單片微機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用：第1章 微型機(jī)的基本知識

目錄第1章微型機(jī)的基本知識第2章MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)第3章MCS-51指令系統(tǒng)第4章匯編語言程序設(shè)計第5章存儲器系統(tǒng)設(shè)計第6章MCS-51定時/計數(shù)器、串行口及中斷系統(tǒng)下頁上頁第7章I/O接口擴(kuò)展設(shè)計及應(yīng)用第8章數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器接口第1章微型機(jī)的基本知識下頁回目錄上頁1.1微處理器、微型機(jī)和單片機(jī)的概念

1.2微型機(jī)模型的組成上頁下頁回目錄1.3微機(jī)系統(tǒng)1.4單片微型計算機(jī)單片機(jī)=CPU+M+I/O1.1微處理器、微型機(jī)和單片機(jī)的概念

1．微處理器2．微型機(jī)3．微機(jī)系統(tǒng)上頁下頁回目錄外部設(shè)備地址總線AB圖1-1微型計算機(jī)組成DB數(shù)據(jù)總線

CPU微處理器

M存儲器I/O接口電路

控制總線CBCentralProcessingUnitMicroprocessorMicrocomputerMicrocomputerSystem4.單片機(jī)SingelChipMicrocomputerOneChipMicrocomputerMicrocontrollerElectronicControlUnit（ECU）1.2微型機(jī)模型的組成上頁下頁回目錄P5

一、CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

運(yùn)算器由

算術(shù)邏輯單元ALU（ArithmeticLogicUnit）

累加器A（Accumulator）

標(biāo)志寄存器F（Flag)

寄存器組R（Registers）

相互之間通過內(nèi)部總線連接而成。它的主要作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與加工

1.運(yùn)算器上頁下頁回目錄見P5

圖1-2CU（ControlUnit）由

程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）

指令寄存器IR（InstructionRegister）

指令譯碼器ID（InstructionDecoder）

操作控制部件或稱為組合邏輯陣列

PLA（

ProgrammedLogicArray）

時序發(fā)生器（圖1-2中略）等電路組成2.控制器

控制器的主要作用有：

解題程序與原始數(shù)據(jù)的輸入

從內(nèi)存中取出指令并譯碼

控制運(yùn)算器對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳送與加工

運(yùn)算結(jié)果的輸出

外部設(shè)備與主機(jī)之間的信息交換

計算機(jī)系統(tǒng)中隨機(jī)事件的自動處理等上頁下頁回目錄見P5

圖1-2“+1”計數(shù)3.CPU中的主要寄存器

上頁下頁（1）累加器A（2）數(shù)據(jù)寄存器DR（DataRegister）（3）寄存器組R（4）指令寄存器IR、指令譯碼器ID操作控制部件PLA

（5）程序計數(shù)器PC（6）地址寄存器AR（AddressRegister）

回目錄***

4.標(biāo)志寄存器F

標(biāo)志寄存器F也稱程序狀態(tài)字PSW（ProgramStateWord），是用來存放ALU運(yùn)算結(jié)果的各種特征狀態(tài)的，如運(yùn)算有無進(jìn)（借）位、有無溢出、結(jié)果是否為零等

5.堆棧與堆棧指示器SP（StackPointer）

（1）按照先進(jìn)后出FILO（FirstInLastOut）

順序向堆棧讀/寫數(shù)據(jù)；（2）SP始終指向棧頂；（3）堆棧的兩種操作壓入（PUSH）和彈出（POP）

它有三個主要特點(diǎn)：上頁下頁回目錄二、存儲器M（Memory）

存儲器RAM基本結(jié)構(gòu)一般由四個部分組成：

存儲矩陣、地址譯碼器讀寫控制電路、三態(tài)雙向緩沖器。上頁下頁回目錄××自CPU來的CB來自CPU的地址AB往返于CPU的DB地址譯碼器控制00H01H02H03H...FEHFFH256×8存儲矩陣三態(tài)雙向緩沖器地址譯碼器地址譯碼器02H02H“讀”××××××××××三態(tài)雙向緩沖器02H按地址訪問的一維線性空間

三、I/O接口和外設(shè)

四、模型機(jī)的工作過程

1.指令和指令系統(tǒng)（1）指令的格式輸入操作“讀”操作輸出操作“寫”操作操作碼操作數(shù)或地址上頁下頁回目錄*程序的存儲與執(zhí)行程序PCPCPCPCPCPC指令1指令2指令3……指令nM指令地址

“+1”（2）指令的執(zhí)行過程

指令執(zhí)行的兩個階段，取指階段與執(zhí)指階段

上頁下頁回目錄一個CPU周期一個CPU周期一個CPU周期一個指令周期下一個指令周a)取指階段b)執(zhí)指階段開始取指令PC+1操作譯碼取操作數(shù)地址PC+1地址譯碼取操作數(shù)執(zhí)行操作取下條指令PC+1以直接尋址的指令為例開始取指令PC+1操作譯碼取操作數(shù)地址PC+1地址譯碼取操作數(shù)執(zhí)行操作取下條指令PC+1操作碼操作數(shù)地址

2.程序的執(zhí)行過程表1-1“15H+30H”程序執(zhí)行過程上頁下頁回目錄

注釋

地址00H01H02H03H04H05H06H…

內(nèi)容011101000001010100100100001100001000000011111110…………

助記符

MOVA，#15H

ADDA，#30H

SJMP$

……取數(shù)指令，第一字節(jié)是操作碼第二字節(jié)就是指令的操作數(shù)加法指令，第一字節(jié)是操作碼第二字節(jié)也是指令的操作數(shù)兩字節(jié)指令，執(zhí)行原地踏步操作（暫停）

PCPCPCPCPCPCPCPCPCPCPCP10圖1-5，P11圖1-6演示了程序的操作過程1.3微機(jī)系統(tǒng)上頁下頁回目錄P12一、微機(jī)硬件組成上頁下頁回目錄CPU微處理器RAMI/OROM外設(shè)輔助電路CBUSDBUSABUSCBUS：控制總線，不確定DBUS：數(shù)據(jù)總線，雙向三態(tài)ABUS：地址總線，單向三態(tài)I/O三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器RAM三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器ROM三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器E1E2E3111000CPUD0

D7數(shù)據(jù)總線單向緩沖器雙向緩沖器雙向緩沖器１.總線

在CPU與其它部件之間信息傳送的公共通道（1）數(shù)據(jù)總線“雙向三態(tài)”（2）地址總線“單向三態(tài)”（3）控制總線視具體情況而定“多選一”地址譯碼片選信號上頁下頁回目錄上頁下頁二、軟件系統(tǒng)1.程序設(shè)計語言

（2）匯編語言

（3）高級語言（1）機(jī)器語言2.系統(tǒng)軟件3.應(yīng)用軟件回目錄三、衡量計算機(jī)性能的主要技術(shù)指標(biāo)1、字長3、指令系統(tǒng)2、存儲容量4、指令的執(zhí)行時間5.外設(shè)擴(kuò)展能力及配置上頁下頁回目錄§

1.4單片微型計算機(jī)單片機(jī)·SingleChipMicrocomputer·Microcontrollor·ElectronicControlUnit（ECU）

定義：是將微機(jī)的CPU、存儲器M、I/O接口和總線制作在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路。上頁下頁回目錄三維圖形處理器單片機(jī)分類根據(jù)CPU字長來劃分1位機(jī)4位機(jī)用于玩具、家用電器、計算器等8位機(jī)16位機(jī)工業(yè)控制器、智能儀表、計算機(jī)外設(shè)、通用測控單元、通訊設(shè)備32位機(jī)高性能圖形工作站、高級機(jī)器人等上頁下頁回目錄如：i808601.2億次/秒32位定點(diǎn)64位浮點(diǎn)§

1.4

.1單片機(jī)的發(fā)展史第一階段（1974~1976）：單片機(jī)的初級階段例如：8位單片機(jī)F8特點(diǎn)：采用雙片組成結(jié)構(gòu)：F8CPU64BRAM2個I/O38511KROM1個T/C2個I/O完整的單片機(jī)上頁下頁回目錄RandomAccessMemoryReadOnlyMemoryTimer/Counter存放數(shù)據(jù)存放程序第二階段（1976~1979）：低性能單片機(jī)階段例如：MCS–48系列特點(diǎn)：小而全結(jié)構(gòu)：MCS–488位CPURAMI/OROMT/C上頁下頁回目錄第三階段（1979~1982）：高性能單片機(jī)階段例如：MCS–51系列特點(diǎn)：系列化、功能強(qiáng)結(jié)構(gòu)：MCS–518位CPURAMI/OROMUARTINT上頁下頁回目錄UART——UniversalAsynchronousReceiver/TransmitterINT——InterruptSystem通用異步收/發(fā)器——串行口T/C第四階段（1982~）：16位、32位單片機(jī)階段例如：MCS–96系列特點(diǎn)：增加了內(nèi)部資源、實(shí)時處理能力更強(qiáng)、

除了具有16位CPU和存儲器外又增加了部分內(nèi)部資源，如：MCS–9610位A/D轉(zhuǎn)換器高速輸入輸出HSIO脈寬調(diào)制輸出裝置PWM8XC196增強(qiáng)型之后又推出：上頁下頁回目錄MCS-51系列單片機(jī)已被國內(nèi)用戶廣泛采用例如：ATMEL公司的AT89系列Philips公司的80C51系列ADI公司的ADuC系列ADuC812:多通道12位A/D轉(zhuǎn)換器ADuC816:多通道16位A/D轉(zhuǎn)換器ADuC824:多通道24位A/D轉(zhuǎn)換器上頁下頁回目錄§

1.4

.2單片機(jī)的發(fā)展趨勢1、高檔單片機(jī)性能不斷提高速度：是原來單片機(jī)的5~15倍精度：CPU字長增加，16位、32位單片機(jī)問世指令系統(tǒng)豐富、效率高⑵內(nèi)部資源的增加程序存儲器：ROM、EPROM、E2PROM或FLASH達(dá)幾十KB⑴CPU功能的增強(qiáng)上頁下頁回目錄ErasalbleProgrammableROMElectricallyEPROM閃速存儲器數(shù)據(jù)存儲器：RAM達(dá)幾KBI/O口：并口串口串行擴(kuò)展口定時/計數(shù)器（T/C）：定時輸出捕捉輸入監(jiān)視器WatchdogA/D轉(zhuǎn)換器：8位、12位、16位、24位，多通道輸入脈寬調(diào)制輸出PWM，可代替D/A輸出⑶尋址范圍的增加上頁下頁回目錄2、超小型、低功耗、價廉3、微巨機(jī)單片化

如:ATMEL公司的89C1051/205120引腳，工作電壓（2~6V），電流僅幾個mA上頁下頁回目錄如：Microchip公司的PIC16/17系列18引腳、20引腳、28引腳，有的僅5個引腳工作電壓（2~6V），電流僅2個mA時鐘電路§

1.4

.3單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPUROMRAM串行I/O定時器并行I/O中斷系統(tǒng)GNDVcc圖1-13單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上頁下頁回目錄內(nèi)部總線1、中央處理器CPU2、存儲器⑴數(shù)據(jù)存儲器RAM

容量：64~256B

構(gòu)成：靜態(tài)隨機(jī)存儲器RAM⑵程序存儲器ROM

容量：1~64KB

構(gòu)成：ROM、EPROM、E2ROM或FLASH3、I/O接口并行接口：用于外接輸入輸出設(shè)備串行接口：可實(shí)現(xiàn)異步串行通信上頁下頁回目錄§

1.4

.4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)1、基本系統(tǒng)單片機(jī)復(fù)位電路電源輸入/輸出設(shè)備時鐘電路圖1-14單片機(jī)的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖上頁下頁回目錄輔助電路控制對象最小系統(tǒng)2、擴(kuò)展系統(tǒng)上頁下頁回目錄EPROM程序存儲器串行接口A/D單片機(jī)復(fù)位電路時鐘電路電源RAM數(shù)據(jù)存儲器并行接口D/A外部擴(kuò)展總線單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過總線來擴(kuò)展一些部件，以彌補(bǔ)單片機(jī)內(nèi)部資源的不足。這樣可滿足一些應(yīng)用系統(tǒng)的特殊需要。§

1.4

.5單片機(jī)典型產(chǎn)品8位單片機(jī)⑴MCS-48系列型號CPUROMRAMT/CI/O80358位無64B11580398位無128B1158位1KBEPROM874864B1278位2KBEPROM8749128B127上頁下頁回目錄⑵MCS-51系列型號CPUROMRAMT/CI/O80318位無

128B23280518位4KBROM128B2

328位4KBEPROM8751128B2328位8KBROM8052256B332

與MCS-48系列相比MCS-51系列在速度、內(nèi)部資源、功能等方面增強(qiáng)，且軟件豐富，開發(fā)裝置齊全。特點(diǎn)：上頁下頁回目錄8位8KBEPROM8752256B332內(nèi)核⑶Philips51系列單片機(jī)⑷ATMEL51系列單片機(jī)特點(diǎn)：用E2PROM代替ROM，價格低，編程方便⑸ADuC系列單片機(jī)特點(diǎn)：用FLASH代替ROM；用ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；12位DAC兩通道電壓型輸出進(jìn)行控制，靈活、快捷、方便、且價廉特點(diǎn)：片內(nèi)具有I2C總線、A/D等豐富的功能部件上頁下頁回目錄

以上所述51增強(qiáng)型單片機(jī)，都是以8051/8031為內(nèi)核，51基本型增加一些功能部件構(gòu)成的。

51單片機(jī)的更新?lián)Q代主要是通過不斷地推出新的增強(qiáng)型系列單片機(jī)完成的?！?/p>

1.4

.6單片機(jī)的應(yīng)用1、單片機(jī)的應(yīng)用特性⑴體積小

⑵可靠性高

⑶控制功能強(qiáng)

⑷使用方便

⑸性能價格比高

(6)開發(fā)應(yīng)用快捷上頁下頁回目錄2、單片機(jī)的應(yīng)用⑴智能儀表⑵在機(jī)電一體化中的應(yīng)用例：微機(jī)控制的銑床、車床、自動點(diǎn)（驗(yàn)）鈔機(jī)⑶在實(shí)時控制中的應(yīng)用例：測控系統(tǒng)對過程控制參數(shù)進(jìn)行測量、控制⑷在分布式多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用⑸家用電器例：全自動洗衣機(jī)、熱水器、電子游戲機(jī)上頁回目錄溫度、壓力、流量、速度§1.4.7單片微機(jī)應(yīng)用舉例*在機(jī)電一體化中的應(yīng)用（機(jī)械零件的制造）可歸納為兩個問題：尺寸形狀長短、大小直度、錐度、圓度圓柱度、橢圓度等超精密——微米加工盲區(qū)解決好上述兩個問題，都離不開計算機(jī)測量控制上頁下頁回目錄1

m=10-6m例1尺寸控制——0.1μm以下慣性導(dǎo)航系統(tǒng)“陀螺轉(zhuǎn)子”的加工問題地球西東“差之毫厘,謬之千里”關(guān)鍵部件上頁下頁回目錄單片機(jī)A/DD/A測放電路驅(qū)動電路測控單元——微控制器氣動穩(wěn)壓器ei0~500V執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓電陶瓷微進(jìn)給裝置20μm工件A超精密加工示意圖分辨率<=0.01

μm,

精度達(dá)0.1μm

測頭vivo氣動測量裝置工件的尺寸AA

A+

20μm粗加工上頁下頁回目錄例2形狀控制——變橢圓“活塞”加工控制系統(tǒng)活塞側(cè)視圖

頂視圖頭部裙部YX大小熱膨脹后內(nèi)孔一定要把活塞加工成一個變橢圓上頁下頁回目錄傳統(tǒng)加工方式“硬靠模”——利用杠桿傳動（用車床車削）（1）用外匯購靠模，種類多，花費(fèi)大量外匯弊端（2）有傳動誤差（3）靠模磨損大間隙！加工精度低,成本高上頁下頁回目錄變橢圓活塞加工系統(tǒng)——“軟靠?！钡督佑|1個同步128個采樣微控制器功放縱向同步電子開關(guān)彈性刀具高頻響伺服機(jī)構(gòu)100μm工件Vout機(jī)床主軸夾具主軸尾部裝有光電碼盤變橢圓活塞加工系統(tǒng)總體框圖上頁下頁回目錄變橢圓活塞加工系統(tǒng)——“軟靠?！钡督佑|1個同步128個采樣微控制器功放縱向同步電子開關(guān)彈性刀具高頻響伺服機(jī)構(gòu)100μm工件Vout機(jī)床主軸夾具主軸尾部裝有光電碼盤上頁下頁回目錄例3儀器儀表——剛度測量儀1.測量原理工件AFXA剛度

C=FX上頁下頁回目錄2.測量臺架

AdSJ1J2E彈簧上頁下頁回目錄dJ1J2ESF變形量X=S-d上頁下頁回目錄3.求FJ