單片機(jī)原理與應(yīng)用

1、單片機(jī)原理與應(yīng)用第一章 基礎(chǔ)知識(shí) 1.1 數(shù)字電子計(jì)算機(jī)進(jìn)位計(jì)數(shù)制 1.3 數(shù)制與碼制 數(shù)字電路 程序和軟件1.1 數(shù)字電子計(jì)算機(jī)原理計(jì)算機(jī)組成的4個(gè)基本要素-存儲(chǔ)器 Memory-運(yùn)算器 Arithmetic-控制器 Controller-輸入輸出設(shè)備 Input/Output計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)運(yùn)算器ALU存儲(chǔ)器M控制器 CU輸入輸出I/OBUS圖1.進(jìn)位計(jì)數(shù)制Xb=bN-1 bN-2 b1 b0 ; bi=0.1 ; 權(quán) P=2 N位二進(jìn)制數(shù) 10101100Xb=bN-12N-1 + bN-22N-2 + + b121 + b020 ; Xb= bi 2i i=0N-1N位十進(jìn)制數(shù)Xd=dN

2、-1 dN-2 d1 d0 ; di=0.9 Xd =1234567890; P=10Xd=dN-110N-1 + dN-210N-2 + + d1101 + d0100 ; Xd= di10i i=0n-1N位十六進(jìn)位制數(shù)Xh=hN-1 hN-2 h1 h0 ; hi=09ABCDEF P=16 Xh=hN-116N-1 + dN-216N-2 + + d1161 + d0160 ; Xd= hi16i i=0n-1Xr= ri Pi ; ri =0P-1 i=0N-1任意進(jìn)制不同進(jìn)位制數(shù)的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制十進(jìn)制 公式計(jì)算十進(jìn)制二進(jìn)制 除2取余 十六進(jìn)制二進(jìn)制 4位分割八進(jìn)制二進(jìn)制 3位分割純小數(shù)

3、轉(zhuǎn)換 乘2取整數(shù)制與碼制(編碼)自然二進(jìn)制碼8421碼2421碼5421碼無(wú)權(quán)碼(余3碼、 格雷碼）BCD碼 （2-10進(jìn)制編碼）ASCII碼數(shù)制與碼制原碼反碼補(bǔ)碼機(jī)器數(shù)浮點(diǎn)數(shù)、定點(diǎn)數(shù)數(shù)字電路*布爾代數(shù) (邏輯代數(shù)) 與、或、非基本運(yùn)算，摩根定律*門電路-組合邏輯電路*門電路+觸發(fā)器-時(shí)序邏輯電路 *數(shù)字部件 存儲(chǔ)器、寄存器、鎖存器、譯碼器、計(jì)數(shù)器 緩沖器 Memory Register latch encoder counter buffer 基本R-S觸發(fā)器RSQQ程序語(yǔ)言和軟件計(jì)算機(jī)語(yǔ)言1.高級(jí)語(yǔ)言程序面向問(wèn)題 (人) 算法，數(shù)據(jù)庫(kù) , 設(shè)計(jì) VHDL Fortran， Visual C

4、，C, C+， Java (面向目標(biāo)) 2.匯編語(yǔ)言程序面向機(jī)器 （機(jī)） Assemble language 匯編語(yǔ)言程序語(yǔ)言和軟件系統(tǒng)程序、軟件應(yīng)用程序、軟件計(jì)算機(jī)基本工作原理1. 周期性2. 取指令和執(zhí)行指令取指令執(zhí)行指令第二章單片機(jī)原理概述 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)(微控制器)Embedded Micro-controller面向檢測(cè)與控制對(duì)象,嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單片機(jī) Single Chip Micro-computer是典型的嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： 1.實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、體積小、性價(jià)比好 2.高密度、 高速度、 低電壓 、低功耗嵌入式

5、系統(tǒng)的常用器件單片機(jī) (MCU)FPGA Field Programmable Gate Array可現(xiàn)場(chǎng)編程門陣列 XILINXPLD Programmable Logic Device可編程邏輯器件 CPLD，HCPLDDSP Digital Signal Processing/Processor 數(shù)字信號(hào)處理MCU的兩種設(shè)計(jì)方式1.哈佛結(jié)構(gòu)(Harvard)程序存儲(chǔ)器(ROM)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)CPU2.普林斯頓結(jié)構(gòu)(Princeton)存儲(chǔ)器ROM存儲(chǔ)器RAMCPU2.2 MCS-51單片機(jī)原理2.2.1 51單片機(jī)結(jié)構(gòu)(哈佛結(jié)構(gòu)) 1. 封裝與引腳(Package & Pi

6、n) DIP Dual In-Line Pin 雙列直插式 TQFP Thin Quad Flat Pack 薄型四方扁平封裝 PLCC Plastic Leaded Chip Carrier51單片機(jī)DIP封裝和引腳分配 P1.0 | P1.7 RST P3.0 | P3.7 XTAL2 XTAL1 VssVcc |/EAALE/PSEN | 40 398 32 31 3017 2918 28 21MCS-51系列基本型號(hào)8031 無(wú)內(nèi)部 ROM8051 內(nèi)部4KB （PROM）掩膜技術(shù)8751 內(nèi)部4KB （EPROM）可光擦除51內(nèi)部結(jié)構(gòu)ALU控制器ROM程序存儲(chǔ)器RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器P0P

7、1P2P3CPU/MCU外部?jī)?nèi)部總線引腳功能1.端口線 4個(gè)8位I/O端口, 驅(qū)動(dòng)能力 P0、P1、P2、P32.控制線 ALE、 /EA、/PSEN、RST XTAL1、XTAL23.電源線 Vcc 、Vss P0端口內(nèi)部結(jié)構(gòu)D QCP /QVcc地址/數(shù)據(jù)控制讀鎖存器讀引腳MUX內(nèi)部總線寫入T1T2時(shí)鐘頻率的產(chǎn)生1.內(nèi)部振蕩電路XTAL1XTAL2晶體C1C22.外部振蕩電路XTAL1XTAL2外部時(shí)鐘源復(fù)位電路1.自動(dòng)上電復(fù)位2.人工按鈕復(fù)位 Vcc RST Vss +5VCR2.1.2 8051單片機(jī)CPU結(jié)構(gòu)1.控制器 MCU（IR、 OSC、IER等）2.運(yùn)算器 ALU （加法器、

8、布爾處理器）3.專用寄存器組SFR 8位：R0R7，Acc，B，PSW，SP， IP，IE，SCON，P0P3，TMOD16位：PC，DPTR 程序狀態(tài)字PSW寄存器d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0Cy AC F0 RS1 RS0 OV . P Cy: 8位運(yùn)算后, D7的進(jìn)位AC: 輔助進(jìn)位, 8位運(yùn)算后, D3的進(jìn)位F0: 用戶標(biāo)志位RS1,RS0: 工作寄存器選擇 00,01,10,11OV:運(yùn)算溢出標(biāo)志, OV= C7 C6P: 奇偶校驗(yàn)標(biāo)志, P = a7 a6 a0 堆棧的概念堆棧是訪問(wèn)地址有序的存儲(chǔ)器 堆棧指針 SP，總是指向棧頂SP棧底7FH。01H00H增加型

9、數(shù)據(jù)入棧 SP=SP+1 減少型 數(shù)據(jù)入棧 SP=SP-1有兩種形式：地址增加型和地址減少型存儲(chǔ)器地址分配4個(gè)物理地址空間：1.內(nèi)部程序ROM(0000H-0FFFH/16位地址)2.內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM(00H-0FFH/8位地址)3.外部程序ROM(16位地址)，4.外部數(shù)據(jù)RAM(16位地址)存儲(chǔ)器地址分配 3個(gè)邏輯地址空間:1. 程序存儲(chǔ)器ROM(0000H-0FFFFH)2.內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM(00H-0FFH)3.外部數(shù)據(jù)RAM(0000H-0FFFFH)程序存儲(chǔ)器地址分配0000H0FFFH1000H0FFFFH/EA=1外部?jī)?nèi)部0000H0FFFFH/EA=0外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址分配00H

10、1FHSFR外部RAM內(nèi)部RAM20H2FH30H7FH位尋址區(qū)工作寄存器區(qū) R0R7,4組 80H0FFH0FFFFH0000H51CPU工作時(shí)序1.時(shí)鐘周期 T T=1/fOSC2.機(jī)器周期 M M=12T 3.狀態(tài)周期 S Si=2T ，i=164.指令周期 I I= (1、2或4) M讀外部ROM指令時(shí)序圖ALEPSEN S1 S2 S3 S4 S5 S6 P2P0A7-A0A15 - A812指令A(yù)7-A0數(shù)據(jù)S1A15 - A8A7 - A0A7 - A0外接鎖存器P1 P251單片機(jī)最小系統(tǒng)P0C1C2+5VCRXTAL1XTAL2VCCVSSP1P2P3RST外設(shè)51單片機(jī)擴(kuò)展

11、系統(tǒng)P0GALED7D0PSENP1P2最小系統(tǒng)地址鎖存器A7A0WRA15A8VccEARDDBusCBusABus外部存儲(chǔ)器或I/O第三章 51指令系統(tǒng)指令的表示形式指令的周期和長(zhǎng)度指令的構(gòu)成 操作碼 + 操作數(shù)操作碼的助記符表示保留標(biāo)識(shí)符和用戶標(biāo)識(shí)符3.2 七種尋址方式1.立即尋址 MOV R0 , #0F0H 2.直接尋址 MOV 40H , 30H 3.寄存器尋址 MOV A , R7 4.寄存器間接尋址 MOV A , R0 5.變址尋址 MOVC A , A+PC 6.相對(duì)尋址 SJMP rel 7.位尋址 MOV C , 20H 3.3 五類操作功能數(shù)據(jù)傳送類 MOV、MOVX

12、、MOVC算術(shù)運(yùn)算類 ADD、SUB、MUL、DIV邏輯運(yùn)算類 ANL、ORL 、CPL、RL控制轉(zhuǎn)移類 SJMP、LJMP、JC、LCALL位操作類 SETB bit、ANL C，bit例題11，12，13，17，20，22，25JMP A+DPTR ； 散轉(zhuǎn)指令子程序調(diào)用和返回指令位邏輯條件轉(zhuǎn)移第四章 匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)4.1 匯編語(yǔ)言格式標(biāo)號(hào): 指令 ; 注釋 行編輯, 一條指令占一行 執(zhí)行指令和偽指令 偽指令 ORG, END, DB, DW,DS,EQU, BIT 源程序的匯編 人工匯編和機(jī)器匯編匯編語(yǔ)言程序的設(shè)計(jì)方法順序、分支、循環(huán)、調(diào)用流程圖第五章 單片機(jī)基本系統(tǒng)與擴(kuò)展1.三總線方

13、法擴(kuò)展 DB,AB,CB2.地址譯碼方式 .全地址譯碼方式 .部分地址譯碼方式 .線選方式5.1 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量 = 2N，N為地址線數(shù)常用存儲(chǔ)器27系列，28系列擴(kuò)展電路的基本連接方法振蕩和復(fù)位電路8031373ALEP08A0A7D0D7A8A15P2/EA/PSEN/RD/WR（ROM）（RAM）/OEm譯碼電路/CE存儲(chǔ)器或I/O口CPU地址鎖存器/WE/REG5.2 并行I/O口的擴(kuò)展與外存儲(chǔ)器地址統(tǒng)一編址簡(jiǎn)單I/O口 用中小規(guī)模集成電路構(gòu)成可編程I/O口 大規(guī)模IC智能I/O口 含CPU簡(jiǎn)單I/O口的擴(kuò)展電路振蕩和復(fù)位電路8031373ALEP08273D0D7/EA/RD

14、/WRCPUG輸出設(shè)備輸入設(shè)備D0D7+244/GCLK口地址=7FFFH;口地址=7FFFH;第六章 8051中斷系統(tǒng)中斷源外部中斷和內(nèi)部中斷中斷入口地址中斷響應(yīng)和屏蔽中斷程序的調(diào)用和返回中斷源的擴(kuò)展中斷系統(tǒng)的組成1. 8051有5個(gè)基本的中斷源 兩個(gè)外部中斷: INT0, INT1 三個(gè)內(nèi)部中斷: T0,T1, SIO2. 中斷入口地址 INT0 0003H; T0 000BH; INT1 0013H; T1 001BH; SIO 0023H;有關(guān)的中斷寄存器IE 中斷允許寄存器 EA _ _ EX0 ET0 EX1 ET1 ES 2. IP 中斷優(yōu)先權(quán)寄存器 _ _ _ PS PT1 P

15、X1 PT0 PX0TCON 定時(shí)器控制寄存器 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IF0 IT1 6.3 8051內(nèi)部定時(shí)器由兩個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器組成采用增量計(jì)數(shù)方式可以定時(shí)也可以計(jì)數(shù) C / T4種工作方式有關(guān)寄存器 TMOD, TCON, TH0,TL0 TH1,TL1定時(shí)器的基本結(jié)構(gòu)TLxTHxfosc1/12TFx中斷TRx+GATExINTxTxC/ T EAETx01TRx 軟件啟動(dòng), Tx 外部計(jì)數(shù)輸入GATEx 門控, INTx 硬件啟動(dòng)定時(shí)器的4種工作方式 Ta =12 * ( 2 M a )fosc Ta 定時(shí)時(shí)間 a 時(shí)間常數(shù)(初值) M = 8/13/1

16、6 (方式)2. TMOD 方式寄存器 GATE1 C/T M1 M0 GATE0 C/T M1 M01. 定時(shí)時(shí)間的計(jì)算公式1.方式0 13位計(jì)數(shù)器 M = 132.方式1 16位計(jì)數(shù)器 M= 163.方式2 8位計(jì)數(shù)器 M = 8 自動(dòng)重裝初值4.方式3 兩個(gè)獨(dú)立的8位計(jì)數(shù)器 TL ,TH t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7Tpt8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15TLTH溢出方式1方式0t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7Tpt8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15溢出方式2,方式3 TLx THx TFx Tp 方式2 8位自

17、動(dòng)重裝初值 TL0 TH0 TF0 Tp TF1方式3 僅T0定時(shí)器編程查詢方式中斷方式例題: 使用8051定時(shí)器T0, 定時(shí)1ms, 在位輸出周期為2ms的方波信號(hào), 已知系統(tǒng)時(shí)鐘頻率fosc= 12MHz.查詢方式編程 ORG 0H; MOV TMOD, #01H; 使用T0,方式1，定時(shí) MOV TL0， #XL；裝入時(shí)間常數(shù)低位 XL=18H; MOV TH0， #XH；裝入時(shí)間常數(shù)高位 XH=FCH; SETB TR0；啟動(dòng)T0開(kāi)始計(jì)數(shù) WAIT：JNB TF0， WAIT； CLR TF0；清溢出標(biāo)志 MOV TL0, #XL;MOV TH0, #XH;重裝時(shí)間常數(shù) CPL P1.

18、0; P1口0位取反輸出 SJMP WAIT; END;6.4 8155可編程并行接口芯片 8155內(nèi)部有3個(gè)邏輯部件: 1. 3個(gè)I/O接口, PA, PB, PC和一個(gè)控制口 2. RAM 256字節(jié) 3. 14位的減量計(jì)數(shù)器, 帶輸出端, 4種工作 方式8155與8031的典型連接電路80318155P0AD0AD7ALEALE/WR/WR/RD/RDRSTRSTIO/M/CEPAPBPC(6)TIMER INTIMER OUT8155端口地址分配 與/CE端和IO/M端的連接方式有關(guān)， 前圖連接為線選方式，各端口地址為：控制口 0 xxxxxx1-xxxxx000 7FF8H；A口 0

19、 xxxxxx1-xxxxx001 7FF9H；B口 0 xxxxxx1-xxxxx010 7FFAH；C口 0 xxxxxx1-xxxxx011 7FFBH；TL 0 xxxxxx1-xxxxx100 7FFCH；TH 0 xxxxxx1-xxxxx101 7FFDH；存儲(chǔ)器 0 xxxxxx0-（00FF） 7E00H7EFFH；8155控制字TM2 TM1 IEB IEA PC2 PC1 PB PAPC2 PC1 0 0 ALT1；AB口均為基本I/O，C口為輸入 1 1 ALT2；AB口均為基本I/O，C口為輸出 0 1 ALT3；A為選通，B基本，PC02為A口服 務(wù)，提供聯(lián)絡(luò)（握手

20、）線 1 0 ALT4；AB均為選通， PC02 為A口服務(wù) PC02為B口服務(wù) 8155AB口選通聯(lián)絡(luò)線方式 PC0 A INTR A口中斷請(qǐng)求線 PC1 A BF A口數(shù)據(jù)緩沖器滿 PC2 A STB A口選通線 PC3 B INTR B口中斷請(qǐng)求線 PC4 B BF B口數(shù)據(jù)緩沖器滿 PC5 B STB B口選通線8155選通連接原理和時(shí)序80318155P0AD0AD7/WR/RD/RD/INT0 PC0（AINTR）PA輸出入設(shè)備 PC1（BF） PC2（STB）/WR8155選通輸入時(shí)序BF/STBINTR/RDPDB口數(shù)據(jù)輸入8155選通輸出時(shí)序BF/STBINTR/WRDBPD

21、B口數(shù)據(jù)輸出申請(qǐng)中斷8155定時(shí)器工作方式方式0 單方波方式1 連續(xù)方波方式2 單脈沖方式3 連續(xù)脈沖定時(shí)時(shí)間Tw = TinT第七章 單片機(jī)串行通信串行通信基本知識(shí)8051 UART 結(jié)構(gòu)工作方式串行通信編程 串行通信基本知識(shí)異步傳送和同步傳送波特率 bps異步傳送幀格式UART Universal Asynchronous Receiver and Transmit 8051 UART 內(nèi)部結(jié)構(gòu) Acc SCON SBUF SBUF T1SCON, SBUF寄存器 SCON 串口控制器 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SBUF 數(shù)據(jù)緩沖器 工作方式與波特率計(jì)算 工作方式: 波特率bps方式0: 擴(kuò)展并口 fb0 = fosc /12方式1: 8位數(shù)據(jù) ( T1為方式2) fb1= 2S