单片机原理与应用单片机原理与应用任课老师：刘雪花任课老师：刘雪花 2课程介绍课程介绍课程名称：课程名称：《《单片机原理与应用单片机原理与应用》》课程代码：课程代码：CI1001CI1001课程学时：课程学时：5151学学 分：分：3 3（（1 1：：2 2））课程性质：必修考试课程性质：必修考试 3课程的性质、地位和作用课程的性质、地位和作用本课程属于物联网工程专业核心课程，是本课程属于物联网工程专业核心课程，是对《对《c c语言程序设计》、《模拟电子技术》、语言程序设计》、《模拟电子技术》、《数字电路与逻辑设计》等课程知识的综合运《数字电路与逻辑设计》等课程知识的综合运用；同时，该门课程的学习将为后续物联网课用；同时，该门课程的学习将为后续物联网课程《嵌入式系统基础》、《程《嵌入式系统基础》、《zigbeezigbee无线网络技无线网络技术》打下坚实的基础术》打下坚实的基础 4教学目的和要求教学目的和要求 本课程主要以本课程主要以cc2530cc2530为例讲授单片机的工作原理与编为例讲授单片机的工作原理与编程 从单片机的概念开始，再到从单片机的概念开始，再到cc2530cc2530的的cpucpu核核——8051 ——8051 cpucpu的体系结构，最后重点落在的体系结构，最后重点落在cc2530cc2530内部资源的原理与内部资源的原理与编程。
编程 该课程的每个模块都力求学生通过编程去理解每个知该课程的每个模块都力求学生通过编程去理解每个知识点由于其是一门实践性很强的课程，要求学生除了识点由于其是一门实践性很强的课程，要求学生除了掌握小课所要求的实验内容外，还必须拿出更多的时间掌握小课所要求的实验内容外，还必须拿出更多的时间来练习任课老师布置的课外练习来练习任课老师布置的课外练习 5课程主要内容n第一部分第一部分 单片机基础知识：单片机基础知识：本部分主要讲授单片机的概念、本部分主要讲授单片机的概念、80518051单片机的单片机的特点、特点、8051 CPU8051 CPU核的内部结构、存储器组织重点掌握核的内部结构、存储器组织重点掌握8051 CPU8051 CPU核存储空间分布核存储空间分布n第二部分第二部分 CC2530CC2530基础：基础：本部分主要讲授本部分主要讲授CC2530CC2530和和80518051的关系、的关系、CC2530CC2530结构、结构、物理存储器的映射重点掌握物理存储器的映射重点掌握CC2530CC2530物理存储器的映射物理存储器的映射n第三部分第三部分 80518051上的上的c c语言程序设计：语言程序设计： 本部分主要讲授本部分主要讲授Cx51Cx51程序结构、数据程序结构、数据类型、存储类型与类型、存储类型与80518051存储结构、扩展的数据类型。
重点掌握存储类型与存储结构、扩展的数据类型重点掌握存储类型与80518051的存的存储结构n第四部分第四部分 CC2530CC2530内部资源内部资源C C编程：编程：本部分主要讲授系统时钟的本部分主要讲授系统时钟的IOIO编程、串口编程、串口编程、中断控制器编程、定时器编程、编程、中断控制器编程、定时器编程、DMADMA控制器编程等重点能够利用数据手册控制器编程等重点能够利用数据手册理解接口电路的工作原理并会用理解接口电路的工作原理并会用c c语言对其编程语言对其编程n第五部分第五部分 课程设计：课程设计：本部本部分主要通过使用分主要通过使用CC2530CC2530作为主控芯片来实现以各作为主控芯片来实现以各种传感模块采集信号来控制外围信号灯、蜂鸣器、电机等，如超声波避障小车种传感模块采集信号来控制外围信号灯、蜂鸣器、电机等，如超声波避障小车 6课程考核标准课程考核标准考核内容考核内容分数分数百分比百分比平平时时成成绩绩课堂纪律、课堂提问课堂纪律、课堂提问5 55%5%实验完成情况、实验报告实验完成情况、实验报告5 55%5%作业作业2 2次，次，2 2分分/ /次次4 44%4%课程设计课程设计3 3分、文档分、文档3 3分分6 66%6%考勤考勤101010%10%期末考试期末考试707070%70%本门课程的最终成绩为各项成绩之和。
本门课程的最终成绩为各项成绩之和 7学习资源学习资源教材：教材：姜仲、刘丹等姜仲、刘丹等. .《《ZigBeeZigBee技术与实训教程技术与实训教程————基于基于CC2530CC2530的无线的无线传感网技术》传感网技术》. .清华大学出版社清华大学出版社参考参考资料资料：： 1. 1. 葛广英葛广英、、葛菁葛菁、、赵云龙赵云龙等等. .《《ZigBeeZigBee原理、实践及综合应用》原理、实践及综合应用》. .清华大学出版社；清华大学出版社；2 2．．杜军朝杜军朝等等. . 《《ZigBeeZigBee技术原理与实战》技术原理与实战》. .机械工业出版社机械工业出版社; ;3.CC25303.CC2530数据手册数据手册课件下载：课件下载：或或帐号和密码都是帐号和密码都是: :kjdownkjdown 8学习建议学习建议 单片机的学习需要一定的软硬件基础，这给单片机的学习需要一定的软硬件基础，这给学习者带来了一定的困难，但正是学习的难度赋学习者带来了一定的困难，但正是学习的难度赋予了学习的价值，所以要求大家在学习的过程中予了学习的价值，所以要求大家在学习的过程中一定要有信心和耐心，做到：一定要有信心和耐心，做到：ü 课前预习，课后复习，课堂上认真听讲；课前预习，课后复习，课堂上认真听讲；ü 务必多动手实践：完成好每一次试验，验证书本上的务必多动手实践：完成好每一次试验，验证书本上的每一个例子。
每一个例子 网上的单片机资源非常丰富，建议大家要充分利用网网上的单片机资源非常丰富，建议大家要充分利用网络获取有用的信息，为自己解决学习中的问题络获取有用的信息，为自己解决学习中的问题 单片机技术主要网站介绍单片机技术主要网站介绍STCSTC单片机（）单片机（）周立功单片机（）周立功单片机（）C51 BBSC51 BBS论坛（）论坛（）中国电子网（）中国电子网（）嵌入式公社（）嵌入式公社（）电子技术应用（）电子技术应用（）单片机爱好者（）单片机爱好者（）超简单单片机学习网（）超简单单片机学习网（）中源单片机（中源单片机（ 10答疑时间答疑时间答疑时间：星期一 答疑时间：星期一 10:4010:40－－12:0012:00 星期三星期三 10:4010:40－－12:0012:00地地 点：计算机系办公室 点：计算机系办公室 E-mail：： 11教学内容教学内容•单片机单片机•80518051单片机单片机•8051 CPU8051 CPU核的内部结构核的内部结构•8051 CPU8051 CPU核的存储空间分布（重点、难点）核的存储空间分布（重点、难点） 12教学目标教学目标•理解单片机的概念；理解单片机的概念；•理解理解80518051单片机的几层含义；单片机的几层含义；•掌握掌握8051 CPU8051 CPU核的内部结构、存储空间分布。
核的内部结构、存储空间分布 1 1 1 1、什么是、什么是、什么是、什么是计计算机？算机？算机？算机？( ( ( (CPUCPU、、、、 RAMRAM、、、、ROMROM、、、、I/OI/O) ) ) ) 2 2 2 2、什么是、什么是、什么是、什么是单单片机？片机？片机？片机？ 剪裁计算机的功能部件后在一块半导体硅片上集剪裁计算机的功能部件后在一块半导体硅片上集剪裁计算机的功能部件后在一块半导体硅片上集剪裁计算机的功能部件后在一块半导体硅片上集成如下部件的芯片称为单片机：成如下部件的芯片称为单片机：成如下部件的芯片称为单片机：成如下部件的芯片称为单片机： (1)(1)(1)(1)微处理器微处理器微处理器微处理器(CPU)(CPU)(CPU)(CPU) (2) (2) (2) (2)存储器存储器存储器存储器(RAM(RAM(RAM(RAM、、、、ROMROMROMROM或或或或EPROM)EPROM)EPROM)EPROM) (3) (3) (3) (3)各种输入、输出接口各种输入、输出接口各种输入、输出接口各种输入、输出接口一、一、 什么是单片机什么是单片机 3 3、单片机具有、单片机具有一台计算机的属性一台计算机的属性。
也称为：也称为： 微控制器微控制器 MCU(MCU(MicroController Unit)MicroController Unit) 嵌入式控制器嵌入式控制器 EMCUEMCU （（Embedded Embedded icroController UniticroController Unit））在我国，习惯使用在我国，习惯使用“单片机单片机”这一名称这一名称 15二、单片机及其展过程二、单片机及其展过程•1.单片机的发展过程–原始阶段1971年1月，INTEL公司的特德·霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel 4004） 16•单片机的发展过程–发展阶段1976年Intel公司推出了8位的MCS-48系列的单片机，以其体积小、重量轻、控制功能齐全和低价格的特点，得到了广泛的应用，为单片机的发展奠定了坚实的基础80年代初， Intel公司推出了8位的MCS-51系列的单片机，随着单片机的应用的急剧增加，其它的单片机也随之大量涌现如：Motorola的68系列，Zilog的Z8系列等，从而掀开了单片机应用的历史新篇章 MCS-51MCS-51系列单片机的演绎系列单片机的演绎2020世纪世纪8080年代后期年代后期: :IntelIntel公司以专利的形式把公司以专利的形式把 80518051内核技术转让给厂家内核技术转让给厂家。
这些厂家生产的这些厂家生产的兼容单片机兼容单片机，与，与80518051的系统结构的系统结构（主要是指令系统）相同，采用（主要是指令系统）相同，采用CMOSCMOS工艺如：如：AMTELAMTEL、、PHILIPSPHILIPS、、ANALOG DEVICESANALOG DEVICES、、DALLASDALLAS公司–发展阶段 18•单片机现状单片机经过约30年的发展，已经形成有几千种型号上百种品牌的半导体产业，对电子信息技术、工业控制技术、军事技术的发展起到巨大的推动作用目前主流的单片机：–51内核的系列单片机–Microchip公司的PIC系列单片机–Motorola公司的68系列–Texas Instrument公司的MSP16bit系列单片机–ARM内核的32bit系列单片机•我们通常所说的51单片机或8051单片机指的是MCS-51系列和其他公司的8051派生产品，而真正的8051单片机早已不再生产 共性：具有同样的8051 cpu核 192、单片机的特点及应用领域•单片机的特点：–体积小巧–重量轻 –可靠性高–控制能力强–价格低–开发方便简单，易于产品化 203、、 单片机的应用单片机的应用 单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。
到各个领域使用温度：使用温度：民品民品：： 0°C 0°C —+70°C+70°C工业品：工业品： -40°C -40°C —+85°C+85°C军品：军品： -65°C -65°C —+125°C+125°C 21–汽车电子汽车电子3、、 单片机的应用单片机的应用 22–智能控制智能控制(视频) 23•单片机应用–消费电子产品消费电子产品 24•单片机应用–军事技术军事技术 25•单片机应用–工业控制 264、单片机应用系统开发简介•程序设计通常是C语言或者汇编语言，在特定的集成开发环境（IDE）中编程调试，比如应用最广泛的KEIL uVision4 274、单片机应用系统开发简介•仿真——使用proteus仿真 28•程序下载——使用ISP（In System Program在系统编程）ISP软件件下下载线目目标系系统 29三、三、 8051 8051中央处理器中央处理器 单片机的单片机的CPUCPU是完整的是完整的1 1位微计算机这位微计算机这个个1 1位微计算机包含位微计算机包含CPUCPU、位寄存器、、位寄存器、I/OI/O口口和指令集。
和指令集 CPUCPU内部内部包含：包含： 1 1、运算器、运算器 2 2、控制器、控制器 3 3、存储器 301 1、、 运算器运算器 运算器包含：运算器包含： 1.1.算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALUALU------算术运算、逻辑运算算术运算、逻辑运算 2.2.累加器累加器A A------相当于数据加工厂相当于数据加工厂 3.3.位处理器位处理器------位运算位运算 4.4.BCDBCD码修正电路码修正电路------十进制数的运算处理十进制数的运算处理 5.5.PSWPSW------记录程序运行状态记录程序运行状态 312 2、、 控制器控制器 单片机的指挥部件，单片机的指挥部件，主要任务是主要任务是识别指令识别指令，，控制各功能部件控制各功能部件，保证各部分，保证各部分有序工作有序工作主主要包括指令寄存器、指令译码器、程序计数要包括指令寄存器、指令译码器、程序计数器、程序地址寄存器、条件转移逻辑电路、器、程序地址寄存器、条件转移逻辑电路、时序控制逻辑电路。
时序控制逻辑电路 321.1.指令、指令译码及控制器指令、指令译码及控制器 指令指令------就是完成某项操作的命令就是完成某项操作的命令 指令译码指令译码---对指令进行解析和翻译对指令进行解析和翻译 控制器控制器---发出相应的控制信息，指挥运算器和存发出相应的控制信息，指挥运算器和存储器协同完成指令所要求的操作储器协同完成指令所要求的操作 332.2.程序及程序计数器程序及程序计数器PCPC 什么叫计算机程序：什么叫计算机程序：为完成一个完整的运算任为完成一个完整的运算任务，按照执行步骤用计算机指令编写的指令集合务，按照执行步骤用计算机指令编写的指令集合 执行程序指示：执行程序指示：地址由地址由PCPC指示 执行程序时，在计算机控制器的控制下，取指令装置会执行程序时，在计算机控制器的控制下，取指令装置会按按PCPC的指向从存储器中读出第一条指令并译码，执行指的指向从存储器中读出第一条指令并译码，执行指令所要求的操作令所要求的操作 343.3.程序执行过程程序执行过程 执行程序线路实际上按执行程序线路实际上按PCPC的指取指令运行，的指取指令运行，PCPC就象引路人，称为程序指针。
执行流程如下图：就象引路人，称为程序指针执行流程如下图： 35程序指令取指执行过程程序指令取指执行过程1、复位、复位PC=00002、从、从PC取指，取指，PC+13、取数据、取数据4、执行指令、执行指令5、取下一条指令、取下一条指令…… 364. 80514. 8051单片机的存储结构单片机的存储结构 80518051单片机存储器采用单片机存储器采用冯．诺依曼结构冯．诺依曼结构：： 1 1、有一根地址和数据总线有一根地址和数据总线 2 2、程序存储器空间和数据存储器空间采用独、程序存储器空间和数据存储器空间采用独立编址 3 3、拥有各自的寻址方式和寻址空间拥有各自的寻址方式和寻址空间 373 3、、 8051 8051单片机的存储器结构单片机的存储器结构80518051单片机存储器从物理结构上分四种：单片机存储器从物理结构上分四种： 1 1、片内程序存储器、片内程序存储器 2 2、片外程序存储器、片外程序存储器 3 3、片内数据存储器、片内数据存储器 4 4、片外数据存储器、片外数据存储器 38从寻址空间分布上分三种：从寻址空间分布上分三种： 程序存储器、内部数据存储器外部数据存储器。
程序存储器、内部数据存储器外部数据存储器从功能作用上可五种：从功能作用上可五种：程序存储器、程序存储器、内部数据存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、特殊功能寄存器、位地址空间存储器、位地址空间存储器、外部数据存储器外部数据存储器 39MCS-51MCS-51单片机存储器的结构单片机存储器的结构单片机存储器的结构单片机存储器的结构 8051 8051单片机的存储器结构图单片机的存储器结构图60KB60KB64KB64KB4KB4KB 40 在程序存储器的开始部分，定义了一段在程序存储器的开始部分，定义了一段具具有特殊功能的地址段有特殊功能的地址段，用作，用作程序起始和各种中程序起始和各种中断的入口断的入口 1）程序存储器）程序存储器表表表表1 1 程序存储器中特殊地址的功能程序存储器中特殊地址的功能程序存储器中特殊地址的功能程序存储器中特殊地址的功能n n程序存储程序存储程序存储程序存储器用于存放编好的程序或表格常数器用于存放编好的程序或表格常数器用于存放编好的程序或表格常数器用于存放编好的程序或表格常数 412）数据存储器工作寄存器区工作寄存器区位寻址区位寻址区数据缓冲区数据缓冲区3 3个区域个区域1. 1. 1. 1. 片内通用数据存储器片内通用数据存储器片内通用数据存储器片内通用数据存储器 数数据据存存储储器器用用于于存存放放中中间间运运算算结结果果、、数数据据暂暂存存和和缓缓冲冲、、标标志位等志位等。
MCS-51MCS-51系系列列单单片片机机的的片片内内数数据据存存储储器器除除RAMRAM块块外外，，还还有有特特殊殊功能寄存器（功能寄存器（SFRSFR）块 数数据据存存储储器器分分为为片片外外数数据据存存储储器器、、片片内内数数据据存存储储器器、、特特殊殊功能存储器，以下分别加以介绍功能存储器，以下分别加以介绍 42工作寄工作寄工作寄工作寄存器区存器区存器区存器区位位位位寻寻寻寻址址址址区区区区数据缓数据缓数据缓数据缓冲器区冲器区冲器区冲器区表表表表2 2 片内通用数据存储器的结构片内通用数据存储器的结构片内通用数据存储器的结构片内通用数据存储器的结构2）数据存储器 43（（1 1）工作寄存器区）工作寄存器区 工工作作寄寄存存器器也也称称为为通通用用寄寄存存器器，，供供用用户户编编程程时时使使用用，，用用于于临临时存储时存储8位数据信息位数据信息 工工作作寄寄存存器器地地址址为为00H～～1FH的的32个个单单元元，，并并分分成成4个个工工作作寄寄存器组，每个组有存器组，每个组有8个工作寄存器，名称为个工作寄存器，名称为R0～～R7。
每每个个工工作作寄寄存存器器组组都都可可被被选选为为CPU的的当当前前工工作作寄寄存存器器，，通通过过改改变变程程序状态字寄存器（序状态字寄存器（PSW）中的）中的RS1、、RS0两位来实现两位来实现表表表表3 3 工作寄存器和工作寄存器和工作寄存器和工作寄存器和RAMRAM地址对照表地址对照表地址对照表地址对照表 44（（2 2）位寻址区）位寻址区内内部部RAM中中地地址址为为20H～～2FH的的16个个单单元元，，CPU不不仅仅具具有有字字节节寻寻址址功功能能，，而且还具有位寻址功能这而且还具有位寻址功能这16个单元共个单元共128位位，，每每一一位位都都赋赋予予1 1个个位位地地址址，，位位地地址址范范围围是是00H00H～～7FH7FH 45（（3 3）数据缓冲区）数据缓冲区 30H～～7FH是是数数据据缓缓冲冲区区，，即即用用户户RAM区区，，共共80个个单单元元52子子系系列列片片内内RAM有有256个个单单元元，，工工作作寄寄存存器器区区和和位位寻寻址址区区的的单单元元数数与与地地址址都都和和51子子系系列列的的一一致致，，而而数数据据缓缓冲冲区区有有208个个单单元，元，地址范围是地址范围是30H～～FFH。
46（（4 4）堆栈与堆栈指针）堆栈与堆栈指针 堆堆栈栈是是一一种种执执行行“后后进进先先出出”算算法法的的数数据据结结构构是是在在内内存存中中的的一一个个存存储储区区域域，，数数据据一一个个一一个个顺顺序序地地存存入入（（也也就就是是“压压入入—PUSH”）这个区域之中这个区域之中 有有一一个个地地址址指指针针（（堆堆栈栈指指针针））总总指指向向最最后后一一个个压压入入堆堆栈栈的的数数据据所所在在的的存存储储单单元元，，存存放放这这个个地地址址指指针针的的寄寄存存器器就就叫叫做做堆堆栈栈指示器指示器 开开始始放放入入数数据据的的单单元元叫叫做做“栈栈底底”数数据据一一个个一一个个地地存存入入，，这这个个过过程程叫叫做做“压压栈栈”读读取取这这些些数数据据时时，，按按照照堆堆栈栈指指示示器器中中的的地地址址读读取取数数据据，，堆堆栈栈指指示示器器中中的的地地址址数数自自动动减减1这这个个过过程程叫叫做做“弹出弹出POP”如此就实现了后进先出的原则如此就实现了后进先出的原则 47MCS–51单片机堆栈单片机堆栈 MCS-51的堆栈是向的堆栈是向上生成的（即向地址增加上生成的（即向地址增加的方向），堆栈指针的方向），堆栈指针SP的初始值称为栈底。
在堆的初始值称为栈底在堆栈操作过程中，栈操作过程中，SP始终始终指向堆栈的栈顶指向堆栈的栈顶 需要注意的是，需要注意的是，单片单片机复位后机复位后SP的值为的值为07H，，因此入栈数据将从因此入栈数据将从08H存存起 先入后出先入后出（（4 4）堆栈与堆栈指针）堆栈与堆栈指针 482. 2. 特殊功能寄存器特殊功能寄存器概念：概念：特殊功能寄存器特殊功能寄存器（（SFR）也称为）也称为专用寄专用寄存器存器，用于控制、管理单片机内部算术逻辑，用于控制、管理单片机内部算术逻辑部件、并行部件、并行I/O口、串行口、串行I/O口、定时器口、定时器/计数计数器、中断系统等功能模块的工作器、中断系统等功能模块的工作使用：使用：系统初始化时针对使用的功能部件编程系统初始化时针对使用的功能部件编程设定Special Function RegisterSpecial Function Register2 2）数据存储器）数据存储器 49表表4 4 特殊功能寄存器地址对照表特殊功能寄存器地址对照表 2. 2. 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 50可位寻址的位地址分布可位寻址的位地址分布 MCS-51可直接位寻址的空间有可直接位寻址的空间有216位。
位其中其中内部内部RAM的的20H～～2FH这这16个单元个单元具有具有128个位地址空间，位地址为个位地址空间，位地址为00H～～7FH；； 另一部分位地址在特殊功能寄存器中，这些特殊功能寄存器是一些能另一部分位地址在特殊功能寄存器中，这些特殊功能寄存器是一些能被被8整除的字节单元，地址在整除的字节单元，地址在80H～～FFH区间，只用了区间，只用了11个字节，它们都可个字节，它们都可进行位寻址，共计进行位寻址，共计88位2. 2. 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 51可位可位寻址寻址的位的位地址地址分布分布表表表表5 5 位地址空间位地址空间位地址空间位地址空间 52自学内容•注意：凡是布置的自学内容为本课程学有余力的同学学习，不作考核要求！！•8051 指令系统（可以自己上网查资料） 53小结 本次课先对本门课程的教学内容、目标、要求本次课先对本门课程的教学内容、目标、要求作了一个简单的介绍，接下来采用逐层深入的教学作了一个简单的介绍，接下来采用逐层深入的教学方法，从单片机概念转向方法，从单片机概念转向80518051单片机的特点，着重单片机的特点，着重讲述了讲述了8051 cpu8051 cpu核的结构、存储空间分布。
重点掌核的结构、存储空间分布重点掌握存储空间分布（大小、范围、特性）握存储空间分布（大小、范围、特性） 54课后作业及预习n在在FTP课间区资料目录下载课间区资料目录下载“IAR-EW8051-760A（带注册机）（带注册机）.zip”安装在自己安装在自己 电脑上，电脑上，网上查阅资料自学如何建立工程网上查阅资料自学如何建立工程。