单片机原理与接口技术(C语言版)1

单片机原理与接口技术（C语言版）第1章单片机及其开发工具1主编：周国运清华大学出版社为什么要开这门课？•微机的功能、应用通过外设(I/O、存储)体现•接口实现：外设与微机间的信息交换•使外设按我们要求工作，需要开发新的硬件及驱动•CPU/OS/总线结构发展导致接口技术的变革23第1章单片机及其开发工具目录1.1单片机的基本概念1.2单片机的发展概况1.3单片机的特点及应用1.4常用单片机简介1.5单片机程序开发软件KeilC简介1.6单片机系统模拟软件Proteus简介本章包括单片机概述和单片机开发工具两个部分内容。概述介绍了单片机的概念、发展概况、应用及特点，以及一些常用的单片机；开发工具介绍了程序开发软件KeilC，电路设计及仿真调试软件Proteus。通过本章的学习：对单片机有一个基本的认识；基本掌握用KeilC和Proteus开发单片机程序，构建系统电路以及仿真调试的方法，为学好单片机打下基础。4第1章单片机及其开发工具1.1单片机的基本概念5单片机：将CPU、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等，微型计算机的主要部件集成在一块芯片上，使其具有计算机的基本功能。此就是“单片微型计算机”（SingleChipMicroComputer，SCMC或SCM），简称为“单片微机”、或“单片机”。微控制器概念：芯片上除了具有微机的功能部件之外，还集成有外部设备，如A/D、D/A、RTC、PWM、USB、Watchdog等。微处理器存储器外部设备接口适配器控制总线数据总线地址总线图1-1微机系统的组成1.1单片机的基本概念61.2单片机的发展概况主要内容1.2.1单片机的历史1.2.1单片机技术的发展71.2.1单片机的历史一、4位单片机阶段1971年Intel公司首先开发出了第一片4位微处理器4004，主要用于家用电器、计算器、高级玩具中。4004的问世，既标志着微处理器的诞生，也标志着单片机、嵌入式系统的诞生。1975年美国德克萨斯仪器公司（TI）推出4位单片机TMS-1000。4位单片机主要用于家用电器、电子玩具等。81.2.1单片机的历史二、8位单片机阶段1976年9月，美国Intel公司首先推出了MCS-48系列8位单片机，其增强型便是MCS-51。8位单片机由于功能强大，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域。三、16位单片机阶段1983年Intel公司推出了16位单片机MCS-96系列。16位单片机可用于高速复杂的控制系统。四、32位单片机近几年，更高性能的32位单片机得到广泛的应用，典型的机型有ARM、DSP等系列。91.2.2单片机技术的发展一、片内程序存储器的发展单片机的程序存储器（ROM）经历了ROM—EPROM—E2PROM—FLASHROM的发展，容量也由小变大。二、看门狗定时器单片机在运行时由于干扰等原因，可能会出现软件混乱。看门狗电路就是用于在CPU运行出现程序混乱时，使系统恢复正常工作的一种方法。101.2.2单片机技术的发展三、节电模式在节电模式下，CPU和部分部件进入睡眠状态，但片内RAM和寄存器等部件保持工作状态，以达到节能的目的。四、加强输入输出功能某有些单片机具备大功率的输入/输出接口，可直接驱动荧光显示器、LCD和LED。还有一些增加了接口或定时器的数量，或者增加了新型的接口，如IIC、SPI等。11五、单片机制造工艺提高半导体制作工艺的提高，使单片机的体积可以做的更小，时钟频率更高。可以集成更多的存储器和部件，降低产品的价格。六、在线编程和调试技术一些新型的单片机实现了在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能。现在常使用的单片机都有该功能，如深圳宏晶公司的STC系列单片机。121.2.2单片机技术的发展1.3单片机的特点及应用主要内容1.3.1单片机的特点1.3.2单片机的应用13一、ROM和RAM存储器区分使用ROM称为程序存储器，存放程序、固定常数及数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。二、采用面向控制的指令系统为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。141.3.1单片机的特点三、I/O引脚通常多功能由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。四、单片机外部扩展能力强在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展（如扩展ROM、RAM，I/O接口，定时器/计数器，中断控制器等），与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。151.3.1单片机的特点五、体积小、价格低易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。六、抗干扰、可靠性高在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。七、易实现多机和分布式控制使整个控制系统的效率和可靠性大为提高161.3.1单片机的特点单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有：①工业控制②仪器仪表③计算机外部设备与智能接口④商用产品⑤家用电器⑥消费类电子产品⑦通讯设备和网络设备⑧儿童智能玩具⑨汽车、轮船、飞机等大型运输工具⑩交通控制设备171.3.2单片机的应用单片机的应用（2）当前我国嵌入式系统的主要应用领域客户分布：主要在电信、医疗、汽车、安全、工业控制和消费类等行业。产品分布：主要在消费类电子、通信、医疗、安全等行业。其中在消费类电子领域占最大的市场份额。发展重点：移动多媒体、数字娱乐、手机终端、汽车电子、医疗成为嵌入式系统应用市场的发展重点。181.4常用单片机简介主要内容1.4.1MCS-51系列单片机1.4.2ATMEL89系列单片机1.4.3STC系列单片机1.4.4常见的其它系列单片机191.4.1MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机：Intel在1980-1982年陆续推出了指令系统完全相同、内部结构基本相同的8031、8051和8751等型号单片机，初步形成MCS-51系列，被奉为“工业控制单片机标准”。8031：片内无ROM8051：片内有掩膜PROM8751：片内有紫外线擦除的PROM20MCS-51增强型单片机：主要包括89C52、89C54、89C58、89C516等型号，它们的区别主要是三个方面：一是片内RAM由128B增加到256B；二是多一个定时器/计数器；三是片内FlashROM由4KB分别增加到了8KB、16KB、32KB和64KB。不同厂家的产品可能还增加有其它外设或功能，但引脚和指令都是完全兼容的。为了讨论方便起见，我们将89C51（包括8031、8051、8751等）称为基本型，其他的型号称为增强型。211.4.1MCS-51系列单片机1.4.2ATMEL89系列单片机Atmel公司生产的89系列单片机是市场上比较具有代表性的MCS-51单片机。一、ATMEL89系列单片机型号说明AT89系列单片机型号由三个部分组成，它们分别是前缀、型号、后缀，其格式如下：AT89C（LV、S）XXXX-XXXX1、前缀前缀由字母“AT”组成，它表示该器件是ATMEL公司的产品。221.4.2ATMEL89系列单片机2、型号型号由“89CXXXX”或“89LVXXXX”或“89SXXXX”等表示。“9”表示芯片内部含Flash存储器；“C”表示是CMOS产品；“LV”表示低电压产品；“S”表示含可下载的Flash存储器。“XXXX”为表示型号的数字，如：51、52、2051、8252等。233、后缀后缀由“XXXX”四个参数组成，与产品型号间用“-”号隔开。后缀中第一个参数“X”表示速度后缀中第二个参数“X”表示封装后缀中第三个参数“X”表示温度范围后缀中第四个参数“X”说明产品的处理情况如AT89S52-24PC，后缀表示24MHz、塑料封装、商业级（I为工业级）241.4.2ATMEL89系列单片机二、AT89C51单片机AT89C51单片机特点：①与MCS-51产品完全兼容；②具有4K字节的Flash内部程序存储器，可写/擦1000次；③全静态操作：0Hz～24MHz；④三级程序存储器加密；⑤128字节内部RAM；251.4.2ATMEL89系列单片机⑥32根可编程I/O线；⑦2个16位定时器/计数器；⑧6个中断源；⑨可编程串行UART通道；⑩低功耗空闲和掉电方式。⑾CMOS工艺，低功耗。261.4.2ATMEL89系列单片机三、AT89S52单片机AT89S52单片机特点：①与MCS-51产品兼容；②具有8K字节可在系统编程的Flash内部程序存储器，可写/擦1000次；③4.0V～5.5V的工作电压范围；④全静态操作：0Hz～24MHz；⑤三级程序存储器加密；⑥256字节内部RAM；271.4.2ATMEL89系列单片机⑦全双工异步串行通信通道；⑧低功耗空闲和掉电方式；⑨通过中断中止掉电方式；⑩看门狗定时器；⑾两个数据指针。281.4.2ATMEL89系列单片机STC15L2K60S2系列单片机特点如下：①1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比传统8051快7～12倍。②工作电压3.8～5.5V（5V单片机）/2.4～3.6V（3V单片机）。③内部高精度R/C时钟，内部时钟从5~35MHz可选。④8~61K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上。⑤大容量2048字节片内RAM数据存储器。⑥通用I/O口(42/38/30/26个)。291.4.3STC系列单片机⑧ISP/IAP（在系统可编程/在应用可编程），无需编程器/仿真器。⑨硬件看门狗。⑩先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令。⑾6个定时器，2个16位可重装载定时器T0和T1兼容普通8051的定时器，新增了一个16位的定时器T2，并可实现时钟输出，3路CCP/PCA可再实现3个定时器。301.4.3STC系列单片机⑿高速ADC，8通道10位，速度可达30万次/秒。3路PWM还可当3路D/A使用。⒀双串口/UART，两个完全独立的高速异步串行通信端口，分时切换可当5组串口使用。⒁3通道捕获/比较单元(CCP/PCA/PWM)。⒂可彻底省掉外部昂贵复位电路，内部集成高可靠复位电路、ISP编程时8级复位门槛电压可选。311.4.3STC系列单片机1.4.4常见的其它系列单片机①AVR单片机②Motorola单片机③MicroChip单片机④Scenix单片机⑤华邦单片机321.5单片机程序开发软件KeilC简介主要内容1.5.1KeilC集成开发工具简介1.5.2KeilC操作方法1.5.3KeilC程序开发方法1.5.4KeilC调试运行方法331.5单片机系统的开发方法KeilC是德国KEIL公司开发的单片机C语言编译器。其前身是FRANKLINC51，功能相当强大。μVision3是一个forWindows的、集成化的单片机编程软件，集成了文件编辑处理、项目管理、编译链接、软件模拟调试等多种功能，是强大的单片机程序开发工具。无论是学习、还是开发，都是必须掌握的基本工具。在后面的讨论中，对KeilC和μVision3两个术语不做严格的区分，一般多称呼为KeilC，包含有μVision3集成开发环境之意。341.5.1KeilC集成开发工具简介1、编译器和链接器KeilC的编译器和链接器包括C51、A51、L51和BL51。C51是C语言编译器，其功能是将C源代码编译生成可重新定位的目标模块文件（.OBJ）。A51是汇编语言编译器，其功能是将汇编源代码编译生成可重新定位的目标模块文件（.OBJ）。L51是链接/定位器，其功能是将.OBJ文件与库文件链接，定位生成绝对目标文件。351.5.1KeilC集成工具简介BL51也是链接/定位器，除了具有L51所有的功能之外，(1)可以链接定位大于64KB的程序；(2)具有代码域及域切换功能；(3)可用于RTX51实时多任务操作系统。2、LIB51库管理器LIB51可以把.OBJ文