单片机原理、接口及应用.ppt
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1、单片机原理、接口及应用,嵌入式系统技术基础(第2版),高等学校教材计算机应用,肖看 李群芳 编著,清华大学出版社,使用教材,本学期上课教师联系方式:王宣银 13957119368 短号:665711 唐建忠 15268103751 ,微机原理与接口技术,第0章 计算机的基础知识第1章 MCS-51单片机结构单片机如何选型微机接口内存储器逻辑器件介绍与分析,1-4周 王宣银教授,第2章 MCS-51单片机的指令系统第3章 MCS-51单片机汇编语言程序设计第4章并行接口P0 P3和单片机的中断系统,5-8周 (唐建中副教授),第5章 单片机的定时/计数器与串行接口第6章 单片机总线与存储器的扩
2、展第7章 单片机系统功能扩展,9-12周(王宣银教授),13-16周 (唐建中副教授),第8章 单片机典型外围接口技术第9章 串行接口技术第10章 单片机的C语言编程,建议先自学第12章Protueus软件并借阅购买相关书籍,基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真,第0章 计算机的基础知识,单片机原理、接口及应用,内 容 提 要,绪论 微型计算机的基本结构和工作原理 计算机中的数制与码制 小结,0.1 绪 论, 计算机的新分类 嵌入式系统 单片机 单片机的应用 单片机的发展趋势 MCS-51系列单片机类型,一、计算机的新分类, 长期以来人们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域
3、,将其分为 大型计算机、中型机、小型机和微型计算机。 随着计算机技术的迅速发展,计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透,人们以应用为中心、按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用进行新的分类,将其分为 嵌入式计算机 和 通用计算机。 通用计算机具有计算机的标准形态,通过装配不同的应用软件,以类同面目出现,并应用在社会的各个方面,其典型产品为PC机; 嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。,什么是嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、针对具体应用系统、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过
4、了各种通用计算机,一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器,键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、Modem、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、家电产品等方面无不是嵌入式计算机的应用领域。,二、嵌入式系统,1.嵌入式系统的种类 嵌入式系统的核心部件有以下三类: (1)嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU): 功能同标准的CPU,但在工作温度、 电磁干扰、可靠性等方面做了各种增强。 (2)嵌入式微控制器(Micr
5、ocontroller Unit, MCU又称单片机)。 (3)嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP):DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较高,指令执行速度也较高。,2.嵌入式系统的特点 (1)产品稳定性 不象PC机那样更新换代很快,51单片机问世20多年,至今方兴未艾。 (2)不可垄断性 PC机垄断全世界,Windows垄断全世界,而单片机没有一个能垄断全世界,各种单片机各有自己的市场。 (3)产品的多样性、分散性、创新性 (4)软件特性:不是以磁盘的形式存储,而是固化在芯片中 (5)嵌
6、入式系统的开发需要开发工具 嵌入式系统自身无开发能力,需借助开发工具,如编程器、仿真器。,全称单片微型计算机(Single ChipMicrocomputer) 又称微控制器MCU(Micro Controller Unit),是将计算机的基本部分微型化,使之集成在一块芯片上的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/0、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等,它本身就是一个嵌入式系统,同时它也可作更大的嵌入式系统的核心。 单片机的特点是小而全,即体积小、功能全、功耗低、性能价格比高。,三、单片机,p5,1.单片机的应用 由于单片机小而全,易于推广应用等显著优点,在自动
7、化装置,智能化仪器仪表和家用电器等领域得到日益广泛的应用。下面仅列举一些典型的应用领域。 (1)工业控制 数控机床,电机控制,工业机器人,自动控制等 (2)仪器仪表 智能仪器,医疗器械,数字示波器等。 (3)电信技术 调制解调器,声像处理,数字滤波,通信设备等。 (4)办公自动化和计算机外部设备 传真机,复印机,打印机,绘图仪,扫描仪等,(5)汽车与节能 点火控制,变速控制,防滑车控制,排气控制,计费器,交通控制等。 (6)导弹 导弹控制,鱼雷制导,智能武器装置,航天导弹系统等。 (7)商用产品 电子收款机,电子秤,银行统计机等。 (8)家用电器 微波炉,电视机,录像机,音响设备,游戏机等 以
8、上可见它无处不有、无时不在,像个万能的螺丝钉。,2.单片机的发展趋势(1)单片机的字长由4位、8位、16 位发展到32位。 这几种字长的MCU目前同时存在于市场,由于单片机主要用于控制,目前8位的MCU 仍然占主流地位,只有在精度要求特别高的场合如图像处理等,才采用16位的MCU, 用户可以根据产品的需要进行选择。(2)运行速度不断提高。 单片机的使用最高频率由6MHz、12MHz 、24MHz、 33MHz、发展到 40MHz。(3)单片机内的存储容量越来越大。 由1KB、 2KB、 4KB、 8KB、 16KB、 32KB、发展到 64KB 等。,(4)ROM存储器的编程也越来越方便 有
9、ROM型(掩模型)、OTP型(一次性编程)、EPROM(紫外线擦除编程)、EEPROM(电擦除编程)及FLASH(闪速编程)。编程(烧录)方式也越来越方便,目前有脱机编程、在系统编程(ISP)、在应用编程(IAP)。各类产品并存,可供用户选择。 (5)I/O端口多功能化 单片机内除集成有并行接口、串行接口外,还集成有A/D、D/A、LED/LCD显示驱动、DMA控制、PWM(脉宽调制输出)、 PLC(锁相环控制)、 PCA(逻辑阵列) WDT(看门狗)等。,(6)功耗越来越低 采用CHMOS制作工艺使单片机集HMOS的高速、高集成度和CMOS的低功耗技术为一体,使单片机的功耗进一步降低,适应的
10、电压范围更宽(2.66V)。(7)结合专用集成电路ASIC、精简指令集和RISC技术,使单片机发展成为嵌入式的处理器,深入到数字信号处理、图象处理、人工智能、机器人等领域。,以上单片机各种发展系列并非一代淘汰一代,用户根据产品要求、性价比等情况选择。 目前市面上较有影响的单片机厂家有:INTEL:MCS-51、MCS-96系列。MOTOROLA:68HCXX系列。MICROCHIP:16C5X/6X/7X/8X系列。ZILOG:Z86EXXXPSC系列。TEXAS:MSP430FXX系列。,各厂家单片机的指令系统各不相同,功能各有所长,其中市场占有最高的是MCS-51系列,因为世界上很多知名的
11、IC生产厂家都生产51兼容的芯片。目前为止,MCS-51单片机已有数百个品种,还在不断推出功能更强的新产品。近年来PHILIPS公司又推出了指令和MCS-51兼容的16位单片机,这样保证了MCS-51单片机的先进性,同时,很多专用芯片以它作为控制核心,可以预言,几十年内不会淘汰。因此,MCS-51单片机成为教学的首选机型。,3.MCS-51系列单片机类型 MCS-51系列单片机品种很多,如果按照存储器ROM配置状态,可划分为:片内无EPROM型,如80(C)3X;片内EPROM,如87(C)5X;片内FLASH EEPROM型,如89C5X;片内EEPROM ISP型(可在系统编程)如89S5
12、X。,如果按照其功能,则可划分以下一些类型:(1)基本型 基本型有8031、8051、8751、89C51/S51等。 基本型的代表产品是8051,其基本特性如下: 一个8位CPU和指令系统。 128字节的片内RAM。 21个特殊功能寄存器。 32线并行I/O口。 2个16位定时/计数器。 一个全双工串行口。 5个中断源、2个中断优先级的中断结构.,4KB片内ROM。 一个片内时钟振荡器和时钟电路. 片外可扩展64KBROM和64KBRAM. 由此可见,它本身就是一个功能相当强的8位微型机. (2)增强型 有8052AH、8032AH、8752BH,此类型单片机的内ROM和RAM容量比基本型的
13、增大一倍,同时把16位计数增为3个.87C54内部ROM增加到16KB,87C58增加到32KB.,(3)低功耗型 有80C5XBH、80C31XBH、87C5X.这类型号带有“C”字的单片机采用CHMOS工艺,其特点是功耗低,另外, 87C51还有两级程序存储器保密系统,可防止非法拷贝程序. 此外还有内含DMA、PCA (可编程计数阵列)、A/D、多并行口、及内含BASIC高级语言型等多类产品,详见教材续表0.1。,0.2.1 微机的系统结构,微机系统,软件,硬件,主机,外围设备,微处理器(CPU),运算器控制器寄存器,存储器(内存),RAMROM,输入/输出接口(I/O接口),并行、串行接
14、口定时器、A/D、D/A,总线,系统软件应用软件程序设计语言,外部设备,辅助设备,输入设备输出设备辅助存储器,电源电路时钟电路,P10,CPU是计算机的控制核心,它的功能是执行指令,完成算数运算、逻辑运算,并对整机进行控制。存储器用于存储程序和数据。输入/输出接口(又称I/O接口)是CPU和外设之间相连的逻辑电路,外设必须通过接口才能和CPU相连。不同的外设所用接口不同。每个I/O接口也有一个地址,CPU通过对不同的I/O接口进行操作来完成对外设的操作。总线 CPU 、存储器、I/O接口和之间相连的一组线。用于传送程序或数据的总线称为数据总线;地址总线用于传送地址,以识别不同的存储单元或I/O
15、接口;控制总线用于控制数据总线上数据流送的方向、对象等。,0.2.2 微机的基本工作原理,存储程序、执行程序是微机的工作原理,取指令,译码,执行是微机的基本工作过程。单片机是微型计算机的一种,是将计算机主机(CPU、存储器和I/O接口)集成在一小块硅片上的微机,又称微控制器。它专为工业测量与设计而设计,具有三高优势(集成度高、可靠性高、性价比高). 单片机的特点是小而全(体积小,功能全),主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器、仪表、通信设备、家用电器等,特别适合于嵌入式微型机应用系统。,0.2.3 微机的主要技术指标,微型计算机主要有如下一些技术指标:字长:CPU并行处理数据位,由此
16、定为8位机、16位机、32位机等。存储容量:存储器单元数,例如256B、8KB、1MB等(1B即一个字节,也就是一个8位二进制数,是计算机数据的基本单位)。运算速度:CPU处理速度,它和内部的工艺结构以及外接的时钟频率有关。时钟频率:在CPU极限频率以下,时钟频率越高,执行指令速度越快,对单片机而言,有6MHz、12MHz、24MHz等。,0.3.1 计算机中的数,计算机中的数字电路具有两种不同的稳定状态且能相互转换,即“0”和“1”两种状态。计算机处理的一切信息均用二进制数表示,但是二进制数书写起来太长,所以微型计算机中的二进制数都采用十六进制来缩写。十六进制数用09、AF等16个数码表示十
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