单片机控制技术与应用(刘靖)课件

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1、1.1 初识单片机 1.1.1 什么是单片机 随着电子技术的飞速发展,计算机已融入到人们,生活的各个方面,影响着整个社会的发展过程,改 变着人类的生活方式。 根据规模大小,计算机可分为巨型机、大型机、 中型机、小型机和微型机。微型计算机向着两 个不同的方向发展:一是向着高速度、大容量、 高性能的高档PC方向发展;二是向着稳定可靠、,体积小、成本低廉的单片机方向发展。 所谓单片机,通俗来讲,就是把中央处理器CPU (Central Processing Unit)、存储器(Memory)、定 时器、I/O(Input/Output)接口电路等一些计算机 的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的

2、微型计算机。单片机又称为“微控制器,MCU”。中文“单片机”这一称呼是由英文名 称“Single Chip Microcomputer”直接翻译而来 的。 (1)单片机的主要分类 按应用领域可分为家电类、工控类、通信 类、个人信息终端类等单片机。, 按通用性可分为通用型单片机和专用型单片 机。 通用型单片机的主要特点是:内部资源比较丰富, 性能全面,而且通用性强,可满足多种应用要求。 所谓资源丰富是指功能强。性能全面、通用性 强是指可以应用于非常广泛的领域。通用型单,片机的用途很广泛,使用不同的接口电路及编制 不同的应用程序可完成不同的功能,小到家用电 器仪器仪表,大到机器设备和整套生产线,都

3、可用 单片机来实现自动化控制。 专用型单片机的主要特点是:针对某一种产品或 某一种控制应用专门设计,设计时已使结构最简,软硬件应用最优,可靠性及应用成本最佳。专用 型单片机用途比较专一,出厂时程序已经一次性 固化好,不能再修改。例如电子表里的单片机就 是其中的一种,其生产成本很低。 按总线结构可分为总线型单片机和非总线型 单片机。,(2)应用领域 单片机可应用于工业、消费、汽车、医疗等领 域。 1.1.2 单片机发展历史与高速SOC单片机C8051 F,1971年INTEL公司研制出世界上第一个4位的微 处理器;1973年INTEL公司研制出8位的微处理器 8080;1976年INTEL公司研

4、制出MCS-48系列8位 的单片机,这也是单片机的问世。20世纪80年代 初,INTEL公司在MCS-48单片机基础上,推出了 MCS-51单片机。,基于半导体集成技术突飞猛进的发展,各种类型 的单片机正日新月异地涌向市场,为单片机技术 的应用人员供了极大的方便。Cygnal C8051F系 列单片机是集成的混合信号片上系统SOC(Sys- tem on chip),具有与MCS-51内核及指令集完全兼 容的微控制器。除了具有标准8051的数字外设 部件之外,片内还集成了数据采集和控制系统中,常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。 Cygnal C8051F系列单片机的功能部件包括模拟 多路

5、选择器可编程增益放大器ADC/DAC、电压 比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I 2C、UART、SPI、可编程计数/定时器阵列 (PCA)、定时器、数字I/O端口、电源监视器,等。所有器件都有内置的FLASH存储器和256B 的RAM,有些器件还可以访问外部数据存储器 RAM,即XRAM。 Cygnal C8051F系列单片机是真正能独立工作的 片上系统SOC。CPU有效地管理模拟和数字外 设,可以关闭单个或全部外设以节省功耗。Flash,存储器还具有在线重新编程的能力,既可用作程 序存储器,又可用作于非易失性数据存储。应用 程序可以使用MOVC和MOVX指令对Flash进行 读或改

6、写。 1.1.3 Cygnal C8051F系列单片机特点 (1)片内资源, 812位多通道ADC。 12路12位DAC。 12路电压比较器。 内部或外部电压基准。 内置温度传感器(3)。, 16位可编程定时/计数器阵列(PCA)可用于 PWM等。 35个通用16位定时器。 864个通用I/O口。 带有I2C/SMBus、SPI、12个UART多类型串,行总线。 864KB Flash存储器。 2564KB数据存储器RAM。 片内时钟源,内置电源监测、看门狗定时器。 (2)主要特点, 高速的(2025MIPS)与8051全兼容的CIP 51内核。 内置Flash存储器可实现在线系统编程,既可作

7、 程序存储器,也可作非易失性数据存储。 工作电压为2.73.6V,典型值为3V。I/O、 RST、JTAG引脚均允许5V电压输入。, 全系列均为工业级芯片(-45+85)。 片内JTAG仿真电路提供全速的电路内仿真, 不占用片内用户资源,支持断点、单步、观察 点、运行和停止等调试命令,支持存储器和寄存 器校验和修改。 1.1.4 有关C8051系列CPU,(1)与标准8051完全兼容 Cygnal C8051F系列单片机采用CIP51内核(Cyg- nal专利)与MCS-51指令系统全兼容,可以使用标 准805x的汇编器和编译器开发编译C8051F系列 单片机的程序。 (2)高速指令处理能力,

8、标准的8051一个机器周期要占用12个系统时钟 周期,执行一条指令最少要一个机器周期。Cyg- nal C8051F系列单片机指令处理,采用流水线结 构,机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个 系统时钟周期,指令处理能力比MCS-51大大提 高。CIP-51内核70%的指令执行是在1个或2个系 统时钟周期内完成,只有4条指令的执行需4个以,上时钟周期。CIP-51指令与MCS-51指令系统全 兼容,共有111条指令。 表1-1为指令个数所对应的时钟周期数。 表1-1 时钟周期数表,表1-1 时钟周期数表,图1-1为几个典型MCU指令执行速度对照表。 (3)增加了中断源 标准的8051只有7

9、个中断源,Cygnal C8051F系列,单片机扩展了中断处理,这对于实时多任务系统 的处理是很重要的。扩展的中断系统向CIP-51 提供22个中断源,允许大量的模拟和数字外设中 断,一个中断处理需要较少的CPU干预,却有更高 的执行效率。 (4)增加了复位源,标准的8051只有外部引脚复位,Cygnal C8051F系 列单片机增加了如下7种复位源,使系统的可靠性 大大提高,每个复位源都可以由用户用软件禁 止。 片内电源监视。 WDT(看门狗定时器)。,图1-1 典型MCU指令执行速度对照表, 时钟丢失检测器。 比较器0输出电平检测。 软件强制复位。 CNVSTR(AD转换启动)。, 外部引

10、脚RST复位(可双向复位)。 (5)提供内部时钟源 标准的8051只有外部时钟,Cygnal C8051F系列单 片机有内部独立的时钟源(C8051 F300/F302提供 的内部时钟误差在2%以内)。在系统复位时默认 内部时钟。如果需要,可接外部时钟并可在程序,运行时使用。另外,C8051F02X系列除了内部有 扩展4KB数据RAM外片外,还可扩展至64KB数 据。 1.2 单片机介绍 MCS-51系列单片机分为两大系列,即51子系列与 52子系列。,51子系列 基本型。根据片内ROM的配置,对应 的芯片为8031、8051、8751、8951。 52子系列 增强型。根据片内ROM的配置,对

11、应 的芯片为8032、8052、8752、8952。 这两大系列单片机的主要硬件特性如表1-2所 示。,表1-2 51系列和52系列硬件特性对比,表1-2 51系列和52系列硬件特性对比,1.2.1 MCS-51单片机基本功能介绍 MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间:, 片内程序存储器; 片外程序存储器; 片内数据存储器; 片外数据存储器。 但在逻辑上,即从用户的角度看,8051单片机有三,个存储空间: 片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空 间; 256B的片内数据存储器的地址空间; 64KB片外数据存储器的地址空间。,在访问三个不同的逻辑空间时,应采用不同形式 的指令(具体在

12、后面的指令系统学习时讲解),以 产生不同的存储器空间的选通信号。 1.2.2 CIP-51单片机基本功能介绍 (1)数据存储器,CIP-51具有标准8051的程序和数据地址配置,它 包括256B的RAM,其中高128B用户只能用直接 寻址访问SFR地址空间,低128B用户可用直接或 间接寻址方式访问。前32B为4个通用工作寄存 器区,接下来的16B既可以按字节寻址也可以按 位寻址。,(2)程序存储器 C8051F系列单片机程序存储器为864KB的 Flash存储器。该存储器可按512B为一扇区编程, 可以在线编程,且不需在片外提供编程电压。该 程序存储器未用到的扇区均可由用户按扇区作 为非易失

13、性数据存储器使用。,(3)JTAG调试和边界扫描 C8051F020系列具有片内JTAG边界扫描和调试 电路,通过4脚JTAG接口,并使用安装在最终应用 系统中的产品器件,就可以进行非侵入式、全速 的在系统调试。该JTAG接口完全符合IEEE114 9.1规范,为生产和测试提供完全的边界扫描功,能。 Silicon Labs的调试系统支持观察和修改存储器 和寄存器,支持断点、观察点、堆栈指示器和单 步执行。不需要额外的目标RAM、程序存储 器、定时器或通信通道。在调试时所有的模拟 和数字外设都正常工作。当MCU单步执行或遇,到断点而停止运行时,所有外设(ADC和SMBus除 外)都停止运行,以

14、保持与指令执行同步。 开发套件C8051F020DK具有开发应用代码所需 要的全部硬件和软件,并可对C8051F020/1/2/3 MCU进行在系统调试。开发套件中包括开发者 工作室软件和调试器、一个集成的8051汇编器,和一个RS-232转换到JTAG的串行适配器。套件 中还有一个目标应用板,上面有对应的MCU和一 大块样机区域。套件中还包括RS-232和JTAG电 缆及一个墙装电源。开发套件需要一个运行 Windows 95/98/Me/NT并有一个可用RS-232串口 的计算机。如图1-2所示,PC机通过RS-232与串 行适配器连接。一条6in(1in=25.4mm)的扁平电,缆将串行

15、适配器和用户的应用板连接起来,连接4 个JTAG引脚和VDD及GND。串行适配器从应用 板获取其电源,在2.73.6V时其电源电流大约为2 0mA。对于不能从目标板上获取足够电流的应 用,可以将套件中提供的电源直接连到串行适配 器上。,对于开发和调试嵌入式应用来说,该系统的调试 功能比采用标准MCU仿真器要优越得多。标准 的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆, 还需要在应用板上有MCU的插座。Silicon Labs 的调试环境既便于使用,又能保证精确模拟外设 的性能。,(4)可编程数字I/O和交叉开关 Cygnal C8051F系列单片机具有标准的8051 I/O 口,除P0、P1、P

16、2、P3之外,还有更多的扩展的8 位I/O口,每个端口I/O引脚都可以设置为推挽或 漏极开路输出,这为低功,图1-2 集成开发环境(Silicon Labs) 耗应用提供了进一步节电的能力。 最为独特的是增加了(C8051F2xx除外)“Digtal Crossbar”(数字交叉开关),它可将内部数字系统 资源定向到P0、P1和P2端口的I/O引脚,并可将定,时器串行总线外部中断源、AD输入转换、比较 器输出都通过设置Crossbar开关控制寄存器定向 到P0、P1、P2的I/O口,这就允许用户根据自己的 特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组 合。 (5)模数/数模转换器, 模数转换器 C8051F系列内部都有一个ADC 子系统(除C8051F230/1/6之外),由逐次逼近型 ADC多通道模拟输入选择器和可编程增益放大 器组成。ADC工作在100kbps的最大采样速率时 可提供真正的8位、10位或12位精度。ADC完全 由CIP-