單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用簡介

1、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)講座v第一講、單片機(jī)系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)簡介 v第二講、單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) v第三講、單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) v第四將、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 第一講第一講 單片機(jī)系統(tǒng)及其開發(fā)簡介單片機(jī)系統(tǒng)及其開發(fā)簡介v1單片機(jī)系統(tǒng)概述v2 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 (為例)v3 單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及工具介紹v4 單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程概述v1.1單片機(jī)系統(tǒng)的概念v1.2單片機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)v1.3單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域1 1 單片機(jī)系統(tǒng)概述單片機(jī)系統(tǒng)概述 1.11.1單片機(jī)系統(tǒng)的概念單片機(jī)系統(tǒng)的概念v1.1.1 單片機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)的概念單片機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)的概念v單片機(jī)單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它將中央處理

2、器（cpu）、存儲器（rom/ram）、輸入輸出接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等主要計(jì)算機(jī)部件集成在一片芯片上，因此單片機(jī)被稱為單片微型計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer）。單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)簡單的說就是單片機(jī)加一些外圍芯片和軟件組成的完整系統(tǒng) 。1.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)v單片機(jī)最小系統(tǒng)如右圖所示v1 晶振v2 電源v3 復(fù)位電路 1.2單片機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)v（1）單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)可靠性高。v（2）系統(tǒng)配置規(guī)范 。v（3）控制功能具有預(yù)想性，變動控制方案容易。v（4）具有較高的性價(jià)比1.3單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域v1.在智能儀器儀表上的應(yīng)用 v2.在工業(yè)控制中的應(yīng)用 v3.在家用電

3、器中的應(yīng)用 v4.在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 v5.單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 v6.在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用 v7.單片機(jī)在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 v參考網(wǎng)址：http:/ 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 以為例講解v2.1 mcs-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu) v2.2 8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能v2.3 mcs-51單片機(jī)的引腳功能v2.4 mcs-51單片機(jī)的工作方式v2.5 mcs-51單片機(jī)的時(shí)序由圖2-2可知8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：v由運(yùn)算器和控制器組成的8位微處理器（cpu）v4kb的片內(nèi)程序存儲器（rom）v128b數(shù)據(jù)存儲器（ram）v21個(gè)特殊功能寄存器（sfr）v兩個(gè)

4、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t0、t1v一個(gè)全雙工串行通信接口v4個(gè)8位輸入輸出接口（p0p3），共32根i/o口線v5個(gè)中斷源，可編程為兩個(gè)優(yōu)先級v內(nèi)部時(shí)鐘電路v微處理器又稱cpu，是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算控制中心，由運(yùn)算器和控制器及中斷控制電路等幾部分組成。cpu字長有4位、8位、16位和32位之分，字長越長運(yùn)算速度越快，數(shù)據(jù)處理能力也越強(qiáng)。vmcs-51單片機(jī)的cpu字長為8位。2.1.1 微處理器（cpu）（1） 運(yùn)算器運(yùn)算器以算術(shù)邏輯運(yùn)算單元alu為核心，包括累加器a、狀態(tài)字寄存器psw、b寄存器等部件。算術(shù)邏輯單元（alu）在控制器的作用下，進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。如加法、減法、加1、減1等操作

5、。（2） 控制器控制器包括程序計(jì)數(shù)器pc、指令寄存器、指令譯碼器、振蕩器、定時(shí)電路及控制電路等部件，能根據(jù)不同的指令產(chǎn)生相應(yīng)的操作時(shí)序和控制信號，控制單片機(jī)各部分的運(yùn)行。pc是一個(gè)16位計(jì)數(shù)器，具有自動加1功能。cpu每執(zhí)行一條指令則pc自動加1，并指向要執(zhí)行的下一條指令的地址，最大尋址范圍為64k。可以通過控制轉(zhuǎn)移指令改變pc值，實(shí)現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。2.2.1 2.2.1 存儲器存儲器mcs-51單片機(jī)片內(nèi)只讀存儲器（rom）用作程序存儲器，用于存放已編好的程序、數(shù)據(jù)表格等；片內(nèi)讀寫存儲器（ram）又稱隨機(jī)存取存儲器，可用于存放輸入、輸出數(shù)據(jù)和中間計(jì)算結(jié)果，同時(shí)還作為數(shù)據(jù)堆棧區(qū)。當(dāng)存儲器的容量不

6、夠時(shí)，可以外部擴(kuò)展。2.3.3 i/o2.3.3 i/oi/o：輸入輸出端口， i/o的功能是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)cpu通過系統(tǒng)總線把i/o電路和 外圍設(shè)備聯(lián)系在一起。其中8051的i/o資源如下： （1） 4個(gè)8位并行i/o口p0p3，均可以并行輸入輸出8位數(shù)據(jù)。 （2） 串行i/o口用于數(shù)據(jù)的串行輸入輸出。2.3.4 2.3.4 定時(shí)器定時(shí)器/ /計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器既可以用于產(chǎn)生定時(shí)脈沖，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的定時(shí)控制，也可以用于計(jì)數(shù)方式，對外部事件的脈沖計(jì)數(shù)。mcs-51系列單片機(jī)芯片均為40條引腳，hmos 工藝制造的芯片用雙列直插（dip）方式封裝，其引腳示意及功能分類如圖2-2所示。各引腳功能說

7、明如下：2.3 mcs-51單片機(jī)的引腳功能2.3 1. 主電源引腳vvcc(40腳)： 接+5v電源正端。vvss(20腳)： 接+5v電源地端。vxtal1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。v xtal2（18腳）：接外部石英晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。2.3.2外接晶體引腳2.3.3 輸入/輸出引腳v(1) p0口（3932腳）：p0.0p0.7統(tǒng)稱為p0口。在不接片外存儲器或擴(kuò)展i/o口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲器或擴(kuò)展i/o口時(shí)，p0口分時(shí)復(fù)用為低8位地址總線和

8、雙向數(shù)據(jù)總線。v (2) p1口（18腳）：p1.0p1.7統(tǒng)稱為p1口，可作為準(zhǔn)雙向i/o口使用。對于52子系列，p1.0與p1.1還有第二功能：p1.0可用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端t2，p1.1可用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端t2ex。2.3.3 輸入/輸出引腳（續(xù)）v3) p2口（2128腳）：p2.0p2.7統(tǒng)稱為p2口，一般可作為準(zhǔn)雙向i/o口使用。在接有外存儲器或擴(kuò)展i/o口且尋址范圍超過256字節(jié)時(shí)，p2口用作高8位地址總線。v (4) p3口（1017腳）：p3.0p3.7統(tǒng)稱為p3口。除作為準(zhǔn)雙向i/o口使用外，還可以將每一位用于第二功能，且p3口的每一條引腳均可

9、獨(dú)立定義為第一功能的輸入、輸出或第二功能的輸入、輸出。p3口的第2功能如表2-1所示。表表2-1 p32-1 p3口的第二功能口的第二功能0int1intwrrd引 腳第 二 功 能p3.0rxd 串行口輸入端p3.1txd 串行口輸出端p3.2 外部中斷0請求輸入端，低電平有效p3.3 外部中斷1請求輸入端，低電平有效p3.4t0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端p3.5t1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端p3.6 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效p3.7 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效p1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78rst

10、/vpd9rxd p3.010txd p3.111int0 p3.212int1 p3.313t0 p3.414t1 p3.515wr p3.616rd p3.717xtal218xtal119vss20p2.021p2.122p2.223p2.324p2.425p2.526p2.627p2.728psen29ale/prog30ea/vpp31p0.732p0.633p0.534p0.435p0.336p0.237p0.138p0.039vcc408031 8051 875151單片機(jī)的引腳2.3.4 控制線v (1) ale/ （30腳）：地址鎖存有效信號輸出端。ale在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出

11、兩個(gè)脈沖。在訪問片外程序存儲器期間，下降沿用于控制鎖存p0輸出端的低8位地址；在不訪問片外程序存儲器期間，可作為對外輸出的時(shí)鐘脈沖或用于定時(shí)目的。v (2) psen（29腳）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效。在從外部程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間，每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)該信號兩次有效，并通過數(shù)據(jù)總線p0口讀回指令或常數(shù)。在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器期間，psen信號將不出現(xiàn)。2.3.4 控制線（續(xù)） (3) rst/vpd(9腳)：rst即為reset，vpd為備用電源。該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上將出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，這時(shí)可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)

12、回復(fù)到初始狀態(tài)。上電時(shí)，考慮到振蕩器有一定的起振時(shí)間，該引腳上高電平必須持續(xù)10ms以上才能保證有效復(fù)位。 (4) ea/vpp（31腳）：為片外程序存儲器選通端。該引腳有效（低電平）時(shí)，只選用片外程序存儲器，否則單片機(jī)上電或復(fù)位后選用片內(nèi)程序存儲器。mcs-51單片機(jī)的工作方式有v復(fù)位方式v單步執(zhí)行方式v程序執(zhí)行方式v掉電和低功耗方式v單步執(zhí)行就是通過外來脈沖控制程序的執(zhí)行，使之達(dá)到來一個(gè)脈沖就執(zhí)行一條指令的目的。而外來脈沖是通過按鍵產(chǎn)生的，因此單步執(zhí)行實(shí)際上就是按一次鍵執(zhí)行一條指令。v程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式。由于復(fù)位后pc=0000h，因此程序總是從地址0000h開始。v（1）

13、 振蕩周期: 也稱時(shí)鐘周期, 是指為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖信號的振蕩源的周期。 v（2） 狀態(tài)周期: 每個(gè)狀態(tài)周期為時(shí)鐘周期的 2 倍, 是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。 v（3） 機(jī)器周期: 一個(gè)機(jī)器周期包含 6 個(gè)狀態(tài)周期s1s6, 也就是 12 個(gè)時(shí)鐘周期。 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi), cpu可以完成一個(gè)獨(dú)立的操作。 v（4） 指令周期: 它是指cpu完成一條操作所需的全部時(shí)間。 每條指令執(zhí)行時(shí)間都是有一個(gè)或幾個(gè)機(jī)器周期組成。mcs - 51 系統(tǒng)中, 有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。33 單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及工具單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及工具v3.1 3.1 單片機(jī)開發(fā)語言的選擇單片機(jī)開發(fā)語言的選擇v

14、單片機(jī)的應(yīng)用首先要考慮的是它的開發(fā)平臺，也即我們常說的開發(fā)環(huán)境?，F(xiàn)階段，國內(nèi)的大部分單片機(jī)開發(fā)工程技術(shù)人員還是普遍使用匯編語言編寫程序。v匯編語言的優(yōu)點(diǎn)：代碼最小，最直接，效率最高。v匯編語言的缺點(diǎn)：編程員必須十分了解所用單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，程序編寫困難，代碼難以理解，不易于識讀，難于移植，排錯困難，編寫程序花的時(shí)間相當(dāng)多，調(diào)試不便等等?，F(xiàn)在已有相當(dāng)?shù)拈_發(fā)器材支持高級語言的使現(xiàn)在已有相當(dāng)?shù)拈_發(fā)器材支持高級語言的使用和調(diào)試，為單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用提供了更好的物用和調(diào)試，為單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用提供了更好的物質(zhì)條件。質(zhì)條件。 高級語言（如c語言）的優(yōu)點(diǎn)：開發(fā)周期短，易于識讀，容易移植，也便于初學(xué)著掌握。 高級

15、語言（如c語言）的缺點(diǎn)：產(chǎn)生的代碼過長、運(yùn)行速度慢、 但是隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高級語言的弱點(diǎn)也已被較大的克服，象mcs-51上的c語言的代碼長度，如果未加上人工優(yōu)化條件，也可做到最優(yōu)匯編程序水平的120%150%，這也相當(dāng)可觀了?？梢哉f相當(dāng)于中等匯編程序員的水平。 vamerican automation 編譯器通過#asm和endasm預(yù)處理選擇支持匯編語言，匯編速度慢，要求匯編的中間環(huán)節(jié)。 vfranklin它的前身是keil，它以代碼緊湊領(lǐng)先，可產(chǎn)生最少的代碼。它支持浮點(diǎn)和長整數(shù)，重入和遞歸。它不提供庫的源代碼，不能生成能匯編的匯編代碼，僅產(chǎn)生混合代碼，只能修改后匯編。若使用匯編語言，

16、必須分開匯編程序，然后手工連接。keil/franklin專業(yè)級開發(fā)工具pk51，支持dos話windows環(huán)境。3.2 3.2 目前的常用目前的常用c c語言編譯器介紹語言編譯器介紹varchimedes 它的鼻祖是瑞典的iar，是支持分組開關(guān)（bank）的編譯器，集成環(huán)境類似于borland和turbo，c編譯器可產(chǎn)生一個(gè)匯編語言文件，然后再用匯編器。vbso/tasking 它是一家專業(yè)開發(fā)和銷售嵌入式系統(tǒng)軟件工具的公司。它生產(chǎn)基于windows的集成開發(fā)環(huán)境、調(diào)試器和交叉模擬器，支持鼠標(biāo)，介面友好。軟件格式符合intelomf-51和intel hex標(biāo)準(zhǔn)，它的匯編器和intel匯編器

17、兼容。vmicro computer controls 它不支持浮點(diǎn)數(shù)，長整數(shù)，結(jié)構(gòu)和多維數(shù)組，定義不允許有參數(shù)，生成的源文件需由intel或mcc的8051匯編器匯編。 3.3 3.3 單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及工具單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及工具v單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)必須經(jīng)過調(diào)試階段，只有經(jīng)過調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)問題，改正錯誤，最終完成開發(fā)任務(wù)。實(shí)際上，對于較復(fù)雜的程序，大多數(shù)情況下都不可能一次性就調(diào)試成功，即使是資深程序員也是如此。v單片機(jī)只是一塊芯片而已，本身并無開發(fā)能力，要借助開發(fā)工具才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。開發(fā)工具主要包括電腦、編程器(又稱寫入器)、仿真機(jī)。如果使用eprom作為存儲器還要配備紫外線擦除器。其中

18、必不可少的工具是電腦和編程器(當(dāng)然對于在線可編程（isp）的單片機(jī)，如89s51，也可以不用編程器，而通過下載電纜下載)。3.3.1 3.3.1 仿真機(jī)及其使用仿真機(jī)及其使用v(1) 開發(fā)環(huán)境v單片機(jī)程序的編寫、編譯、調(diào)試等都是在一定的集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的。v集成開發(fā)環(huán)境仿真軟件(ide)將文件的編輯，匯編語言的匯編、連接，高級語言的編譯、連接高度集成于一體，能對匯編程序和高級程序進(jìn)行仿真調(diào)試。v單片機(jī)程序如果是匯編編寫的，文件名后必須加后綴名“.asm”。如果是c51編寫的，必須加后綴名“.c”。(2) (2) 仿真機(jī)的使用仿真機(jī)的使用v為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的一次性完全開發(fā)，必須用到仿真機(jī)(也稱在線仿真機(jī))。在線仿真機(jī)的主要作用是能完全“逼真”地扮演用戶單片機(jī)的角色，且能在集成開發(fā)環(huán)境中對運(yùn)行程序進(jìn)行各種調(diào)試操作，即時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，即時(shí)修改程序，從而提高工作效率，縮短開發(fā)周期。v使用時(shí)，在線仿真機(jī)通過rs-232插件與電腦的com1或com2端口相連。在斷電情況下，撥下用戶系統(tǒng)的單片機(jī)和eprom，代