单片微机是单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer）的译名简称，在国内也常简称为的译名简称，在国内也常简称为“单片微机单片微机”或或“单片机单片机”。它包括。它包括中央处理器中央处理器CPU、随机存储器随机存储器RAM、只读存储器只读存储器ROM、中断系统、定时中断系统、定时器器/计数器、串行口和计数器、串行口和I/O等等。等等。除了工业控制领域，单片微机在尖端武器、家用除了工业控制领域，单片微机在尖端武器、家用电器、电子玩具、通信、高级音响、图形

9、处理、语言设电器、电子玩具、通信、高级音响、图形处理、语言设备、机器人、计算机等各个领域迅速发展。备、机器人、计算机等各个领域迅速发展。从从1976年至今单片机应用广泛、发展迅猛。年至今单片机应用广泛、发展迅猛。1.2单片微机的应用单片微机的应用按照所使用单片微机的类型不同，单片微机应用系统结按照所使用单片微机的类型不同，单片微机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。构可分成总线方式和非总线方式。在在总总线线方方式式的的应应用用系系统统中中，单单片片微微机机都都具具有有完完善善的的外外部部扩扩展展总总线线，如如并并行行总总线线（AB、DB、CB）、串串行行通通信信总总线线（如如 UART），

10、通通过过这这些些总总线线可可方方便便地地扩扩展展外外围围单单元元、外外设设接接口口等等。采采用用总总线线方方式式的的应应用用系系统统多多属属较较复复杂杂的的工工控控系系统统、智智能能仪仪表表、监监测测系系统统，或或满满足足这这些些应应用用而而构构成成的的多多机机与与网网络络系系统统。总总线线方方式式的的单单片片微微机机在在不不使使用用外外部部并并行行总总线线时时，外外部部并并行行总总线线引引脚脚可可作作为为I/O口口用用。在在掩掩膜膜用用户户程程序序时时，还还可可要要求求将将这这些些 I/O口口改改造造成具有各种驱动能力的成具有各种驱动能力的 I/O口。口。非总线方式的应用系统（如非总线方式的

11、应用系统（如 80C51系列中的系列中的 83C751、87C751，83C752、WC752，Motorola 的的MC68HC05系列中的系列中的许多产品）省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片，有许多产品）省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片，有限的引脚限的引脚 可提供更多的用户可提供更多的用户I/O口，以使应用系统的芯片数量口，以使应用系统的芯片数量最少。最少。采用非总线方式的应用系统多属小型控制器、测控单元、采用非总线方式的应用系统多属小型控制器、测控单元、单元仪表等。单元仪表等。以下大致介绍一些典型的应用领域和应用特点。以下大致介绍一些典型的应用领域和应用特点。l 家用电器领

12、域家用电器领域 国国内内各各种种家家用用电电器器已已普普遍遍采采用用单单片片微微机机控控制制取取代代传传统统的的控控制制电电路路，做做成成单单片片微微机机控控制制系系统统，如如洗洗衣衣机机、电电冰冰箱箱、空空调调机机、微微波波炉炉、电电饭饭堡堡、电电视视机机、录录像像机机及及其其它它视视频频音音像像设设备备的的控控制制器。器。2办公自动化领域办公自动化领域 比比如如一一台台PC机机可可能能嵌嵌入入了了10个个单单片片微微机机，如如控控制制键键盘盘、鼠鼠标标、显显示示器器、CD-ROM、声声卡卡、打打印印机机、软软/硬硬盘盘驱驱动动器器、调制解调器等。调制解调器等。现现代代办办公公室室中中所所使

13、使用用的的大大量量通通信信、信信息息产产品品，如如绘绘图图仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。3工业自动化领域的在线应用工业自动化领域的在线应用 如如工工业业过过程程控控制制、过过程程监监测测、工工业业控控制制器器及及机机电电一一体体化化控控制制系系统统等等，许许多多都都是是以以单单片片微微机机为为核核心心的的单单机机或或多多机机网网络络系系统统。如如工工业业机机器器人人的的控控制制系系统统是是由由中中央央控控制制器器、感感觉觉系系统统、行行走走系系统统、擒擒拿拿系系统统等等节节点点构构成成的的多多机机网网络络系系统统。而而其其中

14、中每每一一个个小系统都是由单片微机进行控制的。小系统都是由单片微机进行控制的。4.智能仪器仪表与集成智能传感器领域智能仪器仪表与集成智能传感器领域 应应用用单单片片微微机机来来对对传传统统的的仪仪器器仪仪表表行行业业的的产产品品进进行行“更更新新换换代代”，提提供供了了非非常常理理想想的的的的条条件件。目目前前各各种种变变送送器器、电电气气测测量量仪仪表表普普遍遍采采用用单单片片微微机机应应用用系系统统替替代代传传统统的的测测量量系系统统，使使测测量量系系统统具具有有各各种种智智能能化化功功能能，如如存存储储、数数据据处处理理、查查找找、判断判断、联网和语音功能等联网和语音功能等。5汽车电子与

15、航空航天电子系统汽车电子与航空航天电子系统通通常常在在这这些些电电子子系系统统中中的的集集中中显显示示系系统统、动动力力监监测测控控制制系系统统、自自动动驾驾驭驭系系统统、通通信信系系统统以以及及运运行行监监视视器器（黑黑匣匣子子）等等，都都要要构构成成冗冗余余的的网网络络系系统统。比比如如一一台台RMW-7系系列列宝宝马马轿轿车就用了车就用了63个单片微机，大部分还是个单片微机，大部分还是16位单片微机。位单片微机。单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的计思想和设计方法。从前必须由模拟电

16、路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。1.3单片机概述单片机概述1.3.1单片机的发展历史单片机的发展历史第一阶段：单片机的探索阶段第一阶段：单片机的探索阶段初级初级8位机阶段，典型的如位机阶段，典型的如MCS-48系列单片机系列单片机第二阶段：单片机的完善阶段第二阶段：单片机的完善阶段高级高级8位机阶段，典型的如位机

17、阶段，典型的如MCS-51系列单片机系列单片机第三阶段：向微控制器发展的阶段第三阶段：向微控制器发展的阶段这一阶段主要是为满足测控系统要求的各种外围电路及这一阶段主要是为满足测控系统要求的各种外围电路及接口电路，突出其智能能力，出现了接口电路，突出其智能能力，出现了16位单片机，如位单片机，如MCS-96系列单片机，采用了系列单片机，采用了CHMOS技术的技术的80C51系列单片机系列单片机第四阶段：单片机的全面发展阶段第四阶段：单片机的全面发展阶段出现了高速低功耗、大寻址范围出现了高速低功耗、大寻址范围、强运算能力的、强运算能力的8位、位、16位、位、32位通用型单片机位通用型单片机1.3.

18、2单片机的组成及特点单片机的组成及特点单片机是微型机的一个主要分支，单片机是一个大规模集成电路芯片，其上集成有CPU、存储器、I/O口(串行口、并行口)、其它辅助电路(如中断系统，定时/计数器，振荡电路及时钟电路等等)。也可以说单片机在结构上的最大特点是把中央处理器CPU、存储器存储器、定时器定时器/计数器计数器、中断系统中断系统、串行口串行口和输入和输入/输出接口电路输出接口电路集成在一块超大规模的集成电路芯片上。就其组成和基本工作原理而言，一块单片机芯一块单片机芯片就是一台计算机片就是一台计算机。CPU存储器存储器I/O口口DBABCB微机的结构框图微机的结构框图运算器运算器 最终结果最终

19、结果 数数 中间结果中间结果/据据 最后结果最后结果 原始数据原始数据 与程序与程序 最后最后 结果结果 程程 序序计算机系统的硬件组成框图计算机系统的硬件组成框图存储器存储器控制器控制器输出设备输出设备输入设备输入设备 MCS-51系列单片机的基本结构图系列单片机的基本结构图 CPURAMROM中断系统中断系统串行口串行口并行口并行口定时计数器定时计数器振荡电路振荡电路 X1 X2 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1T0 T11.单片机的组成单片机的组成 MCS-51系列单片机的基本结构图系列单片机的基本结构图 CPURAMROM中断系统中断系统串行口串行口并行口并行

20、口定时计数器定时计数器振荡电路振荡电路 X1 X2 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1T0 T1计算机计算机微机微机2.单片机的特点单片机的特点l控制功能强l抗干扰能力强，可靠性高l性能价格比高l扩张了多种串行口l系统扩展容易1.3.3单片机的发展趋势单片机的发展趋势今后的发展趋势不外乎在以下几个方面：今后的发展趋势不外乎在以下几个方面：（1）低功耗管理低功耗管理全盘CMOS化趋势单片微机采用二种半导体工艺生产，HMOS工艺即高密度短沟道MOS工艺，具有高速度和高密度；CHMOS工艺即互补金属氧化物的HMOS工艺，除具有HMOS的优点外，还具有CMOS工艺的低功耗特点。

21、如8051的功耗为630mw，而80C51的功耗仅120mw。从第三代单片微机起开始淘汰非CMOS工艺。目前，数字逻辑电路和外围器件等都已普遍CMOS化。（2）更宽的工作电压范围更宽的工作电压范围一般范围是3.35.5V，有的到2.26V，有的甚至降到1.8V。（3）高性能高性能为了提高速度和执行效率，在单片微机中开始使用RISC（精简指令）体系结构、并行流水线操作和DSP（数字信号处理）等的设计技术，使单片微机的指令运行速度得到大大提高，其电磁兼容等性能明显地优于同类型的微处理器，现指令速度已达到100MIPS（百万条指令/秒）。还有加强了位处理功能、中断和定时控制功能。（4）混合信号集成化

22、）混合信号集成化在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需要的存储器、各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，即外围器件内装化，如把LED、LCD或VFD显示驱动器集成在8位单片微机中，如把A/D、D/A、乃至多路模拟开关和采样/保持器也集成在单片微机芯片中，从而成为名副其实的单片微机。以实现混合信号集成化、功能多样化（5）推行串行扩展总线推行串行扩展总线推行串行扩展总线可以显著减少引脚数量，简化系统结构。随着I2C、SPI等串行总线接口的接入，单片微机的串行接口将普遍化、高速化，使得并行扩展接口技术日渐衰退，使得单片机的引脚可以设计得更节约，使单片机系统结构更简化和规范化。（6）小体积、低价格小体

23、积、低价格（7）ISP及基于及基于ISP的开发环境的开发环境1.3.4单片机与嵌入式系统单片机与嵌入式系统1.嵌入式系统的定义与分类嵌入式系统的定义与分类把把嵌入到对象系统中以实现对象系统智能化控制的计算机，称为嵌入式计算机系统。因此，嵌入式计算机系统。因此，嵌入式系统是将一个计算机嵌入到对象系统中去，这个计算机就成为系统的一部分。“嵌入性嵌入性”、“专用性专用性”、与“计算机系统计算机系统”是嵌入式计算机系统的3个基本要素。只要具备其三要素的计算机系统，都可称为.嵌入式系统。单片机最能满足嵌入式应用的要求，因为它有专门为嵌入式应用设计的体系结构和指令系统。2.单片机与嵌入式系统应用单片机与嵌

24、入式系统应用嵌入式系统目前在应用数量上远远超过了一般的通用计算机。单片机已经成为人类社会进入全面智能化时代不可或缺单片机已经成为人类社会进入全面智能化时代不可或缺的工具。的工具。1.480C51系列单片机系列单片机1.4.180C51系列单片机的发展系列单片机的发展80C51系列单片机系列单片机包括了包括了Intel公司发展公司发展MCS51系系列的新一代产品，如列的新一代产品，如8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB石石XC451、8XC452，还包括了还包括了Phlips、Siemens、ADM、OKI、ATMEL等公司以等公司以80C51为核心推出的大量各具特色、为核心

25、推出的大量各具特色、与与MCS51兼容（指令兼容、总线兼容和引脚兼容）的单片兼容（指令兼容、总线兼容和引脚兼容）的单片微机。微机。80C51系列单片微机是在系列单片微机是在MCS51的的HMOS基础上发基础上发展起来的，它们具有展起来的，它们具有CHMOS结构。结构。80C51系列单片微机保留了系列单片微机保留了MCS51单片微机的所有特单片微机的所有特性，内部组成基本相同。性，内部组成基本相同。80C51系列单片微机增设了两种可以系列单片微机增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。用软件进行选择的低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。80C51系列单片机经历的三次技术

26、飞系列单片机经历的三次技术飞跃跃：（1）从）从MCS-51到到MCU的第一次飞跃的第一次飞跃发展发展80C51的控制功能及外围电路的功能，突出单片机的控制功能及外围电路的功能，突出单片机的微控制特征。的微控制特征。（2）引入快擦写存储器的第二次飞跃）引入快擦写存储器的第二次飞跃使系统在开发过程中修改程序十分容易，大大缩减了单片机系统的开发周期。（3）向）向SOC（片上系统）转化的第三次飞跃（片上系统）转化的第三次飞跃其指令运行速度比一般的80C51系列单片机提高了大约10倍，在片上增加了模/数和数/模转换模块；I/O接口的配置由固定方式改变为软件设置方式；始终系统更完善，有多种复位方式。1.4

27、.289系列单片机的特点及分类系列单片机的特点及分类AT89系列单片机仍然属于系列单片机仍然属于80C51系列，只不过它价格系列，只不过它价格较低，容易理解和使用，并且应用广泛，所以本教材以较低，容易理解和使用，并且应用广泛，所以本教材以T89系列单片机为样机进行讲解。系列单片机为样机进行讲解。本书在具体介绍单片机结构时，选用了本书在具体介绍单片机结构时，选用了T89S51/S52单片机。单片机。89系列单片机的特点：系列单片机的特点：l内部含内部含Flash存储器存储器l内部结构与内部结构与80C51相近相近l工作原理和指令系统完全相同工作原理和指令系统完全相同l有些型号和有些型号和80C5

28、1的引脚完全兼容的引脚完全兼容1.5本教程的教学安排本教程的教学安排80C51系列单片微机，硬件结构简洁明了、特殊功能系列单片微机，硬件结构简洁明了、特殊功能寄存器功能规范、软件指令系统易于掌握，是一种既便于讲寄存器功能规范、软件指令系统易于掌握，是一种既便于讲授又便于学习、理解和掌握的单片微机。本书以授又便于学习、理解和掌握的单片微机。本书以80C51系列系列为典型，来介绍单片微机硬件结构和软件知识。硬件知识则为典型，来介绍单片微机硬件结构和软件知识。硬件知识则是指是指 80C51的硬件资源，如的硬件资源，如 I/O口、定时器口、定时器/计数器、中断系计数器、中断系统等。软件知识是指统等。软

29、件知识是指80C51的寻址方式、指令系统以及程序的寻址方式、指令系统以及程序设计等。设计等。在本教材中有较多的例子，叙述比较详细，也适合于在本教材中有较多的例子，叙述比较详细，也适合于初学者自学。考虑到同学们已经学过电子学、数字电路、模初学者自学。考虑到同学们已经学过电子学、数字电路、模拟电路等基础课程，拟电路等基础课程，本课程总学时数为本课程总学时数为60学时，其中上课时学时，其中上课时间为间为52学时，实验上机时间为学时，实验上机时间为8学时学时。考试形式考试形式:平时考勤占平时考勤占10%，平时上机，平时上机实验成绩占实验成绩占20%,作业占20%,期末考试占期末考试占50%。学时。学时。本课程为考试课本课程为考试课。