微型机系统与接口课件.

2020/1/1信息工程学院戴永1微型机系统与接口主讲戴永教材:单片机原理及应用杨恢先等,湘潭大学出版社,2013年1月版1.参考书单片机原理及接口技术，于凤明，中国轻工业出版社，1998年版2.参考书MCS-51单片微型计算机及其应用，薛均义，西安交大出版社3.参考书单片微型机原理及应用，丁元杰，机械工业出版社2020/1/1信息工程学院戴永2本课程的特性1）地位本课程是计算机科学与技术专业的必修课2）关系专业硬件基础课专业软件基础课微机原理与接口3）目的使同学们掌握微机电路设计原理及指令与电路的关系。4）机型INTEL8051系列单片微型计算机2020/1/1信息工程学院戴永3学习要求•掌握INTEL8051系列单片机内部主体结构及详细的位电路原理•掌握C/T、INT、UART原理•掌握存储器、I/O接口扩展原理•掌握INTEL8051系列单片机指令系统尤其是特色指令（除特色指令外以自学为主）•掌握指令与相关电路信号的关系•掌握监控程序的设计原理及方法•了解单片机处理问题的一些基本方法•了解单片机获取、输出信息一些基本方法和原理2020/1/1信息工程学院戴永4实验及其要求•实验教学是本课程教学内容的组成部分•实验教材：MST-51单片机系统实验•实验内容：7个必作题，1个选作题•实验要求：独立完成，教师验收，创新奖励•考试方法与成绩：指定程序，现场抽题，现场回答，现场打分•特别声明：因为此课实验内容要求高，实验过程抓得紧，成绩评定严格，所以不提供非计划时间的教学实验补课，有正当理由者在下一级的本课程实验课补做。2020/1/1信息工程学院戴永5课外作业•第1次：基础知识•第2次：应用内容•第3次：···············•第4次：实验报告•有抄袭现象，以0分论处2020/1/1信息工程学院戴永6成绩评定•课外作业：10%•实验：30%•试卷考核：60%•特别申明：不参加实验或实验考核不及•格者不提供理论考试试卷，•强行参考者不予成绩评定。2020/1/1信息工程学院戴永7第一章单片机概述•单片机：单片微型计算机•一、单片机的发展•第一阶段：预备阶段：1971~1974，intel4004,8008微处理器•第二阶段：初级阶段：1974~1978，intelMCS-48系列，片内集成8位CPU，4个I/O并口，1个C/T，无S口，寻址范围4K•第三阶段：高级8位机阶段：1978~1983，intelMCS-51，Motorola6801，ZilogZ8等系列2020/1/1信息工程学院戴永8MCS-51系列•8位CPU•4个I/O并行接口•2个C/T•一个全双工UART口•二级中断源•片内RAM，128位字节，特殊寄存器，128字节（未全用），片内ROM4~8K（PROM或EPROM），可直接扩展的RAM，ROM为64K。•f=12MHZ2020/1/1信息工程学院戴永9第四阶段•16位单片机阶段：1983~现在MCS-96阶段（8096，8098等）16位机高档8位不断完善如：89C451,8052系列等。2020/1/1信息工程学院戴永10二、单片机发展趋势•一、CPU功能的增强•1、双CPU结构•2、增宽DBUS，如将ALU作成16位•3、采用流水结构，NEC公司uPD-7720，TMS320等，ALU的速度比一般标准搞出10倍。•4、串性总线结构：SPI、IIC、MicroWire、1-Wire用少于8条的数据总线代替8位数据总线，减少引线，降低成本。•二、存储器：容量扩展：有4~8K增至128K；EEPROM化；KEPROM化。•三、外围电路内置：除Ｃ/T,A/D,D/A等外，频率，字符发生器、显示控制器、译码驱动器等也实现内置。•四、低功耗化。•总趋势：功能强，可靠性高，体积小，性价比高，使用方便，易于产品化。2020/1/1信息工程学院戴永11三、单片机应用领域•1、单机领域：•（1）测控•（2）智能仪表•（3）机电一体化•（4）家用电器•2、多机应用：•（1）功能集散系统•（2）并引多机控制系统•（3）局部网络系统（新型概念）主要用于分布式测控系统，两种结构：树状，位总线（bitBus）•SDLC/HDLC：同步数据链路测控规程/高级数据链路测控规程2020/1/1信息工程学院戴永12四、MCS-51系列单片机•1、内部资源：8位CPU，4KROM（PROM），128字节RAM，4*8线PI/O口，2个16位C/T，一个全双工异步S口，5个中断源，两个优先级，64K外扩ROM，fosc为1.2MHZ~12MHZ•2、MCS-51系列单片机三个基本型产品：8051，8031，8751•三者主要区别：8751内有4KEPROM，8031内无ROM，8051内有4KPROM•3、MCS-51系列的扩展型——MCS52系列：8052，8752，8032•扩展改进内容：片内RAM增加到256字节，ROM增加到8K，C/T增加到3个，中断源增加到6个。•4、*C*系列为CHMOS系列工艺芯片，允许电源电压波动范围大，有三种功能控制方式。2020/1/1信息工程学院戴永13•2.1.1MCS-51单片机结构框图•MCS-51系列单片机型号很多，但是基本结构和主要功能相同•一、MCS-51单片机的基本组成(见P18图2-1，P19图2-2)•1.CPU•（1）ALU：可进行算/逻辑运算•信号行走路径：BUSTMP1ACCTMP2ALUPSW●具有一位布尔处理器，直接实现对可位寻址空间的操作，如：置位，清零，求补，与，或，测试等。位处理器累加器采用PSW－CY，也即进位标志为2.1逻辑结构与引脚第2章MCS-51单片机硬件结构2020/1/1信息工程学院戴永14（2）控制器•由PC，IR,ID,OSC等组成•8051单片机内部有振荡电路，与外接石英晶体和频率微调电容配合，构成单片机定时电路，产生时钟脉冲，作为单片机工作的时间基准。•2、内部数据存储器：即片内RAM，容量256字节，其中•低128字节为数据RAM，用户可用，简称内部RAM；•高128字节，特殊功能寄存器，专用寄存器（不作寄存数据使用）•3、内部程序存储器：片内ROM，8051内部有4K掩膜ROM，8751内部有4KEPROM（可紫外线擦除ROM）。•4、并行I/O口：4个8位并行I/O口，分别用P0，P1，P2，P3；•5、2个16位C/T：具有多种计数，定时功能；•6、1个全双工串行口：可采用多种方式进行串行传送；•7、5个中断源：分为两个优先级；8、时钟电路；9、位处理器；10、内总线。2020/1/1信息工程学院戴永152.1.2MCS-51单片机外部引脚•两种分类封装DIP-40，48；PLCC-44，52，68；（方形扁平封装，见参考书1的P410），DIP-40P见P21图2-3。•1、控制信号及其引脚（P21)•(1)RST/V(复位/备用电源)(P22)•复位时高电平有效•备用电源：为本功能引脚的第2功能，当VCC下降到低于规定电源时，可由此引脚向片内RAM供电，以保护片内RAM信息不丢失。2020/1/1信息工程学院戴永16常见复位电路有（P27）：•A、上电复位•B、按键复位VCCRST/VPPVSSVCC+22uf1kVCCRST/VPPVSSVCC+22uf1kR2200R1VRST=VCCR1/（R1+R2）2020/1/1信息工程学院戴永17C、按键脉冲复位VCCRST/VPPVSSVCC+22uf1kR11kR2A+22uft0t1URSTVAVCCVCCt0时刻按键按下的时序波形2020/1/1信息工程学院戴永18•RST/VPD内接电路原理(P26,图2-8)复位电路片内RAMRST/VPDVCCVSSA第一功能：RST产生大于2个机器周期高电平宽度信号经过施密特触发器进入复位电路。D2D1第二功能：当VCC正常时，VA=VCC-0.7v，VAVRST约等于0V，D2截止，RAM完全由VCC供电。外部RAM保护电源接于RST/VPD，当VCC下降到某规定值时，外部电源将被自动切换加入到RST/VPD端。2020/1/1信息工程学院戴永19•（2）PSEN（29，O）：扩展ROM专选信号，L有效。•（3）ALE/PROG（30，I/O）•第一功能：ALE功能，即将P0上输出的地址信息打入外部存储器低于8位地址锁存器。实现P0上输出的地址、数据分离。•第二功能：对于内含EPROM的8751，作为编程脉冲的输入端。•OSC，PSEN，ALE时序关系。•fALE=1/6fOSC，fPSEN=1/6fOSC，qALE=30%，qPSEN=50%，•TALE=TPSEN=6TOSC2020/1/1信息工程学院戴永20•（4）EA/VPP（31，I）•第一功能：作为访问ROM控制信号。=0时仅仅访问片外扩展的ROM，=1时，先访问片内的ROM，然后访问片外的ROM。•例：当=1时，若采用片内的ROM为4K的8051，则机器寻址范围为0000~0FFFH。当超过此范围时，自动转向片外寻址ROM，也就是说扩展ROM从1000H开始编址。•当=0时，仅仅访问扩展的ROM，即扩展的ROM编址从0000H开始（8031必须如此）。•VPP第二功能输入端：对于8751（内含8KEPROM）。本引脚提供编程（固化）电压。2020/1/1信息工程学院戴永21ROM（指令CP）→IR→ID→系列微操作控制信号完成指令执行（规定操作）●指令系统有111条，分为单、双、三字节指令。●指令周期以单,双机器周期为主:仅有乘除法指令是四周期指令。●阅读指令时序图(图2-7)时应注意点：•①所有指令的操作码在指令周期第一个机器周期的前三个状态周期（S1P2—S2P1P2—S3P1P2—S4P1）内完成取出•②剩下的时间用于执行指令（在片内完成）含取第二操作数•③在执行过程中除MOVX指令外，其余指令执行时-PSEN、ALE、P0、P2照样从片外ROM取指令，但因为在执行指令过程中(PC)不变，所以相当于重复或无用操作。2.2时序与周期1．振荡器与时钟信号：自阅,注意点:机周是指令周期的单位时间长度,51机有1、2、4机周指令。2．指令时序：51机指令执行过程：2020/1/1信息工程学院戴永22S1S2S3S4S5S6S1S2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2机器周期OSCALEPSEN有效区有效区P2P0PCH(A8~15)PCH(A8~15)A0~7指令码A0~7指令码PCLD0~7PCLD0~7图2-7指令时序图定时(机周)脉冲1/12OSC2020/1/1信息工程学院戴永23S1S2S3S4S5S6S1S2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2机器周期OSCALEPSEN有效区有效区单字节单读操作码读操作码读操作码周期指令(废弃)双字节单读操作码读次字节读操作码周期指令图2-78051取指令,执行指令周期时序图2020/1/1信息工程学院戴永24•a.单字节单周期指令：前半个机器周期取指令操作码；后半个机器周期执行指令。同时由ALE、-PSEN、P0、P2第二次取指内容无效。如INCA•b.双字节单周期指令：前半个机周期取指操作码。后半个机周读第二字节，读入CPU后即可完成指令的操作（由总线结构所决定）。如ADDA，#Data.•c.单字节双周期指令：取指令操作操作码后，剩下的1.5个机器周期全用于执行指令。如INCDPTR.●外部RAM的工作时序（仅针对MOVX指令）。见P25图2-7第一个机周的前半个机周取指令；第二个半机周（以第二个ALE开始）用于产生扩展RAM的地址；第二机周的前半机周用于从扩展RAM中读写数据；此时-RD或-WR有效。后半机周恢复取指，但在半机周内无用。2020/1/1信息工程学院戴永25•特别注意：•当取出操作码后，第二个ALE将DPL提供的扩展RAM地址打入锁存器后，P0出的内容将由地址变为工作于扩展RAM的数据。因此要暂停输入一次。同理由于进