單片機原理及應用 (2)課件

單片機原理及應用8位51及增強型西門子單片機原理編者:教學計劃學習intel51系列8位單片機原理及應用，包含以下基本內(nèi)容：

單片機的基本結(jié)構(gòu)和使用要點：RAM,ROM,SFR以及并行接口I/O，中斷系統(tǒng)，定時器，串行接口學習基于51，增強內(nèi)核的infineon8位XC866單片機主要特點，主要包含以下內(nèi)容：

I2C總線，SPI總線，AD轉(zhuǎn)換器，定時器中捕獲比較單元及PWM輸出。課堂教學32學時：24學時講51單片機，8學時講XC866。實驗16學時：其中51單片機10學時，XC866實驗6學時。由于教材限制（沒有完整的兩者包含的教材），講課內(nèi)容不便統(tǒng)一處理，因此計劃XC866作為最后講解。數(shù)字電路與計算機二進制8個D觸發(fā)器可以存放8位2進制數(shù)據(jù)8位數(shù)據(jù)就是有序排列的8條導線或者8個觸發(fā)器按照導線排序，每一條導線分別代表不同的數(shù)字“權(quán)”值。以4線為基準，分別代表“8，4，2，1”，4線都是高電平，記為“1111”，其代表數(shù)字是8＋4＋2＋1＝15。我們采用16進制表達為F。4位2進制可以表達數(shù)字0～15或者0～9，A~F的16進制數(shù)。每4線代表1位16進制數(shù)據(jù)。8線就是2位16進制數(shù)據(jù)，稱為“1字節(jié)”我們學習計算機知識，一定要掌握2進制－16進制－10進制之間的換算關(guān)系。2進制數(shù)用B結(jié)尾，16進制數(shù)用H結(jié)尾，10進制不加結(jié)尾，或者加D結(jié)尾以示區(qū)別。單片機是計算機發(fā)展的一個分支單片機專用于控制目的，嵌入到被控對象中，具有計算機的特點。PC機專用于多功能、海量運算。單片機與PC機是計算機發(fā)展史中的兩個不同分支。單片機注重小型化，功能上具有明確目的。發(fā)展方向是SOC片上系統(tǒng)。計算機能夠按照人所設(shè)計的工作步驟進行不厭其煩的重復性工作，并能根據(jù)不同的外部條件進行正確處理，使得人力可以從大量的事務性工作中解脫出來，而且計算機的準確性和實時性也是人所不能比擬的。單片機系統(tǒng)就是“嵌入式”系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)分為兩個層次：自己編寫全部控制程序——底層應用。利用實時多任務操作系統(tǒng)RTOS，在操作系統(tǒng)中添加具有針對性的控制任務（程序）——高層應用。“單片機原理”課程教會我們底層應用uc/OS-II是“微控制器操作系統(tǒng)”，它將教會我們高層應用。單片機也稱為：微控制器（MCU）單片機應用舉例家用電器：全自動洗衣機；微波爐；電視機控制器；空調(diào)控制器；DVD/VCD；數(shù)碼照相機；攝像機；手機……智能玩具汽車控制：發(fā)動機電噴控制；ABS防抱死；ASR/TRC牽引力控制；自動變速；車架控制…….計算機智能接口：硬盤控制器；CD控制器；鍵盤；打印機；顯示器控制器……計算機主要模塊CPU、存儲器、接口連接三者用“總線”：數(shù)據(jù)總線DB；地址總線AB；控制總線CB接口連接外部設(shè)備：顯示器；鍵盤；鼠標；打印機；以及硬盤；光盤；軟盤；U盤、還有互聯(lián)網(wǎng)等等地址總線AB控制總線CBCPU內(nèi)存數(shù)據(jù)總線DB接口I/O顯示器LCD，LED/CRT鍵盤、鼠標軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)音響，麥克風網(wǎng)絡及其他控制單片機濃縮了計算機基本模塊兩種計算機對比對比項目個人計算機PC單片機CPU位數(shù)64位8、16、32位內(nèi)存大小256MB以上128字節(jié)～幾百KB工作頻率1GHZ以上幾十兆赫茲接口類型繁多的基本接口和智能接口只有基本接口基本接口并口、串口、定時器、中斷系統(tǒng)并口、串口、定時器、中斷系統(tǒng)智能接口FDD、IDE、USB、顯示器、聲卡少量類型單片機有USB、CAN、等接口結(jié)構(gòu)特點多個IC多個電路板結(jié)構(gòu)單片IC結(jié)構(gòu)單片機：麻雀雖小，五臟俱全單片機設(shè)計為：專用于控制目的計算機。用于專門目的，為了降低成本，沒有必要將不用的功能包含進來。單片機通常只有8位，16位，32位字長，運算速度不是很快，但用于專門的控制足夠了。因數(shù)據(jù)量不大，單片機內(nèi)存也沒有必要做得太大。單片機應用系統(tǒng)功能單一，可見于我們生活中的時時處處：手機、微波爐、洗衣機、電視機、遙控器、電子詞典、高檔玩具……嵌入式單片機還見于計算機的許多輔助設(shè)備：鍵盤、硬盤、光驅(qū)、打印機等等。怎樣學好單片機學好單片機，工作不用愁！學習單片機要聯(lián)系曾經(jīng)學過的許多數(shù)字電路和模擬電路知識。真正學好單片機，還應當學會“電路板設(shè)計”；即：學會“Protel”軟件的使用方法，能熟練設(shè)計相應的電路和電路板。（自學）學習單片機的基本結(jié)構(gòu)和（匯編）編程控制方法，學習C語言對單片機的編程方法。認真作實驗，保證能看懂試驗電路，看懂實驗程序，并能夠修改程序，最好能利用實驗電路板自己編寫程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)想的功能。計算機的數(shù)據(jù)交換接口盡管計算機外部設(shè)備多種多樣，根本上來說就是數(shù)據(jù)的傳輸：外部設(shè)備把指令、數(shù)據(jù)送到計算機內(nèi)讓計算機進行處理計算機把處理情況和處理結(jié)果，以及需要保存的數(shù)據(jù)送到外部設(shè)備：顯示；打??；保存；交換……單片機還需要讀取外部狀態(tài)信息和輸出控制信息。計算機接口就是完成以上數(shù)據(jù)傳輸任務的基本電路模塊。通訊接口舉例并行接口：LPT打印機；內(nèi)部FDD軟驅(qū)；IDE光驅(qū)/硬盤……串行接口：COM1/COM2串行接口；USB通用串行接口；鍵盤、鼠標接口；紅外線接口；網(wǎng)絡接口……串行接口還有更廣泛的應用：手機，數(shù)字電視，衛(wèi)星通訊……屬串行接口的還有一些其它名稱：I2C，SPI，SMBus，通訊協(xié)議有些差異。RS485，RS232等，傳送的驅(qū)動方式和數(shù)據(jù)電平有些差異。單片機的學習重點CPU＋內(nèi)存：寄存器應用，指令集和尋址方式接口：各種可編程接口的應用特點及初始化方法。基本接口包含：通用并行接口、串行接口、定時器、中斷控制。以上3點是學習的重點單片機的其他接口擴展的其它接口如：A/D；D/A接口；I2C接口，CAN接口；SPI接口；DMA接口等不同廠家的產(chǎn)品具有不同的特點，但基本結(jié)構(gòu)框架類似，一通百通。如果使用C語言編程，只要了解對應接口的初始化代碼就可以對不同型號單片機進行編程了！基于51單片機核，英飛凌infeineon，AD，ATMEL，PHILIPS等公司還提供了更多的接口功能，使之應用更廣泛和靈活。常見的8位16位單片機Intel8051系列和96系列Motolola的MC68H系列Microchip的PIC系列ATMEL的89系列，ATMEGA系列PHILIPS的P89/P87C5系列SiliconLaborratories的C8051F..系列億恒C500/166系列（原西門子，infineon）8/16位三菱740族8位，M16C/62系列16位TI的MSP430系列本課程重點因課時所限，主要介紹：Intel8051－8位單片機系列，以8031為核心，配以大量實驗。Infineon的億恒XC8668位單片機內(nèi)部總線地址寄存器（段寄存器）程序計數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器通用寄存器總線緩沖總線緩沖數(shù)據(jù)總線地址總線累加器ALU暫存器狀態(tài)寄存器器指令寄存器指令譯碼時序邏輯控制信號CPU的一般結(jié)構(gòu)存儲器數(shù)據(jù)存儲器：RAM程序存儲器：ROM兩類存儲器的編址方法有兩種：線性統(tǒng)一編址和分區(qū)編址。IntelMCS-51為“分區(qū)編址”，ROM和RAM各自占用一個獨立地址空間。IntelX86采用線性統(tǒng)一編址。ROM和RAM分布于同一個地址空間的不同地址段。許多計算機都采用線性統(tǒng)一編址，稱為“馮·涅曼”體系結(jié)構(gòu)。例如億恒C164CI系列單片機。地址：就像門牌號或者密碼鎖，每一個存儲單元應當具有獨立的唯一的地址代碼。單片機的RAM特點單片機的RAM又分為“片內(nèi)”和“片外”兩種。片內(nèi)RAM包含兩種應用類型：①通用寄存器＋片內(nèi)RAM。②特殊功能寄存器SFR。SFR是特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegisters），而且是專用的！它們控制著單片機的各種接口功能，也存放著接口的輸入輸出數(shù)據(jù)。這些寄存器都有特定的地址。片外RAM通常指外部擴展的RAM。一些性能較好的單片機片內(nèi)也集成了“片外”RAM，稱為：XRAM，實際上還是集成在片內(nèi)。片內(nèi)RAM和片外RAM也分為統(tǒng)一編址和獨立編址兩種51單片機RAM屬于獨立編址，而ROM則為統(tǒng)一編址。后續(xù)詳細解說。單片機的接口單片機的基本接口就是前面講過的：并行接口；串行接口；定時器和中斷控制器。性能好的單片機除了增加接口數(shù)量之外，還增加了許多專用接口，例如模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器接口，USB接口，CAN接口，I2C接口，PWM接口等等。所有接口的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器都安排在SFR區(qū)。它們同片內(nèi)RAM那樣都有具體的地址安排，并有相應的寄存器名稱。各生產(chǎn)廠家會提供“寄存器名＝地址”的文件或編譯器。各接口引腳往往是多功能的，用軟件選擇它的某一功能。（配合硬件連接）特別值得注意的是：可以直接對一個引腳進行控制！這是其它計算機沒有的。一些并行接口常作為外部擴展時的數(shù)據(jù)線、地址線和控制線使用。（當需要時）51單片機代表型號及資源型號ROM（KB）RAM字節(jié)并口引腳數(shù)串口定時器中斷源8031無1284×81258032無2564×813680514KPROM1284×812589514K1284×812589528K2564×813689C5832K2564×813687C5416K2564×813689C20512K1282×812587C514K1284×8125常見代號分析80C31的C字表示CMOS工藝，通常忽略不講。第二個字：0，7，9等，表示ROM的工藝，0為PROM，7為EPROM，9為E2PROM或flashROM。第三個字：3：無ROM，5：有ROM第四個字n：n=1：RAM128字節(jié)，定時器2個，ROM4Kn=2：RAM256字節(jié)，定時器3個，ROM=8Kn>2：RAM256字節(jié)，定時器3個，ROM=n*4K注：此方法不完全通用，可以參考。希望大家記住此方法。51單片機引腳和封裝封裝的英文縮寫意義DIP雙列直插式封裝PDIPPlasticDual-In-LinePackage塑料雙列直插式組件TQFPThinQuadFlatPack薄型四方扁平封裝

PQFPPlasticQuadFlatPack塑料四方扁平封裝

PLCCPlasticLeadedChipCarrier/PlasticLeadlessChipCarrier塑料式引線芯片載體封裝/塑料無引線芯片承載封裝BGABallGridArray球柵陣列（封裝）

PGAPinGridArray柵格陣列接腳

TSOPThinSmall-OutlinePackage薄型小外型封裝

SOTSmall-OutlineTransistor小外型晶體管

DIP40封裝的51單片機P1.0~P1.7 并行口P1，其中P1.0和P1.1可能作為定時器T2的功能引腳。P0.1~P0.7 并行口P0，當需要擴展存儲器或接口時，可以作為數(shù)據(jù)/地址（低8位）總線。P2.0~P2.7 并行口P2，當需要擴展存儲器或接口時，可以作為地址總線高8位。P3.0~P3.7 并行口P3，通常單獨使用它們的第二功能：

P3口特殊功能P3.0 RXD，異步通訊接口的數(shù)據(jù)輸入端。P3.1 TXD，異步通訊接口的數(shù)據(jù)輸出端。P3.2 INT0，外部中斷0申請的輸入端。P3.3 INT1，外部中斷1申請的輸入端。P3.4 T0，定時器T0外部時鐘輸入端。P3.5 T1，定時器T1外部時鐘輸入端。P3.6 WR，對外部存儲器/接口的“寫”信號。P3.7 RD，對外部存儲器/接口的“讀”信號。51單片機的其它引腳VCC 工作電源，常為＋5V,某些型號可以工作在2.7~8V之間。VSS GND，接地端。XTAL1 外接晶體振蕩器，當使用外部時鐘時，此腳應接地。XTAL2 外接晶體振蕩器。也作外部時鐘輸入。PSEN 讀外部ROM信號。RST 復位輸入端，高電平復位，低電平時CPU工作。ALE/PROG 地址鎖存信號輸出（正脈沖）/編程脈沖輸入（負脈沖），用戶一般不考慮后者。此信號控制外接的74LS373鎖存器把P0口的地址分量分離出來作為擴展地址的低8位。EA/VPP 片內(nèi)片外ROM選擇/編程電壓輸入，用戶一般不考慮后者。當接GND時，表示使用外部程序存儲器；當接VCC時，使用片內(nèi)程序存儲器。51單片機結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)簡介1

從外部來看，共有4組8位并行接口，占用32個引腳，另：兩個引腳作晶振接入，電源，地各一個腳及4個控制腳共計40個引腳。

4組并行接口分別稱為：P0;P1;P2和P3，每一個單獨引腳由小數(shù)點后的數(shù)字確定。例如：P1.0;P3.2等。

4組并口，除P1為專門的并口外，其它3個并口還有第二功能：P0可以作為外部的數(shù)據(jù)總線和地址低8位；P2作為地址高8位。P3的每一個引腳都有不同的第2功能：串行接口的輸入輸出；外部中斷輸入；定時器外部鐘輸入以及外部接口存儲器的讀寫信號。單片機內(nèi)部除CPU的主要結(jié)構(gòu)外，還有128B（256B）的RAM，一定數(shù)量的ROM。RAM和ROM的多少隨芯片型號不同而不同。ALU：算術(shù)邏輯單元。所有的運算都通過ALU進行。PSW:：（ProgramStateWord）程序狀態(tài)字，8位。其中存放著當前ALU的一些操作狀態(tài)特征。其字節(jié)地址是D0H。結(jié)構(gòu)簡介2PC：（ProgramCounter）程序計數(shù)器，16位。它與8086CPU的IP（InstructionPointer）意義類似。PC中存放著CPU要執(zhí)行的下一條指令地址，CPU通過它產(chǎn)生ROM地址從而讀取指令。每執(zhí)行一條指令，它都會自動增加。增加的數(shù)值依照已讀指令的長短而變化。只有中斷、跳轉(zhuǎn)和調(diào)用指令才能使其作其它變化。每當開機或者復位時，它的起始值為0000H。ACC：累加器，8位。51單片機大多數(shù)指令都必須使用ACC，它是使用最頻繁的寄存器。它與ALU直接相連，加、減、乘、除、移位以及其它邏輯運算都要使用ACC，特別是：外部數(shù)據(jù)的讀寫也都必須使用ACC。ACC有兩個名字：A和ACC。A表示寄存器，ACC表示用地址表達的寄存器（存儲器）。除入棧出棧指令使用ACC這個名字外，其它指令中都用A。DPTR：數(shù)據(jù)指針16位，主要用于指出外部RAM的數(shù)據(jù)地址或ROM數(shù)據(jù)表的基地址。內(nèi)存中將其分為兩個8位寄存器，分別叫DPL和DPH，DPH存放地址的高8位，DPL存放低8位。SP：stackPointer堆棧指針，8位。用于指出當前堆棧的頂部地址，當有入棧操作時，SP自動+1，出棧時SP=SP-1。結(jié)構(gòu)簡介3P0口和P2口可以作為外部擴展的數(shù)據(jù)總線和地址總線使用。P0口分時作為數(shù)據(jù)線（8位）和地址線低8位使用，通過外部地址分離電路將其分離。分離信號就是ALEP2口作為地址線高8位使用P0和P2可以組合成16位地址，因而可以對外部的64KB空間進行尋址訪問。他們可以同時連接ROM和RAM（訪問操作各自不同）程序狀態(tài)字PSWC：也叫CY，進位標志或借位標志。當運算產(chǎn)生進位或借位時：C=1，否則C=0。C位還有一個特殊意義：它是1位計算機的“累加器”，CPU作布爾運算時，需要C的介入。同時C還可以讀取一個引腳的數(shù)據(jù)或者把C的數(shù)據(jù)從引腳送出。AC：半進位。當AC=1時，表明運算使低4位向高4位產(chǎn)生了進位。F0：用戶標志位。用戶可以用于存1位數(shù)據(jù)。RS1和RS0：（RegistersSelection）寄存器選擇位。用于選擇寄存器組。參看2.1.4節(jié)。OV：溢出標志。對符號數(shù)的運算，當結(jié)果超出-128~+127時，產(chǎn)生溢出，此時OV=1。F1：用戶標志位。用戶可以用于存1位數(shù)據(jù)。（有些品種不支持）P：奇偶標志，反映ACC中數(shù)據(jù)的奇偶性。若ACC中有奇數(shù)個1，則P=1。位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H位符號CACF0RS1RS0OVF1PSFR簡介

地址：80H~FFH并口數(shù)據(jù)寄存器：P0;P1;P2;P3累加器ACC和寄存器B定時器T0（TH0;TL0),T1(TH1;TL1)定時器控制寄存器：TMOD;TCON串行口控制SCON和數(shù)據(jù)SBUF中斷控制：IE,IP電源控制：PCON程序狀態(tài)字：PSW堆棧指針：SP數(shù)據(jù)指針：DPTR(DPH和DPL)51單片機內(nèi)部RAM地址名稱/用途PSW/說明00~07R0R1R2R3R4R5R6R70組RS1=0,RS0=008~0FR0R1R2R3R4R5R6R71組RS1=0,RS0=110~17R0R1R2R3R4R5R6R72組RS1=1,RS0=018~1FR0R1R2R3R4R5R6R73組RS1=1,RS0=120~2F位尋址區(qū)，地址00～7FH共128位，占16字節(jié)不用的字節(jié)作RAM30~7F用戶RAM區(qū)，存變量、緩沖、堆棧等80~FF51、52單片機為SFR特殊功能寄存器采用直接地址（名稱）80~FF52單片機作RAM采用寄存器間接尋址內(nèi)部RAM的讀寫采用“MOV”指令，操作數(shù)分為：字節(jié)或位，其操作對象隨之不同。R0-R7通用寄存器部分，不用的字節(jié)也做RAM。通用寄存器的使用51單片機留了4組寄存器，它們都叫做：R0,R1～R7。它們在各種運算中起著參與運算的作用。主程序只用0組寄存器。其它組用于不同的中斷服務程序。目的是互不破壞數(shù)據(jù)。如何切換到另一組呢？用程序改變PSW中的RS1和RS0就可。記?。褐鞒绦蚰J使用：寄存器組0。中斷服務程序開始時，先保存PSW，然后改寫RS1和RS0。退出服務時恢復原來的PSW。一般只要使用兩組就可以了。單片機的“位”單片機特色之一是使用“位”變量并可以直接操作?！拔弧贝嬖谟诟鱾€并口（引腳），累加器，PSW以及若干寄存器中；同時在RAM中也預留了“可位尋址”的空間：20H~2FH。位空間占用16字節(jié)，每個字