单片机原理.ppt

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1、单片机原理及应用 单片机本身具有的特性单片机的内部结构和原理 指令系统 基本功能部件 中断系统 定时器/计数器 串行口 扩展接口（功能扩展）存储器接口I/O接口 外部中断的扩展 人机接口（键盘、显示器接口）A/D、D/A接口 功率接口 单片机应用系统的设计 课程主要内容课程主要内容(学习流程）学习流程）系统资源不够用系统资源不够用第第2 24 4章章第第5 57 7章章第第8 811 11章章第第1212章章第一章 单片机概述1.1 微型计算机的组成u中央处理器CPU （Central Processing Unit)u只读存储器ROM （Read Only Memory)u随机存储器RAM

2、（Random Access Memory)u中断系统，定时器/计数器以及I/O接口微型计算机的基本组成图微型计算机的基本组成图总线运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 内存储器内存储器 总线总线输入输出输入输出接口电路接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微处理器微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计算机系统1.2 单片机的概念 单片机：在一片集成电路芯片上集成了单片机：在一片集成电路芯片上集成了微处理器微处理器(CPU)(CPU)，存储器，存储器(RAM(RAM、ROMROM、EPROM)EPROM)和各种输入、输出接口的单芯片和各种输入、输出接口的单芯片微计算机，即单片机。

3、微计算机，即单片机。单片机主要应用于控制领域，用于实现单片机主要应用于控制领域，用于实现各种参数的测量和控制功能各种参数的测量和控制功能。预备知识：元器件实物图预备知识：元器件实物图单片机芯片单片机芯片AT89C51AT89S51AT89S52AT89C2051 可开发的内部资源：可开发的内部资源：RAMRAM、ROMROM、I/OI/O等功能部件，等功能部件，全部提供给用户全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的单片机应用系统。片机芯片为核心的单片机应用系统。单片机具有单片机具有一台计算机的属性一台计算机的属性。也称为：。也称为：嵌入式控

4、制器嵌入式控制器 EMCUEMCU（Embedded Embedded icroControllericroController Unit Unit）。）。按用途可分为按用途可分为通用型通用型和和专用型专用型两大类：两大类：（1 1）通用型）通用型 微控制器微控制器 MCU(MCU(MicroControllerMicroController Unit)Unit)（2 2）专用型）专用型 专门针对某些产品的专门针对某些产品的特定用途特定用途而制作的单片机而制作的单片机 ，针对性强且数量巨大。针对性强且数量巨大。对对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等等

5、方面都作了全面的考虑方面都作了全面的考虑 。“专用专用”单片机具有十分单片机具有十分明显的综合优势。明显的综合优势。1.3 1.3 单片机的历史及发展概况单片机的历史及发展概况四个阶段四个阶段:第一阶段第一阶段(1974(1974年年19761976年年)：单片机：单片机初级初级阶段。双片阶段。双片的形式，且功能比较简单。的形式，且功能比较简单。第二阶段（第二阶段（19761976年年19781978年）年）:低性能低性能单片机阶段。单片机阶段。以以Intel Intel 公司制造的公司制造的MCS-48MCS-48单片机为代表。单片机为代表。第三阶段第三阶段(1979(1979年年1982)

6、1982)：高性能高性能单片机阶段。单片机阶段。IntelIntel公司的公司的MCS-51MCS-51系列、系列、MortorolaMortorola公司的公司的68016801系列系列等。等。第四阶段第四阶段(1983(1983年现在年现在)：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。1.4 81.4 8位单片机的主要生产厂家和机型位单片机的主要生产厂家和机型（1 1）美国）美国IntelIntel公司公司 MCS-51MCS-51系列及其增强型、扩展型系列及其增强型、扩展型系列。系列。（2 2）美国）美国ATMEL

7、ATMEL公司公司89C5189C51、89C5289C52、89C5589C55、89S5289S52等。等。（3 3）荷兰）荷兰PHILIPSPHILIPS（菲力浦）公司菲力浦）公司 8xC5528xC552系列系列。MCS-51MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，系列单片机在我国得到了广泛的应用，主流系列主流系列,软、硬件设计软、硬件设计资料丰富齐全。资料丰富齐全。1.5 1.5 单片机的发展趋势单片机的发展趋势 1.CPU1.CPU的改进的改进 （1 1）采用双）采用双CPUCPU结构，提高处理能力结构，提高处理能力（2 2）增加数据总线宽度，内部采用）增加数据总线宽度，内部

8、采用1616位数据总线。位数据总线。（3 3）串行总线结构，菲利浦公司的）串行总线结构，菲利浦公司的I I2 2C C总线总线（InterInterIcbusIcbus）。）。用两根信号线代替现行的用两根信号线代替现行的8 8位数据总线。位数据总线。2 2存储器的发展存储器的发展 （1 1）加大存储容量。）加大存储容量。（2 2）片内）片内EPROMEPROM采用采用E E2 2PROMPROM或或闪烁（闪烁（FlashFlash）存储器存储器（3 3）程序保密化。）程序保密化。3 3片内片内I/OI/O的改进的改进（1 1）增加并行口的驱动能力，能直接输出）增加并行口的驱动能力，能直接输出大

9、电流和高大电流和高电压电压。（2 2）增加）增加I/OI/O口的逻辑控制功能口的逻辑控制功能。（3 3）设置了一些）设置了一些特殊的串行接口功能特殊的串行接口功能，构成，构成分布式、分布式、网络化网络化系统系统 。4 4外围电路内装化外围电路内装化 器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内成在片内系统的单片化系统的单片化。5 5低功耗化低功耗化 CMOSCMOS化化CHMOSCHMOS工艺。工艺。总之，总之，向向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化外围电路内装化方向发展方向发展。1.6 1

10、.6 单片机的应用单片机的应用 单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。到各个领域。使用温度：使用温度：民品民品：0C+70C0C+70C工业品：工业品：-40C+85C-40C+85C军品：军品：-65C+125C-65C+125C。在下述的各个领域广泛的应用：在下述的各个领域广泛的应用：1.1.工业自动化工业自动化2.2.智能仪器仪表智能仪器仪表 3 3家用电器家用电器4.4.通讯通讯5 5武器装备武器装备6 6终端及外部设备控制终端及外部设备控制7 7多机分布式系统多机分布式系统这些厂家生产的这些厂家生产的兼容单片机兼容单片机，与，

11、与80518051的系统结构（主的系统结构（主要是指令系统）相同，采用要是指令系统）相同，采用CMOSCMOS工艺。工艺。如：如：AMTELAMTEL、PHILIPSPHILIPS、ANALOG DEVICESANALOG DEVICES、DALLASDALLAS公司。公司。不应直接称为不应直接称为MCS-51MCS-51系列单片机，系列单片机，MCSMCS只是只是IntelIntel公司公司专用的单片机系列符号。专用的单片机系列符号。80C5180C51系列：系列：所有具有所有具有80518051指令系统的单片机指令系统的单片机 1.7 MCS-511.7 MCS-51系列单片机系列单片机2

12、020世纪世纪8080年代后期年代后期:IntelIntel公司以专利的形式把公司以专利的形式把 80518051内核技术转让给厂家内核技术转让给厂家。（1 1）基本型）基本型 典型产品：典型产品：8031/8051/87518031/8051/8751内部内部RAMRAM增到增到256256字节，字节，80528052、87528752的内部程序存储器的内部程序存储器扩展到扩展到8KB8KB，1616位定时器位定时器/计数器增至计数器增至3 3个。个。（3 3）低功耗型）低功耗型 典型产品：典型产品：80C31/87C51/80C5180C31/87C51/80C51。采用采用CMOSCMO

13、S工艺工艺 适于电池供电或其它要求低功耗的场合。适于电池供电或其它要求低功耗的场合。（4 4）专用型）专用型 8044/87448044/8744，用于总线分布式多机测控系统。，用于总线分布式多机测控系统。美国美国CypressCypress公司的公司的EZU SR-2100EZU SR-2100单片机单片机USBUSB接口。接口。（2 2）增强型）增强型 典型产品：典型产品：8032/8052/87528032/8052/8752MCS-51MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：（5 5）超）超8 8位型位型 典型产品典型产品：PHILIP

14、SPHILIPS公司公司80C552/87C552/83C55280C552/87C552/83C552系系列列单片机。单片机。将将MCS-96MCS-96系列（系列（1616位单片机）位单片机）I/OI/O部件部件如：高速输如：高速输入入/输出（输出（HSI/HSOHSI/HSO）、）、A/DA/D转换器、脉冲宽度调制转换器、脉冲宽度调制（PWMPWM）、）、看门狗定时器（看门狗定时器（WDTWDT）等移植进来构成新等移植进来构成新一代一代MCS-51MCS-51产品。产品。功能介于功能介于MCS-51MCS-51和和MCS-96MCS-96之间之间。目前已得到了较广。目前已得到了较广泛的使

15、用。泛的使用。（6 6）片内闪烁存储器型）片内闪烁存储器型 美国美国ATMELATMEL公司的公司的AT89C51AT89C51单片机，受到应用设计单片机，受到应用设计者的欢迎。者的欢迎。MCS-51MCS-51系列以及系列以及80C5180C51系列单片机有多种类型，系列单片机有多种类型，但但掌握好掌握好MCS-51MCS-51的基本型（的基本型（80318031、80518051、87518751或或80C3180C31、80C5180C51、87C5187C51）是十分重要的。是十分重要的。它们是具有它们是具有MCS-51MCS-51内核的内核的各种型号单片机的基础，各种型号单片机的基础

16、，也是也是各种增强型、扩展型等衍生品种的核心。各种增强型、扩展型等衍生品种的核心。1.8 单片机应用系统开发简介 一个单片机应用系统从提出任务到正式投入运行的过程称之为对单片机的开发，开发过程所用的设备就称为开发工具。单片机本身只是一个微控制器，只有当它和其他器件、设备有机地组合在一起，并配置适当的工作程序后，才能构成为一个单片机应用系统，完成规定的操作，具有特定的功能。因此，单片机的开发包括硬件和软件两部分。（1）普及型开发系统开发系统种类：开发系统种类：（2)微机开发系统（3)专用开发系统（4)模拟开发系统1.9基本工作工程 根据冯诺依曼原理构成的现代计算机的工作原理可概括为:存储程序和程

17、序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据,通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的一条条指令,加以分析并执行规定的操作。来看Z=X+Y的执行过程。假定我们有一个虚拟机SAM,主存储器由4K16位的字组成,CPU 中有一个可被程序员使用的16位累加器A。SAM指令格式为：SAM中有如下指令:操作码地址码 假设X和Y均已存放在存储单元中。注意,X是个变量名,可以是某个存储单元的地址,该单元中存放的是X的值。(1)从地址为X的单元中取出X的值送到累加器中。(2)把累加器中的X与地址为Y 的单元的内容相加,结果存放

18、在累加器中。(3)把累加器中的内容送到地址为Z的单元中。相应的SAM指令是:LOAD X ADD Y STORE Z 表 1.4 计算Z=X+Y的程序 指令被取出后送入指令寄存器 IR（Instruction Register）,由控制器中的译码器对指令进行分析,识别不同的指令类别及各种获得操作数的方法。以加法指令ADD Y为例,译码器分析后得到如下结果:(1)这是一个加法指令;(2)一个操作数存放在Y（地址为A01H）中,另一操作数隐含在累加器 A中。接着,操作进入指令执行阶段。仍以 ADD Y 为例,将Y 与A中内容送入 ALU,进行加法运算,结果送入A。一、进位计数制一、进位计数制 使用

19、有限个基本数码来表示数据，按进位的方法进行计数称为进位计数制进位计数制。包含两大要素：基数和位权基数和位权基基数数：用用来来表表示示数数据据基基本本数数码码的的个个数数J，此此数数后后必必须进位。须进位。位位权权：数数码码在在表表示示数数据据时时所所处处的的数数位位所所具具有有的的固固定定值值J i。简称简称“权权”。1.10数制及其转换1 1、十进制十进制D D符号集：符号集：0 09 9 规则：逢十进一。规则：逢十进一。例例 1234.5=1101234.5=1103 3+210+2102 2+310+3101 1+410+4100 0+510+510-1-1加权展开式以加权展开式以101

20、0为为基数，各位系数为，各位系数为0 09 9。10103 3 10102 2 10101 1 10100 0 1010-1 -1 位权一般表达式：一般表达式：N ND D=d=dn-1n-11010n-1n-1+d+dn-2n-21010n-2 n-2+d+d0 010100 0+d+d-1-11010-1-1+2 2、二进制、二进制B B符号集：符号集：0 0、1 1 规则：逢二进一规则：逢二进一。3 3、十六进制、十六进制H H符号集：符号集：0 09 9、A AF F 规则：逢十六进一。规则：逢十六进一。1、十进制用于计算机输入输出，人机交互。十进制用于计算机输入输出，人机交互。二进制

21、为机器中的数据形式。二进制为机器中的数据形式。十六进制用于表示二进制数。十六进制用于表示二进制数。2 2、不同进位制数以下标或后缀区别不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不十进制数可不带下标。带下标。如如:101:101、101101D D、101101B B、101101H H、101H101H二、进位计数制的说明二、进位计数制的说明1、十进制数转换成二、十六进制数十进制数转换成二、十六进制数整数转换法整数转换法“除除基基取取余余”：十十进进制制整整数数不不断断除除以以转转换换进进制制基基数数，直直至至商商为为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。每除一次取一个余数，从低位排向高位。1

22、.39转换成二进制数转换成二进制数39=100111B2 39 1 （b0）2 19 1 （b1）2 9 1 （b2）2 4 0 （b3）2 2 0 （b4）2 1 1 （b5）0 2.208转换成十六进制数转换成十六进制数 208=D0H16 208 余 016 13 余 13=DH 0三、不同进位计数制之间的转换三、不同进位计数制之间的转换十进制数转换成二、十六进制数十进制数转换成二、十六进制数小数转换法小数转换法“乘乘基基取取整整”：用用转转换换进进制制的的基基数数乘乘以以小小数数部部分分，直直至至小小数数为为0或或达达到到转转换换精精度度要要求求的的位位数数。每每乘乘一一次次取取一一次

23、次整整数数，从从最最高高位位排排到最低位。到最低位。举例：2.0.625转换成十六进制数转换成十六进制数 0.625 16=10.0 0.625=0.AH3.208.625 转换成十六进制转换成十六进制数数208.625=D0.AH1.0.625转换成二进制数转换成二进制数0.625 2 1.250 1 (b-1)2 0.5 0 0 (b-2)2 1.0 1 (b-3)0.625=0.101B先展开，然后按照十进制运算法则求和。先展开，然后按照十进制运算法则求和。举例举例：1011.1010B=121011.1010B=123 3+12+121 1+12+120 0+12+12-1-1 +12

24、+12-3-3=11.625=11.625DFC.8DFC.8H H=1316=13162 2+1516+15161 1+1216+12160 0+816+816-1-1 =3580.5=3580.52、其他进制数转换成十进制数最高位为符号位，最高位为符号位，0 0表示表示 “+”，1 1表示表示“”。数值位与真值数值位相同。数值位与真值数值位相同。原码表示简单直观原码表示简单直观,但但0 0的表示不唯一，加减运算复杂的表示不唯一，加减运算复杂。2、反码、反码正数的反码与原码相同正数的反码与原码相同负数的反码符号不变，数值按位取反负数的反码符号不变，数值按位取反有符号数通常使用三种表示方法：1

25、、原码、原码 机器中，数的符号用机器中，数的符号用“0 0”、“1 1”表示。表示。最高位作符号位最高位作符号位“0 0”表示表示“+”+”，“1 1”表示表示“-”。1.11 带符号数的表示方法3、补码、补码正数的补码表示与原码相同。正数的补码表示与原码相同。负数补码的符号位为负数补码的符号位为1 1，数值位等于反码加，数值位等于反码加1 1。补码表示的优点：补码表示的优点：0 0的表示唯一，加减运算方便。的表示唯一，加减运算方便。Y-X=Y+-XY-X=Y+-X补补 计算机中的数均采用补码表示！计算机中的数均采用补码表示！正数的原码、反码、补码就是该数本身；正数的原码、反码、补码就是该数本

26、身；负数的原码其符号位为负数的原码其符号位为1,数值位不变；数值位不变；负数的反码其符号位为负数的反码其符号位为1,数值位逐位求反；数值位逐位求反；负数的补码其符号位为负数的补码其符号位为1,数值位逐位求反并在末位加数值位逐位求反并在末位加1。带符号数的表示方法小结：带符号数的表示方法小结：例：求十进制数例：求十进制数876876的的BCDBCD码码 876876BCD BCD=1000 0111 0110=1000 0111 01101、BCDBCD码码二进制代码表示的十进制数。二进制代码表示的十进制数。8421 BCD8421 BCD码码1.12编码2 2、美国标准信息交换码美国标准信息交换码ASCIIASCII码码，用于计算机，用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息。与计算机、计算机与外设之间传递信息。表1.5 ASCII码表位：位：Bit 数据最小单位数据最小单位字节：字节：Byte 8位二进制数定义为一字节位二进制数定义为一字节字长：组成计算机一个字的位数字长：组成计算机一个字的位数 8位机其一个存储单元表示位机其一个存储单元表示0255范围的数范围的数 8 8位机、位机、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机。位机。1.13数据单位及存储形式