《單片機(jī)原理、接口技術(shù)及應(yīng)用》課件第1章

1.1單片微型計(jì)算機(jī)及其發(fā)展趨勢(shì)

1.2MCS-51及其兼容的單片機(jī)

1.3單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

1.4單片機(jī)的開(kāi)發(fā)工具和仿真調(diào)試方式

習(xí)題與思考題

第1章緒論1.1單片微型計(jì)算機(jī)及其發(fā)展趨勢(shì)1.1.1單片機(jī)的概念單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)(SingleChipComputer)，通常是為實(shí)時(shí)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的，因此，又稱為微控制器(Micro-ControllerUnit，MCU)。單片機(jī)是在一塊芯片上將中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM，ROM)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制、各種輸入/輸出(I/O)接口(如并行I/O口、串行I/O口和A/D轉(zhuǎn)換器)等集成為一體的器件。單片微型計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)70年代初期發(fā)展起來(lái)的，它是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展中的一個(gè)重要分支，并以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、網(wǎng)絡(luò)、通信以及人們的日常工作和生活中。不同生產(chǎn)廠家的不同型號(hào)的單片機(jī)，由于用途、功能等的不同，具體的結(jié)構(gòu)和性能也有較大的差異，但總的模塊結(jié)構(gòu)是一樣的，因此我們只要掌握了某個(gè)型號(hào)的單片機(jī)的原理及應(yīng)用，就可以觸類旁通，通過(guò)自學(xué)很快地掌握其他型號(hào)的單片機(jī)知識(shí)。單片機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，其性能不斷提高和完善，其資源不僅能滿足很多應(yīng)用場(chǎng)合的需要，而且具有集成度高、功能強(qiáng)、速度快、體積小、功耗低、使用方便、性能可靠、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。因此，單片機(jī)在工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、汽車工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、高級(jí)計(jì)算器具、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，其應(yīng)用潛力越來(lái)越被人們所重視。特別是當(dāng)前用CMOS工藝制成的各種單片機(jī)，由于功耗低、使用的溫度范圍大、抗干擾能力強(qiáng)，故能滿足一些特殊要求。而特殊功能的專用單片機(jī)的推出，如單片收音機(jī)芯片、單片DVD芯片等，更加擴(kuò)大了單片機(jī)的應(yīng)用范圍，也進(jìn)一步促進(jìn)了單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展。1.1.2單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，單片機(jī)在以8位機(jī)為主流的基礎(chǔ)上正朝著多功能、精簡(jiǎn)指令集、低功耗、專用的方向發(fā)展。就市場(chǎng)上已出現(xiàn)的單片機(jī)而言，其技術(shù)革新與進(jìn)步主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.?CPU的發(fā)展

改變CPU的字長(zhǎng)或提高其時(shí)鐘頻率均可提高CPU的數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)算速度。CPU的字長(zhǎng)目前有8位、16位和32位。時(shí)鐘頻率高達(dá)40?MHz的單片機(jī)也已出現(xiàn)。

2.片內(nèi)存儲(chǔ)器的發(fā)展

(1)擴(kuò)大存儲(chǔ)容量。早期單片機(jī)的片內(nèi)存儲(chǔ)器，一般RAM為64～128?B，ROM為1～2?KB，尋址范圍為4?KB。新型單片機(jī)片內(nèi)RAM為256?B、2048?B，ROM多達(dá)64?KB。如華邦公司的W78E516，片內(nèi)FlashROM為64?KB，DallasSemiconductor的DS87C550片內(nèi)RAM容量為2?KB。新型單片機(jī)的尋址范圍可擴(kuò)大到64?KB，甚至128KB。

(2)片內(nèi)EPROM開(kāi)始由FlashROM、EEPROM代替。早期單片機(jī)內(nèi)ROM有的采用可擦除的只讀存儲(chǔ)器EPROM，然而EPROM必須要高壓編程，紫外線擦除，給使用帶來(lái)不便。近年來(lái)推出的閃速存儲(chǔ)器FlashROM、電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM可在正常工作電壓下進(jìn)行讀寫，并能在斷電的情況下保持信息不丟失。

3．片內(nèi)輸入/輸出接口功能

最初的單片機(jī)只有并行輸入/輸出接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，它們的功能較弱，實(shí)際應(yīng)用中往往需要通過(guò)特殊的接口擴(kuò)展功能，從而增加了應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

近年來(lái)，新型單片機(jī)內(nèi)的接口無(wú)論類型還是數(shù)量上都有很大的發(fā)展，這不僅大大提高了單片機(jī)的功能，而且使系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)也大大簡(jiǎn)化了。例如，有些單片機(jī)的并行I/O口能直接輸出大電流和高電壓，可直接用于驅(qū)動(dòng)熒光顯示管(VFD)、液晶顯示器(LCD)和數(shù)碼顯示管(LED)等，應(yīng)用系統(tǒng)中就不再需要外部驅(qū)動(dòng)電路；有些單片機(jī)片內(nèi)含有A/D轉(zhuǎn)換器，在一些實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中可省掉外部A/D轉(zhuǎn)換器。目前，在單片機(jī)中包含的各種接口有數(shù)十種，如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、CRT控制器、LCD驅(qū)動(dòng)器、LED驅(qū)動(dòng)器、VFD驅(qū)動(dòng)器、正弦波發(fā)生器、聲音發(fā)生器、字符發(fā)生器、波特率發(fā)生器、鎖相環(huán)、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等。雖然一個(gè)單片機(jī)內(nèi)只含若干種接口，但其功能卻比初期的單片機(jī)強(qiáng)得多。

4．特種單片機(jī)發(fā)展迅速

面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，許多公司推出了性能、功能多樣化的單片機(jī)。例如，TI公司的MSP430，其功耗極低，適合掌上控制；RCA公司的68HC05D2在片內(nèi)固化了鍵盤管理程序，CDP1804P在片內(nèi)固化了PASCAL語(yǔ)言等。

目前國(guó)際市場(chǎng)上8位、16位單片機(jī)系列已有很多，但是，在國(guó)內(nèi)使用較多的系列是Intel公司的產(chǎn)品，其中又以MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用尤為廣泛，歷經(jīng)多年不衰，而且還在進(jìn)一步發(fā)展。MCS-51系列單片機(jī)的兼容機(jī)型號(hào)眾多，功能齊全，可以滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用需要。1.2MCS-51及其兼容的單片機(jī)1.2.1MCS-51系列單片機(jī)

MCS-51系列單片機(jī)是Intel公司早期推出的性能優(yōu)越的單片機(jī)，該系列有8031、8051、8751及8032、8052、8752等多種產(chǎn)品，其中8051、8052片內(nèi)帶有4?KB的ROM，8751、8752片內(nèi)帶有4?KB的EPROM，8031、8032片內(nèi)沒(méi)有ROM(使用時(shí)，需要在其外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器)。另外，8031/51片內(nèi)有128?B的RAM，8032/52片內(nèi)有256?B的RAM。MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品是8051，它內(nèi)部有4?KB的ROM，128?B的RAM，兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)8位的并行I/O口，一個(gè)串行口及5個(gè)中斷源等資源。MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部資源配置如表1-1所示。1.2.28051兼容的單片機(jī)

如前所述，由于Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)核的開(kāi)放性，使得一些半導(dǎo)體芯片制造商在51內(nèi)核上集成了一些片內(nèi)外設(shè)，如ADC、DAC、存儲(chǔ)器等，使其可成為MCS-51的兼容機(jī)。典型的有ATMEL公司的AT89C系列內(nèi)部集成FlashROM，PHILIPS公司的與8051兼容的單片機(jī)中集成了各種總線、ADC、DAC等，華邦公司的WE78、WE77系列等集成了FlashROM、WDT(“看門狗”計(jì)時(shí)器電路)等功能。這些功能不同的兼容機(jī)，使MCS-51單片機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣，且價(jià)格越來(lái)越低，性能越來(lái)越好。這些與MCS-51單片機(jī)兼容的單片機(jī)的指令與8051完全兼容，大大方便了開(kāi)發(fā)者的使用。一些常用的與51系列兼容的單片機(jī)的特性如表1-2所示。1.3單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域單片機(jī)主要可用于以下幾方面：

(1)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。由于控制系統(tǒng)特別是工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，各種干擾較強(qiáng)，而且往往要求實(shí)時(shí)控制，故要求控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強(qiáng)。單片機(jī)最適宜用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如恒溫控制、電梯控制、飛機(jī)導(dǎo)航、火箭飛行、航天衛(wèi)星及各種生產(chǎn)線自動(dòng)控制等。

(2)智能儀器儀表中的應(yīng)用。用單片機(jī)制作的測(cè)量、控制儀表，能使儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、柔性化發(fā)展，并將監(jiān)測(cè)、處理、控制等功能一體化，使儀表重量大大減輕，便于攜帶和使用，同時(shí)降低了成本，提高了性價(jià)比，如數(shù)字式示波器、智能轉(zhuǎn)速表、計(jì)時(shí)器及各種各樣的測(cè)量?jī)x等。

(3)家用產(chǎn)品中的應(yīng)用。單片機(jī)在家用產(chǎn)品特別是家用電器中使用得相當(dāng)廣泛，通過(guò)智能控制可使傳統(tǒng)家電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，控制智能化，功能強(qiáng)，可靠性高，節(jié)能，節(jié)電，如模糊洗衣機(jī)、變頻空調(diào)、數(shù)字電視機(jī)、家用VCD、DVD、智能電動(dòng)玩具、電子琴等。

(4)計(jì)算機(jī)外設(shè)及辦公、通信產(chǎn)品中的應(yīng)用。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，除通用外部設(shè)備(鍵盤、顯示器、打印機(jī))外，還有許多用于外部通信、數(shù)據(jù)采集、多路分配管理、驅(qū)動(dòng)控制等接口。如果這些外部設(shè)備和接口全部由主機(jī)管理，勢(shì)必造成主機(jī)負(fù)擔(dān)過(guò)重、運(yùn)行速度降低，并且不能提高對(duì)各種接口的管理水平。如果采用單片機(jī)專門對(duì)接口進(jìn)行控制和管理，則主機(jī)和單片機(jī)就能并行工作，這不僅可大大提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度，而且單片機(jī)還可對(duì)接口信息進(jìn)行預(yù)處理，以減少主機(jī)和接口間的通信密度，提高接口控制管理的水平，如繪圖儀控制器，磁帶機(jī)、打印機(jī)的控制器等。除辦公用的計(jì)算機(jī)外，其他辦公產(chǎn)品中也大量采用單片機(jī)，如復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等；在通信設(shè)備廠中，如調(diào)制解調(diào)器、程控電話交換機(jī)、電話機(jī)、手機(jī)、無(wú)線中繼站等也大量使用單片機(jī)。綜上所述，單片機(jī)在很多應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)外的單片機(jī)應(yīng)用已相當(dāng)普及，國(guó)內(nèi)雖然從1980年才開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)應(yīng)用，但至今也已有數(shù)十家專門生產(chǎn)單片機(jī)的工廠或公司，愈來(lái)愈多的科技工作者投身到單片機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，并且在程序控制、智能儀表等方面涌現(xiàn)出大量科技成果?？梢灶A(yù)見(jiàn)，單片機(jī)在我國(guó)必將有著更為廣闊的發(fā)展前景。1.4單片機(jī)的開(kāi)發(fā)工具和仿真調(diào)試方式1.4.1單片機(jī)的開(kāi)發(fā)工具所謂單片機(jī)的開(kāi)發(fā)，就是利用單片機(jī)內(nèi)部的資源，配置相應(yīng)接口電路、測(cè)控電路及外部設(shè)備，設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序以完成目標(biāo)系統(tǒng)所需功能的過(guò)程。學(xué)習(xí)單片機(jī)的目的是應(yīng)用它實(shí)現(xiàn)不同控制功能。要學(xué)好單片機(jī)的知識(shí)，除了掌握單片機(jī)的原理(內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)等)外，還必須具備必要的硬件知識(shí)，如數(shù)字電路、模擬電路以及各種接口芯片，因?yàn)槿魏我豢顔纹瑱C(jī)都不可能含有我們所要設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)的全部功能，這就需要通過(guò)相應(yīng)的硬件電路(或軟件)去實(shí)現(xiàn)。最典型的人機(jī)接口，如顯示器、鍵盤等，需要通過(guò)接口和程序才能實(shí)現(xiàn)；更高層次的開(kāi)發(fā)應(yīng)用還需掌握傳感器及信號(hào)處理知識(shí)、控制及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)等硬件知識(shí)，以實(shí)現(xiàn)不同功能和要求的單片機(jī)系統(tǒng)(參見(jiàn)第11章)。開(kāi)發(fā)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，除了設(shè)計(jì)硬件電路外，就是編寫相應(yīng)的程序。程序的正確與否，需要通過(guò)仿真器來(lái)調(diào)試，因?yàn)槿魏我粋€(gè)程序都不是一次編寫就能成功的，需要反復(fù)修改和反復(fù)實(shí)驗(yàn)。有時(shí)，硬件的錯(cuò)誤也可以通過(guò)正確的軟件來(lái)發(fā)現(xiàn)。

因此，熟練掌握單片機(jī)，必須有相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具，具體如下：

首先，要有一套合適的仿真器或下載轉(zhuǎn)換板，用來(lái)調(diào)試編寫的程序，通過(guò)仿真，可以發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤并及時(shí)更正。當(dāng)然，也可以利用正確的軟件來(lái)檢查硬件電路的錯(cuò)誤。

仿真器或下載轉(zhuǎn)換板可以通過(guò)生產(chǎn)廠家購(gòu)買，比較典型的有南京偉福仿真器、啟東單片機(jī)仿真器等。一般學(xué)校購(gòu)買的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置都含有仿真器和用戶板。其次，要有一塊用戶板。我們把各種硬件電路制成的電路板稱為用戶板，一個(gè)簡(jiǎn)單的用戶板應(yīng)包括I/O接口(特別是人機(jī)接口)、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、通信等功能。用戶板可根據(jù)需要通過(guò)自行焊接或購(gòu)置實(shí)現(xiàn)。

學(xué)習(xí)完單片機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)后，便可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握單片機(jī)的原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。1.4.2單片機(jī)的仿真調(diào)試方式

1．通過(guò)仿真器調(diào)試

通過(guò)仿真器調(diào)試單片機(jī)的原理框圖如圖1-1所示。這種方式下，通過(guò)PC機(jī)編寫源程序，匯編后如無(wú)錯(cuò)誤，則下載到仿真器中。采用斷點(diǎn)、單步等調(diào)試功能，利用各種窗口觀察程序的執(zhí)行情況，同時(shí)觀察用戶板上相應(yīng)的硬件變化。如果所有功能達(dá)到預(yù)期目的，則通過(guò)編程器把調(diào)試好的程序燒寫到帶存儲(chǔ)器的單片機(jī)或單獨(dú)的程序存儲(chǔ)器中，此時(shí)，在用戶板中插上帶程序的單片機(jī)芯片(或程序存儲(chǔ)器)，該系統(tǒng)便可脫離仿真器單獨(dú)工作。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是，調(diào)試時(shí)程序在仿真器內(nèi)部RAM中，可以無(wú)限次寫入而不會(huì)損壞仿真器，缺點(diǎn)是仿真器價(jià)格一般較貴。圖1-1通過(guò)仿真器調(diào)試單片機(jī)仿真器的型號(hào)較多，功能各異，比較典型的仿真器及軟件是基于Windows調(diào)試的仿真器，具體功能和使用方法請(qǐng)參閱附錄中的相關(guān)網(wǎng)站和參考資料。

2．利用下載板調(diào)試

通過(guò)ISP調(diào)試單片機(jī)的原理框圖如圖1-2所示，它是通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的Flash，使用ISP(InSystemProgram，在片上可編程系統(tǒng))方式直接把編好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)內(nèi)部的FlashROM或EEPROM中，然后在用戶板