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Click to add your text. 单片机应用技术. 电气与信息工程系. 引言. 1. 2. 单片机简介. 3. 单片机的发展趋势. 4. 单片机的特点及应用领域. 5. 本课程的学习方法. MCS-51系列单片机. 6. 单片机最小系统. 7. 单片机的存储器结构. 8. 理论单元一 单片机概述及硬件系统. 1.1 引言. 一、问题. 什么是多板机？. 什么是单板机？. 什么是单片机 ？. 1.1 引言. 二、微型计算机的应用形态 从应用形态上，微机可以分成三种：. ◆ 多板机（系统机）

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Presentation Transcript

  1. Click to add your text 单片机应用技术 电气与信息工程系

  2. 引言 1 2 单片机简介 3 单片机的发展趋势 4 单片机的特点及应用领域 5 本课程的学习方法 MCS-51系列单片机 6 单片机最小系统 7 单片机的存储器结构 8 理论单元一 单片机概述及硬件系统

  3. 1.1 引言 一、问题 • 什么是多板机？ • 什么是单板机？ • 什么是单片机？

  4. 1.1 引言 二、微型计算机的应用形态 从应用形态上，微机可以分成三种： ◆多板机（系统机） 将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。 PC整机 也属于多板机。

  5. 1.1 引言 ◆单板机 将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（如小键盘、LED显示器等）等装配在一块印刷电路板（PCB）上，再配上相应的程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。

  6. 数码管显示 红外遥控 继电控制 下载接口 串行模块 单片机 芯片 LED显示 电源模块 开关输入 音乐输出 1.1 引言 单板机

  7. 1.1 引言 单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统。

  8. 1.1 引言 ◆单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、定时器/计数器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。 三种应用形态的比较 ： 单板机 单片机 系统机（多板机）

  9. 1.2 单片机简介 一、单片机的概念 • 单片微型计算机就是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种IO接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。 • 因此，一块芯片就构成了一台计算机。

  10. T INT 定 时 器 / 计 数 器 中 断 系 统 并行I/O口 C P U 串行I/O口 P0-P3 TxD RxD 存 储 器 1.2 单片机简介 二、单片机的内部结构 单片机的结构

  11. 单片机应用系统 接口电路及外设等 单片机 ＋ 软件 ＋ 硬件 1.2 单片机简介 三、单片机应用系统的组成 单片机应用系统由硬件和软件组成 硬件是应用系统的基础 软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可

  12. 1.3 单片机的发展趋势 一、 单片机的发展过程 单片机技术发展过程可分为三个主要阶段： ◆单芯片微机（单片机）形成阶段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机 。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。 特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。

  13. 1.3 单片机的发展趋势 ◆性能完善提高阶段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。 特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种 。

  14. 1.3 单片机的发展趋势 ◆微控制器化阶段 1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。 芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。 特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。 “微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。

  15. 1.3 单片机的发展趋势 二、 单片机产品近况 ◆80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有： ﹡ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列； ﹡Philips公司的80C51、80C552系列； ﹡华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列； ﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列； ﹡LG公司的GMS90/97低压高速系列； ﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列； ﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。

  16. 1.3 单片机的发展趋势 ◆非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间 ，近年来推出的非80C51系列的主要产品有： ﹡Intel的MCS-96系列16位单片机 ； ﹡Microchip的PIC系列RISC单片机 ； ﹡TI的MSP430F系列16位低功耗单片机 。

  17. 1.3 单片机的特点及应用领域 一、 单片机的特点 ◆控制性能和可靠性高 实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。 近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。

  18. 1.3 单片机的特点及应用领域 ◆体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。 从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。

  19. 1.3 单片机的特点及应用领域 二、 单片机的应用领域 ◆智能仪器仪表 单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。

  20. 1.3 单片机的特点及应用领域 ◆机电一体化产品 机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。

  21. 1.3 单片机的特点及应用领域 ◆实时工业控制 单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等 。

  22. 1.3 单片机的特点及应用领域 ◆分布式系统的前端模块 在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。

  23. 1.3 单片机的特点及应用领域 ◆家用电器 家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。 另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。

  24. 1.4 本课程的学习方法 • 与以前所学的知识关联很少； • 对器件的概念基本上是从0开始； • 如果要用C语言编程，需具备一定的C语言基础； • 所有人都站在了同一起跑线上； 一、学习单片机所需的准备工作

  25. 1.5 本课程的学习方法 二、主要课程学习环节 理论课程：32个课时，讲解基本理论知识和方法。 实验课程：32个课时（10个课题），训练单片机基本资源应用。

  26. 1.5 本课程的学习方法 三、学习要求与考核方法 实验考核： 提前布置课题—同学自己完成硬件电路焊接/设计和程序设计—上机调试完成课题—当堂检查打分。占总成绩的50%。 理论考核： 期末进行理论考试，占总成绩的50%。 考勤： 旷课一次扣4分，迟到早退扣2分，累计扣分。最终成绩： 最终成绩=实验成绩*50%+理论成绩*50%-考勤扣分

  27. 1.6 MCS-51系列单片机 ◆单片机的发展经历了由4位机到8位机,再到16位机的发展过程 ◆目前8位单片机仍是单片机的主流机型； 一、MCS-51系列单片机的主要特点 • （1）MCS-51是Intel公司开创的一个单片机系列名称 • 主要特点： • 基于MCS-51核的处理器结构。 • 32个I/O引脚。 • 2个定时/计数器。 • 5个中断源。 • 128byte内部数据存储器。

  28. 1.6 MCS-51系列单片机 一、MCS-51系列单片机的主要特点（8位） • （2）Atmel公司的MCS-51系列单片机 • 89系列主要特点： • 内部包含Flash存储器。 • 和80C51插座兼容。 • 静态时钟方式。 • 可进行反复的系统试验。

  29. INT0 INT1 T0 T1 时钟电路 ROM RAM 定时计数器 CPU 并行接口 串行接口 中断系统 TXD RXD P0 P1 P2 P3 1.6 MCS-51系列单片机 二、单片机的内部组成 • 并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。 • 中央处理器CPU：8位，运算和控制功能 • 内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。 • 串行口：一个全双工串行口。 • 中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个） • 时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ • 内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。 • 定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。 复位电路 8051是MCS-51系列单片机的典型芯片。

  30. 1.6 MCS-51系列单片机 二、单片机的内部组成 • 中央处理器CPU：8位，运算和控制功能。 • 内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。 • 内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。 • 定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。 • 并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。 • 串行口：一个全双工串行口。 • 中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）。 • 时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ。

  31. EA P3口线的第二功能 RXD/TXD/INT0/ INT1/ T0/ T1/WR/ RD/ 6、PSEN：外部ROM读选通信号 5、EA：访问程序存储控制信号 PSEN P1. 0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 1234567891011121314151617181920 4039383736353433323130292827262524242221 VCC P0. 0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 8031 8051 8751 89C51 RST P3. 0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0 XTAL2XTAL1 VSS 1.6 MCS-51系列单片机 三、MCS-51单片机信号引脚简介 1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地) 2、振荡电路：XTAL1、XTAL2 3、复位引脚：RST 4、并行口：P0、P1、P2、P3 7、ALE：地址锁存控制信号

  32. 1.6 MCS-51系列单片机 P3口线的第二功能

  33. 1.7 单片机最小系统 复位电路 时钟电路

  34. 1.7 单片机最小系统 一、时钟电路

  35. 1.7 单片机最小系统 一、时钟电路 • XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反向放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部振荡器的输入端。 • XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反向放大器的输出端。当采用外部振荡器时，此引脚应悬空。

  36. 1.7 单片机最小系统 一、时钟电路的时序 振荡周期: 也称时钟周期, 是指为单片机提供时钟脉 冲信号的振荡源的周期。 • （1）节拍：把振荡源的周期定义为节拍，用P表示，也就是晶振的振荡频率fosc • （2）状态:振荡脉冲fosc经过二分频后，就是单片机时钟信号的周期，定义为状态，用S表示。一个状态包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫P1，后半周期对应的节拍叫P2。 • （3）机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期S1~S6, 也就是 12 个时钟周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。  • （4）指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS-51 系统中, 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。

  37. 1.7 单片机最小系统 一、时钟电路的时序 例题： 当振荡脉冲频率为12 MHz时, 一个机器周期的时间是多少？ 当振荡脉冲频率为6 MHz时，一个机器周期的时间是多少？ 答案：1us ;2us

  38. 1.7 单片机最小系统 (2)复位电路 二、复位电路 上电复位 按键复位 单片机复位条件:必须使RST引脚持续两个机器周期（24个脉冲振荡周期）以上的高电平。 举例：当外部是时钟为12MHz，RST引脚需要保持多长时间的高电平才能有效复位？ 答案：2us

  39. 片内 ROM 1234567891011121314 1234567891011121314 1234567891011121314 1234567891011121314 1234567891011121314151617181920 2827262524232221 201918171615 2827262524232221 201918171615 2827262524232221 201918171615 2827262524232221 201918171615 4039383736353433323130292827262524242221 1.8 单片机的存储器结构 EPROM EPROM RAM 6264 RAM 6264 2764 2764 片内 RAM 存储器 4K（程序） 8031 8751 8051 89C51 256B（字节）（数据）

  40. 中断5 0002H ． 0FFFH 0FFFH FFFFH 002BH 定时器0中断 外部中断1 串行口中断 外部中断0 定时器1中断 EA=1 EA=0 0000H是程序执行的起始单元,在这三个单元存放一条无条件转移指令 0FFFH 0FFEH 8位 ． 0001H 0000H ． (4K) 中断4 内部 0023H (4K) 中断3 001BH 0000H 0000H 中断2 (64K) 0013H 中断1 000BH 0003H 外部 0000H 1.8 单片机的存储器结构 一、程序存储器 中断入口地址 (PC) 程序存储器资源分布 程序存储器

  41. 1.8 单片机的存储器结构 • 在单片机C语言程序设计中，用户无需考虑程序的存放地址，编译程序会在编译过程中按照上述规定，自动安排程序的存放地址。 • 例如：C语言是从main()函数开始执行的，编译程序会在程序存储器的0000H处自动存放一条转移指令，跳转到main()函数存放的地址；中断函数也会按照中断类型号，自动由编译程序安排存放在程序存储器相应的地址中。因此，读者只需了解程序存储器的结构就可以了。

  42. 片内RAM地址 FFFFH RS1 RS0 R7 R7 2FH R7 0 1 R7 0 0 1 0 1 1 (高128B) 07H 0FH 17H 1FH FFH 80H 7F 78 07 00 寄存器区 18H~1FH 第 0 区 第 1 区 第 2 区 第 3 区 7FH 10H~17H 00H~07H 08H~0FH 3区 数据缓冲区/堆栈区 可位寻址区 7FH R0 R0 R0 R0 00H 08H 18H 10H 30H 20H (低128B) 2区 内部 工作寄存器区 00H 1区 (64K) 0区 外部 0000H 1.8 单片机的存储器结构 二、数据存储器 工作寄存器区选择位RS0、RS1 专用寄存器 RAM 数据存储器 内部RAM存储器

  43. MSB位地址LSB 单元地址 2FH 2EH 2DH 2CH 2BH 2AH 29H 28H 27H 26H 25H 24H 23H 22H 21H 20H 7F 77 6F 67 5F 57 4F 47 3F 37 2F 27 1F 17 0F 07 7E 76 6E 66 5E 56 4E 46 3E 36 2E 26 1E 16 0E 06 7D 75 6D 65 5D 55 4D 45 3D 35 2D 25 1D 15 0D 05 7C 74 6C 64 5C 54 4C 44 3C 34 2C 24 1C 14 0C 04 7B 73 6B 63 5B 53 4B 43 3B 33 2B 23 1B 13 0B 03 7A 72 6A 62 5A 52 4A 42 3A 32 2A 22 1A 12 0A 02 79 71 69 61 59 51 49 41 39 31 29 21 19 11 09 01 78 70 68 60 58 50 48 40 38 30 28 20 18 10 08 00 1.8 单片机的存储器结构 RAM位寻址区位地址表 注意: 一个单元地址对应有8个位地址MSB——Most Significant Bit （最高有效位）LSB ——Least Significant Bit （最低有效位）

  44. 高128个单元 ☆离散分布有21个特殊功能寄存器SFR。 ☆11个可以进行位寻址。 ☆特别提示：对SFR只能使用直接寻址方式，书写时可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。

  45. 1.8 单片机的存储器结构 • 在单片机的C语言程序设计中，可以通过关键字sfr来定义所有特殊功能寄存器，从而在程序中直接访问它们，例如： sfr P1=0x90; //特殊功能寄存器P1的地址是90H，对应P1口的8个I/O引脚在程序中就可以直接使用P1这个特殊功能寄存器了，下面语句是合法的： P1=0x00; //将P1口的8位I/O口全部清0 • C语言中，还可以通过关键字sbit来定义特殊功能寄存器中的可寻址位，在程序ex1_1.c中，采用了下面语句定义P1口的第0位： sbit P1_0=P1^0; • 通常情况下，这些特殊功能寄存器已经在头文件reg51.h中定义了，只要在程序中包含了该头文件，就可以直接使用已定义的特殊功能寄存器。 • 如果没有头文件reg51.h，或者该文件中只定义了部分特殊功能寄存器和位，用户也可以在程序中自行定义。

  46. 实验单元一 Keil C51软件的使用 单片机开发系统及功能 1 Keil C51软件的使用 2 任务一 3

  47. 1.1 单片机开发系统及功能 一、单片机开发系统的组成 由计算机、单片机在线仿真器、工具软件、编程器等组成。 单片机 在线仿真器 计算机 通信电缆 电 源 仿真电缆 单片机 应用系统 工具软件 单片机开发系统的连接方法

  48. 1.1 单片机开发系统及功能 二、单片机开发系统的主要功能 (1)在线仿真功能 (2)调试功能 1） 运行控制功能 2） 目标系统状态的读出修改功能 (3)辅助设计功能 1) 程序设计语言 2) 程序编译 (4)程序固化功能

  49. 1.2 Keil C51的使用 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机开发系统。 一、Keil C51的主要特点 （1）支持C语言； （2）C语言采用功能模块的方式编写，结构清晰、可读性高、可维护性强； （3）Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具； （4）全Windows界面，易学易懂； （5）Keil C51生成的目标代码效率高。

  50. 1.2 Keil C51软件的使用 二、Keil C51 的操作步骤 （1）Keil C51启动 双击桌面 u Vision图标以启动Keil C51软件 Keil C51启动窗口

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