第一章微机基础知识

电子科技大学机械电子工程学院电子科技大学机械电子工程学院目录1.微型机基础知识2.MCS-51单片机硬件结构3.MCS-51指令系统4.汇编语言程序设计5.MCS-51定时/计数器、串行口及中断系统6.单片机系统扩展设计7.数模及模数转换器接口8.与MCS-51兼容的新型单片机9.单片机应用系统研制方法1.1微处理器、微机和单片机的概念微处理器（microprocessor简称up”）：微处理器（芯片）本身不是计算机，但它是小型汁算机或微型计算机的控制和处理部分。微型计算机（microcomputer,简称微机，uC）：微机是具有完整运算及控制功能的计算机。微机的组成微处理器：控制器、运算器和若干个寄存器组成。接口适配器（即I／O接口）：I／O设备与微处理器的连接端口；存储器：是指微机内部的存储器（RAM,ROM,EPROM等）单片机=CPU+M+I/O外部设备地址总线AB微型计算机组成DB数据总线CPU微处理器M存储器I/O接口电路控制总线CB单板机与单片机单板机（SingleChipMicrocomputer)将CPU、存储器、I/O接口及多片附加逻辑电路和简单的键盘/显示器组装在一块印制板上。单片机（single－ChipMicrocomputer）将微处理器、一定容量的RAM和ROM以及I／O接口、定时器等电路集成在一块芯片上微机的分类及发展第一代（1971~1973）：4位和8位低档微机，典型代表：4004微处理器第二代（1974~1978）：8位中高档微机，典型代表：8008/8080/8085微处理器第三代（1979~1982）：16位微机，典型代表：8086/8088/80186/80286微处理器第四代（1983~1993）：32位微机，典型代表：80386/80486/pentium微处理器第五代（1993年以后）：64位微机计算机中的数据单元1.2微型机模型的组成运算器控制器（CPU）微机硬件模型框图模型机的工作过程PC指令执行的两个阶段：取指阶段与执指阶段一个CPU周期一个CPU周期一个CPU周期一个指令周期下一个指令周a)取指阶段b)执指阶段开始取指令PC+1操作译码取操作数地址PC+1地址译码取操作数执行操作取下条指令PC+1——以直接寻址的指令为例开始取指令PC+1操作译码取操作数地址PC+1地址译码取操作数执行操作取下条指令PC+1PCPC┇上一条指令操作码操作数地址下一条指令┇PC1.3微机系统硬件系统CPU微处理器RAMI/OROM外设辅助电路CBUSDBUSABUSCBUS：控制总线DBUS：数据总线，双向三态ABUS：地址总线，单向三态软件系统程序设计语言•机器语言•汇编语言•高级语言系统软件应用软件微机的主要性能指标字长：一次可处理二进制数的位数。字长越长，计算精度越高，速度越快，成本越高。单位：字节（Byte）；字（Word）；双字（DoubleWord）存储容量：容量越大，存储的信息量越多。指令系统：指令越多，计算机功能越强。指令执行时间：取决于系统的主时钟频率、指令系统的设计、及CPU的体系结构等。是评价系统速度的技术指标。外设扩展能力及配置：影响系统的适应能力及通用性。软件配置：影响计算机的使用性能。1.4单片微型计算机单片机=CPU+M+I/O外部设备地址总线AB微型计算机组成DB数据总线CPU微处理器M存储器I/O接口电路控制总线CB三维图形处理器1位机4位机用于玩具、家用电器、计算器等。8位机16位机工业控制器、智能仪表、计算机外设通用测控单元、通讯和医疗设备等。32位机高性能图形工作站、高级机器人等。如：i808601.2亿次/秒32位定点64位浮点单片机分类-根据CPU字长来划分1.4.1单片机的发展史第一阶段（1974~1976）：单片机的初级阶段例如：8位单片机F8特点：采用双片组成结构：F8CPU64BRAM2个I/O38511KROM1个T/C2个I/O完整的单片机存放数据存放程序1.4单片微型计算机第二阶段（1976～1979）：低性能单片机阶段例如：MCS–48系列特点：小而全结构：MCS–488位CPURAMI/OROMT/C单片机1.4.1单片机的发展史第三阶段（1979~1982）：高性能单片机阶段例如：MCS–51系列特点：系列化、功能强结构：MCS–518位CPURAMI/OROMUARTINTUART——UniversalAsynchronousReceiver/TransmitterINT——InterruptSystem通用异步收/发器——串行口T/C1.4.1单片机的发展史第四阶段（1982~）：16位、32位单片机阶段例如：MCS–96系列特点：增加了内部资源、实时处理能力更强除了具有16位CPU和存储器外又增加了部分内部资源，如：MCS–9616位CPU10位A/D转换器高速输入输出HSIO脉宽调制输出装置PWM8XC196增强型之后又推出：1.4.1单片机的发展史MCS-51系列单片机已被国内用户广泛采用例如：ATMEL公司的AT89系列Philips公司的80C51系列ADI公司的ADuC系列ADuC812:多通道12位A/D转换器ADuC816:多通道16位A/D转换器ADuC824:多通道24位A/D转换器转换周期仅5S1.4.1单片机的发展史1、高档单片机性能不断提高速度：是原来单片机的5~15倍精度：CPU字长增加，16位、32位单片机问世指令系统丰富、效率高⑵内部资源增加程序存储器：ROM、EPROM、E2PROM或FLASH达几十KB⑴CPU功能增强闪速存储器1.4.2单片机的发展趋势数据存储器：RAM达几KBI/O口：并口串口串行扩展口定时/计数器（T/C）：定时输出捕捉输入监视器WatchdogA/D转换器：8位、12位、16位、24位，多通道输入。脉宽调制输出PWM，可代替D/A输出。⑶寻址范围的增加1.4.2单片机的发展趋势2、超小型、低功耗、价廉3、微巨机单片化如:ATMEL公司的89C1051/205120引脚，工作电压（2~6V），电流仅几个mA。如：Microchip公司的PIC16/17系列18引脚、20引脚、28引脚，有的仅5个引脚。工作电压（2~6V），电流仅2个mA。如：台湾凌阳单片机有8位、16位具有高速、低价、可靠、实用、体积小、功耗低、简单易学等特点。1.4.2单片机的发展趋势时钟电路CPUROMRAM串行I/O定时/计数器并行I/O中断系统GNDVcc单片机的内部结构内部总线1.4.3单片机内部结构1、中央处理器CPU2、存储器⑴数据存储器RAM容量：64~256B构成：静态随机存储器RAM⑵程序存储器ROM容量：1~64KB构成：ROM、EPROM、E2ROM或FLASH3、I/O接口并行接口：用于外接输入输出设备串行接口：可实现异步串行通信1.4.3单片机内部结构1、基本系统单片机复位电路电源输入/输出设备时钟电路单片机的基本系统结构图辅助电路控制对象（最小系统）1.4.4单片机应用系统2、扩展系统EPROM程序存储器串行接口A/D单片机复位电路时钟电路电源RAM数据存储器并行接口D/A外部扩展总线单片机扩展系统结构图通过总线来扩展一些部件，以弥补单片机内部资源的不足，这样可满足一些应用系统的特殊需要。对用户的特殊要求的适应性就更强。1.4.4单片机应用系统8位单片机⑴MCS-48系列型号CPUROMRAMT/CI/O80358位无64B11580398位无128B1158位1KBEPROM874864B1278位2KBEPROM8749128B127内部资源的配置不同1.4.5单片机典型产品⑵MCS-51系列型号CPUROMRAMT/CI/O80318位无128B23280518位4KBROM128B2328位4KBEPROM8751128B2328位8KBROM8052256B332与MCS-48系列相比MCS-51系列在速度、内部资源、功能等方面增强，且软件丰富，开发装置齐全。特点：8位8KBEPROM8752256B332内核内部资源的配置不同1.4.5单片机典型产品⑶Philips51系列单片机⑷ATMEL51系列单片机特点：用E2PROM和FLASH代替ROM，价格低，编程方便。⑸ADuC系列单片机特点：用FLASH代替ROM；用ADC进行数据采集；12位DAC两通道电压型输出进行控制，灵活、快捷、方便、且价廉。特点：片内具有I2C总线、A/D等丰富的功能部件。以上所述51增强型单片机，都是以8051/8031为内核，51基本型增加一些功能部件构成的。51单片机的更新换代主要是通过不断地推出新的增强型系列单片机完成的。1.4.5单片机典型产品1、单片机的应用特性⑴体积小⑵可靠性高⑶控制功能强⑷使用方便⑸性能价格比高(6)开发应用快捷1.4.6单片机的应用⑴智能仪表⑵在机电一体化中的应用例：微机控制的铣床、车床、自动点（验）钞机。⑶在实时控制中的应用例：测控系统对过程控制参数进行测量、控制。⑷在分布式多机系统中的应用⑸家用电器例：全自动洗衣机、热水器、电子游戏机。1.4.6单片机的应用工业控制数控车床数控线切割机床用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。1.4.6单片机的应用智能仪器仪表数字式测角仪交直流电压电流表位移传感器单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。1.4.6单片机的应用家用电器1、智能冰箱2、智能饭煲3、智能食品配料机可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤设备，都能见到单片机的身影。1.4.6单片机的应用计算机网络和通信领域现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。•手机•电话机•程控交换机•楼宇自动通信呼叫系统•列车无线通信•日常工作中随处可见的移动电话•集群移动通信•无线电对讲机等1.4.6单片机的应用医用设备医用呼吸机各种分析仪监护仪超声诊断设备病床呼叫系统等等电池分析仪医用呼吸机麻醉信息管理系统1.4.6单片机的应用军事通常在这些电子系统的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通讯系统以及运行监视器（黑匣子）都会用到单片机技术。1.4.6单片机的应用人工智能工业机器人的控制系统由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的单机或多机网络系统。而其中的每一个小系统（如数据采集、远程监控系统）都是由单片机进行控制的。1.4.6单片机的应用消费类电子产品1.4.6单片机的应用