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1、单片机原理及应用8位51及增强型西门子单片机原理编者: 康戈文教学计划n学习intel 51系列8位单片机原理及应用，包含以下基本 内容：单片机的基本结构和使用要点：RAM,ROM, SFR以及并行接口I/O ，中断系统，定时器，串行接口n学习基于51，增强内核的infineon 8位XC866单片机主 要特点，主要包含以下内容：I2C总线，SPI总线，AD转换器，定时器中捕获比较单元及PWM输 出。n课堂教学32学时：24学时讲51单片机，8学时讲XC866 。n实验16学时：其中51单片机10学时，XC866实验6学时 。n由于教材限制（没有完整的两者包含的教材），讲课内 容不便统一处理，
2、因此计划XC866作为最后讲解。数字电路与计算机二进制n8个D触发器可以存放8位2进制数据n8位数据就是有序排列的8条导线或者8个触发器n按照导线排序，每一条导线分别代表不同的数字“权”值。以4 线为基准，分别代表“8，4，2，1”，4线都是高电平，记为 “1111”，其代表数字是842115。我们采用16进制表 达为F。4位2进制可以表达数字015或者09，AF的16进 制数。n每4线代表1位16进制数据。8线就是2位16进制数据，称为“1 字节”n我们学习计算机知识，一定要掌握2进制16进制10进制之 间的换算关系。n2进制数用B结尾，16进制数用H结尾，10进制不加结尾，或 者加D结尾以
3、示区别。一些常用数据n1字节8位，即：1BYTE=8BITn1024字节称为1KB(YTE)n1024KB=1MBn1024MB=1GBn有时商家把1000也称为1K，于是80G硬盘在电脑 中就识别为76Gn地址线条数对应可寻址（访问）的存储器大小具 有如下关系：n1线1字节，10线1KB，20线1MB，30线1GBn显然：11线2KB，12线4KB，16线64KB。nPC机地址线32线（位），可以组装的最大内存是 ：4GB单片机是计算机发展的一个分支n单片机专用于控制目的，嵌入到被控对象中，具有 计算机的特点。nPC机专用于多功能、海量运算。n单片机与PC机是计算机发展史中的两个不同分支。n
4、单片机注重小型化，功能上具有明确目的。发展方 向是SOC片上系统。n计算机能够按照人所设计的工作步骤进行不厌其烦 的重复性工作，并能根据不同的外部条件进行正确 处理，使得人力可以从大量的事务性工作中解脱出 来，而且计算机的准确性和实时性也是人所不能比 拟的。单片机系统就是“嵌入式”系统嵌入式系统分为两个层次：n自己编写全部控制程序底层应用。n利用实时多任务操作系统RTOS，在操作系统中添 加具有针对性的控制任务（程序）高层应用。n“单片机原理”课程教会我们底层应用nuc/OS-II 是“微控制器操作系统”，它将教会我们高 层应用。n单片机也称为：微控制器（MCU）单片机应用举例n家用电器：全自
5、动洗衣机；微波炉；电视机 控制器；空调控制器；DVD/VCD；数码照相 机；摄像机；手机n智能玩具n汽车控制：发动机电喷控制；ABS防抱死； ASR/TRC牵引力控制；自动变速；车架控制 .n计算机智能接口：硬盘控制器；CD控制器； 键盘；打印机；显示器控制器地址总线 AB控制总线 CBCPU内存智能仪器 接口数字化存 储示波器 、数字化 万用表通信接口终端 调制解调器 TTY电传机过程控制接口A/D转换器 开关量I/O D/A转换器输出接口打印机，显 示器，绘图 仪，记录仪输入接口键盘，数字 化仪，光笔 ，图形/声 音输入外存接口硬盘，软 盘，光盘 ，磁带数据总线 DB计算机的基本结构计算机
6、主要模块nCPU、存储器、接口n连接三者用“总线”：数据总线DB；地址总线 AB；控制总线CBn接口连接外部设备：显示器；键盘；鼠标； 打印机；以及硬盘；光盘；软盘；U盘、还 有互联网等等地址总线 AB控制总线 CBCPU内存数据总线 DB接口I/O显示器LCD ，LED/CRT键盘、鼠标软驱、硬盘 、光驱音响，麦克 风网络 及其他控制单片机浓缩了计算机基本模块两种计算机对比对比项目个人计算机PC单片机CPU位数64位8、16、32位内存大小256MB以上128字节几百KB工作频率1GHZ以上几十兆赫兹接口类型繁多的基本接口和智 能接口只有基本接口基本接口并口、串口、定时器、中 断系统并口、串
7、口、定时器、中 断系统 智能接口FDD、IDE、USB、显示 器、声卡少量类型单片机有USB、 CAN、等接口 结构特点多个IC多个电路板结构单片IC结构计算机的内存n内存分为只读存储器ROM和随机存储器RAM两类 。nROM存放启动/开机程序以及一些系统子程序。PC 机的BIOS就是存放在ROM中。用户编写的单片机 程序也是存放在ROM中。nRAM存放变量，数据。PC机还要存放从硬盘等处 读入的可执行程序。nROM中的程序用于开机时，计算机能引导进入运行 状态，这些程序在掉电后应保证不会消失。单片机：麻雀虽小，五脏俱全n单片机设计为：专用于控制目的计算机。n用于专门目的，为了降低成本，没有必
8、要将不用的功能 包含进来。n单片机通常只有8位，16位，32位字长，运算速度不是 很快，但用于专门的控制足够了。n因数据量不大，单片机内存也没有必要做得太大。n单片机应用系统功能单一，可见于我们生活中的时时处 处：手机、微波炉、洗衣机、电视机、遥控器、电子词 典、高档玩具n嵌入式单片机还见于计算机的许多辅助设备：键盘、硬 盘、光驱、打印机等等。怎样学好单片机n学好单片机，工作不用愁！n学习单片机要联系曾经学过的许多数字电路和模拟电 路知识。n真正学好单片机，还应当学会“电路板设计”；即：学 会“Protel”软件的使用方法，能熟练设计相应的电路和 电路板。（自学）n学习单片机的基本结构和（汇编
9、）编程控制方法，学 习C语言对单片机的编程方法。n认真作实验，保证能看懂试验电路，看懂实验程序， 并能够修改程序，最好能利用实验电路板自己编写程 序实现设想的功能。计算机的数据交换接口n尽管计算机外部设备多种多样，根本上来说就是数 据的传输：n外部设备把指令、数据送到计算机内让计算机进行 处理n计算机把处理情况和处理结果，以及需要保存的数 据送到外部设备：显示；打印；保存；交换n单片机还需要读取外部状态信息和输出控制信息。n计算机接口就是完成以上数据传输任务的基本电路 模块。计算机基本接口n并行接口：多条线（8线）同时传输数据。一次传输一 字节。n串行接口：单线传输，一次传输一位，分时传送。n
10、定时器：产生设定的时间间隔信号，用于安排计算机的 多种任务执行时间，也可以测量外部信号的宽度，周期 ，功能强的定时器，还可以产生多种波形输出，例如 PWM等。n中断控制器：用于使CPU能及时响应多种外部设备申请 的服务。配合外部低速设备的数据交换。n其他接口：DMA直接存储器存取，AD/DA数字/模拟接 口等，随不同型号不同而不同。通讯接口举例n并行接口：LPT打印机；内部FDD软驱；IDE 光驱/硬盘n串行接口：COM1/COM2串行接口；USB通用 串行接口；键盘、鼠标接口；红外线接口；网 络接口n串行接口还有更广泛的应用：手机，数字电视 ，卫星通讯n属串行接口的还有一些其它名称：I2C，
11、SPI， SMBus，通讯协议有些差异。RS485， RS232等，传送的驱动方式和数据电平有些差 异。单片机的学习重点wCPU内存：寄存器应用，指令集和寻址方式w接口：各种可编程接口的应用特点及初始化方 法。w基本接口包含：通用并行接口、串行接口、定 时器、中断控制。 以上3点是学习的重点单片机的其他接口n扩展的其它接口如：A/D；D/A接口；I2C接口， CAN接口；SPI接口；DMA接口等n不同厂家的产品具有不同的特点，但基本结构框架 类似，一通百通。如果使用C语言编程，只要了解 对应接口的初始化代码就可以对不同型号单片机进 行编程了！n基于51单片机核，英飞凌infeineon，AD，
12、ATMEL ，PHILIPS等公司还提供了更多的接口功能，使之 应用更广泛和灵活。单片机不同型号间的主要差异wCPU字长：4位；8位；16位；32位wROM容量：没有（需要外部扩展）； 1K;2K;4K;8K64K,128K，工艺上分 EPROM;E2PROM;FLASH ROMwRAM容量：128B;256B;1K;2K，基本RAM和片内 扩展XRAMw接口数量和种类：并口；串口；定时器；中断控制 器。好的芯片还集成了AD/DA接口，DMA，PWM ，CAN，I2C，。同时增加更多引脚。常见的8位16位单片机nIntel 8051 系列和96系列nMotolola 的MC68H系列nMicr
13、ochip的PIC系列nATMEL的89系列，ATMEGA系列nPHILIPS的P89/P87C5系列nSilicon Laborratories的C8051F系列n亿恒C500/166系列（原西门子，infineon）8/16位n三菱740族8位，M16C/62系列16位nTI的MSP430系列本课程重点因课时所限，主要介绍：nIntel 80518位单片机系列，以8031为核心 ，配以大量实验。nInfineon的亿恒XC866 8位单片机内部总线地址寄存器 （段寄存器）程序计数器数据寄存器 通用寄存器总线缓冲总线缓冲数据总线地址总线累加器ALU暂存器状态寄存器器指令寄存器指令译码 时序逻
14、辑控制信号CPU的一般结构CPU主要结构和功能nALU：算术逻辑单元。它是一个集：加、减、乘、除、移位、与 、或、非、异或等多种功能模块的电路单元。n选择ALU的某项功能是通过“指令译码器”送出的控制信号决定的 。n指令寄存器存放着从存储器读回的操作指令，它被“指令译码器” 译成操作ALU的控制信号。n地址寄存器/程序计数器自动计算CPU要执行的下一条指令的存 放地址，并产生相应地址信号用于选择程序存储器。n指令译码器在执行完当前指令时，发出“读指令”信号，把下一条 指令读入指令寄存器。新型单片机采用“流水线”方式，执行指令 的同时就可以读取新的指令。n状态寄存器存放着ALU运算的状态标志。n
15、通用寄存器存放一些最常用的运算数据或地址。运算前，数据会 转存到暂存器中n累加器是最常用的运算寄存器。通常，运算前是运算数据，运算 后存放运算结果。它配合暂存器通过ALU进行运算。存储器n数据存储器：RAMn程序存储器：ROMn两类存储器的编址方法有两种：线性统一编址和分 区编址。nIntel MCS-51为“分区编址”，ROM和RAM各自占用 一个独立地址空间。nIntel X86采用线性统一编址。ROM和RAM分布于同 一个地址空间的不同地址段。n许多计算机都采用线性统一编址，称为“冯涅曼”体 系结构。例如亿恒C164CI系列单片机。n地址：就像门牌号或者密码锁，每一个存储单元应 当具有独
16、立的唯一的地址代码。单片机的RAM特点n单片机的RAM又分为“片内”和“片外”两种。n片内RAM包含两种应用类型：通用寄存器片内 RAM。特殊功能寄存器SFR。nSFR是特殊功能寄存器（Special Function Registers ），而且是专用的！它们控制着单片机的各种接口功能 ，也存放着接口的输入输出数据。这些寄存器都有特定 的地址。n片外RAM通常指外部扩展的RAM。一些性能较好的单 片机片内也集成了“片外”RAM，称为：XRAM，实际上 还是集成在片内。n片内RAM和片外RAM也分为统一编址和独立编址两种n51单片机RAM属于独立编址，而ROM则为统一编址。 后续详细解说。单片机的接口n单片机的基本接口就是前面讲过的：并行接口；串行 接口；定时器和中断控制器。n性能好的单片机除了增加接口数量之外，还增加了许 多专用接口，例如模数/数模转换器接口，USB接口， CAN接口，I2C接口，PWM接口等等。n所有接口的控制寄存器和数据寄存器都安排在SFR区 。
