单片微型计算机原理及应用课件

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1、单片微型计算机原理及应用,第1章 单片计算机概述 1-1现代计算机技术的两大分支 MPU微处理器（用于大数量数值计算无止尽要求，满足数字模拟 仿真，数字信号处理，图象分析，人工智能等领域）。 重要指标：数据总线宽度及外围寻址能力。数据总线宽度从816 3264位过渡，指令系统上突出了数字运算和逻辑运算 MCU微控制器（用于快速实时对外部事件、对象实现信号采集， 判断、处理、参数控制等要求，构成工控系统，适应各种对象的控制 需要） 重要指标：高速I/O口，计数器的捕获，比较功能，A/D，D/A转换,功率 驱动I/O口，位寻址及位操作，程序运行监督等，数据总线宽度及外围寻 址只是单片机众多指标之一

2、。,1-2 微型计算机 单板机 单片机 1.微型计算机 若将运算器与控制器集成在一块硅片上，称该芯片为中央处理器 CPU或MPU。若再将它与大规模集成电路制成的主存储器，I/O接口 电路用总线结构联系起来就构成了微型计算机 2.单板机 将CPU 、 RAM、 ROM、 I/O接口封装在一块印刷电路板上，就 成为单板机 3.单片机 若在一块半导体芯片上，能容纳一台数字计算机的4个基本组成部 分，则这种芯片就被称为单片微型计算机,1-3单片机的发展简况及应用 1976年INTEL公司推出第一个8位单片机系列（MCS-48）至今， 经历了外围集成、 总线完善、功能集成、 全方位发展阶段，已走过 了三

3、代发展历程 一、 第一代单片机 始于1976年，主要实现单个芯片上计算机的集成，为初级阶段。 典型产品：Intel公司MCS-48系列、 Motorola公司6801系列、 Zilog公司 Z8系列 特点：采用专门结构设计，将CPU及外围单元集成在一块芯片上，指 令系统设计面向控制功能要求，具有较强的控制功能。8位CPU，并行 I/O口，8位定时/计数器，RAM等。无串行I/O口，寻址范围不大于4K。,二、 第二代单片机 19781983。高性能单片机阶段。 典型代表：Intel的MCS-51系列 特点：完善外部总线，确立了单片机的基本控制功能。单片机均带 有串行I/O口，具有多级中断处理系统

4、， 16位定时/计数器，寻址范围 可达到64K 三、第三代单片机 1983至今。8位单片机巩固完善，16位单片机推出普及应用及32位 单片机也投入使用 典型产品：各大公司纷纷开发出自己的单片机系列，如Motorola,Philips,Intel等 技术特点：全速发展单片机的控制功能。16位单片机除CPU为16位 以外，片内RAM/ROM容量进一步扩大，片内RAM增加为232B， ROM为8KB，且片内带有高速I/O部件，保证程序可靠运行的WDT， 多通道10位A/D转换器，具有8级中断，人机接口等等。,1-4 我国单片机16年 探索时期（80年代初） 起步时期（19861990） 开拓时期（1

5、9901995） 发展时期（1995至今） 5 新时期新理念,1-5 单片机的结构特点 以MCS-51系列举例： 在数据RAM区开辟了一个工作寄存器区，区内共分4组，每组8个寄存器，共计32个工作寄存器，提供21个特殊功能寄存器，完成定时，串口，中断等功能 存储结构上：从空间将程序、数据存储器分开，采用不同寻址方式，用两个不同地址指针。PC-程序存储器，DPTR-数据存储器 I/O接口特点：通道口引线在程序控制下都可有第二功能，用户可灵活使用。 内部有一个全双功的串行接口，可同时发送接收数据 有专门的位处理机。,1-6单片机的开发及开发工具 开发：提出任务定型生产投入使用的过程称 对微机进 行

6、开发 包括：系统（产品）总体方案论证，设计硬件， 软件开 发，目标样机的调试等。 开发过程明显特点：微计算机化的产品软，硬件分 不开为 此设计了专门的微 型机开发系统MDS P3图1-2,单片计算机开发系统一般应具有4方面的基本功能： 硬件电路诊断、检查 用户程序输入、修改 程序运行、调试、单步、断点运行 程序可固化到EPROM中去,1-7 单片机的应用领域 工业自动化 智能仪表及集成智能传感器 家用电器领域 办公自动化 五 汽车、航空航天电子系统,18 嵌入式应用系统 一 定义： 将计算机软件和硬件结合起来，构成一个专门的计算装 置，完成特定的功能或任务。是一个大系统或大电子设备中 的一部分

7、，工作在一个与外界发生交互并受到时间约束的环境 中，在无人工干预的情况下进行实时控制。其中软件用以实现 有关功能并使其系统具有适应性和灵活性；硬件用以满足性能 甚至安全的需要。 二 特性： 1 完成单一或一组紧密相关的特定功能 2 具有高性能和实时的要求，且这些要求正不断增加 3 系统作为设备的一部分，其运行一般不需要人工干预,系统的电源可靠性和安全性通常是影响设计的重要因素 处理器的选择是嵌入式系统设计关键一步 用途： 用途很广，如移动通信设备（手机）、数字相机或摄像机、 洗衣机、微波炉、打印机、复印机、工业仪器/仪表、汽车刹 车、引擎控制等。对于各个嵌入式系统其要求是千变万化的， 既要求体

8、积小（如手机），性能高（信号处理），又要求安全 可靠（如核电站） 四嵌入式系统的主要特征 实时性是嵌入式系统的主要特征。,五 嵌入式系统开发 嵌入式系统开发或设计与一般意义计算机应用开发 或计算机软件设计有很大不同，不但要考虑软件，而且 还要考虑硬件设计，不但要考虑功能设计（如完成什么 功能），还应考虑性能设计（如精度，实时性，安全可 靠性等等一些指标）。,思考题 现代计算机技术的两大分支？各自适合的领域 2 什么叫单片机？简述微型计算机，单板机，单片机的异同点。 世界上第一个单片机是什么系列？什么时间产生的？谁家生产的？数据为几位？ （自查资料回答）我国单片机的发展现状？我国主要有哪些从事单

9、片机生产、制造的企业，它们各自产品的性能和特点是什么？ 5 什么是嵌入式应用系统？嵌入式系统的主要特征是什么？ 嵌入式应用系统的开发或设计与一般意义计算机应用开发 或计算机软件设计的不用点在哪里？,第2章 MCS-51单片机的组成及结构分析 2-1 MCS-51单片机的内部结构框图（以8031为例） 框图见P8 双总线：数据/地址 分时传送 8位CPU，片内振荡器 4K字节ROM，128字节RAM 21个特殊功能寄存器 4个P口共32根I/O线 可分别寻址64K的外部数据存储器、程序存储器空间 2个16位的定时/计数器,5个中断源，2个优先级 一个全双工串行口 可位寻址，适于布尔处理的位处理机

10、 2-2 CPU结构 单片机的CPU由三部分组成：,一 运算器：看书P8 1 结构: ALU（8位）+TMP1+TMP2+ACC+B+PSW+布尔处理机 组成逻辑电路。 2 ALU作用：完成2#的四则运算及逻辑运算 ACC（A） 是一个8位的寄存器，又称累加器。 作用：一般在运算前暂存一个数，运算后保存结果，也即A既可放源码，也可放目的操作数。 B 是一个8位的寄存器 作用：用于乘/除运算，或作为其它运算的暂存器。 PSW 为程序状态标志寄存器，8位。用来存放运算结果的一些特征， 每位含义如下表：,注意：CY特性（反映无符号数+/-，有无借进位）。OV（对带符号数而言） 功能 算术运算：、1及

11、BCD码加法的10#调整 逻辑运算：AND 、OR、 CLR、 XRL、 NOT 移位运算：左/右移、循环 二 布尔处理机 17条位操作指令，是单片机CPU中运算器的重要组成部分，有自己的位累加器 位寻址RAM 位I/O空间 位指令系统 操作均围绕累加器C进行,位操作指令可寻址：内部数据RAM里的128个位和SFR里的位 地址空间，可进行置位，取反，满足条件转移等操作。 功能：可方便利用指令完成硬件逻辑完成功能 为用户设置标志。如：置1或置0含义？ 控制器 是CPU的大脑中枢，包括： 定时控制逻辑 指令寄存器 译码器 地址指针DPTR 程序计数器PC 堆栈指针SP RAM地址寄存器 16位地址

12、缓冲器,功能：8031或51系列CPU从程序存储器中取出的指令字节指令寄存器储存。在整个分析、执行过程中一直受控于这些指令。指令寄存器中的这些代码被分析翻译成一种或各种电平讯号，这些电平讯号与外部时钟脉冲在CPU定时与控制电路的组合后，形成各种按一定时间节拍变化的电平和脉冲控制信息，在CPU内部协调各部分工作 PC：程序存储器指针，每取一条指令地址自动+1 SP：8位堆栈指针。指示当前堆栈栈顶地址。注意：单片机复位后，SP=07H，若不重新定义SP，第一个压栈的数据将存入08H单元 DPTR：外部数据存储器或I/O口的地址指针为16位，分成两个字节，高字节DPH，低字节DPL 8031的时钟：

13、由两种方式产生：内部 外部 参看书P8, 2-3 存储器空间及存储器 单片机存储器结构主要特点：程序存储器和数据存储器 的寻址空间是分开的。 51系列（8031/8032除外） ，有4个物理上互相独立的存储器空间即 程序存储器的8051片内有4K ROM 8751片内有4K EPROM 8052，8752片内有8K 字节的容量,注意：8031，8032无片内程序存储器，需在片外外接程序存储器，所以片内有无程序存储器是区别51系列产品8031/8051/8751的重要标志。 片外程序存储器容量，用户可根据需要任意选择，但片内外总容量合起来不得超过64KB 片内存放数据的RAM容量为256字节，而

14、片外RAM一般为64KB，这对8031/8051/8751均适用 3 空间分配图,一 程序存储器 作用：存放要执行的程序指令及固定的表格，常数等。 程序计数器：PC 使用地址：16位地址 寻址范围：64K 寻址指令：MOVC 对有内部ROM，EPROM的8051，8751，内部程序存储器地址安排在0000H0FFFH的4K空间。外部程序存储器的地址空间为1000HFFFFH之间为60KB。,EA（头上有）接高电平，执行程序 当PC0FFFH 寻址内部存储器 当PC1000H 控制自动转向外部程序存储器，执行其 间的内容 EA（头上有）接低电平或接地，取址只对外部程序存储器进行，不用内部程序存储

15、器。8031因无内部程序存储器， EA（头上有）应接地。 程序存储器容量可据需要扩展。地址空间原则上可由用 户安排 注意：单片机复位后程序计数器的内容为0，使单片机必然 从0单元取指令，执行程序。 0003H 0023H为定死的5个中断服务子程序入口地址，往往予留该存储空间，而由0000H开始存放一条绝对跳转指令。用户设计的程序则由跳转后的地址开始存放。,单片机访问外部程序存储器需提供两类信号： 地址信号确定选中某单元 控制信号接在ROM或EPROM的数据允许输出端 单片机无专门的地址/数据总线，常用P2口输出高8位地址， P0口分时复用输出地址的低8位及8位数据线，并由ALE将 低8位地址锁

16、存在地址锁存器中。 访问指令为MOVC 单片机的程序存储器是只读的，是单片机的一个特点,数据存储器 作用：存放和读取数据。 数据存储器分为： 内部RAM地址空间为00H FFH，访问指令为MOV 外部RAM地址空间为0000H FFFFH，访问指令为MOVX 一般情况应充分利用内部数据存储器，仅在数据采集，处理 或数据量太大时才扩充数据存储器，常用静态RAM。 访问外部数据存储器：采用16位数据存储器地址指针：DPTR 地址分配：P2口输出地址高8位，P0口输出地址低8位，ALE 锁存地址信号，数据存储器可读/写,内部数据RAM 外部数据RAM,内部数据存储器 地址：00H FFH共256个字节，由两部分组成 内部数据RAM00H 7FH（包括位地址空间） 特殊功能寄存器80H FFH 在内部数据RAM中，有些单元既可对其执行按字节的操 作，也可对其中每个单元的8位