单片机教程学习.pptx
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1、实践课题安排实践专题:C51单片机系统开发实践课时:28学时(3-9周)前4个学时:N201,周三 5,6节后24学时:31#309412班:周一 3,4节;周三 5,6节413班:周一 7,8节;周四 3,4节第1页/共123页51单片机原理及应用第一讲 单片机结构及原理第二讲 中断系统第三讲 定时/计数器第四讲 串口通信第五讲 工具软件介绍、流水灯实验第2页/共123页51单片机原理及应用什么是单片机单片机能做什么第3页/共123页什么是单片机单板机 将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备(小键盘、LED显示器)等装配在一块印刷电路板上,再配上监控程序(固化在ROM中)
2、,就构成了一台单板微型计算机(简称单板机)。单板机单板机第4页/共123页单板机的I/O设备简单,软件资源少,使用不方便。主要用于早期微型计算机原理的教学及简单的测控系统。单板机单片机第5页/共123页单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路,从而构成了单芯片微型计算机,即单片机。第6页/共123页单片机能做什么工业控制 用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中,利用单片机作为系统控制器,可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法,实现期望的控制指标,从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电
3、机转速控制、温度控制、自动生产线等。智能仪器仪表提高了仪器仪表的使用功能和精度,使仪器仪表智能化,同时还简化了仪器仪表的硬件结构。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。第7页/共123页机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体,具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。分布式系统的前端模块 在较复杂的工业系统中,经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中,采用单片机作为分布式系统的前端采集模块,系统具有运行可靠,
4、数据采集方便灵活,成本低廉等一系列优点。家用电器家用电器是单片机的又一重要应用领域,前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。第8页/共123页1.1 电子计算机的发展概述1.1.1 1.1.1 电子计算机的问世及其经典结构1946年2月15日,第一台电子数字计算机问世,这标志着计算机时代的到来。(CALCULATOR)ENIAC(“埃尼阿克”)第9页/共123页与现代的计算机相比,有许多不足,但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元,对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。ENIAC是电子管计算机,时钟频率仅有100 KHz,但能在1秒钟的时间内完成5000次加
5、法运算。第10页/共123页 匈牙利籍数学家冯诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月,他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想,进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。(EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER)第11页/共123页电子技术的发展,相继经历了五个时代:电子管;晶体管;集成电路;大规模集成电路;超大规模集成电路。第12页/共123页1.2 单片机的发展概况1.2.1 1.2.1 单片机的发展过程 单片机技术发展过程可分为三个主要阶段:单芯片微机形成阶
6、段 1976年,Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。特点是:存储器容量较小,寻址范围小(不大于4K),无串行接口,指令系统功能不强。第13页/共123页 性能完善提高阶段 1980年,Intel公司推出了MCS-51系列单片机:8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K,并有控制功能较强的布尔处理器。特点是:结构体系完善,性能已大大提高,面向控制的特点进一步突出。现在,MCS-51已成为公认的单片机经典机种。第14页/共123页 微
7、控制器化阶段 特点是:片内面向测控系统外围电路增强,使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。1982年,Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成:16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。第15页/共123页1.2.2 1.2.2 单片机产品近况 ATMELATMEL公司融入公司融入FlashFlash存储器技术的存储器技术的AT89AT89系列;系列;PhilipsPhilips公司的公司的80C
8、5180C51、80C55280C552系列;系列;*深圳宏晶科技有限公司的深圳宏晶科技有限公司的 STC89C/SSTC89C/S系列系列;ADIADI公司的公司的ADC8xxADC8xx高精度高精度ADCADC系列;系列;MaximMaxim公司的公司的DS89C420DS89C420高速(高速(50MIPS50MIPS)系列;系列;80C51系列单片机产品繁多,主流地位已经形成,近年来推出的与80C51兼容的主要产品有:第16页/共123页2-1 MCS-51单片机的组成2-2 MCS-51单片机的引脚及其功能2-3 MCS-51单片机的存储器配置2-4 振荡器与时钟电路及CPU时序2-
9、5 并行I/O端口2-6 MCS-51单片机基本工作系统的组成MCS-51单片机结构原理第17页/共123页2-1 MCS-51单片机的组成与结构l8位中央处理单元(CPU)l128B/256B的数据存储器RAMl4KB/8KB的片内ROM/EPROMl4个8位并行I/O口P0-P3l2个定时器/计数器l5个中断源l1个全双工的UART(通用异步接收、发送器)l片内振荡与时钟产生电路第18页/共123页1、中央处理单元 CPU(8位)用于数据处理、位操作(位测试、置位、复位)2、只读存储器 ROM(4KB或8KB)用于永久性存储应用程序,掩膜ROM、EPROM、EEPROM3、随机存取存取器
10、RAM(128B/256B)用于程序运行中存储工作变量和数据用作系统总线、扩展外存、I/O接口芯片4、并行输入/输出口 I/O(32线)第19页/共123页5、串行输入/输出口 UART(二线)串行通信、扩展I/O接口芯片6、定时/计数器 T/C(16位增量可编程)它与CPU之间各自独立工作,当它计数满时向CPU中断7、时钟电路分为内部振荡器、外接振荡电路五源中断、两级优先,可编程进行控制8、中断系统第20页/共123页P0驱动器P2驱动器P0锁存器P2锁存器RAM地址寄存器128BRAM4KBROMB寄存器暂存器1暂存器2ACCSP程序地址寄存器 缓冲器PC增1PCDPTR中断、串行口和定时
11、器PSWP1锁存器P1驱动器P3锁存器P3驱动器定时控制指令寄存器指令译码器OSCALUP0.0-P0.7P2.0-P2.7P3.0-P3.7P1.0-P1.7XTAL1 XTAL2PSENALEEARESET80518051单片机单片机内部结构图内部结构图运算器存储器I/O接口控制器第21页/共123页中央处理器(CPU)包含运算器和控制器两部分(1 1)8 8位的位的ALUALU:(2)8位累加器ACC(A):(3)8位寄存器B:(4)8位程序状态寄存器PSW:(5)布尔处理器:(6)2个8位暂存器:运算器 可对4位(半字节),8位(单字节)和16位(双字节)数据进行操作,数据来自两个暂存
12、器。累加器,它是最繁忙的8位特殊功能寄存器,用A表示,ALU的运算结果存在此处。8位程序状态字寄存器,用于存放指令执行后的状态信息,供程序查询和判别。布尔操作器8位寄存器,在乘除运算时,用来存放另一个操作数,并存放一部分结果。第22页/共123页(1 1)程序计数器)程序计数器(PC)(PC)(2)指令寄存器(IR)(3)指令译码器(ID)(4)振荡器及定时与控制电路控制器中央处理器(CPU)控制器第23页/共123页 由两个8位的计数器(PCL,PCH)组成,PC存储将要执行的下一条指令的地址,16位可容纳的最大数值为65535,为64KB,因此,MCS-51可寻址64KB的程序存储器。改变
13、PC内的值,就可改变程序执行的方向。16位程序计数器-PC 第24页/共123页 由PC内容指定的ROM地址单元中取出的指令,经指令寄存器送至指令译码器进行译码,进而CPU产生相应的控制信号,执行指令所规定的操作。指令存储器及指令译码器 第25页/共123页 MCS-51片内有振荡器OSC,通过单片机的XTAL1,XTAL2连接片外的石英晶体及两个频率微调电容,产生单片机工作所需要的基本时钟节拍。振荡器及定时控制电路 第26页/共123页1、电源管脚:Vcc,Vss2、时钟电路管脚:XTAL1,XTAL23、控制信号脚:RST/VPD,ALE/PROG PSEN及Vpp/EA4、I/O管脚 P
14、0,P1,P2,P32-2 MCS-512-2 MCS-51单片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能第27页/共123页电源管脚 Vcc:电源端,为5V,允许电源有偏差;GND(VSS):地。注:为了防止电源脉冲对单片机的影响,一般在VCC和GND之间接上一个1uF的电容。第28页/共123页时钟电路管脚 XTAL1:芯片内部反相放大器输入端,使用外部振荡器时需接地。XTAL2:芯片内部反相放大器输出端,使用外部振荡时接振荡器输 入的信号。XTAL2XTAL1内部振荡方式XTAL2XTAL1外部振荡器外部振荡方式第29页/共123页控制线 ALE/PROG ALE:地址锁存信号端,频率为晶体振
15、荡器的1/6正脉冲信号。当CPU访问片外扩展存储器时,该信号作为锁存低8位地址的控制信号。PROG:当片内有EPROM时,该管脚提供编程写入时的编程脉冲信号输入端。第30页/共123页控制管脚 RST/VPD RST:复位信号输入端,高电平有效。保持两个机器周期以上,并变为低电平,单片机开始从0000地址执行,即可完成单片机复位。单片机复位不改变片内RAM的值。VPD:备用电源。+5VRESET10uF第31页/共123页控制管脚 PSEN PSEN:程序存储器允许输出信号端。在访问片外程序存储器时,CPU控制该端输出负脉冲作为外部存储器的选通信号,允许CPU读出EPROM中被选中单元中的指令
16、码。该管脚一般连程序存储器的选通信号端(OE)。第32页/共123页控制管脚 EA/Vpp EA:外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。程序存储器允许输出信号端。当EA接高时,前4KB或8KB程序在单片机内,当EA接地时,所有程序均在外存储器。Vpp:对单片机内程序存储器编程时施加的高电平输入端。第33页/共123页2-3 MCS-512-3 MCS-51单片机的存储器配置单片机的存储器配置计算机存储结构:哈佛结构:程序存储与数据存储分开单片机 冯.诺依曼结构:程序与数据存储在一起通用计算机单片机的存储器结构(ROMRAM):ROM:常用于存放程序和需要长时间存放的数据,掉电不丢失
17、;RAM:随时可读可写的存储器,掉电后数据立即丢失。第34页/共123页00HFFH1、单片机的存储器结构 采用哈佛结构,存在4个物理上相互独立的存储器空间:l 片内程序存储器 片外程序存储器l 片内数据存储器 片外数据存储器0FFFH0000H片内4KROM0000HFFFFH片外64KROM片外64KRAM(I/O)0000HFFFFHSFR片内RAM7FH80H0FFFHEA引脚=0访问片内与片外RAM靠指令区分MOV与MOVXEA引脚=1第35页/共123页2、单片机的程序存储器 常用单片机的程序存储器容量:型号型号ROMROMRAMRAM8031/328031/320 0128B/2
18、56B128B/256B8051/528051/524KB/8KB4KB/8KB128B/256B128B/256B8751/528751/524KB/8KB EPROM4KB/8KB EPROM128B/256B128B/256B89X51/5289X51/524KB/8KB FLASH4KB/8KB FLASH128B/256B128B/256B 随着单片机制造技术的发展,现在内部ROM有64KB,RAM达几KB的都有。在进行单片机应用系统开发时,应注意选择,能不扩展的尽量不扩展。(片内128B不包含SFR区)第36页/共123页单片机的程序存储器 单片机的程序存储器的应用:l上电复位时,
19、PC=0000;l程序存储器有保留单元:入口单元地址入口单元地址入口单元地址入口单元地址预留目的预留目的预留目的预留目的存储单元范围存储单元范围存储单元范围存储单元范围0000H0000H复位后初始化引导程序复位后初始化引导程序复位后初始化引导程序复位后初始化引导程序00H-02H00H-02H0003H0003H外部中断外部中断外部中断外部中断0 0服务程序服务程序服务程序服务程序(INT0)(INT0)03H-0AH03H-0AH000BH000BH定时器定时器定时器定时器/计数器计数器计数器计数器0 0溢出中断服务程序溢出中断服务程序溢出中断服务程序溢出中断服务程序0BH-12H0BH-
20、12H0013H0013H外部中断外部中断外部中断外部中断1 1服务程序服务程序服务程序服务程序(INT0)(INT0)13H-1AH13H-1AH001BH001BH定时器定时器定时器定时器/计数器计数器计数器计数器1 1溢出中断服务程序溢出中断服务程序溢出中断服务程序溢出中断服务程序1BH-22H1BH-22H0023H0023H串行口中断服务程序串行口中断服务程序串行口中断服务程序串行口中断服务程序23H-2AH23H-2AH002BH002BH定时器定时器定时器定时器/计数器计数器计数器计数器2 2溢出中断服务程序溢出中断服务程序溢出中断服务程序溢出中断服务程序2BH-2BH-第37页
21、/共123页3、单片机的数据存储器 单片机的数据存储器最大寻址为64KB,地址为:0000FFFFH片内为128B的数据存储器,片外为64KB,地址有重叠,靠指令区分00H07H08H0FH10H17H18H1FH2FH30H20H7FH用户RAM区位寻址区3组2组1组0组通用工作寄存器R0R7低128B的数据RAM高128B的特殊寄存器区SFR区80HFFH第38页/共123页单片机的数据存储器 数据存储器中的堆栈:l堆栈用于保护中断时程序的断点地址,以便中断返回时程序的继续执行;l堆栈的特点是先进后出,后进先出;l堆栈的指令是:PUSH(压入)和POP(弹出)l堆栈寄存器叫SP,其内部的数
22、值叫栈底,初始值为07H,一般应进行设置到50H或60H。MOV SP,#60HPUSH A.PUSH B07H60H61H7FH07H07HSP60H60HSPA61H61HSPB第39页/共123页单片机的数据存储器低128B的分区:l工作寄存器区,R0-R7,共四组,由PSW中的RS1,RS0决定;l位寻址区20H-2FH,位地址为:00H-7FH;l一般数据存储区;l堆栈区(由用户进行设置,初始值为07H)高128B的分区:l特殊功能寄存器(SFR):ACC,B,PSW,P0,P1,P2,P3,IP,IE,TCON,SCON可位寻址(11个)SP,DPTR,TMOD,TH0,TL0,T
23、H1,TL1,SBUF,PCON不可位寻址(共9个)特殊功能寄存器(SFR)的初始值除P0,P1,P2,P3为FFH,SP为07外,其余均为00H。第40页/共123页单片机的特殊功能寄存器(SFR)D7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D0CYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOV/P PPSWPSW(Program State Word)程序状态字;CY进位位标志位或借位位标志位;AC半字节进位位标志位或半字节借位标志位;F0用户标志位;RS1,RS0工作寄存器组选择位,00-0区,01-1区,10-2区,11-3区;OV溢出标志位,当进行补码运算时,如
24、有溢出,超出-128127范围时置位;/未定位位,在52中为F1,用户标志位;P奇偶标志位,每条指令执行完后,跟踪指示A内的1 的个数,如为奇数,则P=1,否则为0,常用于校验串行通信中的数据传送是否出错。第41页/共123页2-4 2-4 振荡器与时钟电路及振荡器与时钟电路及CPUCPU时序时序1.振荡器与时钟电路:单片机内部的增益反向放大器通过XTAL1、XTAL2两个引脚外接的反馈石英晶体元件构成自激振荡器。时钟发生器把振荡器的信号进行二分频,向CPU提供了两相时钟脉冲信号P1和P2。时钟信号的周期称为S,它是振荡周期的2倍,在每个时钟周期S的前半周期,P1有效,后半周期,P2有效。第4
25、2页/共123页2-4 2-4 振荡器与时钟电路及振荡器与时钟电路及CPUCPU时序时序(续续)2.机器周期和指令周期:单片机的一个机器周期由6个S状态周期组成,即S1-S6,每个状态又持续两个振荡周期,即P1和P2两拍,故一个机器周期包含12个振荡周期,即S1P1,S1P2,S2,P1,S2P2,S6P1,S6P2共12个状态拍。若采用12MHz晶振,则每个机器周期为1us。单片机的指令长度分为1B、2B和3B三种,按CPU执行每条指令的时间分为单周期指令、双周期指令和四周期指令三种。第43页/共123页每一条指令的执行包括取指、执指两个阶段。在每个机器周期内ALE两次有效,第一次出现在S1
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