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1、单片机原理及应用单片机原理及应用黄勤，李楠黄勤，李楠 等编著等编著清华大学出版社清华大学出版社目目 录录第第第第1 1 1 1章章章章 概论概论概论概论第第第第2 2 2 2章章章章 MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51系列单片机的资源配置系列单片机的资源配置系列单片机的资源配置系列单片机的资源配置第第第第3 3 3 3章章章章 MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51系列单片机的指令系统及回报语系列单片机的指令系统及回报语系列单片机的指令系统及回报语系列单片机的指令系统及回报语言程序设计言程序设计言程序设计言程序设计第第第第4 4 4 4章章章章 单片机的单片机的单片机的
2、单片机的C C C C语言语言语言语言第第第第5 5 5 5章章章章 MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51系列单片机的片内接口及中断系列单片机的片内接口及中断系列单片机的片内接口及中断系列单片机的片内接口及中断第第第第6 6 6 6章章章章 MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51系列单片机的扩展技术系列单片机的扩展技术系列单片机的扩展技术系列单片机的扩展技术第第第第7 7 7 7章章章章 单片机应用系统接口技术单片机应用系统接口技术单片机应用系统接口技术单片机应用系统接口技术第第第第8 8 8 8章章章章 单片机应用系统设计单片机应用系统设计单片机应用系统设计单片机应用系
3、统设计第第第第9 9 9 9章章章章 单片机应用系统设计实例单片机应用系统设计实例单片机应用系统设计实例单片机应用系统设计实例第第1 1章章 概论概论1.1 1.1 1.1 1.1 单片机技术的发展过程及趋势单片机技术的发展过程及趋势单片机技术的发展过程及趋势单片机技术的发展过程及趋势1.2 1.2 1.2 1.2 单片机的典型结构及工作原理单片机的典型结构及工作原理单片机的典型结构及工作原理单片机的典型结构及工作原理1.2.1 1.2.1 1.2.1 1.2.1 单片机组成及结构单片机组成及结构单片机组成及结构单片机组成及结构1.2.2 1.2.2 1.2.2 1.2.2 单片机的工作原理单
4、片机的工作原理单片机的工作原理单片机的工作原理1.3 1.3 1.3 1.3 典型单片机的结构及特点典型单片机的结构及特点典型单片机的结构及特点典型单片机的结构及特点1.3.1 MCS-511.3.1 MCS-511.3.1 MCS-511.3.1 MCS-51系列单片机的结构及特点系列单片机的结构及特点系列单片机的结构及特点系列单片机的结构及特点1.3.2 1.3.2 1.3.2 1.3.2 其他单片机的结构及特点其他单片机的结构及特点其他单片机的结构及特点其他单片机的结构及特点1.4 1.4 1.4 1.4 单片机应用系统的开发过程单片机应用系统的开发过程单片机应用系统的开发过程单片机应用
5、系统的开发过程1946年年2月月15日日，第一台电子数字计第一台电子数字计算机问世，标志着算机问世，标志着计算机时代的到来。计算机时代的到来。ENIAC（“埃尼阿克埃尼阿克”）1.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 单片机技术的发展过程及趋势单片机技术的发展过程及趋势单片机技术的发展过程及趋势单片机技术的发展过程及趋势18000多个电子管1500个继电器10000只电容和7000个电阻重量30吨占地面积170平方米耗电150千瓦运算速度每秒5万次当时价值48万美元 ENIAC描述描述1.1计算机分为六大类：巨型机 大型机 中型机小型机 微型机 单片机按性能、价格、体积的不同按性能、价格
6、、体积的不同1.1电电子子计计算算机机技技术术的的发发展，相继经历了五个时代：展，相继经历了五个时代：电子管计算机；电子管计算机；晶体管计算机；晶体管计算机；集成电路计算机；集成电路计算机；大规模集成电路计算机；大规模集成电路计算机；第五代第五代:“非冯非冯.诺伊曼诺伊曼”计算机时代计算机时代 第六代第六代:神经神经计算机时代计算机时代 光计算机时代光计算机时代 生物计算机时代生物计算机时代。冯冯诺依曼结构诺依曼结构 冯诺依曼机：将数据和指令都存储在存储器中的计算机。计算系统由一个中央处理单元（CPU）和一个存储器组成。存储器拥有数据和指令，并且可以根据所给的地址对它进行读或写。因此程序指令和
7、数据的宽度相同；如：Intel8086、ARM7、MIPS处理器等哈佛体系结构哈佛体系结构哈佛机：为数据和程序提供了各自独立的存储器。程序计数器只指向程序存储器而不指向数据存储器，这样做的后果是很难在哈佛机上编写出一个自修改的程序。独立的程序存储器和数据存储器为数字信号处理提供了较高的性能。指令和数据可以有不同的数据宽度；具有较高的效率；如摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ARM10系列等ARM7使用冯诺依曼体系结构。ARM9使用哈佛体系结构。从应用形态上，微机可以分成三种：从应用形态上，微机可以分成三种：多板机（系统机）多板机（系统机）将将CPU、存储器、存储器、I/O接
8、口电路和总线接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。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各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱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）。微型计算机系统（简称系统机）。工业工业PC机机 也属于多板机。也属于多板机。单板机单板机 将将CPU芯片、存储器芯片、芯片、存储器芯片、I/O接口接口芯片和简单的芯片和简单的I/O设备（小键盘、设备（小键盘、LED显示显示器）等装配在一块印刷
9、电路板上，再配上监器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在控程序（固化在ROM中），就构成了一台中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。单板微型计算机（简称单板机）。单单板机板机 单片机是将中央处理器（单片机是将中央处理器（CPUCPU）,随机存随机存储器（储器（RAMRAM），），只读存储器（只读存储器（ROMROM或或EPROMEPROM）,定时器定时器/计数器芯片和一些输入计数器芯片和一些输入/输出接口电输出接口电路集成在一个芯片上的微型计算机，有的甚路集成在一个芯片上的微型计算机，有的甚至包含至包含A/DA/D、D/AD/A转换器。总而言之，一块单转换器。总而言之，
10、一块单片机芯片，就相当于一台微型计算机。又称片机芯片，就相当于一台微型计算机。又称为微控制器（为微控制器（MicrocontrollerMicrocontroller）。）。它是专为工业控制和智能仪器设计的一它是专为工业控制和智能仪器设计的一种集成度很高的微型计算机。种集成度很高的微型计算机。单片机单片机 单片机单片机:在在半导体硅片半导体硅片上上集成了集成了微处理器微处理器(CPU)(CPU)，存储器，存储器(RAM(RAM、ROMROM、EPROM)EPROM)和各种输入、输出接口和各种输入、输出接口。具有一台计算机的属性。具有一台计算机的属性。嵌入式控制器嵌入式控制器 EMCU（Embe
11、dded icroController Unit）。）。我国，我国，习惯使用习惯使用“单片机单片机”这一名称。这一名称。单片机单片机主要应用于测试和控制主要应用于测试和控制领域领域 按用途可分为按用途可分为通用型通用型和和专用型专用型两大两大类：类：（1）通用型）通用型 可开发的内部资源：可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全等功能部件，全部提供给用户部提供给用户,根据需要，设计一个根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心以通用单片机芯片为核心的测控系统。的测控系统。（2）专用型）专用型 专门针对某些产品的专门针对某些产品的特定用途特定用途而制作的单片机，而制作的单片机，针对性
12、强针对性强且且数量巨大数量巨大。对对系统结构的系统结构的最简化最简化、可靠性可靠性和和成本最佳化成本最佳化等方面都作了全等方面都作了全面的考虑。面的考虑。2 2 单片机技术的具体发展过程单片机技术的具体发展过程 纵观整个单片机技术的发展过程，可以分为以下几个纵观整个单片机技术的发展过程，可以分为以下几个主要阶段：主要阶段：（1 1）单芯片微机形成阶段）单芯片微机形成阶段 19761976年，年，INTELINTEL公司推出公司推出MCS-48MCS-48系列单片机。该系列系列单片机。该系列的单片机早期在芯片内集成的资源有：的单片机早期在芯片内集成的资源有：8 8位位CPUCPU、1K1K的的R
13、OMROM、64B64B的数据存储器、的数据存储器、2727条条I/OI/O线和线和1 1个个8 8位定时计数器。位定时计数器。（2 2）性能完善提高阶段）性能完善提高阶段 1980年，年，INTEL公司推出公司推出MCS-51系列单片机。系列单片机。系列的单片机早期在芯片内集成的资源有：系列的单片机早期在芯片内集成的资源有：8位位CPU、4K的的ROM、128B的数据存储器、的数据存储器、4个个8位位I/O接口、接口、2个个16位定时计数器和一个全双工串行接口。位定时计数器和一个全双工串行接口。寻址范围达寻址范围达64K，并集成了布尔处理器。，并集成了布尔处理器。（3）微控制器化阶段）微控制
14、器化阶段 1982年，年，INTEL公司推出公司推出96系列单片机。该系列的单系列单片机。该系列的单片机在芯片内集成的资源有：片机在芯片内集成的资源有：16位位CPU、8K的的ROM、232B数据存储器、数据存储器、5个个8位并行口、位并行口、1个全双工串口、个全双工串口、2个个16位定时计数器、位定时计数器、1个个8路的路的10位位ADC、及高速、及高速IO部件等。部件等。（4）片上系统阶段）片上系统阶段 目前，许多半导体厂商以目前，许多半导体厂商以51系列单片机为内核，将许多系列单片机为内核，将许多应用系统中的标准外围电路集成到单片机中，即在单个芯片应用系统中的标准外围电路集成到单片机中，
15、即在单个芯片上集成一个完整的系统。上集成一个完整的系统。就其发展趋势来看，单片机主要是向高性能、大容量、微型就其发展趋势来看，单片机主要是向高性能、大容量、微型化、系统化等方面发展。化、系统化等方面发展。CPUCPU的改进的改进（1 1）采用双）采用双CPUCPU结构，提高处理能力结构，提高处理能力（2 2）增加数据总线宽度，内部采用）增加数据总线宽度，内部采用1616位数据总线。位数据总线。（3 3）串行总线结构，菲利浦公司的）串行总线结构，菲利浦公司的I2CI2C总线总线（InterInterIcbusIcbus）。用两根信号线代替现行的）。用两根信号线代替现行的8 8位数据总线。位数据总
16、线。存储器的发展存储器的发展 （1）加大存储容量。）加大存储容量。（2）片内片内EPROM采用采用E2PROM或或闪烁（闪烁（Flash）存储器）存储器 3 3 单片机技术的发展趋势单片机技术的发展趋势 片内片内I/OI/O的改进的改进 （1 1）增加并行口的驱动能力，能直接输出）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。大电流和高电压。（2 2）设置）设置特殊的串行接口功能特殊的串行接口功能，课构成，课构成分布式、网络化分布式、网络化系统系统 。外围电路集成化外围电路集成化集成度不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内集成度不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内系统的系统的单片化单片
17、化。典型：典型：美国美国CygnalCygnal公司公司C8051F020 C8051F020 8 8位单片机，采用位单片机，采用流水线结构流水线结构，峰值处理能力为峰值处理能力为25MIPS25MIPS。片上集成有。片上集成有8 8通道通道A/DA/D、两路两路D/AD/A、两路电两路电压比较器，压比较器，内置温度传感器内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和、定时器、可编程数字交叉开关和6464个通用个通用I/OI/O口口、电源监测、看门狗电源监测、看门狗、多种类型的串行总线（两个、多种类型的串行总线（两个UARTUART、SPISPI(Serial Peripheral Interf
18、ace-串行外设接口串行外设接口)）等。）等。低功耗低功耗CMOSCMOS化化 CMOS工艺、工艺、CHMOS工艺。工艺。单片机应用单片机应用 单片机的应用十分广泛，在工业控制领域，单片机的应用十分广泛，在工业控制领域，家电产品、智能化仪器仪表、计算机外部设家电产品、智能化仪器仪表、计算机外部设备、办公自动化产品，特别是机电一体化产备、办公自动化产品，特别是机电一体化产品中，都扮演着十分重要的角色。品中，都扮演着十分重要的角色。l l 家用电器领域家用电器领域 国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣传统的
19、控制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭堡、电视机、机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。录像机及其它视频音像设备的控制器。2 2办公自动化领域办公自动化领域 一一台台PCPC机机可可能能嵌嵌入入了了1010个个单单片片微微机机，如如控控制制键键盘盘、鼠鼠标标、显显示示器器、CD-ROMCD-ROM、声声卡卡、打打印印机机、软软/硬硬盘盘驱驱动器、调制解调器等。动器、调制解调器等。现现代代办办公公室室中中所所使使用用的的大大量量通通信信、信信息息产产品品，如如绘绘图图仪仪、复复印印机机、电电话话、传传真真机机等等，多多数数都
20、都采采用用了了单片微机。单片微机。3 3工业自动化领域的在线应用工业自动化领域的在线应用 如如工工业业过过程程控控制制、过过程程监监测测、工工业业控控制制器器及及机机电电一一体体化化控控制制系系统统等等，许许多多都都是是以以单单片片微微机机为为核核心心的的单单机机或或多多机机网网络络系系统统。如如工工业业机机器器人人的的控控制制系系统统是是由由中中央央控控制制器器、感感觉觉系系统统、行行走走系系统统、擒擒拿拿系系统统等等节节点点构构成成的的多多机机网网络络系系统统。而而其其中中每每一一个个小小系系统统都都是由单片微机进行控制的。是由单片微机进行控制的。4.4.智能仪器仪表与集成智能传感器领域智
21、能仪器仪表与集成智能传感器领域 应应用用单单片片微微机机对对传传统统的的仪仪器器仪仪表表行行业业的的产产品品进进行行“更更新新换换代代”，提提供供了了非非常常理理想想的的条条件件。目目前前各各种种变变送送器器、电电气气测测量量仪仪表表普普遍遍采采用用单单片片微微机机应应用用系系统统替替代代传传统统的的测测量量系系统统，使使测测量量系系统统具具有有各各种种智智能能化化功功能能，如如存存储储、数数据据处处理理、查查找找、判判断断、联联网网和和语音功能等语音功能等5 5汽车电子与航空航天电子系统汽车电子与航空航天电子系统 通通常常在在这这些些电电子子系系统统中中的的集集中中显显示示系系统统、动动力力
22、监监测测控控制制系系统统、自自动动驾驾驶驶系系统统、通通信信系系统统以以及及运运行行监视器（黑匣子）等，都要构成冗余的网络系统。监视器（黑匣子）等，都要构成冗余的网络系统。一一台台BMW-7BMW-7系系列列宝宝马马轿轿车车就就用用了了6363个个单单片片微微机。机。单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提通过软件方法实现了
23、。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。着一种全新概念的建立。1.2 1.2 1.2 1.2 单片机的典型结构及工作原理单片机的典型结构及工作原理单片机的典型结构及工作原理单片机的典型结构及工作原理1 1 单片机组成及结构单片机组成及结构 所谓单片机（所谓单片机（Single Chip MicrocomputerSingle Chip Microcomputer）就是将）就是将微处理器、一定容量的存储器、个数有限的微处理器、一定容量的存储器、个数有限的I/OI/O接口以及接口以及定时器定时器/
24、计数器等功能部件集成在一块芯片上的微型计算计数器等功能部件集成在一块芯片上的微型计算机，且具有一套完善的指令系统。其基本结构如下图所示。机，且具有一套完善的指令系统。其基本结构如下图所示。CPU系统时钟系统时钟ROM定时器定时器/计数器计数器串行串行I/O并行并行I/ORAMRESETINT电源电源地地CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM：
25、用以存放程序、一些原始数据和表格；：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O口：四个口：四个8位并行位并行I/O口，既可用作输口，既可用作输入，也可用作输出；入，也可用作输出；T/C：两个定时：两个定时/记数器，既可以工作在定时记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；五个中断源的中断控制系统；一个全双工一个全双工UART（通用异步接收发送器）（通用异步接收发送器）的串行的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微片内振荡
26、器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。调电容需要外接。80C51典型产品资源配置典型产品资源配置2 2 单片机的工作原理单片机的工作原理 单片机是通过执行程序来工作的，执行不同的程序便完单片机是通过执行程序来工作的，执行不同的程序便完成不同的功能。成不同的功能。单片机执行每一条指令都可分为单片机执行每一条指令都可分为3 3个阶段进行，即取指令、个阶段进行，即取指令、分析指令和执行指令。分析指令和执行指令。取指令阶段：根据程序计数器取指令阶段：根据程序计数器PCPC中的值，从程序存储器中的值，从程序存储器中读出现行指令，送到指令寄存器。中读出现行指令，送到指令寄存器。分析指令阶段：将指令
27、寄存器中的指令操作码取出后进分析指令阶段：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析指令性质。行译码，分析指令性质。执行指令阶段：取出操作数，然后按照操作码的性质对执行指令阶段：取出操作数，然后按照操作码的性质对操作数进行操作。操作数进行操作。单片机执行程序的过程实际上就是重复执行上述单片机执行程序的过程实际上就是重复执行上述3 3个阶段个阶段的操作过程。的操作过程。单片机的工作过程单片机的工作过程机器实际执行的程序只是对一系列编码指令的字节序列。机器实际执行的程序只是对一系列编码指令的字节序列。单片机组成单片机组成1.3 1.3 1.3 1.3 典型单片机的结构及特点典型单片机的结构及特
28、点典型单片机的结构及特点典型单片机的结构及特点1 1 89C5189C51单片机的片内结构单片机的片内结构单片机的结构及特点单片机的结构及特点 下图是按功能划分的下图是按功能划分的89C5189C51单片机内部功能模块框图，单片机内部功能模块框图，各模块及其基本功能为：各模块及其基本功能为：由如下功能部件组成由如下功能部件组成：1.CPU1.CPU（微处理器）微处理器）2.2.数据存储器（数据存储器（RAMRAM）片内为片内为128128个字节（个字节（5252子系列的为子系列的为256256个字节）个字节）3.3.程序存储器（程序存储器（ROM/EPROMROM/EPROM）8031:803
29、1:无此部件；无此部件；8051:8051:4K4K字节字节ROMROM；8751:8751:4K4K字节字节EPROM EPROM；89C51/89C52/89C55:89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K 4K/8K/20K 字节闪存字节闪存。4.4.4 4个个并行并行8 8位位I/OI/O口口 P1P1口、口、P2P2口、口、P3P3口、口、P0P0口口 为。为。5.5.串行口串行口 1 1个个全双工全双工的异步串行口，具有的异步串行口，具有四种四种工作方式工作方式。6.6.定时器定时器/计数器计数器7.7.中断系统中断系统8.8.特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRS
30、FR）共有共有2121个个，是一个具有特殊功能的，是一个具有特殊功能的RAMRAM区。区。CPUCPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFRSFR，Special Function RegisterSpecial Function Register）的集中控制方式。）的集中控制方式。1.3.2 1.3.2 常用单片机系列简介常用单片机系列简介 一、一、ATMEL单片机单片机 ATMEL公司所生产的ATMEL89系列单片机（简称89系列单片机），就是基于Intel公司的MCS-5l系列而研制的，该公司的技术优势在于Flash存储器技术。标准型单
31、片机有：AT89C51，AT89LV51，AT89C52，AT89LV52；低档型单片机有：AT89C1051和AT89C2051两种型号。它们的CPU内核和AT89C51是相同的，但并行I/O较少；高档型单片机有：AT89S8252，这是一种可下载的Flash单片机。它和IBM微机通信进行下载程序十分方便。二、二、PhilipsPhilips单片机单片机 Philips公司的的单片机都属于MCS-51系列兼容的单片机。从内部结构看可以划分为两大类，8位机与80C51兼容系列和16位机XA系列。Philips公司的的单片机8位机的主要产品型号有P80CXX、P87CXX和P89CXX系列，16
32、位机的主要产品型号有PXACXX、PXAGXX和PXASXX等。三、三、Maxim-DallasMaxim-Dallas单片机单片机四、四、WinBondWinBond单片机单片机五、五、MotorolaMotorola单片机单片机六、其他公司的单片机六、其他公司的单片机1）NEC单片机；2）东芝单片机；3）Epson单片机；4)PIC单片机Microchip公司1.4 1.4 1.4 1.4 单片机应用系统的开发过程单片机应用系统的开发过程单片机应用系统的开发过程单片机应用系统的开发过程单片机的开发一般应包含以下过程：单片机的开发一般应包含以下过程：1 1根据应用系统设计目标（功能和性能指标），确根据应用系统设计目标（功能和性能指标），确定待开发的应用系统所要完成的任务，以及从应用系统总定待开发的应用系统所要完成的任务，以及从应用系统总体设计方案出发，确定应用系统的结构、电路板划分原则体设计方案出发，确定应用系统的结构、电路板划分原则等。等。2 2以上述工作为基础，写出设计任务书、画出总体以上述工作为基础，写出设计任务书、画出总体原理框图，作为系统设计的依据。原理框图，作为系统设计的依据。3 3进行软、硬件的设计。进行软、硬件的设计。4 4系统调试。系统调试。