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单片机
单片机原理与应用系统开发
单片机SCMC(SingleChipMicroComputer)/微控制器MCU(MicroControllerUnit)(面向控制)/嵌入式微控制器EMC(应用中可以完全融入应用系)(embeddedmicrocontroller)
—属于微型机的一种
—具有一般微机的基本组成和功能
单片机是单片微型计算机的简称,也就是把微处理器(CPU)、一定容量的程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)、输入/输出接口(I/O)、时钟及其它一些计算机外围电路,通过总线连接在一起并集成在一个芯片上,构成的微型计算机系统。
微处理器(Microprocessor)——微型计算机的控制和运算器部分;
微型计算机(Microcomputer)——有完整运算及控制功能的计算机,包括微处理器、存储器、输入/输出(I/O)接口电路以及输入/输出设备等;
单片机的中央处理器(CPU)和通用微处理器基本相同,只是增设了“面向控制”的处理功能。
单片机有2种基本结构形式:
一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序存储器和数据存储器合用一个存储空间的结构,称为普林斯顿(Princeton)结构或称冯·诺依曼结构;
另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开,分别寻址的结构,称为哈佛(Har-vard)结构。
Intel公司的MCS-51和80C51系列单片机采用的是哈佛结构。
目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构较多。
嵌入式系统泛指嵌入于宿主设备的系统中,嵌入的目的主要是用智能化提升宿主设备的功能。
嵌入式系统是以应用技术产品为核心,以计算机技术为基础,以通信技术为载体,以消费类产品为对象,引入各类传感器加入,进入Internet网络技术的连接,而适应应用环境的产品。
特点:
嵌入式微处理器对实时多任务有很强的支持能力;具有功能很强的存储区保护功能;功耗很低。
单片机系统由单片机硬件和软件共同组建而成,为实现控制功能设计,软件可分为:
管理程序(系统的监控程序),应用程序(针对具体控制动作而编写的程序)。
SOC(片上系统):
是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。
使用SOC技术设计系统的核心思想,就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。
在使用SOC技术设计应用系统时,除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外,其他所有的系统电路全部集成在一起。
单片机的发展:
第一阶段(1976~1978年):
低性能单片机的探索阶段。
以Intel公司的MCS-48为代表,采用了双片结构,即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。
主要用于工业领域。
第二阶段(1978~1982年):
高性能单片机阶段,这一类单片机带有串行I/O口,8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。
这类单片机的应用范围较广,并在不断的改进和发展。
第三阶段(1982~1990年):
16位单片机阶段。
16位单片机除CPU为16位外,片内RAM和ROM容量进一步增大,实时处理能力更强,体现了微控制器的特征。
第四阶段(1990年~):
微控制器的全面发展阶段,各公司的产品在尽量兼容的同时,向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。
单片机的发展趋势:
微型化(贴片式工艺),低电压低功耗(CHMOS工艺),高速化,外电路内装,性能更加优异(三核结构),通信及网络功能加强,专用型单片机。
三核:
微控制器和DSP核,数据和存储器核,外围专用集成电路ASIC。
单片机的数制表示法:
1.二进制:
以2为基数的数制叫二进制,进位规则为“逢一进一”以B作为标识符。
一个含有n位整数,m位小数的二进制数可表示为:
N=Xn-1×2n-1+Xn-2×2n-2+
…+X0×20+X-1×2-1+X-2×2-2+
…+X-m×2-m
2.十进制:
以10为基数的数制叫十进制,进位规则是“逢十进一”。
以D作为标识符。
一个含有n位整数,m位小数的十进制数可表示为:
N=Xn-1×10n-1+Xn-2×10n-2+
…+X0×100+X-1×10-1+X-2×10-2+
…+X-m×10-m
3.十六进制:
以16为基数的数制叫十六进制,进位规则是“逢十六进一”。
以H作为标识符。
一个含有n位整数,m位小数的十六进制数可表示为:
N=Xn-1×16n-1+Xn-2×16n-2+
…+X0×160+X-1×16-1+X-2×16-2+
…+X-m×16-m
数制的转换:
二进制→十进制的转换:
把二进制数写成加权系数展开式,然后按十进制加法规则求和。
"按权相加"法。
十进制→二进制的转换:
把一个十进制整数依次除以2,并记下每次所得的余数(1或0),最后所得的余数的组合即为转换的十进制数。
第一位余数为最低位(LSB),最后一个余数为最高位(MSB)。
十进制小数转换成二进制小数采用"乘2取整,顺序排列"法。
具体做法是:
用2乘十进制小数,可以得到积,将积的整数部分取出,再用2乘余下的小数部分,又得到一个积,再将积的整数部分取出,如此进行,直到积中的小数部分为零,此时0或1为二进制的最后一位。
或者达到所要求的精度为止。
然后把取出的整数部分按顺序排列起来,先取的整数作为二进制小数的高位有效位,后取的整数作为低位有效位。
十六进制→十进制的转换:
"按权相加"法
十六进制→二进制的转换:
将每位十六进制数转换成相应的四位二进制数即可。
二进制→十六进制的转换:
只需从二进制数的最低位算起,每四位一个数,到最高位不够四位填0,即可按位转换成十六进制数。
十进制→十六进制的转换:
十进制转换成十六进制与十进制转换成二进制方法一样,只是除数为16而不是2。
而余数是0~F中的任一个数。
原码、反码与补码数码化了的带符号数称为机器数。
原来的数称为机器数的真值
原码:
在符号位用0表示正数,在符号位用l表示负数,而数值位保持原样的数,这样的机器数称为原码。
8位二进制原码表示的数的范围为:
-127~+127。
正数正数的原码与原来的数相同。
负数负数的原码为符号位置1,而数值位不变。
0的原码表示0的原码表示法有两种,即正0和负0。
[+0]原=00000000[-0]原=10000000
反码:
8位二进制反码表示的数的范围为:
-127~+127正数的反码与正数的原码相同。
负数的反码为数值位的值按位求反后,符号位取“1”。
0在反码中也有两种表示法,正0和负0。
[+0]反=00000000[-0]反=11111111
补码:
8位二进制补码表示的数的范围为:
-128~+127正数的补码与正数的原码相同。
负数的补码由它的绝对值求反加1后得到。
0的补码表示只有一种,其表达式为:
[+0]补=[-0]补=00000000B
补码的加法规则是:
[X+Y]补=[X]补+[Y]补
补码的减法规则是:
[X-Y]补=[X]补+[-Y]补
计算机中常用的编码:
1.BCD(8421)码
采用二进制数对每一位十进制数字编码,这种编码方式称为BCD码(BinarycodedDecimalCode)
BCD码加法:
“逢十进一”,若各位的和均在0~9之间,则其加法运算规则完全同二进制数加法的规则一样;若相加后的低4位(或高4位)二进制数大于9,或大于15(即低4位或高4位的最高位有进位),则应对低4位(或高4位)加6修正。
(高低都要加)
BCD码减法BCD码进行减法时,也会出现需要修正的现象,BCD码减法修正的条件和方法是:
低4位向高4位借位,或低4位出现非法码,低4位减6修正;高4位出现非法码,或高4位向更高的借位,高4位减6修正。
ASCⅡ码
ASCⅡ编码表(AmericanstandardCodeforinformationinterchange美国信息交换标准代码)用7位二进制数表示,可表达128个字符,其中包括数码0~9,英文大小写字母,标点符号和控制字符。
7位ASCⅡ码分成二组:
高3位一组,低4位一组,分别表示这些符号的列序和行序,
单片机常用逻辑电路简介:
或门电路:
电路符号:
非门电路
电路符号:
与非门和或非门电路
电路符号:
触发器
基本RS触发器
D触发器
内部结构
JK触发器
内部结构
寄存器
简单的寄存器移位寄存器
计数器
同步计数器同步十进制加法计数器
异步计数器
❑三态门与缓冲器:
三态输出门电路可以加到寄存器的输出端上,这样的寄存器就称为三态(缓冲)寄存器。
使用三态输出门电路,计算机就可以通过数据总线与一组寄存器接通,而断开另外一组寄存器,从而与任意多个寄存器交换信息。
译码器
3×8译码器
MCS-51系列单片机:
按片内程序存储器配置类型分为:
片内无ROM形------8031
片内有ROM形------8051
片内有EPROM形-----8751
片内有FLASHE²PROM形------89C51
按照制造工艺分为:
HMOS型,采用高密度短沟道MOS工艺,与TTL电平兼容,产品类型中没“C”的为HMOS芯片。
CHMOS型,互补金属氧化物的HMOS工艺,与TTL电平,CMOS电平兼容。
既有CMOS低功耗的特点,有保持了HMOS高速度高密度的特点,产品中带有“C”的即为CHMOS芯片。
按照功能分为:
基本型,后缀有AH,BH的单片机采用HMOS工艺制造,中间有字母“C”的采用CMOS工艺制造,具有低功耗的特点,特点:
8位CPU,;128B的数据存储器,;32根I/O线,;64K的片外程序/数据存储器寻址能力,;1个全双工异步串行口,;2个16位定时/计数器,5个中断源,2个优先级,;4KB的程序存储器,;21个特殊功能寄存器,;1个片内时钟振荡器和时钟电路。
;
增强型,1>),增大内部存储器型,将内部的ROM和RAM增加1倍,2>),可编程计数阵列型,含有“F”的产品。
采用CHMOS工艺,具有比较/捕捉功能模块和多机通信接口模块,3>),A/D转换型,功能,1>,8路8位A/D转换模块,2>256B的内部RAM,3>2个PCA监视定时器,4>增加了A/D和串行口中断,5.>7个中断源,6>具有振荡器失效检测功能。
4>)多并行口型,
MCS-51单片机的基本组成
1、MCS—51系列单片机的主要特性
1) 8位字长CPU和指令系统。
2)1个片内时钟振荡器和时钟电路。
3)64K外部数据存储器的地址空间。
4)64K外部程序存储器的地址空间。
5)32条双向且分别可位寻址的I/O口线。
6)128字节的片内RAM(52子系列为256字节)。
7)2个16位定时器/计数器(52子系列为3个)。
8)具有2个优先级的5个中断源结构(52子系列有6个)。
9)1个全双工串行口。
10)1个布尔处理器
11)具有丰富的指令系统。
12)具有全双工传输信号UART。
13)烧写工艺上采用可一次性烧写的内含ROM或可重复烧写的EPROM。
微计算机组成
单片机的内部结构
1.CPU(中央处理器),是单片机的核心部件,主要完成单片机的运算和控制功能.。
(1)运算器:
包括算术逻辑单元ALU(算术,逻辑运算)、布尔处理器、累加器ACC(向ALU提供操作数并存放运算结果)、寄存器B(乘除运算时用来存放一个操作数,并可以存放运算后的一部分结果)、暂存器TMP1和TMP2(暂时存放数据总线或其他寄存器送来的操作数,)、程序状态字PSW寄存器(CY进位标志,表示加减运算时最高位有无进/借位,AC辅助进位标志位,若低四位向高4位有进位,AC=1.F0用户标识位,由用户自行定义,由软件置位或复位,RS0,RS1工作寄存器区选择,用户自定义,用于选定当前工作寄存器区,OV溢出标志,运算结果超出范围,OV=1,P奇偶比偶标志位,累加器A中8位2进制数中“1”的个数,为奇P=1,CY,AC,OV,P都是由硬件根据指令执行情况自动置位或清0的,用户一般不易修改、)及十进制调整电路等。
(2)控制器:
包括定时控制逻辑、数据指针寄存器DPTR,程序计数器PC,指令寄存器IR、译码器ID以及信息传送控制部件等,以实现控制功能。
2.内部存储器存储器组织采用哈弗结构,内的存储器包括程序存储器(存放调试正确的应用程序和表格常数等固定数据。
)和数据存储器(分为片内,片外,,访问片内用MOV,访问片外用MOVX),它们是相互独立。
(1)程序存储器(ROM):
为只读存储器,用于存放程序指令,常数及数据表格。
(2)数据存储器(RAM):
为随机存储器,用于存放数据。
数据存储器又可分为内部数据存储器和外部数据存储器。
在单片机内部有256个RAM单元来存放可读写的数据,其中,后128单元被专用寄存器占用,作为寄存器供用户使用的只是前128单元。
3.定时/计数器,89C51单片机内部有2个16位的定时器/计数器,用于实现内部定时或外部计数的功能;并以其定时或计数的结果(查询或中断方式)来实现控制功能。
4.中断系统控制器,89C51单片机具有中断功能,以满足控制应用的需要。
89C51共有5个中断源(52系列有6个中断源),即外部中断2个,定时/计数器中断2个,串行口中断1个。
全部中断可分为高级和低级两个优先级别。
5.并行I/O口,89C51单片机内部共有四个8位的并行I/O口(P0、P1、P2、P3),以实现数据的并行输入和输出。
6.全双工串行口,89C51单片机还有一个全双工的串行口,以实现单片机与外部之间的串行数据传送。
7.OSC,是单片机的时钟电路。
时钟电路用于单片机产生时钟脉冲序列,协调和控制单片机的工作。
引脚定义及功能
(1)P0口(32脚~39脚)有三种使用方法:
作为与外部传送数据的8位数据总线(D0~D7)。
作为扩展外部存储器时的低8位地址总线(A0~A7)。
(2)P1口(1脚~8脚):
作为普通I/O口使用,无须外接上拉电阻(89C52的P1.0和P1.1还具有特殊功能见表2-1)。
(3)P2口(21脚~28脚)有两种使用方法:
作为普通I/O口使用,无须外接上拉电阻。
作为扩展外部存储器时的高8位地址总线(A8~A15)。
(4)P3口(10脚~17脚)有两种使用方法。
作为普通I/O口使用,无须外接上拉电阻;
(5)VDD(40脚):
+5V电源。
(6)VSS(20脚):
GND
(7)XTAL1(19脚)XTAL2(18脚):
接外部石英晶振的引脚,也可引入外部时钟。
(8)RESET(9脚):
复位信号引脚。
必须在此引脚上出现两个机器周期的高电平,才能保证单片机可靠的复位。
(9)ALE/PROG(30脚):
地址锁存允许信号。
有以下三个作用:
当外接存储器(RAM/ROM)时,ALE(允许地址锁存)的输出用于锁地址的低8位。
一般ALE接锁存器的EN端。
当没有外部存储器时,ALE端可输出脉冲信号,此频率为石英振荡频率的1/6。
因此,它可用作对外部芯片提供输出的时钟,或用于定时的目的。
(10)PSEN(29脚):
外部程序存储器的读选通信号
(11)/VPP(脚31):
访问程序存储器控制信号。
当信号接低电平对ROM的读操作(执行程序)限定在外部程序储器。
当接高电平时,对ROM的读操作(执行程序)从内部开始。
在使用内部带程序存储器的单片机时,应接高电平。
P3口的特殊功能
单片机的CPU时序
振荡周期也叫节拍,用P表示,振荡周期是指为单片机提供定时信号的振荡源的周期。
是时序中最小的时间单位。
例如:
若某单片机时钟频率为2MHz,则它的振荡周期应为0.5μs。
时钟周期又叫做状态周期,用S表示。
是振荡周期的二倍,其前半周期对应的节拍叫P1拍,后半周期对应的节拍叫P2。
P1节拍通常完成算术、逻辑运算,P2节拍通常完成传送指令。
机器周期是实现特定功能所需的时间周期,通常有若干时钟周期构成。
89C51的一个机器周期是固定不变的,宽度均由6个状态周期(12个振荡周期)组成,并依次表示为S1~S6,分别记作S1P1、S1P2~S6P1、S6P2。
指令周期是最大的时序定时单位,指令周期是指执行一条指令需要的时间。
通常89C51的指令周期可以包含有1~4个机器周期。
89C51的几种典型的指令时序如图2-15所示,每个机器周期内地址锁存信号(ALE)产生两次有效信号,分别出现在S1P2、S2P1期间与S4P2、S5P1期间。
单片机的工作方式
节电工作方式
89C51单片机中有HMOS和CHMOS两种工艺芯片,它们的节电运行方式不同,HMOS单片机的节电方式只有掉电方式(掉电工作方式是指由于电源的故障使电源电压丢失或工作电压低于正常值,使单片机系统不能正常运行,若不采取保护措施,将丢失RAM和寄存器中的全部数据,后果严重。
),CHMOS单片机的节电工作方式有掉电方式和空闲方式两种
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