单片机原理与接口技术

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1、单片机原理与接口技术,嵌入式微控制器的开发入门,参考资料,1， 单片机原理及其接口技术-胡汉才 清华大学出版社（32元）2，MCS-51/96系列单片机原理及应用-孙涵芳 徐爱卿 北京航空航天大学出版社（35元）3，MCS-51系列单片机实用接口技术- 李华北京航空航天大学出版社（40元）4，电子世界 -中国电子学会主办（期刊 6.00元/期）,本课主要内容及课时安排,总讲课课时24学时第一章：MCS-51系列单片机的基本硬件结构 （8课时）介绍51单片机内部硬件结构（数据寄存器、程序存储器、输入输出端口、定时计数器、串行口及中断等）第二章：MCS-51单片机的指令系统 （4课时）51单片机的

2、111条指令的分类、寻址方式、伪指令及使用中的注意事项第三章：MCS-51单片机的系统扩展及应用 （12课时）程序与数据存储器的扩展、定时/计数器的应用、串行口的应用及A/D、D/A转换器与单片机的接口和键盘扫描/动态显示接口电路。,如何学习本门课程,第一章是基础，只有熟知单片机的硬件结构和特点才能正确的使用单片机进行各种编程、应用和开发。第二章的关键是要正确的理解和掌握指令的寻址方式。MCS-51单片机的111条指令，要正确理解和运用。第三章要求要运用许多基础知识，将各种外围电路与单片机之间实现接口，因此要掌握外围电路的原理、特性和使用方法。这是进行系统设计的基础。参加实验前认真做好预习。实

3、验中独立地进行编程、调试。完整的掌握单片机的编程、调试过程是每一个从事单片机开发的工程师所必须跨出的第一步。好的参考书。无论是初学入门，还是将来开发，它都是很好的“工具”和“钥匙”。,硬件基本概念：,微型计算机,单片机,嵌入式微控制器,嵌入式计算机系统,继续,微型计算机：,由CPU、存储器、定时/计数器、并行输入/输出接口电路、中断控制器等大规模IC芯片安置在一个电路板上，加上键盘、显示器等构成了微型计算机的硬体部分。,返回,单片机,将微型计算机系统所用的大多数IC芯片集成到一个芯片中。可以认为，单片机就是将微型计算机的CPU、存储器、I/O端口、中断控制器等全部做在一个芯片中去。 美国INT

4、EL公司生产的MCS-51单片机就是一种典型的、按照微型计算机的框架，采用大规模IC工艺制造的单片机，也是目前世界上使用量最大的一种较典型的产品。,返回,嵌入式微控制器,是单片机发展的一个高级形式，也是单片机发展的必然趋势。它的设计理念不再停留在模仿微型计算机的结构，而是面向应用、加大功能、减少功耗、精简指令系统提高运行速度为出发点来设计单片机的框架。这种处理器的最大特征是不仅包含了一般单片机的所有硬件电路，还集成了放大器、比较器、A/D转换器和PWM电路等等。用它来设计一个智能化的产品，可以进一步简化外围电路，降低开发成本，甚至完成一般的单片机所不能完成的任务。 美国Microchip公司生

5、产的PIC单片机等产品就是这类产品的代表，实际上PIC单片机也称为“嵌入式微控制器”，如PIC16F877等。,返回,嵌入式计算机系统,人们在工业控制、家电产品、智能仪表、汽车电子等领域进行智能化设计时，将嵌入到被控制对象（如：家电、汽车、机床等）中的、已经失去了原有的计算机形态及功能的专用计算机称之为“嵌入式计算机系统”。在这些被控制对象中，往往要求嵌入式计算机系统要有极小的体积和极低的成本，要有极小的功耗和较高的可靠性。而这些又恰恰是通用计算机无法作到的。因此以单片机为代表的嵌入式计算机系统（也称嵌入式微控制器）极大的满足了这种市场的需求。反过来，市场的需要也迫使单片机去不断完善、发展，使

6、其分类越来越细，品种越来越多。,微型计算机与单片机在硬件结构上的比较,微型计算机 单片机,数据RAM,CPU,并行I/O,程序ROM,定时/计数器,串型端口,中断控制器,扩展I/O端口,系统总线（DB、AB、CB）,微型计算机的组成框图 （由多个IC芯片组装在一个主电路板上）,MCS-51单片机,所有单元都组装 在一个IC芯片上,返回,第一章：MCS-51系列单片机的基本硬件结构,1.1 MCS-51单片机的主要性能和特点,1.2 MCS-51单片机内部方框图,1.3 MCS-51单片机的引脚定义,1.4 MCS-51单片机的存储器的配置,1.6 输入输出端口,1.5 震荡器、时钟电路和CPU

7、的时序,1.7 MCS-51单片机的定时/计数器,1.8 MCS-51单片机的串行接口,1.9 MCS-51的中断系统,1.1 MCS-51单片机的主要性能和特点,内部程序存储器ROM ( 以89C51为例 )：4K的存储容量； 内部数据存储器RAM：256B(128B的RAM+21B的SFR) ； 寄存器区：设有4个寄存器区，每一个区有R0-R7八个工作寄存器； 8位并行输入输出端口：P0、P1、P2和P3； 定时/计数器：2个16位的定时/计数器； 串型口： 全双工的端口（RXD：接收端，TXD发送端）； 中断系统：设有5个中断源； 系统扩展能力：可外接64K的 ROM 和64K的 RAM

8、； 堆栈：设在RAM单元中，可以浮动既通过堆栈指针SP来确定堆栈的位置 布尔处理机：配合布尔运算的指令进行各种逻辑运算； 指令系统：111条指令。按功能可分为数据传送、算术运算、逻辑运算、 控制转移和布尔操作5大类。,返回,1.2 : MCS-51单片机内部方框图,时钟电路,4KROM 程序存储器,256BRAM 数据存储器,2X16位 定时/计数器,CPU 处理器,64KB总线 扩展控制器,可编程I/O 端口P0-3,可编程 串行口,MCS-51系列芯片及制造工艺,返回,1.3：MCS-51单片机的引脚定义,MCS-51单片机有两种封装形式：a.40脚的双列直插DIP封装； b.44脚的PL

9、CC。1，主电源引脚 :Vcc(+5V- 40脚)和Vss(GND 20脚); 2，外接晶体引脚：XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚），只要在这两脚之间接入一个晶体震荡器，单片机就可以以此晶体的频率开始工作。常用的晶体频率有0-24M，频率越高，单片机的工作速度就越快，但单片机的功耗就要增加。 3，控制或与电源复用引脚：RST/Vpd、ALE/PROG、/PSEN和VddRST/Vpd（9脚）：在系统上电震荡器开始工作时， 在内部加在此引脚上有一个两个时钟周期的高电平使单片机复位。但为了使系统复位可靠，建议外加 一个上电复位电路，延长复位的时间。当单片机掉点时，此引脚可以接入备用电源向单

10、片机内部的RAM供电，以防止RAM中的数据丢失。,引脚图,在复位状态下：所有SFR的内容全变为“0”，端口输出“1”。RAM内容不变。,MCS-51RST,Vcc,MCS-51RST,Vcc,1K,10,t,V,T,延长上电复位时间的电路 和RST端上电电压曲线,具有手动复位功能的复位电路,R,C,84 6 35 2 1,Vo,Vcc,触发,触发信号 Vo Vc,84 6 35 2 1,VoRST,Vcc,P1.0,Vcc P1.0 Vo,V备用,使用555电路构成的掉电保护电路,由555构成的单稳态电路、波形 单稳态单路构成的掉电保护电路、波形,掉电保护原理及过程,电源监控电路对电源VCC进

11、行监控，当VCC的电源开始下降时向单片机的/INT0或/INT1发一个中断申请信号。 单片机收到中断信号,立即进入中断程序。在电源消失前： 1，迅速将一些重要的信息送RAM保存；2，从P1.0引脚输出负脉冲,触发单稳进行电源切换。 外部单稳电路进入但稳态后，由于VCC的消失，使电路无法对单稳电容充电，所以单稳电路一直处于“休眠状态”。 当VCC电源恢复后,VCC对电容充电，经后脱离单稳态。,电源监测 电路,/INT0 RST MCS-51P1.0,Vo Vdd 555 触发输入,Vcc,备用 电源,ALE/PROG（30脚）：以一个不变的频率（系统时钟 fosc/6 )周期性输出正脉。 当单片

12、机使用外部存储器时，此信号可作为低八位地址的锁存信。 对于EPROM型的单片机,此脚还是用于写程序时，输入编程脉冲。 /PSEN（29脚）：外部程序程序存储器的选通信号。当单片机使用外部程序存储器时，此脚在一个机器周期内产生两次负脉冲。注意，访问外部数据存储器时，此信号无效。 /EA / Vdd （31脚）：外部程序存储器的选择端控制端：当此脚加入“1”电平是，单片机使用内部的程序存储器；当EA加入低电平时，系统只使用外部的程序存储器。但要特别注意：如果EA=1既使用单片机内部的程序存储器时，如果程序计数器PC的值超过0FFFH时，单片机将自动转向外部程序存储器1000H开始的单元。对于EPR

13、OM型的单片机，此脚还是用于写程序时，加入21伏的编程电压。,时序图,引脚图,4，并行输入输出端口引脚（P0-P3） P0.0 - P0.7 P0端口线(39-32脚)：输出能力最强的端口，可以带动8个TTL负载。驱动一个MOS负载时，应接一个10K左右的上拉电阻。如果系统使用外接存储器时，该口还作为地址（低八位）总线和数据总线，注意在这种情况下，P0口就不能通用的I/O端口。 P1.0 - P1.7 P1端口线(1 8脚)：负载能力为4个TTL负载。 P2.0 P2.7 P2端口线(21 28脚)：通用I/O端口。除了做通用I/O端口外，当系统使用外接存储器时，该口还作为地址（高八位）总线，

14、在这种情况下，P0口就不能通用的I/O端口。负载能力为4个TTL。,引脚图,P3.0 P3.7 P3端口线 （10 17脚）：P3口除了做通用的I/O端口外，同时它还有第二功能），负载能力为4个TTL。,P3口第二功能表,引脚图,MCS-51单片机外型图（DIP封装） MCS-51单片机的逻辑符号图,VCC RST XTAL1P0口 XTAL2 /EA /PSEN ALEP1口 P3口 RXD TXD /INT0 /INT1 P2口 T0 T1 /WR /RD GND,87C51 EPROM型,AT89C51ATMEL FLASH型,返回,返回上一次,1.4 MCS-51单片机的存储器的配置,

15、1.4.0 MCS-51单片机的存储器的配置特点,MCS-51单片机片内、外程序存储器的使用示意图,1.4.1 程序存储器(片内与片外),1.4.2 内部数据存储器RAM,MCS-51 片内 、片外 数据存储器示意图,MCS-51单片机片内存储器低 128B 字节功能分配图,片内 RAM（20H-2FH）中的位寻址区结构图,特殊功能寄存器 SFR,1.4.3 外部数据存储器,第一章第四节内容小结,程序存储器六个特殊的单元,返回第1章主菜单,1.4.0 MCS-51单片机的存储器的配置特点(89C51),在MCS-51单片机的内部集成了4K的程序存储器和256B的数据存储器，同时还可以使用片外的程序存储器和数据存储器，其扩展能力都是64K。从物理结构的角度讲，51单片机的存储系统可以分为四个存储空间：既片内ROM，RAM和片外ROM、RAM。从逻辑上讲（既用户编程的角度讲）51单片机的存储系统又可分为三个存储空间。既片内RAM，片外RAM和片内、外的程序存储器ROM。,