單片機(jī)第1章概論

單片機(jī)第1章概論該課學(xué)習(xí)特點(diǎn)和要求：1、先修課程：C語言程序設(shè)計(jì)；模、數(shù)電路；計(jì)算機(jī)原理；微機(jī)原理；匯編語言等。2、學(xué)習(xí)特點(diǎn)：要記的多，111條指，40條引腳的功能和用途，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作方式。所以必須經(jīng)常復(fù)習(xí)和練習(xí)3、單片機(jī)品種雖然繁多，原理大同小異選用MCS-8051〔為什么？〕4、多實(shí)踐多實(shí)踐是學(xué)好單片機(jī)的唯一途徑學(xué)習(xí)要求上課認(rèn)真聽講，認(rèn)真練習(xí)獨(dú)立完成作業(yè)認(rèn)真做好實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方法：動(dòng)手實(shí)踐，單片機(jī)和PC機(jī)一樣，是實(shí)踐性很強(qiáng)的一門技術(shù)，有人說“計(jì)算機(jī)是玩出來的〞，單片機(jī)亦一樣，只有多練習(xí)、多實(shí)際操作，才能真正掌握。Practiceisabestwaytolearning.課程考核平時(shí)成績(jī)〔50%〕+期末成績(jī)〔50%〕〔考試〕平時(shí)成績(jī)主要有：〔1〕實(shí)驗(yàn)成績(jī)〔30〕：包括根底實(shí)驗(yàn)〔16分〕+綜合實(shí)驗(yàn)〔14分〕〔7個(gè)綜合大作業(yè)〔每個(gè)2分〕〕〔2〕平時(shí)作業(yè)〔12〕：每一章作業(yè)，總計(jì)6章〔每章2分〕〔3〕考勤〔8分〕：曠課一次扣2分，不夠從其他項(xiàng)中扣除。第1章單片機(jī)概論

20世紀(jì)70年代問世。已廣泛應(yīng)用在：工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等方面。

1什么是單片機(jī)在半導(dǎo)體硅片上集成了微處理器(CPU)，存儲(chǔ)器(RAM、ROM)、并行IO口、串行IO口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘電路及系統(tǒng)總線的用于測(cè)控領(lǐng)域的微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。也稱為：微控制器MCU(MicroControllerUnit)嵌入式控制器EMCU〔EmbeddedmicroControllerUnit〕1.1、單片機(jī)技術(shù)的開展過程及趨勢(shì)按用途可分為通用型和專用型兩大類：〔1〕通用型可開發(fā)的內(nèi)部資源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供給用戶。用戶根據(jù)需要，設(shè)計(jì)一個(gè)以通用單片機(jī)芯片為核心的測(cè)控系統(tǒng)?！?〕專用型專門針對(duì)某些產(chǎn)品的特定用途而制作的單片機(jī)，針對(duì)性強(qiáng)且數(shù)量巨大。對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)化、可靠性和本錢的最正確化等方面都作了全面的考慮。2、單片機(jī)的歷史及開展概況衡量單片機(jī)的主要指標(biāo)：〔1〕CPU：數(shù)據(jù)處理〔2〕存儲(chǔ)器〔RAM、ROM〕：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序〔3〕I/O口：并行輸入輸出數(shù)據(jù)〔4〕定時(shí)/計(jì)數(shù)器：定時(shí)及對(duì)外部輸入CLK計(jì)數(shù)〔5〕中斷系統(tǒng)：對(duì)隨機(jī)事件的處理〔6〕串行口：串行輸入輸出數(shù)據(jù)〔7〕尋址能力：片外擴(kuò)展的存儲(chǔ)器的容量〔8〕其他：標(biāo)準(zhǔn)外圍電路的內(nèi)部化(1)單芯片微機(jī)形成階段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機(jī)。8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。特點(diǎn)：存儲(chǔ)器容量小，尋址范圍小〔不大于4K〕，無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出?，F(xiàn)在MCS-51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典機(jī)種。(2)性能完善提高階段

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機(jī)：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。

(3)微控制器化階段特點(diǎn)：片內(nèi)面向測(cè)控系統(tǒng)電路增強(qiáng)，使之可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)及設(shè)備?！拔⒖刂破鳕暤姆Q謂更能反響單片機(jī)的本質(zhì)。

1982年，Intel推出MCS-96系列單片機(jī)。芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM輸出及高速I/O部件等。(4)片上系統(tǒng)階段近年來，許多單片機(jī)廠商以MCS-51系列單片機(jī)的8051為內(nèi)核，將許多應(yīng)用系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)外圍電路〔A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等〕或接口〔SPI，I2C，CAN等〕集成到單片機(jī)中，從而生產(chǎn)出多種功能強(qiáng)大、使用靈活的新一代80C51單片機(jī)。

特點(diǎn)：面向系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，片上集成了各種功能模塊，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要。3、單片機(jī)的特點(diǎn)〔1〕簡(jiǎn)單方便：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組裝、測(cè)試容易〔2〕功能齊全、應(yīng)用可靠，抗干擾能力強(qiáng)〔3〕開展迅速前景廣闊〔4〕嵌入容易：在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，測(cè)控功能的絕大局部由單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)，其他電子線路由片內(nèi)的外圍功能部件實(shí)現(xiàn)。4、單片機(jī)的應(yīng)用〔1〕工業(yè)控制與檢測(cè)：工業(yè)過程控制、智能控制、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集與處理、測(cè)試、測(cè)量、監(jiān)控等〔2〕儀器儀表：儀器儀表的自動(dòng)化和智能化〔3〕消費(fèi)類電子產(chǎn)品家用電器等〔4〕通信調(diào)制解調(diào)器、、機(jī)、程控電路交換機(jī)、信息網(wǎng)絡(luò)等〔5〕武裝裝備飛機(jī)、軍艦、坦克、導(dǎo)彈、魚雷制導(dǎo)、智能武器裝備、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)等〔6〕終端及計(jì)算機(jī)外部設(shè)備計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端〔銀行終端、移動(dòng)終端〕以及計(jì)算機(jī)外部設(shè)備〔打印機(jī)、硬盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖機(jī)、機(jī)、復(fù)印機(jī)等〕〔7〕汽車電子設(shè)備汽車平安系統(tǒng)、汽車信息系統(tǒng)、智能自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、衛(wèi)星汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車緊急請(qǐng)求效勞系統(tǒng)、汽車防碰撞系統(tǒng)、汽車自動(dòng)診斷系統(tǒng)以及汽車黑匣子等〔8〕分布式多機(jī)系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)測(cè)控系統(tǒng)5、單片機(jī)的開展趨勢(shì)〔1〕.CPU的改進(jìn)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，提高處理能力增加數(shù)據(jù)總線寬度，內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線。串行總線結(jié)構(gòu)，菲利浦公司的I2C總線〔Inter－Icbus〕。用兩根信號(hào)線代替現(xiàn)行的8位數(shù)據(jù)總線?！?〕．存儲(chǔ)器的開展加大存儲(chǔ)容量。片內(nèi)EPROM采用E2PROM或閃爍〔Flash〕存儲(chǔ)器〔FLASH存儲(chǔ)器：既讀寫方便，數(shù)據(jù)由不會(huì)因掉電而喪失〕〔3〕．片內(nèi)I/O的改進(jìn)增加并行口的驅(qū)動(dòng)能力，能直接輸出大電流和高電壓。設(shè)置了一些特殊的串行接口功能，構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。引入數(shù)字交叉開關(guān)。通過編程設(shè)備交叉開關(guān)存放器、將片內(nèi)功能部件靈活配置在相應(yīng)的IO引腳?！?〕．外圍電路內(nèi)裝化器件集成度的不斷提高，把眾多的外圍功能部件集成在片內(nèi)－－系統(tǒng)的單片化。代表：C8051F單片機(jī)〔5〕．低功耗化CMOS化;CHMOS工藝。

總之，向高性能、高速、低壓、低功耗、低價(jià)格、外圍電路內(nèi)裝化方向開展。1.2單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理1、單片機(jī)組成及結(jié)構(gòu)

將微處理器、一定容量的存儲(chǔ)器、有限的I/O接口及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能部件集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，且具有一套完整的指令系統(tǒng)。CPU內(nèi)核內(nèi)部總線A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器I/O端口Watchdog異步串行通信口UARTRAMROM/Flash低電壓檢測(cè)與復(fù)位中斷系統(tǒng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器〔1〕CPU：?jiǎn)纹瑱C(jī)核心部件，由運(yùn)算器和控制器組成。主要完成運(yùn)算和控制功能?！?〕RAM〔數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〕：存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，或者作為通用存放器、堆棧和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用?！?〕ROM(程序存儲(chǔ)器)：用于存放程序和固定常數(shù)等等?！?〕并行I/O口：實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)器或者外圍設(shè)備間數(shù)據(jù)的并行輸入輸出操作?！?〕串行I/O口：用于串行數(shù)據(jù)傳輸，可以把單片機(jī)內(nèi)部的并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)輸出，也可以串行方式接受外部送來的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù)送給CPU?！?〕.特殊模塊：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：用于產(chǎn)生定時(shí)脈沖，用于計(jì)時(shí)；A/D和D/A轉(zhuǎn)換器：用于模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。DMA通道：實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和外設(shè)之間數(shù)據(jù)的快速傳送；串行通信接口：實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。2、單片機(jī)的工作原理

單片機(jī)是通過執(zhí)行程序來工作的，執(zhí)行不同的程序便完成不同的任務(wù)。(1)指令和程序

指令：規(guī)定計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的二進(jìn)制代碼形式命令。指令系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)全部指令的集合。程序：根據(jù)任務(wù)要求有序的編排出的指令集合。系統(tǒng)軟件：為了運(yùn)行和管理單片機(jī)所編制的各種程序的綜合(2)、CPU由運(yùn)算器、控制器、存放器以及內(nèi)部總線構(gòu)成。運(yùn)算器：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算以及位操作處理等。由ALU，累加器ACC，暫存存放器，程序狀態(tài)字存放器〔PSW〕組成?？刂破鳎涸谝?guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需的全部?jī)?nèi)部控制信息及CPU外部所需的控制信號(hào)，完成指令所規(guī)定的各種操作。由PC，指令存放器，指令譯碼器，時(shí)序部件和操作控制部件等局部組成。存放器：用于存放參加運(yùn)算的操作數(shù)及操作結(jié)果?？偩€：完成地址信息和各種數(shù)據(jù)的傳送?！?〕、單片執(zhí)行程序的過程取指令，分析指令，執(zhí)行指令取指令：根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC中的值，從程序存儲(chǔ)器中讀出現(xiàn)行指令，送到指令存放器。分析指令：將指令存放器中的指令操作碼取出后進(jìn)行譯碼，分析指令信息。執(zhí)行指令：取出操作數(shù)，然后按照操作碼的性質(zhì)對(duì)操作數(shù)進(jìn)行操作。外部總線數(shù)據(jù)總線緩沖器PC狀態(tài)寄存器累加器暫存器1暫存器2ALU微操作控制電路指令譯碼器時(shí)序電路指令寄存器地址寄存器存儲(chǔ)器-1微命令控制信號(hào)單片機(jī)執(zhí)行指令過程示意圖數(shù)據(jù)總線緩沖器：在CPU對(duì)外傳送數(shù)據(jù)時(shí)予以緩沖；地址存放器：用于存放存儲(chǔ)器或者輸入輸出接口的地址信息；暫存器：暫存等待輸入到ALU中進(jìn)行操作的數(shù)據(jù)；微操作控制電路：與時(shí)序電路配合，把指令譯碼器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行該命令所需的各種控制信號(hào)。累加器：用于存放參加運(yùn)算的操作數(shù)以及操作結(jié)果；狀態(tài)存放器：用于存放運(yùn)算過程以及運(yùn)算結(jié)果中的某些特征和特點(diǎn)；程序計(jì)數(shù)器PC：指引程序的執(zhí)行方向，具有自動(dòng)加1功能；1.3、典型單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)1、MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

存儲(chǔ)器I/O接口MCS-51單片機(jī)芯片有許多種：如8051、8031、8751、80C51、80C31等。它由8個(gè)部件組成：1、中央處理器〔CPU〕核心2、時(shí)鐘電路12MHz3、程序存儲(chǔ)器〔ROM/EPROM〕4KB4、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔RAM〕128B+128BSFR5、并行I/O口〔P0～P3口〕P0和P2兼作外總線6、串行口全雙工串行口7、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2個(gè)16位8、中斷系統(tǒng)5個(gè)中斷源，高級(jí)和低級(jí)兩級(jí)優(yōu)先級(jí)別它們都是通過單一總線連接，并被集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，為單片微型計(jì)算機(jī)〔Single-ChipMicrocomputer〕片內(nèi)存儲(chǔ)器片內(nèi)I/O接口MCS-51系列單片機(jī)MCS是Intel公司單片機(jī)的系列符號(hào)，如MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)主要包括根本型：8031/8051/8751〔低功耗型80C31/80C51/87C51〕增強(qiáng)型：8032/8052/8752。已為我國(guó)廣闊技術(shù)人員所熟悉和掌握。在上世紀(jì)80年代和90年代，MCS-51系列是在我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的單片機(jī)機(jī)型之一。MCS-51系列品種豐富，經(jīng)常使用的是根本型和增強(qiáng)型。302、MCS-51系列單片機(jī)323、其他類型的51單片機(jī)Intel公司以專利形式把8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。生產(chǎn)的兼容機(jī)與8051兼容，采用CMOS工藝，因而常用80C51系列單片機(jī)來稱呼所有這些具有8051指令系統(tǒng)的單片機(jī)，這些兼容機(jī)的各種衍生品種統(tǒng)稱為51系列單片機(jī)或簡(jiǎn)稱為51單片機(jī)，是在8051的根底上又增加一些功能模塊〔稱其為增強(qiáng)型、擴(kuò)展型子系列單片機(jī)〕。33近年來，世界上單片機(jī)芯片生產(chǎn)廠商推出的與8051〔80C51〕兼容的主要產(chǎn)品如表1-2所示?！?〕AT89系列單片機(jī)：閃爍存儲(chǔ)器〔FLASH〕+8051內(nèi)核=AT89C5X/AT89S5X單片機(jī)AT89C5X：基于CMOS工藝，需要專門的編程器下載程序AT89S5X：有串行下載的Flash存儲(chǔ)器AT89S51系列單片機(jī)與AT89C51相比，時(shí)鐘頻率及運(yùn)算速度有了較大提高，AT89S51系列增加了雙數(shù)據(jù)指針DPTR、看門狗定時(shí)器、具有低功耗空閑工作方式和掉電工作方式。AT89C5X系列單片機(jī)不再生產(chǎn)?！?〕STC89系列單片機(jī)：具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單片機(jī)高性能、高可靠性的機(jī)型、尤其是具有較高的抗干擾性〔3〕C8051FXXX單片機(jī)1個(gè)8位ADC、1個(gè)12位ADC、1個(gè)雙12位DAC；64K片內(nèi)flash程序存儲(chǔ)器、256BRAM、64個(gè)IO口、5個(gè)16位定時(shí)器；5個(gè)捕捉/比較模塊的計(jì)數(shù)/定時(shí)器陣列，1個(gè)UART，1個(gè)I2C串口，1個(gè)SPI串口，2個(gè)電壓比較器，電源監(jiān)測(cè)器，內(nèi)置溫度傳感器C8051FXXXX單片機(jī)突出的特點(diǎn)是引入了數(shù)字交叉開關(guān)?！?〕PIC單片機(jī)從實(shí)際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性價(jià)比。采用精簡(jiǎn)指令集，指令執(zhí)行效率增加具有優(yōu)越的開發(fā)環(huán)境引腳可以通過限流電阻接至220V交流電壓，可以直接與繼電器控制電路連接保密性好〔5〕AVR系列單片機(jī)廢除機(jī)器周期，采用精簡(jiǎn)指令集，指令執(zhí)行高速FLASH程序存儲(chǔ)器，大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，支持高級(jí)語言開發(fā)系統(tǒng)程序豐富的外設(shè)IO口功能強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)能力大低功耗，支持程序的在線編程通常開發(fā)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)可按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。(1)明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)，完成單片機(jī)及其外圍電路的選型工作。(2)運(yùn)用PROTEL、POWERPCB等軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖和PCB板，經(jīng)仔細(xì)檢查PCB板后送工廠制作。(3)完成器件的安裝焊接。(4)

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)要求編寫應(yīng)用程序。(5)

在線調(diào)試軟硬件。(6)使用編