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1、单片机原理及接口技术段晨东 等 编著清华大学出版社2008年4月1第1章 基础知识本章内容:本章主要介绍单片机的概念、单片机的发展、基本的结构和特点、单片机的应用模式和领域以及MCS-51单片机等。21.1 计算机的一些概念 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分组成。计算机的结构31.1 计算机的一些概念8位计算机每个单元可存放一个8位二进制数,即一个字节,每一位的状态是0或1。存储单元保存的8位二进制数称为单元的内容。存储单元示意图如图地址为0110单元的内容为10101001,表示为(06H)=A9H。4电子计算机发展的电子计算机发展的4 4个阶段:个阶段:第一代:电
2、子管第二代:晶体管第三代:集成电路第四代:大规模、超大规模集成电路微型机的两个发展方向:微型机的两个发展方向:高速度、大容量、高性能的高档微机稳定可靠、体积小、价格廉的单片机51.2 单片机的概念和发展微处理器微处理器 (CPU,Central Processing Unit)集成了运算器和控制器的芯片,是计算机系统核心部件,但并不是一台完整的计算机。单片机单片机 (CSMC,Single Chip MicroComputer)将CPU和其他接口电路集成于一个芯片之中,使其具有计算机的基本功能。其中包括以下主要微型机部件:随机存储器RAM(Random Access Memory)只读存储器R
3、OM(Read Only Memory)中断系统定时器/计数器I/O(Input/Output)口电路6单单片片机机主主要要应应用用于于控控制制领领域域,用用以以实实现现各各种种测测试试和和控控制制功功能能,故故单片机又称单片机又称微控制器微控制器(MCU,MicroController Unit)。)。单单片片机机应应用用时时通通常常是是处处于于被被控控系系统统的的核核心心地地位位并并融融入入其其中中,即即以以嵌嵌入入的的方方式式进进行行使使用用,故故也也常常将将单单片片机机称称为为嵌嵌入入式式微微控控制制器器(EMCU,Embedded MicroController Unit)。)。1.
4、2 单片机的概念78单片机的特点:单片机的特点:片内集成存储器,但容量有限片内集成存储器,但容量有限单单片片机机的的存存储储器器ROM和和RAM是是严严格格区区分分的的。ROM称称为为程程序序存存储储器器,只只存存放放程程序序、固固定定常常数数及及数数据据表表格格。RAM则则为为数数据据存存储储器器,用用作作工工作作区区及及存存放放用用户户数数据据。片片内内集集成成了了少少量量的的RAM和和ROM,必要时可片外扩展,必要时可片外扩展。控制功能强,运行速度快控制功能强,运行速度快采采用用面面向向控控制制的的指指令令系系统统。为为满满足足控控制制的的需需要要,单单片片机机有有更更强的逻辑控制能力,
5、特别是具有很强的位处理能力强的逻辑控制能力,特别是具有很强的位处理能力。引脚的功能复用较多引脚的功能复用较多由由于于单单片片机机芯芯片片上上引引脚脚数数目目有有限限,为为了了解解决决实实际际引引脚脚数数和和需需要要的的信信号号线线的的矛矛盾盾,采采用用了了引引脚脚功功能能复复用用的的方方法法。引引脚脚处处于于何种功能,可由指令来设置或由机器状态来区分。何种功能,可由指令来设置或由机器状态来区分。9单片机的特点:单片机的特点:单片机的特点:单片机的特点:l l产品类型多,功能扩展灵活产品类型多,功能扩展灵活产品类型多,功能扩展灵活产品类型多,功能扩展灵活单单片片机机的的外外部部扩扩展展能能力力强
6、强。在在内内部部的的各各种种功功能能部部分分不不能能满满足足应应用用需需求求时时,均均可可在在外外部部进进行行扩扩展展(如如扩扩展展ROM、RAM,I/O接接口口,定定时时器器/计计数数器器,中中断断系系统统等等),与与许许多多通通用用的的微微机机接接口芯片兼容,给应用系统设计带来极大的方便和灵活性口芯片兼容,给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。l l可靠性高可靠性高可靠性高可靠性高单单片片机机的的全全部部电电路路集集成成到到一一块块芯芯片片上上,大大大大缩缩短短了了系系统统内内信信号号传传送送距距离离,从从而而提提高高了了抗抗干干扰扰能能力力,应应用用于于工工业业现现场场具具有有很好的可靠
7、性。很好的可靠性。l l功耗较低功耗较低功耗较低功耗较低单单片片机机大大多多采采用用CHMOS工工艺艺,且且可可以以进进入入节节电电模模式式工工作作,因因而功耗较低,特别适合于电池供电的仪器仪表。而功耗较低,特别适合于电池供电的仪器仪表。10通用单片机和专用单片机通用单片机和专用单片机专用单片机专用单片机专用单片机指用途比较专一,出厂时程序已经一次性固化好,不能再修改的单片机。例如电子表里的单片机就是其中的一种,其生产成本很低。专用单片机是针对某一种产品或某一种控制应用而专门设计的。设计时已经对系统结构最简化、软硬件资源利用的最优化、可靠性以及经济成本最佳化等都作了通盘的考虑和论证,所以专用单
8、片机具有十分明显的综合优势。11通用单片机和专用单片机通用单片机和专用单片机通用单片机通用单片机通用单片机是一个基本芯片,内部资源丰富,性能全面且适用性强,能覆盖多种应用需求。通用单片机有一个再设计的过程,通过用户的进一步设计,才能组建成一个以通用单片机芯片为核心,再配以其它外围电路的应用控制系统。通用单片机的用途很广泛,使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表,大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。本课程介绍的本课程介绍的MCS-51系列单片机是一种系列单片机是一种8位的通位的通用单片机,其结构和原理对所有单片机都是适用的。用单片机,其结
9、构和原理对所有单片机都是适用的。12单片机系统单片机系统在单片机芯片基础上,扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。在单片机系统中,单片机处于核心地位,是构成单片机系统的硬件和软件基础。单片机应用系统单片机应用系统为控制应用而设计的,系统与控制对象结合在一起使用,是单片机开发应用的成果。单片机开发系统单片机开发系统单片机系统开发调试的工具。主要有:微型机开发系统MDS(Microcomputer Development System)在线仿真器ICE(In Circuit Emulator)13单片机的程序设计语言和软件单片机的程序设计语言和软件在单片机开发系统中使用机器语言、汇
10、编语言和高级语言机器语言:用二进制代码表示的单片机指令,用机器语言构成的程序称为目标程序。汇编语言:用符号表示的指令,是单片机最常用的语言。高级语言:编译型语言有PL/51、C-51、C、MBASIC-51等,解释型的有MBASIC和MBASIC-52等。在单片机应用系统中只使用机器语言141.2 单片机的发展单片机的发展C第1阶段 19711976年,单片机发展的起步阶段1971年年11月月Intel公公司司首首先先研研制制出出集集成成度度为为2000只只晶晶体体管管/片片的的4位位微微处处理理器器,并并集集成成有有RAM、ROM和和相相应应的的寄寄存存器器,构构成成了了第第一一台台MCS-
11、4处处理理器器,此此后后推推出出了了8位位微微处处理理器器Intel 8088。多多用用于于家家用用电电器、计算器、高级玩具等。器、计算器、高级玩具等。C第2阶段 19761980年,低性能单片机阶段1976年年9月月Intel公公司司推推出出MCS-48系系列列单单片片机机,这这是是第第一一台台完完整整的的8位位单单片片机机。从从性性能能上上看看,具具有有8位位CPU、8位位并并行行I/O接接口口、8位位定定时时器器/计计数数器器,无无串串行行I/O,寻寻址址范范围围小小于于4KB,RAM、ROM容容量量小小,中断系统简单。可满足一般工业控制和智能化仪器仪表的需要。中断系统简单。可满足一般工
12、业控制和智能化仪器仪表的需要。15C第3阶段 19801983年,高性能8位单片机阶段以以1980年年Intel公公司司推推出出高高性性能能MCS-51系系列列单单片片机机为为代代表表。具具有有串串行行I/O接接口口和和两两个个以以上上的的16位位定定时时器器/计计数数器器,具具有有较较丰丰富富的的多多级级中中断断系系统统,寻寻址址空空间间达达到到64KB,片片内内ROM容容量量达达4K8KB,RAM达达128256B,甚甚至至还还有有A/D转转换换功功能能。用用于于智智能能终终端端、局局部部网网络络接接口口、分布式控制系统等领域。分布式控制系统等领域。C第4阶段 19831990年,16位单
13、片机阶段以以1983年年Intel公公司司推推出出MCS-96系系列列单单片片机机为为代代表表。1987年年Intel公公司研制出司研制出CHMOS型型16位单片机位单片机80C196。C第5阶段 1990年以后,单片机性能进一步提高和应用领域全方位发展阶段出出现现了了双双CPU内内部部流流水水线线结结构构,时时钟钟达达到到20MHz,更更高高集集成成度度、高高速度和低功耗。速度和低功耗。16主流单片机厂商及单片机特点简介主流单片机厂商及单片机特点简介8051 8051 单片机单片机 最最早早由由Intel公公司司推推出出8051/31类类单单片片机机,是是世世界界上上使使用用量量最最大大的的
14、几几种种单单片片机机之之一一。由由于于Intel公公司司将将重重点点放放在在186、386、奔奔腾腾等等与与PC类类兼兼容容的的高高档档芯芯片片开开发发上上,8051类类单单片片机机主主要要由由Philips、三三星星、华华帮帮等等公公司司接接手手。这这些些公公司司在在保保持持与与8051单单片片机机兼兼容容基基础础改改善善了了8051的的许许多多特特点点。提提高高了了速速度,降低了时钟频率,放宽了电源电压的动态范围,降低了产品价格。度,降低了时钟频率,放宽了电源电压的动态范围,降低了产品价格。Zilog Zilog 单片机单片机 Z8单单片片机机是是该该公公司司的的产产品品,采采用用多多累累
15、加加器器结结构构,有有较较强强中中断断处处理理能能力力。产产品品为为OTP(One Time Programable)型型,Z8单单片片机机的的开开发发工工具具可可以以说说是是物物美美价价廉廉。Z8单单片片机机以以低低价价位位的的优优势势面面向向低低端端应应用用,以以18引引脚脚封封装装为为主主,ROM为为0.52KB。最最近近Zilog公公司司又又推推出出了了Z86系系列列单单片片机机,该该系系列列内部集成廉价的内部集成廉价的DSP单元。单元。17主流单片机厂商及单片机特点简介主流单片机厂商及单片机特点简介Microchip Microchip 单片机单片机Microchip 单单片片机机是
16、是市市场场份份额额增增长长最最快快的的单单片片机机。他他的的主主要要产产品品是是16C系系 列列 8位位 单单 片片 机机,CPU采采 用用 RISC(reduced instruction set computer,精精简简指指令令集集计计算算机机)结结构构,仅仅33条条指指令令,运运行行速速度度快快,且且以以低低价价位位著著称称,一一般般单单片片机机价价格格都都在在1美美元元以以下下。Microchip 单单片片机机没没有有掩掩膜膜产产品品,全全部部都都是是OTP器器件件(现现已已推推出出FLASH型型单单片片机机)。Microchip强强调调节节约约成成本本的的最最优优化化设设计计,是是
17、使使用用量量大大,档档次次低低,价价格格敏感的产品。敏感的产品。STC STC 单片机单片机 STC单单片片机机完完全全兼兼容容51单单片片机机,并并有有其其独独到到之之处处,其其抗抗干干扰扰性性强强,加加密密性性强强,超超低低功功耗耗,可可以以远远程程升升级级,内内部部有有MAX810专专用用复复位位电电路路,价格也较便宜,由于这些特点使得价格也较便宜,由于这些特点使得STC系列单片机的应用日趋广泛。系列单片机的应用日趋广泛。18主流单片机厂商及单片机特点简介主流单片机厂商及单片机特点简介Motorola Motorola 单片机单片机 Motorola是是世世界界上上最最大大的的单单片片机
18、机厂厂商商,品品种种全全,选选择择余余地地大大,新新产产品品多多,在在8位位机机方方面面有有68HC05和和升升级级产产品品68HC08,68HC05有有30多多个个系系列列200多多个个品品种种,产产量量超超过过20亿亿片片。8位位增增强强型型单单片片机机68HC11也也有有30多多个个品品种种,年年产产量量1亿亿片片以以上上,升升级级产产品品有有68HC12。16位位单单片片机机68HC16也也有有十十多多个个品品种种。32位位单单片片机机683XX系系列列也也有有几几十十个个品品种种。近近年年来来以以PowerPC,Codfire,M.CORE等等作作为为CPU,用用DSP作作为为辅辅助
19、助模模块块集集成成的的单单片片机机也也纷纷纷纷推推出出,目目前前仍仍是是单单片片机机的的首首选选品品牌牌。Motorola单单片片机机特特点点之之一一是是在在同同样样的的速速度度下下所所用用的的时时钟钟较较Intel类类单单片片机机低低的的多多,因因而而使使得得高高频频噪噪声声低低,抗抗干干扰扰能能力力强强,更更适适合合用用于于工工控控领领域域以以及及恶恶劣劣环环境境。Motorola 8位位单单片片机机过过去去策策略略是是掩掩膜膜为为主主,最最近近推推出出OTP计计划划以以适适应应单单片片机机的的发发展展,在在32位位机机上上,M.CORE在性能和功耗上都胜过在性能和功耗上都胜过ARM7。1
20、9主流单片机厂商及单片机特点简介主流单片机厂商及单片机特点简介ScenixScenix单片机单片机 Scenix单单片片机机的的I/O模模块块最最有有创创意意。I/O模模块块的的集集成成与与组组合合技技术术是是单单片片机机技技术术不不可可缺缺少少的的重重要要方方面面。除除传传统统的的I/O功功能能模模块块如如并并行行I/O,URT,SPI,I2C,A/D,PWM,PLL,DTMF等等,新新的的I/O模模块块不不断断出出现现,如如USB,CAN,J1850,最最具具代代表表的的是是Motorola 32位位单单片片机机,它它集集成成了了包包括括各各种种通通信信协协议议在在内内的的I/O模模块块,
21、而而Scenix单单片片机机在在I/O模模块块的的处处理理上上引引入入了了虚虚拟拟I/O的的概概念念。Scenix单单片片机机采采用用了了RISC结结构构的的CPU,使使CPU最最高高工工作作频频率率达达50MHz。运运算算速速度度接接近近50MIPS。有有了了强强有有力力的的CPU,各各种种I/O功功能能便便可可以以用用软软件件的的办办法法模模拟拟。单单片片机机的的封封装装采采用用20/28引引脚脚。公公司司提提供供各各种种I/O的的库库函函数数,用用于于实实现现各各种种I/O模模块块的的功功能能。这这些些软软件件完完成成的的模模块块包包括括多多路路UART,多多种种A/D,PWM,SPI,
22、DTMF,FSK,LCD驱动等,这些都是通常用硬件实现起来相当复杂的模块。驱动等,这些都是通常用硬件实现起来相当复杂的模块。20主流单片机厂商及单片机特点简介主流单片机厂商及单片机特点简介NECNEC单片机单片机NEC单单片片机机自自成成体体系系,以以8位位机机78K系系列列产产量量最最高高,也也有有16位位,32位位单单片片机机。16位位单单片片机机采采用用内内部部倍倍频频技技术术,以以降降低低外外时时钟钟频频率率。有有的的单单片片机机采采用用内内置置操操作作系系统统。NEC的的销销售售策策略略注注重重服服务务大大客客户户,并并投投入入相相当大的技术力量帮助大客户开发新产品。当大的技术力量帮
23、助大客户开发新产品。东芝单片机东芝单片机 东东芝芝单单片片机机从从4位位到到64位位,门门类类齐齐全全。4位位机机在在家家电电领领域域仍仍有有较较大大市市场场。8位位机机主主要要有有870系系列列,90系系列列等等。该该类类单单片片机机允允许许使使用用慢慢模模式式,采采用用32KHz时时钟钟,功功耗耗低低至至10uA数数量量级级。CPU内内部部多多组组寄寄存存器器的的使使用用,使使得得中中断断响响应应与与处处理理更更加加快快捷捷。东东芝芝公公司司的的32位位机机采采用用MIPS3000 ARISC的的CPU结构,面向结构,面向VCD,数字相机,图像处理市场。,数字相机,图像处理市场。21主流单
24、片机厂商及单片机特点简介主流单片机厂商及单片机特点简介富士通单片机富士通单片机富富士士通通也也有有8位位,16位位和和32位位单单片片机机,但但是是8位位机机使使用用的的是是16位位的的CPU内内核核。也也就就是是说说8位位机机与与16位位机机指指令令相相同同,使使得得开开发发比比较较容容易易。8位位机机有有MB8900系系列列,16位位机机有有MB90系系列列。富富士士通通注注重重服服务务大大公公司司,大大客客户,帮助大客户开发产品。户,帮助大客户开发产品。EpsonEpson单片机单片机 Epson公公司司以以擅擅长长制制造造液液晶晶显显示示器器著著称称,故故Epson单单片片机机主主要要
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