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1、1,单片机原理与应用,20112012学年第1学期,2,1.1 电子计算机的发展概述,1.1.1 电子计算机的问世及其经典结构,1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世，这标志着计算机时代的到来。 （CALCULATOR） ENIAC （“埃尼阿克”）,3,匈牙利籍数学家冯诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。 （EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER）,4,电子计算机技术
2、的发展，相继经历了五个时代：,电子管计算机； 晶体管计算机； 集成电路计算机； 大规模集成电路计算机； 超大规模集成电路计算机。,计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提出的计算机的经典结构框架。,5,二、微型计算机的应用形态 从应用形态上，微机可以分成三种：,多板机（系统机） 将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。 工业PC机 也属于多板机。,6,单板机 将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键
3、盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。,单板机,7,单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。 三种应用形态的比较 ：,单板机,单片机,系统机（多板机）,8,系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。,单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。,单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。,9
4、,1.2.1 单片机的发展过程,1.2 单片机的发展过程及产品近况,单片机技术发展过程可分为三个主要阶段： 单芯片微机形成阶段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机 。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。,特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。,10,性能完善提高阶段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。,特点是：结构体系完
5、善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种 。,11,微控制器化阶段,特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。 “微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。,1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。 芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。,12,简明发展史：,计算机,巨型机,微型机,通用微机,通用单片机,专用单片机,单片机,嵌入式系统,AR
6、M/DSP/SoC（90年代后）,13,1.2.2 单片机产品近况,ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列； Philips公司的80C51、80C552系列； 华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列； ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列； LG公司的GMS90/97低压高速系列； Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列； Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。, 80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：,14,非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间 ，近
7、年来推出的非80C51系列的主要产品有：, Microchip的PIC系列RISC单片机 ； TI的MSP430F系列16位低功耗单片机； Intel的MCS-96系列16位单片机。,15,1.3.1 单片机的特点,1.3 单片机的特点及应用领域,近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。,控制性能和可靠性高 实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各
8、部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。,16,体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。,17,1.3.2 单片机的应用领域,1、工业控制 控制温度、酸度。 2、智能仪器仪表 使仪器仪表智能化，提高测量速度和测量 精度，加强控制 功 能，简化仪表的硬件结构。 3、商用产品 机电一体化的产品。 4、家用电器 洗衣机、音响设备
9、、手机 5、计算机外设与智能接口,18,与以前所学的知识关联很少； 对器件的概念基本上是从0开始； 如果要用C语言编程，需具备一定的C语言基础； 所有人都站在了同一起跑线上；,学单片机需要具备的条件,19,2.1 MCS-51系列单片机基本结构原理 2.1.1 MCS-51系列 （1）MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种，如：,第二章 MCS-51系列单片机系统结构,8051/8751/8031； 8052/8752/8032； 80C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C32等 。,20,（2）该系列生产工艺有两种：,CHMO
10、S是CMOS和HMOS的结合，既保持了HMOS高速度和高密度的特点，还具有CMOS的低功耗的特点。在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片，CHMOS芯片的电平既与TTL(TTL：Vcc：3.3V；VOH=2.4V；VOL=2V；VIL=2.0V；VOL=1.7V；VIL=4.45V；VOL=3.5V；VIL=1.5V)兼容。,一是HMOS工艺（高密度短沟道MOS工艺）。二是CHMOS工艺（互补金属氧化物的HMOS工艺）。,21,（3）在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类：,增强型： 8052/8752/8032 80C52/87C52/80C32,基本型： 8051/8751
11、/8031 80C51/87C51/80C31,22,2.1.2 80C51系列, Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等； ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等； Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品 。,80C51是MCS-51系列中CHMOS工艺的一个典型品种 ；其它厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要产品有：,MCS-51单片机内部结构示意图,结构框图,中央处理器CPU：8位，运算和控制功能,内部RAM
12、：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。,内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。,定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。,并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。,串行口：一个全双工串行口。,中断控制系统：5个中断源（外部中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个）,时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ,由单片机的内部结构可知，MCS-51单片机主要由以下几部分组成： 中央处理器（CPU） 振荡电路 内部总线 程序存储器和数据存储器 定时器/计数器
13、 I/O口 串行口 中断系统,1.2.1 微处理器结构,运算器 包括算术逻辑运算部件ALU单元、暂存器1、暂存器2、累加器ACC、寄存器B和BCD码调整电路。 主要功能：算术运算、加1和减1运算、十进制调整、逻辑操作、数据传送。 布尔处理器 它以PSW中的进位标志位C为其累加器，专门用于处理位操作，有相应的位寻址RAM和I/O空间。 控制器 包括程序计数器PC、数据指针DPTR、堆栈指针SP、程序状态字、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器、定时电路和复位电路等。 主要功能：控制各部分的协调工作；协调单片机和外围芯片的工作。,中央处理器（CPU）,单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。MCS
14、-51单片机内部具有一个时钟振荡电路，只需要外接振荡器，即可为各部分提供时钟信号。 典型的时钟电路 在电路中，电容通常取30pF，晶振的取值通常为：1MHZ-33MHZ（不同型号的单片机的上限频率可能有差别）。,振荡电路,常用单片机的最高时钟频率,时钟周期、状态周期和机器周期 时钟周期 单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外部直接输入的送到内部控制逻辑单元的时间信号的周期。其大小是时钟信号频率（fosc）的倒数。 例如：时钟信号频率fosc为6MHz，则时钟周期为1/6us。 状态周期 由2个时钟周期组成（1个状态周期=2个时钟周期） 机器周期 由12个时钟周期或6个状态周期组成（1个机器周期
15、=12个时钟周期）。 例如：有一个单片机系统，它的fosc=12MHz，则时钟周期为1/12us，状态周期为1/6us，机器周期为1us 。,1个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期,单片机各种周期的关系图,单片机在重新启动时都需要复位，MCS-51系列单片机有一个复位引脚输入端RST。 MCS-51系列的单片机复位方法为：在RST上加一个维持两个机器周期以上的高电平，则单片机被复位。 复位时单片机各部分将处于一个固定的状态。 常用的MCS-51单片机复位电路 上电自动复位电路 手动复位电路 “看门狗”复位电路,1.2.4 复位和复位电路,复位后单片机各单元的初始状态,阻容上电自动复位电路,
16、单片机复位条件: 必须使RST引脚持续10 ms以上高电平(外部时钟12MHz),Va,这种电路利用电容上电压不能突变而是按指数规律上升或下降的特性 ,产生所需的复位脉冲,优点：使用最为普遍且成本低廉的复位电路 缺点：在电源出现瞬时跌落的情况下，将无法获得参数符合要求的复位脉冲或根本无法产生复位脉冲。,手动复位电路,在系统运行过程中，有时可能需要对系统进行复位，以避免对硬件经常加电或断电而造成的伤害，我们可以采用手动复位的方式。具体的电路如图所示。,按键复位是通过按压键使复位端经电阻与VCC接通得到短时的高电平。,“看门狗”复位电路,MAX810系列复位芯片,复位信号由MAXIM公司生产的仅有三个脚的复位芯片MAX810L提供，该复位芯片复位电压门限的典型值为4.63V。 正确选择复位门限,MCS-51单片机采用40脚双列直插式封装形式，主要包括以下几个部分： 电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端，为十5V； Vss(
