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1、单片机原理及应用,前言,计算机系统逐渐形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。 嵌入式计算机系统具有体积小、功耗和成本低廉的特点，广泛应用于工业测控领域，完成数据处理、模拟仿真、图像处理、网络通信等功能。 嵌入式技术应用：家用电器、汽车、机器人、仪器仪表，在核电仪控系统中也有大量的应用。,以典型代表80C51单片机为例，从系统设计和开发角度，对广泛应用于核仪控领域的嵌入式计算机技术有一个初步了解,前言,课程简介： 通过本课程的学习，掌握 80C51 单片机的硬件基本结构、内部各种功能部件的工作原理及编程控制、指令系统以及各种常用硬件接口的设计，学习如何根据工程开发任务的要求，实现 80
2、C51单片机应用系统的设计。,前言,教学形式及考核方式： 课堂教学（理论授课）、闭卷考试 总成绩=平时成绩+考试成绩,第1章 绪论,单片机（single chip microcomputer),指将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及输入/输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路上的微型计算机。 是典型的MCU (Microcontroller Unit),1.1单片机发展过程,单片机的发展历程 20世纪70年代随着微处理器研制成功，出现了单片机,1976年Intel公司的MCS-48；Motorola公司的6801、6802；Zilog公司的Z-8等,典型产品MCS-51(80c
3、51、80c52) 8位机，MCS-96是16位机,SCM-MCU-SoC（始于20世纪90年代中期）,Single Chip Microcomputer,Micro Controller Unit,System On Chip,单片机的发展阶段,1974年1976年：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较简单。,1976年1978年:低性能单片机阶段。以Intel 公司制造的MCS-48单片机为代表。,1978年现在：高性能单片机阶段。Intel公司的MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。,1982年现在：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。,各公司典
4、型产品,（1）美国Intel公司 MCS-51系列及其增强型、扩展型系列;,（2）美国ATMEL公司89C51、89C52、89C55、89S52等;,（3）荷兰PHILIPS公司 8xC552系列 ;,（4）美国Motorola半导体公司（飞思卡尔）6801系列等.,MCS-51和80C51简介,第一代 1976年，MCS-48 将计算机CPU和外围芯片集成到一个芯片上 第二代 MCS-51的8051、8052 技术特点是向外部接口电路扩展扩大了存储器空间RAM和ROM。8031与8051及8751内部结构基本相同，区别在于8031不含片内程序存储器，8751片内程序存储器为EPROM 第三
5、代 80C51 技术特点是CMOS化，集成度高，速度快，功耗低。80C51是以MCS-51的HCMOS基础上发展而来，结构与MCS-51基本相同，主要对外部接口进行了扩展。从应用和设计开发角度两者区别不大。 值得注意的是，在单片机硬件发展的同时，单片机软件开发语言也发生了变化，高级语言已经逐渐替代汇编语言,MCS-51和80C51简介,（1）基本型 典型产品：8031/8051/8751,内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。,（3）低功耗型 典型产品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺,适于电池供电或其它要求
6、低功耗的场合。,（2）增强型 典型产品：8032/8052/8752,（5）超8位型 典型产品：PHILIPS公司80C552/87C552/83C552系列单片机。,将MCS-96系列（16位单片机）I/O部件如：高速输入/输出（HSI/HSO）、A/D转换器、脉冲宽度调制（PWM）、看门狗定时器（WDT）等移植进来构成新一代MCS-51产品。,功能介于MCS-51和MCS-96之间。目前已得到了较广 泛的使用。,（6）片内闪烁存储器型 美国ATMEL公司的AT89C51单片机，受到应用设计者的欢迎。,（4）专用型 8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZ
7、U SR-2100单片机USB接口。,1.2 单片机与嵌入式系统,1、嵌入式系统 通用计算机与嵌入式计算机,嵌入式计算机,通用计算机,工业控制器,智能仪表,PC机,大型计算机,工作站,航空、航天,机器人,嵌入式系统发展趋势,目前，随着ARM处理器在全球的流行，32位/64位RISC嵌入式微处理器已经成为中高端嵌入式应用和设计的主流。 民用领域包括数码产品、智能家电等以及工业及军用领域应用 多种应用对系统的功能和性能上提出了更多和更高的要求： 多功能化 多核结构处理器 更低功耗 更宽的工作电压范围 更先进的工艺和更小的封装 低噪声布线技术,RISC 和 CISC的比较,RISC (reduced
8、 instruction set computer):精简指令集计算机，计算机中约20%的指令承担了80%的工作，IBM研究中心于1974年提出了RISC的概念 CISC (Complex Instruction Set Computer ):复杂指令集计算机，早期的计算机部件比较昂贵，主频低，运算速度慢。为了提高运算速度，人们不得不将越来越多的复杂指令加入到指令系统中，以提高计算机的处理效率 。 RISC CPU包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。 RISC机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC机器是在一
9、条指令执行结束后响应中断。 由于RISC指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC机器更适合于专用机；而CISC机器则更适合于通用机。,几种常用的嵌入式系统,（3）芯片级（嵌入式微处理器、MCU、SoC),嵌入式系统是一个庞大的家族，按形态可分为：,（1）设备级（工控机）,（2）板级（通用CPU模块）,嵌入式系统的特点,嵌入式系统一般是面向特定应用的，具有低功耗、体积小、高集成度等特点； 软件上量体裁衣； 与应用有机结合在一起，生命周期较长； 为提高速度和可靠性，软件固化在存储芯片或单片机中。,嵌入式系统的应用领域,1、家用电器 2、办公自动化 3、商业营销 4、工业自动化 5、智能仪表与
10、智能传感器 6、汽车电子与航空航天电子,核电站中哪些地方用到了嵌入式系统？,数字化分布式仪表控制系统总体纵向分为四层,2)系统级（控制层）：执行信号采集、数据处理和执行保护与控制功能。该级包括：反应堆保护系统、数据采集与处理系统、反应堆控制系统等；,3) 机组级（过程信息处理层）：处理一个机组的所有数据，执行机组的监测、控制和信息显示功能，是人机接口的界面。主要包括：主控室，数据处理和显示系统以及报警系统，应急控制室等；,1) 现场级（输入/输出层）：执行过程输入和输出功能。它是系统级与核电站工艺设备之间信号传递的桥梁；,4) 电站级（管理层）：处理所有机组公用数据。,单片机核仪表,相比较模拟
11、电路仪表，单片机核仪表有以下特点：,电气结构简单，仪表的可靠性高； 实现一机多路测量； 具有故障诊断功能，维修快捷，操作简化； 可实现模拟电路难以实现的数学运算，提高测量精度； 在相同结构上，采用不同软件可满足仪表不同需要，实现处理硬件结构通用化。,思考题及习题,1除了单片机这一名称之外，单片机还可称为（ ）和（ ）。,2单片机的发展大致分为哪几个阶段？,3MCS-51系列单片机的基本型芯片分别为哪几种？它们的 差别是什么？,4MCS-51系列单片机与80C51系列单片机的异同点是什么？,5在家用电器中使用单片机应属于微计算机的 （A）辅助设计应用（B）测量、控制应用 （C）数值计算应用（D）
12、数据处理应用,7说明单片机主要应用在哪些领域？,8微处理器、微计算机、微处理机、CPU、单片机 它们之间有何区别？,68051与8751的区别是： （A）内部数据存储单元数目的不同； （B）内部数据存储器的类型不同； （C）内部程序存储器的类型不同； （D）内部的寄存器的数目不同。,第2章 80C51单片机的基本结构与工作原理,2.1 单片机的基本组成,1.微处理器,2.数据存储器,3.程序存储器,4.I/O口,5.串行口,6.定时/计数器,7.中断系统,8.特殊功能寄存器,片内总线,按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接起来,控制方式：SFR对各功能部件集中控制,1、中央处理器(CPU)
13、,和通用处理器基本相同，只是增加了“面向控制”的处理功能，如位处理、查表、乘除法运算、跳转指令、状态检测以及中断处理等。,2、数据存储器（RAM),单片机中采用随机存储器RAM存储工作变量和数据，分为片内RAM和片外RAM。一般单片机内部RAM的容量为65256字节。寄存器在逻辑上划分在片内RAM中。,3、程序存储器(ROM),应用程序一般不需改变，因此需永久保存，采用ROM,也分为片内和片外。程序芯片类型包括ROM、PROM（掩模ROM）、EPROM以及E2PROM等。,ROM,PROM,EPROM,EEPROM,4、并行I/O,主要用作输入输出控制，51系列单片机上包括P0、P1、P2、P
14、3四个复用并行I/O端口。,5、串行口,提供全双工串行I/O口，使得单片机系统具备了串行通信的能力。目前，通过扩展，单片机应用系统支持USB标准。,6、定时/计数器,面向控制的应用需要精确的定时和计数，为提供精确的定时，在单片机内部均设置定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理。,7、中断系统,80C51有5个中断源（2个外部中断、2个定时/计数器中断、1个串行中断），支持2级中断嵌套和中断优先级设置（通过设置IP实现)。默认优先级如下表,8、特殊功能寄存器（SFR）,特殊功能寄存器在物理上存在于片内RAM中，在逻辑上功能独立，80C51共定义了21个SFR，用以存放相应功能部件
15、的控制命令、状态或数据。,80C51的封装形式有40引脚双列直插（DIP）和44引脚方型扁平式（QFP）,2.2 80C51单片机的引脚功能和结构框图,PC=PC+1,2.3 80C51单片机的结构和特点,1. 中央控制器,与运算器一起构成中央处理器，主要包括程序计数器PC、指令寄存器IR、 指令译码器、条件转移逻辑电路及定时控制逻辑电路。,（1）程序计数器PC和数据指针DPTR,PC（16位）存放着下一条将要从程序存储器取出的指令的地址。, 基本工作方式，程序计数器自动加1, 执行条件或无条件跳转指令，程序计数器被置入新的数值程序流向发生变化 如：JMP A+DPTR, 执行调用指令或响应中
16、断时：,（PC当前值）堆栈 （程序入口地址或中断矢量地址）PC 程序遇到RET或RETI时，（栈顶）PC,PC的工作方式如下：,MOVDPTR, #7EFFH MOVX DPTR,A MOVR7,#20 LOOP: DJNZR7, LOOP MOVX A, DPTR MOVR0, A INCDPH MOVX A,DPTR MOVR1,ARET,DPTR是一个功能16位特殊功能寄存器，主要用途是片外数据存储器寻址的地址寄存器：例如 MOVX A, DPTR 读 MOVX DPTR, A 写,DPTR除作为16位寄存器，还可以分成2个8位寄存器使用DPH和DPL，例如 INC DPH PC与DPTR的异同？,（2）指令寄存器IR（存放指令操作码）、指令译码器及控制逻辑,条件转移逻辑电路主要用来控制程序的分支转移，有如下几种：进位标志位、溢出标志位、奇偶标志位、累加器为0状态、F0、位寻址空间,（1）算数逻辑单元ALU,2. 运算器,（2）累加器A,（3）B寄存器,（4）程序状态子PSW,（5
