微控制器与嵌入式系统课件

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1、1,微控制器与嵌入式系统,课程名称微控制器与嵌入式系统 选用教材单片机基础 李广弟主编 北京航空航天大学出版社 学时总数43学时 授课学时数38学时 实验学时数5学时,2,1 单片机概述 2 单片机芯片的硬件结构 3 MCS-51单片机指令系统 4 MCS-51汇编语言程序设计 5 单片机存储器扩展 6 单片机的中断与定时系统 7 单片机I/O扩展及应用 8 单片机串行数据通信 9 单片机与数/模及模/数转换器接口 10 MCS-51单片机应用及开发技术,单片机基础,3,1.1 单片机的概念 1.2 单片机的发展 1.3 单片机的应用,1 单片机概述,4,1.1.1 单片机的名称 1.1.2

2、通用单片机和专用单片机 1.1.3 单片机与单片机系统 1.1.4 单片机应用系统与单片机开发系统 1.1.5 单片机程序设计语言和软件,1 单片机概述,Single Chip MicroComputer(SCMC)单片机 MicroController Unit(MCU)微控制器 Embedded MicroController Unit(EMCU) 嵌入式控制器,5,1 单片机概述,MicroComputer Development System(MDS) 微型机开发系统 In Circuit Emulator(ICE)在线仿真器,6,1 单片机概述,7,1.2.1 单片机发展概述 1.2

3、.2 MCS-51单片机系列 1.2.3 80C51单片机系列,1 单片机概述,8,1.2.2 MCS-51单片机系列 MCS-51可分为两个子系列和4种类型，如表1-1所示。 按资源的配置数量，MCS-51系列分为51和52两个子系列，其中51子系列是基本型，而52子系列属于增强型。 表1-1 MCS-51系列单片机分类,1 单片机概述,9,80C51与8051的比较 （1）MCS-51系列芯片采用HMOS工艺，而80C51芯片则采用CHMOS工艺。CHMOS工艺是COMS和HMOS的结合。 （2）80C51芯片具有COMS低功耗的特点。例如8051芯片的功耗为630mW，而80C51的功耗

4、只有120mW。 （3）80C51在功能增加了待机和掉电保护两种工作方式，以保证单片机在掉电情况下能以最低的消耗电流维持。 （4）此外，在80C51系列芯片中，内部程序存储器除了ROM型和EPROM型外，还有E2PROM型，例如89C51就有4KB E2PROM。并且随着集成技术的提高，80C51系列片内程序存储器的容量也越来越大，目前已有64KB的芯片了。另外，许多80C51芯片还具有程序存储器保密机制，以防止应用程序泄密或被复制。,1 单片机概述,10,MCS-96系列单片机 MCS-96系列单片机是Intel公司在1983年推出的16位单片机，它与8位机相比，具有集成度高、运算速度快等特

5、点。它的内部除了有常规的I/O接口、定时器计数器、全双工串行口外，还有高速I/O部件、多路AD转换和脉宽调制输出（PWM）等电路，其指令系统比MCS-51更加丰富。 ATMEL公司单片机 ATMEL公司于1992年推出了全球第一个3V超低压F1ash存储器，并于1994年以E2PROM技术与Intel公司的80C31内核进行技术交换，从此拥有了80C31内核的使用权，并将ATMEL特有的Flash技术与80C31内核结合在一起，生产出AT89C51系列单片机。,1 单片机概述,11,1.3.1 单片机应用的特点 1.3.2 单片机的应用领域,1 单片机概述,12,单片机应用系统的结构 单片机应

6、用系统的结构通常分为以下三个层次。 (1) 单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。 (2) 单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统。时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机共同构成了单片机系统。 (3) 单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道(传感器通道接口) 、后向通道(伺服驱动、控制通道接口)、人机交互通道(键盘、显示器、打印机等)和串行通信口(RS232)以及应用程序等。,1 单片机概述,13,1 单片机概述,单片机应用系统三个层次的关系,14,单片机系统的开发过程 通常开

7、发一个单片机系统可按以下6个步骤进行。 (1) 明确系统设计任务，完成单片机及其外围电路的选型工作。 (2) 设计系统原理图和PCB板，经仔细检查PCB板后送工厂制作。 (3) 完成器件的安装焊接。 (4)根据硬件设计和系统要求编写应用程序。 (5)在线调试软硬件。 (6) 使用编程器烧写单片机应用程序，独立运行单片机系统。,1 单片机概述,15,单片机的应用 1. 单片机在机、电、仪一体化等智能产品中的应用 日常生活中含单片机的电器产品 智能化的仪器仪表 2. 单片机在工业测控中的应用 3. 单片机在通信技术中的应用,1 单片机概述,16,2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚 2.

8、2 MCS-51单片机的内部存储器 2.3 MCS-51单片机并行输入/输出口电路 2.4 MCS-51单片机时钟电路与时序 2.5 MCS-51单片机工作方式,2 单片机芯片的硬件结构,17,2.1.1 MCS-51单片机结构框图 图 2.1 MCS-51单片机系统结构框图,2 单片机芯片的硬件结构,18,由图2.1可以看出，单片机内部主要包含下列几个部件： 一个8位CPU； 一个时钟电路； 4KByte程序存储器； 128Byte数据存储器； 两个16位定时/计数器； 64KByte扩展总线控制电路； 四个8-bit并行I/O端口； 一个可编程串行接口； 五个中断源，其中包括两个优先级嵌套

9、中断。,2 单片机芯片的硬件结构,19,2.1.2 MCS-51单片机芯片内部逻辑结构 图 2.2 MCS-51单片机芯片内部逻辑结构图,2 单片机芯片的硬件结构,20,2 单片机芯片的硬件结构,21,1. CPU CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。 （1）运算器电路 运算器电路包括ALU(算术逻辑单元)、ACC(累加器)、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。 （2）控制器电路 控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈

10、指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。,2 单片机芯片的硬件结构,22,2. 存储器 MCS51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。 3. 定时器/计数器 MCS51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。 4. 并行I/O口 MCS51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2

11、和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。,2 单片机芯片的硬件结构,23,5. 串行I/O口 MCS51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。 6. 中断控制系统 8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。 7. 时钟电路 MCS51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz12MHz，典型取值为6MHz。 8. 总线 以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结

12、构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。,2 单片机芯片的硬件结构,24,2.1.3 MCS-51的信号引脚 图 2.3 MCS-51系列单片机引脚图及逻辑符号,2 单片机芯片的硬件结构,25,电源引脚Vcc和Vss Vcc：电源端，接5V。 Vss：接地端。 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。 XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。 地址锁存允许ALE 系统扩展时，ALE用于控制地

13、址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。,2 单片机芯片的硬件结构,26,外部程序存储器读选通信号/PSEN PSENProgram Store Enable 是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。 程序存储器地址允许输入端/EA EAExternal Access Enable 当为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。 复位信号RST 该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。,2 单片机芯片的硬件结构,27,输入/

14、输出口引脚P0、P1、P2和P3 P0口（P0.0P0.7）：该端口为漏极开路的8位双向口，负载能力为8个LSTTL负载，它是8位地址线和8位数据线的复用端口。 P1口（P1.0P1.7）：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。 P2口（P2.0P2.7）：它为一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。在访问外部程序存储器时，它作存储器的高8位地址线。 P3口（P3.0P3.7）：P3口同样是内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口使用之外，还具有其它特殊功能。,2 单片机芯片的硬件结构,

15、28,2.2 MCS-51单片机的内部存储器,2 单片机芯片的硬件结构,29,内部数据存储器,2 单片机芯片的硬件结构,30,2.2.1 内部数据存储器低128单元 在低128字节存储单元中，前32个单元(00H1FH)作为工作寄存器使用，这32个寄存器分作4组，每组由8个通用寄存器(R0R7)组成，组号依次为0、1、2和3。通过对程序状态字中RS1和RS0的设置，可以决定选用哪一组工作寄存器，通常没有选中的单元也可作为一般的数据缓存使用。系统上电复位时，默认选中第0组寄存器。 在工作寄存器后的16个数据单元(20H2FH)，它们既可以作为一般的数据单元使用，由可以按位对每个单元进行操作，因此

16、这16个数据单元又称作位寻址区。位寻址区共计128位，其位地址为00H0FH。 在内部RAM的低128个单元中，剩余的80个数据单元即30H7FH为真正的用户RAM区，对于这些区域，用户只能以存储单元的形式来使用，通常在应用中也把堆栈开辟在这段区域。,2 单片机芯片的硬件结构,31,2.2.2 内部数据存储器高128单元 内部数据存储器的高128个单元是为专用寄存器提供的，因此该区也称作特殊功能寄存器区(SFR)，它们主要用于存放控制命令、状态或数据。除去程序计数器PC外，还有21个特殊功能寄存器，其地址空间为80HFFH。这21个寄存器中有11个特殊功能寄存器具有位寻址能力，它们的字节地址刚好能被8整除。下面将对部分专用寄存器作简要介绍。 累加器ACC 累加器为8位寄存器，是程序中最常用的专用寄存器，在指令系统中累加器的助记符为A。大部分单操作数指令的操