單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù),單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單片機(jī)原理與接口技術(shù),任課教師：張永超,辦公地點(diǎn)：行政樓,408,電話：15319919080,單片機(jī)的應(yīng)用范圍,(1),工業(yè)控制。單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如數(shù)控機(jī)床、自動生產(chǎn)線控制、電機(jī)控制、溫度控制等。,(2),儀器儀表。智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波等。,(3),計(jì)算機(jī)外部設(shè)備與智能接口。如圖形終端機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀、磁盤,/,磁帶機(jī)、智能終端機(jī)等。,(4),商用產(chǎn)品。如自動售貨機(jī)、電子收款機(jī)、電子秤等。,(5),家用電器。如微波爐、電視機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)等。,1、單片微型計(jì)算機(jī)(簡稱單片機(jī)),2、單片機(jī)一詞最初是Single Chip Microcomputer,”,，簡稱SCM。,3、國際上逐漸采用：微控制器或嵌入式微控制器,4、MCU(MicroController Unit,”,),第一章,微型計(jì)算機(jī)概述,1,微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展與分類,2,微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),3,存儲器,4,微型計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送,5 MCS-51,系列單片機(jī)應(yīng)用特性及開發(fā),6,MCS-51,系列單片機(jī)開發(fā)和開發(fā)工具,第一階段,(1974,1976),初始階段,。以,4,位,單片機(jī)為主，功能比較簡單。如,1975,年美國,TI,公司推出第一臺,4,位單片機(jī),TMS-1000,。,第二階段,(1976,1978),探索階段,。單芯片形式，,低檔,8,位,單片機(jī)。如,1976,年美國,Intel,公司生產(chǎn)的,MCS-48,系列單片機(jī)，這是第一臺完全的,8,位單片機(jī)。,MCS-48,的推出是在工控領(lǐng)域的探索，此后，各種,8,位單片機(jī)紛紛應(yīng)運(yùn)而生。,第三階段,(1978,1982),完善階段,。提高電路的集成度，增加,8,位單片機(jī)的功能。如,Intel,公司在,MCS-48,基礎(chǔ)上推出了完善的,高檔,8,位,單片機(jī)系列,MCS-51,。,1.,微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展與分類,第四階段,(1982,1990),鞏固和發(fā)展階段,。鞏固,發(fā)展,8,位,單片機(jī)、,推出,16,位,單片機(jī)、向微控制器發(fā)展，強(qiáng)化了智能控制器的特征,。如將,ADC,、,DAC,、集成到單片機(jī)。,第五階段,(1990,至今,),全面發(fā)展階段,。適合不同領(lǐng)域要求的單片機(jī)，如各種,高速,、,大存儲容量,、,強(qiáng)運(yùn)算能力,的,8,位,/16,位,/,32,位,通用型單片機(jī)，還有用于單一領(lǐng)域的廉價(jià)的,專用型,單片機(jī)。,需要提及的是，單片機(jī)的發(fā)展雖然按先后順序經(jīng)歷了,4,位、,8,位、,16,位、,32,位、,64,位的階段，但從實(shí)際使用情況看，并沒有出現(xiàn)推陳出新、以新代舊的局面。,4,位、,8,位、,16,位單片機(jī)仍各有應(yīng)用領(lǐng)域，如,4,位單片機(jī)在一些簡單家用電器、高檔玩具中仍有應(yīng)用，,8,位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場合仍占主流地位，,16,位單片機(jī)在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中才有應(yīng)用。,單片機(jī)與通用計(jì)算機(jī)的區(qū)別,（,1,）,通用,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要滿足,海量、高速,數(shù)值處理，兼顧控制功能；,單片機(jī),系統(tǒng)主要滿足測控對象的,控制,功能，兼顧數(shù)值處理。,(2),通用,微機(jī)中存儲器,組織結(jié)構(gòu),主要針對增大存儲容量和,CPU,對數(shù)據(jù)的存取速度。,單片機(jī),中存儲器的組織結(jié)構(gòu)比較,簡單,，存儲器芯片直接掛接在單片機(jī)的總線上，,CPU,對存儲器的讀寫按直接物理地址來尋址存儲器單元，存儲器的尋址空間一般都為,64 KB,。,(3),通用,微機(jī)中,I/O,接口,主要考慮標(biāo)準(zhǔn)外設(shè),(,如,CRT,、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、硬盤、光盤等,),。用戶通過標(biāo)準(zhǔn)總線連接外設(shè)，能達(dá)到即插即用。,單片機(jī),應(yīng)用系統(tǒng)的外設(shè)都是,面向用戶,的，且千差萬別，種類很多。單片機(jī)的,I/O,接口實(shí)際上是向用戶提供的與外設(shè)連接的物理界面。,2,.,微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),微處理器MPU一,般由運(yùn)算器、控制器和一些寄存器通過內(nèi)部總線相連組成。,以微處理器為核心，由系統(tǒng)總線將數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器和輸入輸,出接口組合成為一個(gè)整體，稱為微型計(jì)算機(jī)。,只有再配以外圍設(shè)備和系統(tǒng)軟件，才構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng),單片機(jī)的組成,(1),將微處理器,(CPU),、存儲器、,I/O,接口電路和相應(yīng)實(shí)時(shí)控制器件集成在一塊芯片上，稱其為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱,單片機(jī)。,(2),微處理器,(CPU),、存儲器、,I/O,接口電路由總線有機(jī)地連接在一起的整體，稱為,微型計(jì)算機(jī),。,(3),微型計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備、電源、系統(tǒng)軟件一起構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為,微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),。,3,存儲器,存儲器,存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的,記憶,設(shè)備，用來存放,程序,和,數(shù)據(jù),。,半導(dǎo)體存儲器的分類,按存儲器的讀寫功能,：,只讀存儲器,（,ROM,）,隨機(jī)讀寫存儲器,（,RAM,）,按存儲器用途分,：,主存儲器,外存儲器,高速緩沖存儲器,接口的作用,外部設(shè)備不能與,CPU,直接相連，而是必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連，這部分電路就稱為接口電路。,(1)CPU,和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式,三總線方式,程序方式 中斷方式,DMA,方式,(2)CPU,和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式,串行方式,(3)RS-232C,標(biāo)準(zhǔn)串行通訊接口,4,微型計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送,CPU,和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式,三總線方式,程序方式,程序方式傳送實(shí)質(zhì)在程序控制下進(jìn)行信息的傳送，可細(xì)分為兩種傳送方式：無條件傳送和條件傳送方式。,中斷方式,DMA,方式,CPU,和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式,串行方式,I,2,C,總線,I,2,C(Inter-Integrated Circuit),總線是一種兩線制式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。,工作原理：由數(shù)據(jù)線,SDA,和時(shí)鐘線,SCL,構(gòu)成的串行總線，在總線上的所有設(shè)備端的,SDA,和時(shí)鐘,SCL,引腳上接上拉電阻，使,CPU,與被控,IC,之間、,IC,與,IC,之間進(jìn)行雙向傳送。,I,2,C,總線時(shí)序,SPI,總線,工作原理：典型的,SPI,總線接口使用四條線，串行時(shí)鐘線（,SCK,）、主機(jī)輸入,/,從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線,MISO,、主機(jī)輸出,/,從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線,MOSI,和附加一低電平有效的從機(jī)片選線,/CS,。采用,SPI,總線接口可以簡化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和,I/O,口線。,SPI,總線組成,RS-232C,標(biāo)準(zhǔn)串行通訊接口,串行通訊通常指無線發(fā)射與接收，這里提到的串行通訊接口是指需要通過硬件連接。,串行通訊的兩種工作方式：同步傳送和異步傳送。同步傳送要求有時(shí)鐘控制實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端之間的嚴(yán)格同步，要求硬件電路較為復(fù)雜,。,異步傳送的格式,起始位,：表示字傳送的開始，通知接收設(shè)備新的字傳送到達(dá)。,字符位,：規(guī)定低位與起始位相連，高位緊挨停止位，中間可加,奇偶校驗(yàn)位。,停止位,：表示字傳送結(jié)束，停止位后可加高電平的空閑位。,5 MCS-51,系列單片機(jī)應(yīng)用特性及開發(fā),MCS-51,系列單片機(jī)可分為兩大系列：,51,子系列和,52,子系列。,51,子系列,主要有,8031,、,8051,、,8751,三種機(jī)型，指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，差別僅在于片內(nèi)有無,ROM,或,EPROM,。,52,子系列,主要有,8032,、,8052,、,8752,三種機(jī)型。,52,子系列與,51,子系列的不同之處在于：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器增至,256,字節(jié)；片內(nèi)程序存儲器增至,8 KB,(,8032,無,),；有,3,個(gè),16,位定時(shí),/,計(jì)數(shù)器，,6,個(gè)中斷源。其它性能均與,51,子系列相同。,單片機(jī)的開發(fā)與開發(fā)工具,1,開發(fā)的定義,：,軟件和硬件不可分割,，即在應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)生成軟件設(shè)計(jì)框圖和實(shí)現(xiàn)方法；或者考慮到編程的組態(tài)、易維護(hù)等原因反過來修改硬件設(shè)計(jì)。,從提出任務(wù)到定型生產(chǎn)、投入使用的過程稱為,開發(fā),。包括方案論證、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、軟件系統(tǒng)的編程與調(diào)試，直到目標(biāo)樣機(jī)的調(diào)試成功和現(xiàn)場投入使用。,2,開發(fā)的特點(diǎn),：,3,開發(fā)手段,硬件調(diào)試,：編制出簡單的單元調(diào)試程序使系統(tǒng)運(yùn)行，用示波器、萬用表也可使用邏輯分析儀。,軟件調(diào)試,目前多用,KEIL51,軟件，它集編輯、編譯、仿真為一體，支持匯編、,PLM,語言和,C,語言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用，是目前對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試最好的軟件之一。,4,開發(fā)工具,：,設(shè)計(jì)一種通用的調(diào)試程序工具，把開發(fā)系統(tǒng)的,CPU,和,RAM,暫時(shí)出借給用戶控制板（控制系統(tǒng)），利用開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，然后把調(diào)試好的程序固化到,EEPROM,中。,（,2,）功能：硬件電路的檢查與診斷；用戶程序的輸入與修改；程序的運(yùn)行調(diào)試：單步、斷點(diǎn)和連續(xù)等；程序能固化到,EPROM,中等。,（,1,）把,8031,芯片和,EEPROM,拔掉，通過仿真頭插上虛擬單片機(jī)（開發(fā)系統(tǒng)）。,硬件電路做成目標(biāo)板,運(yùn)用,PROTEL,、,POWERPCB,等軟件,程序設(shè)計(jì),通常是,C,語言或者匯編語言，在特定的集成開發(fā)環(huán)境（,IDE,）中編程調(diào)試，比如應(yīng)用最廣泛的,KEIL uVision2,調(diào)試,硬件仿真器,硬件仿真器,目標(biāo)系統(tǒng),開發(fā)軟件,調(diào)試,目標(biāo)系統(tǒng),通信數(shù)據(jù)線,開發(fā)軟件,程序下載,使用,ISP,（,In System Program,在系統(tǒng)編程）,ISP,軟件,下載線,目標(biāo)系統(tǒng),