《单片机原理及其接口技术教学内容》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理及其接口技术教学内容（395页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、单片机原理及其接口技术单片机原理及其接口技术课程安排n40学时。n上课共10周。n课程设计一周。课程重点n教材内容比较多，讲授19章内容，重点在MCS-51单片机原理、指令系统、单片机系统接口技术的学习。n每次课前回列出重要知识点。n主题可分为6大部分q微型计算机基础。q51单片机结构及工作原理。q51单片机指令系统及汇编程序设计。q半导体存储器及其与51单片机的连接。q51单片机中断技术q基本I/O接口技术（并口、串口、A/D、D/A）n预备知识：q模电、数电、C/C+程序设计、微型计算机原理与接口技术第1章微型计算机基础n定点数与浮点数n计算机中的数制和编码q二进制、十六进制、八进制qBC
2、D编码、ASCII编码q原码、反码、补码的表示及运算规则n单片计算机的基本结构、原理及分类计算机的数制与数的转换q数制是指数的制式，即利用符号计数的方法。微型计算机中常用的数值有十进制、二进制、八进制、十六进制等。q微型计算机中的所有信息都是采用二进制数进行表示，二进制数及编码是所有计算机的基本语言。进位计数制q十进制。09，如45D。q二进制。0，1，如01010011B。q十六进制。09，A，B，C，D，E，F，如3BH。q八进制。07，如76O。进位数制之间的转换q十进制转为二进制。q二进制转为十进制。q二进制转为十六进制。q十六进制转为二进制。q十进制转为十六进制。计算机中数的表示方法
3、n定点数表示法。二进制数的小数点位置不变。q定点整数q定点小数n浮点数表示法。小数点位置随阶码的大小浮动。二进制数的运算n算术运算q加、减、乘、除n逻辑运算q逻辑乘（与）、逻辑加、逻辑非、逻辑异或二进制数的表示方法q在计算机中，有3种数据类型：n无符号二进制数。n带符号二进制数。n无符号十进制数（BCD码）。q二进制中符号位的表示。”0”为正，”1”为负n+69=01000101 -69=11000101q机器数与真值，如上例中n+69=01000101(机器数)= +1000101(真值)n -69=11000101(机器数)= -1000101(真值)q带符号数表示法。n原码n反码n补码原
4、码表示法q正数的符号用”0”表示，负数的符号用”1”表示。nX1001111，则X原01001111nX1001111，则X原11001111n0：X0000000，则X原00000000n0：X0000000，则X原10000000反码表示法q正数的表示同原码，负数的反码：符号位为”1”，其余各位按位求反。nX0011111，则X反00011111nX0011111，则X反11100000n0：X0000000，则X反00000000n0：X0000000，则X反11111111补码表示法q为什么需要补码？q补码中的“模”时钟的例子。qX补模X。q补码的计算：n正数的补码等于原码。n负数的补
5、码等于反码+1。nX1001111，则X补01001111nX1001111，则X补10110001n0：X0000000，则X原00000000n0：X0000000，则X补00000000q补码数的符号扩展q补码数的右移规则补码的加减运算n补码加法。qX+Y补=X补+Y补n补码减法。qX-Y补=X补+-Y补n计算机中凡是带符号数都用补码表示，所有运算都采用补码加法完成，运算结果也是补码。n应用举例。q例1.18q例1.19溢出及判断n溢出产生的原因。每个数的补码有一个表示范围（字长位n的二进制数，补码的表示范围为-2n-12n-1-1），运算结果超出该范围引起的计算出错称为溢出。n溢出的判
6、断变形码qCs：表示最高位（符号位）的进位情况。qCy：表示数值部分最高位的进位情况。q溢出Cs 异或 Cyn应用举例q例1.22q例1.23二进制编码q为什么需要编码？q常用编码类型。nBCD编码（二十编码）。nASCII编码。n校验码编码。BCD编码表q采用二进制对十进制数进行编码，又称8421BCD编码。BCD编码二进制数的运算修正q加法修正。q减法修正。字符代码ASCII编码q以7位二进制数表示128种不同的字符（包括字母、数字及控制符号等）。q标准ASCII码最高为为0，最高为为1的为扩展ASCII码，常用于双字节编码领域，如汉字编码（GB2312，BIG5，GBK等）。q见附录A校
7、验码编码n奇偶校验码。q奇校验q偶校验n海明码。单片机的基本结构中央处理器q中央处理器，是单片机的核心，集成了n运算器。n控制器。n专用寄存器组。存储器q用于存放程序及数据的部件。q单片机中使用半导体存储器。q存储器单元使用存储器地址标识。qCPU需要读写存储器单元的内容时，需要首先提供存储器的地址。总线和总线控制逻辑q系统总线。连接多个功能部件，并具有完成信息相互传送功能的一组公共传输线，包括n数据总线（DB）。传送数据信号。n地址总线（AB）。传送地址信号。n控制总线（CB）。传送控制及状态信号。q总线控制逻辑。实现总线传输控制的部件。I/O接口和特殊功能部件q串行与并行I/Oq特殊功能部
8、件n定时器/计数器、A/D、D/A、DMA通道、系统时钟等单片机执行程序的过程单片机的分类q4位机。q8位机位机。n8031/80C31/8051/80C51/8751/87C51等等q16位机。q32位机。q区别在于字长、制造方式（功耗）、RAM/ROM大小、I/O接口等单片机在DDC中的应用单片机在DCS中的应用第2章MCS-51单片机结构与时序nMCS-51单片机内部结构。q重点：专用寄存器组名称及功能、存储器结构及地址分配、位地址、I/O端口、定时器与计数器、中断系统nMCS-51单片机引脚及其功能。q重点：端口线、控制线nMCS-51单片机工作方式。q重点：有几种工作方式、各有何用途
9、nMCS-51单片机时序。q重点：时钟周期、机器周期、指令周期、典型操作时序MCS-51系列单片机CPU结构专用寄存器组nMCS-51系列单片机中的专用寄存器组包括：q程序寄存器PC（16位）q累加器A（8位）q通用寄存器B（8位）q程序状态寄存器PSW（8位）q堆栈指针SP（8位）q数据指针DPTR（16位）程序状态寄存器PSW堆栈指针SP数组指针DPTR存储器结构nMCS-51内部的存储器分为ROM与RAM两类qROM存储器结构qRAM存储器结构q特殊功能寄存器ROM存储器结构RAM存储器结构特殊功能寄存器SFRn指有特殊功能的寄存器集合。SFR的实际个数与单片机具体型号有关。8031/8
10、051有21个，8032/8052有26个，允许位寻址的有11个，如下所示。I/O端口n并行I/O端口8位qP1、P2、P3、P4n串行I/O端口并行I/O端口串行I/O口定时器/计数器中断系统MCS-51单片机的封装双列直插式封装HMOS器件方形封装CHMOS器件端口线控制线电源线qVcc：+5VqVss：GND几种晶振连接电路8031连接片外存储器MCS-51单片机的工作方式q复位方式q程序执行方式n单步执行n连续执行q节电方式n掉电方式n空闲方式q编程与校验方式复位方式程序执行方式q单步执行n逐条执行用户指令，用于调试用户程序n利用单片机的外部中断功能实现q连续执行n所有单片机都需要的一
11、种工作方式，被执行程序可放置在片内或片外ROM中n单片机复位后PC0000H，因此需要在0000H放置一条跳转指令将PC指向程序开始的位置节电工作方式q节电方式是一种降低功耗的工作方式，只有CMOS器件才有本方式，受电源控制寄存器PCON控制。节电方式分为：n掉电方式n空闲方式电源控制寄存器PCON空闲方式掉电方式掉电/空闲方式的实际应用编程与校验方式8751编程方式8751校验方式编程/校验时序EPROM保密编程MCS-51三种周期时序时序示例读外部ROM指令时序读外部RAM指令时序第3章MCS-51单片机指令系统n寻址方式。n指令系统。基本概念q指令指令。指使计算机完成某种操作的命令。q指
12、令系统指令系统。指令的集合称为指令系统。q计算机的机器指令包括操作码和操作数两部分。q操作码操作码。表示计算机执行什么样的操作。q操作数操作数。表示计算机参加运算操作要处理的数据信息。指令的格式指令的三种表现形式指令的字节数指令的分类指令中的符号说明指令对标志位的影响寻址方式qMCS-51有7种寻址方式：n直接寻址。n立即寻址。n寄存器寻址。n寄存器间址。n变址寻址。n相对寻址。n位寻址。直接寻址立即寻址寄存器寻址寄存器间址变址寻址相对寻址位寻址数据传送类指令内部数据传送指令立即型数据传送指令直接型传送指令寄存器寻址的传送指令寄存器间址传送指令内部数据传送指令小结外部ROM/RAM的传送指令q
13、指令共7条，分为3类n16位数的传送指令（1条）n对外部ROM的读数指令（2条）n对外部RAM的读写指令（4条）16位数的传送指令对外部ROM的读数指令对外部ROM的读数指令举例对外部RAM的读写指令对外部RAM的读写指令举例堆栈操作指令q堆栈操作共两条指令n压栈指令n弹出指令压栈指令弹出指令堆栈指令举例数据交换指令q数据交换指令共4条n数据交换指令（3条）n半字节交换指令（1条）数据交换指令半字节交换指令数据交换例1数据交换例2算术与逻辑运算和移位指令q这类指令共49条，包括n算术指令（24条）n逻辑指令（20条）n移位指令（5条）算术运算指令q算术运算指令可处理加、减、乘、除算术运算，包括
14、：n加法指令（13条）；n减法指令（8条）；nBCD调整指令（1条）；n乘除指令（2条）；不带Cy的加法指令不带Cy加法指令示例1不带Cy加法指令示例2带Cy加法指令加1指令加法指令例子带Cy减法指令带Cy减法指令示例减1指令减法指令例子BCD调整指令BCD加法调整BCD减法调整乘除指令逻辑运算指令q逻辑乘指令（6条）。q逻辑加指令（6条）。q逻辑异获指令（6条）。q累加器清零和求反指令（2条）逻辑乘指令逻辑乘指令示例逻辑加指令逻辑加指令示例逻辑异或指令逻辑异或指令示例累加器清零和取反指令移位及半字交换指令移位指令例1移位指令例2控制转移及位操作指令q控制转移指令（17条）n无条件转移指令（4
15、条）n条件转移指令（8条）n子程序调用与返回指令（4条）n空操作指令（1条）q位操作指令（17条）无条件转移指令条件转移指令q累加器A判零转移指令（2条）q比较转移指令（4条）q减1条件转移指令（2条）累加器A判零转移指令累加器A判零转移指令示例比较条件转移指令比较条件转移指令示例减1条件转移指令减1条件转移指令示例子程序调用与返回指令q包括：n调用指令（2条）n返回指令（2条）q子程序的作用n缩短用户程序长度n节省程序设计时间q什么是子程序n完整程序功能，如多字节加法子程序、三角函数子程序等n通用性，可多次调用n通过调用/返回指令完成对子程序的调用/返回q调用指令的作用n堆栈-断点地址断点地
16、址（PC中）n转入子程序的第一条指令执行q返回指令的作用nPC-断点地址（堆栈中）子程序嵌套短调用指令（2KB范围内）长调用指令（64KB范围）返回指令子程序调用与返回指令例子空操作指令位操作指令位传送指令位置位/清零指令位运算指令以Cy中内容为条件的转移指令以位地址内容为条件的转移指令第3章习题课q3-10q3-12q3-15q3-17q3-18q3-23q3-27q3-283-103-123-153-173-183-233-273-28第4章汇编语言程序设计n汇编语言程序格式。n汇编语言程序设计。程序设计语言汇编程序汇编语句的格式汇编语言的构成ORG/END伪指令EQU/DATA伪指令DB
17、/DW/DS伪指令BIT伪指令汇编语言程序的设计步骤汇编语言程序的汇编n汇编语言源程序必须转换为机器语言才能够被MCS-51CPU执行，将汇编语言源程序转换为机器语言的过程称为“汇编”。可以采用以下两种手段进行汇编q人工汇编查手册q机器汇编汇编程序汇编语言程序设计示例q简单程序及分支程序设计q循环及查表程序设计q子程序与运算程序设计简单程序设计分支程序设计循环程序设计循环程序结构循环程序类型查表程序设计查表步骤子程序设计子程序设计注意事项运算程序设计第5章半导体存储器n半导体存储器的分类。n存储器容量的扩展方式。n存储器与MCS-51的连接。存储器的类型存储器的层次内存储器的组成半导体存储器的
18、种类半导体存储器的技术指标半导体存储器的发展前景n半导体存储器将继续沿着以下几个方面发展q集成度q存取速度q工作电压及功耗单译码半导体存储器结构双译码半导体存储器结构只读存储器n掩膜ROMn可编程PROMn紫外光可擦除EPROMn电可擦可编程EEPROMn闪速存储器Flash Memory掩膜ROM存储器原理PROM存储器原理EPROM存储器原理典型EPROM、E2PROM芯片nEPROM Intel 27128AnEPROM Intel 2764nEEPROM Intel 281527128、2764引脚图27128原理图及工作方式2815引脚及工作方式静态RAM基本存储电路动态RAM基本存
19、储电路常见RAM芯片nIntel 6264nIntel 2116nIntel 2186Intel6264(SRAM,8KB)Intel2116(DRAM,16Kx1)Intel2186(全集成化DRAM,8KB)存储器与CPU连接需考虑的主要问题n存储芯片选择（容量、个数）nCPU总线的负载能力。q在CPU与存储器间增加缓冲器、驱动器、地址译码器等以增强负载能力。nCPU时序与存储器存取速度匹配。n存储器地址分配（重叠地址空间）。n控制信号连接。q译码（线选法、部分译码、全译码）q读写信号存储器容量扩展n字数扩展n位数扩展存储器容量的位扩展存储器容量的字扩展存储器与CPU的连接线选法产生片选信
20、号74LS138局部译码法产生片选信号全译码法产生片选信号各种片选的优缺点MCS-51与存储器连接示例第6章中断系统n中断的概念。n中断处理过程。nMCS-51的中断系统。中断的概念n指CPU在正常运行程序时，因内部或外部事件要求CPU暂时中止执行原程序，转而执行其服务程序（称为中断服务程序），待服务完毕后自动返回执行原程序的过程。中断的功能n同步操作，并行处理。n实时处理。n故障处理。中断源中断的分类中断嵌套中断系统及其功能n可自动完成中断任务的逻辑电路及软件。包括：q识别中断源q对多个中断源进行优先级排队等n一个中断系统应可完成下列任务：q能实现中断响应、中断服务、中断返回。q能实现中断优
21、先级排队。q能实现中断嵌套。q能识别中断源及开关中断。中断优先权的一般处理原则n多个中断源同时申请时，按优先权从高到低依次处理。n高级别中断源可以中断级别较低且正在处理的中断，排斥同级，同时响应更高级别的中断请求。n同级别多个中断源同时申请中断，应预先排好次序，依次逐个处理。MCS-51的中断源MCS-51的中断标志对中断允许的控制对中断优先级的控制MCS-51响应中断的条件MCS-51对中断的响应时间MCS-51对中断的撤除n防止CPU重复响应同一个中断8259A中断控制器8259A芯片结构8259A的工作过程8259A与总线的连接方式（1）8259A与总线的连接方式（2）8259A的使用（
22、编程）n通过设置初始化命令字ICW1ICW4及操作命令字OCW1OCW3实现，任务包括q优先级设置q优先级循环方式q中断屏蔽方式q中断结束方式q中断请求的触发方式8031对外部中断源的扩展方式n借用T0/T1扩展n采用查询法扩展n采用8259A扩展借用定时器溢出中断扩展外部中断源第7章并行I/O接口n接口的类型。nMCS-51内部并行I/O接口。nMCS-51并行I/O的扩展。nMCS-51内部定时器/计数器。什么是接口为什么需要使用接口接口电路的功能n数据缓冲n数据格式转换n地址译码及设备选择n传递控制及状态信号n电平转换接口的类型n按照接口的功能分类：q通用接口q专用接口n按照数据传送方式
23、分类q并行接口q串行接口I/O接口的端口寻址CPU与外设间的信号nCPU与外设之间交换的信息主要有3类：q数据信息n数字信号。“0或1”形式的二进制数据。n模拟信号。传感器/控制器的输入/输出的表示温度、压力、流量、阀门等数据的电压或电流信号，需要A/D，D/A转换使用。n开关量。表示开、关两种状态，例如电机的启动与停止等。q状态信息n反映外设的工作状态，如“准备好”或“忙”状态。q控制信息读写控制信号、片选等。接口的一般结构n接口电路一般包括以下部件：q数据寄存器q状态寄存器q控制（命令）寄存器I/O数据的四种传送方式n程序控制传送方式q同步传送q异步传送n中断传送nDMA（直接存储器存取）
24、方式程序控制传送方式无条件传送方式条件传送方式中断传送方式中断传送方式的接口电路DMA传送方式n不需要CPU参与。n需要专用控制芯片控制总线的使用及数据存取。MCS-51内部并行I/O端口MCS-51并行I/O端口的操作方式常用并行接口芯片介绍n8255A。n8155。8255A的基本特性n8255A是一个具有两个8位（A和B口）和两个4位（C口高低四位），最多可达24位的并行输入输出端口的接口芯片，它为Intel系列CPU与外部设备之间提供TTL电平兼容的接口，如打印机、AD、DA转换器、键盘、步进电机以及需要同时两位以上信息传送的一切形式的并行接口。8255A的引脚功能8255A内部结构8
25、255A的控制字n方式控制字及对C口按位置位/复位控制字8255A的工作方式n方式0是一种基本输入或输出方式，它适用于无需握手信号的简单输入输出应用场合， 端口A、B、C都可作为输入或输出数据使用，端口B、C输出有锁存而输入无锁存。n方式1也称选通的输入/输出方式。在这种方式下，无论是输入还是输出都通过应答关系实现， 这时端口A或B用作数据口，端口C的一部分引脚用作握手信号线与中断请求线。q若端口A工作于方式1,则B可工作于方式0； q若端口B工作于方式1,则A可工作于方式0或余下的13位可工作于方式0； q若端口A和B同时工作于方式1,端口C余下的两位还可用于传送数据或控制信号。n方式2也称
26、选通的双向I/O方式，仅适用于端口A， 这时A口的PA7-PA0作为双向的数据总线， 端口C有5条引脚用作A的握手信号线和中断请求线，而B口和C口余下的3位仍可工作于方式0或1。8255A方式0基本输入输出模式8255A方式1选通输入模式8255A方式1选通输出模式8255A方式2双向输入输出模式8155A基本特性n2*8位I/On1*6位I/On256字节RAMn1*14位定时器8155A引脚及内部结构8155A端口地址8155A命令字8155A状态字8155A定时器长度字8155工作方式C口引脚在各种方式下的定义选通I/O输入选通I/O输出8155A定时器长度字格式8155A定时器初始化8
27、155A定时器应用举例借用外部RAM地址扩展I/O端口应用举例采用8155扩展并行I/O端口（1）采用8155扩展并行I/O端口（2）采用8155扩展并行I/O端口（3）MCS-51内部的定时器/计数器定时器控制寄存器TCON定时器方式寄存器TMODMCS-51内部定时器工作方式方式0方式1方式2方式3（只有T0才有）MCS-51对内部定时器的初始化计数值初值的计算定时器初值的计算初值设置举例应用举例(1)应用举例(2)第8章A/D与D/A接口nA/D与D/A转换器。nMCS-51与A/D、D/A的接口。A/D、D/A的用途D/A转换器原理T型电阻网络D/A转换器性能指标DAC0832结构DA
28、C0832引脚功能MCS-51与D/A的接口qDAC的应用qMCS-51对8位DAC的接口qMCS-51对12位DAC的接口MCS-51对8位DAC的接口q直通方式q单缓冲方式q双缓冲方式直通方式单缓冲方式单缓冲方式锯齿波程序单缓冲方式三角波程序单缓冲方式方波程序MCS-51对12位DAC的接口qDAC1208的结构与原理qMCS-51与DAC1208的接口A/D转换器逐次比较式A/D转换器并行A/D转换器A/D的性能指标ADC0809内部结构ADC0809引脚功能MCS-51对A/D转换器的接口qMCS-51与ADC0809的接口qMCS-51与ADC574A的接口MCS-51与ADC080
29、9的接口（1）MCS-51与ADC0809的接口（2）ADC574A-结构ADC574A-引脚功能ADC574A-引脚功能第9章MCS-51串行通讯n串行通讯基础知识。nMCS-51的串行通讯接口与应用。n多机通讯概念。串行通信的分类q异步通信q同步通信异步通信同步通信串行通信的制式调制解调器的作用与原理调制解调器的分类调制与解调（以FSK型Modem为例）串行I/O数据的软件实现硬件实现工作原理硬件实现UART对RXD的采样硬件实现错误校验MCS-51串口的结构串行口控制寄存器SCON电源控制寄存器PCONMCS-51串行口的工作方式q方式0同步移位寄存器。q方式1可变频率10位异步通信。q
30、方式2固定频率11位异步通信。q方式3可变频率11位异步通信。方式0同步移位寄存器方式110位异步收发方式211位异步收发（固定波特率）方式311位异步收发（可变波特率）串行口通信波特率方式0应用用作输出口方式0应用用作输入口方式1应用方式2应用方式3应用（1）主程序方式3应用（2）接收子程序方式3应用（3）出错处理程序进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡，每逢进入夏
31、天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着“怎么这么热怎么这么热”，于是三五成群，聚在大树，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑了，快来我给你扇扇强子，别跑了，快来我给你扇扇”。孩。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过
32、了，这时子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，“你看热的，跑什么？你看热的，跑什么？”此时这把蒲扇，此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅长的时间隧道，袅结束
