单片机基础.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单片机在哪里,冰箱与单片机,单片机在哪里,电磁炉与单片机,输入设备,输出设备,输出设备,单片机系统的意义体现在,接收输入信号，经过分析和判断后，控制输出设备执行操作。,单片机在哪里,MP3,与单片机,单片机在哪里,其他,CPU,、存储器、,I/O,接口电路由总线有机地联系在一起的整体。,什么是单片机,回忆,微型计算机,的概念,CPU,I/O,接口,各部分一般对应,不同的芯片,。,什么是单片机,单片机的概念,在,一块芯片,内集成了构成一台计算机的主要部件：,CPU,、存储器、,I/O,以及其他功能部件。,(p1),中,央,处,理,器,CPU,时钟电路,ROM,(,程序,),RAM,(,数据,),并行,I/O,接口,串行,I/O,接口,定时,计数器,电源,控制,引脚,内部总线,单片机内部结构,CPU,中,央,处,理,器,CPU,时钟电路,ROM,(,程序,),RAM,(,数据,),并行,I/O,接口,串行,I/O,接口,定时,计数器,电源,控制,引脚,内部总线,CPU,控制数据的处理和整个单片机系统的工作。,运算器：,对二进制数进行算术、逻辑运算,控制器：,发布操作命令的机构,单片机内部结构,存储器,中,央,处,理,器,CPU,时钟电路,ROM,(,程序,),RAM,(,数据,),并行,I/O,接口,串行,I/O,接口,定时,计数器,电源,控制,引脚,内部总线,ROM,：,程序存储器,RAM,：,数据存储器,程序与数据分开存储,单片机内部结构,I/O,接口,中,央,处,理,器,CPU,时钟电路,ROM,(,程序,),RAM,(,数据,),并行,I/O,接口,串行,I/O,接口,定时,计数器,电源,控制,引脚,内部总线,并行接口：,单片机和存储器或外设之间并行地传递,8,位数据,串行接口,：,串行通信,单片机内部结构,特殊功能部件,中,央,处,理,器,CPU,时钟电路,ROM,(,程序,),RAM,(,数据,),并行,I/O,接口,串行,I/O,接口,定时,计数器,电源,控制,引脚,内部总线,定时计数器、系统时钟电路,典型的单片机产品,MCS-51,Intel 8051,单片机由,Intel,公司最早生产。,Atmel,、,Infineon Technologies,等也生产了,8051,兼容型单片机。,典型的单片机产品,PIC,单片机,PIC,单片机是,Microchip Technology,公司研制的一大类单片机的总称，是,Programmable Interface Controller,的缩写。,典型的单片机产品,AVR,单片机,由,Atmel,公司与,1996,年研制出来。有,UC3,、,XMEGA,、,tinyAVR,等几大系列过百种型号。,典型的单片机产品,其他单片机,ARM,系列单片机,ST Microelectronics(,意法半导体,),公司的,ST,系列单片机,Freescale,公司的系列单片机,Texas Instruments,公司的,ST,系列单片机,单片机选择,结构选择,Intel 8051,系列、,Atmel,的,AT89,系列、,Philips,的,PFC51,系列等,CISC,（复杂指令集计算机）结构,：数据和指令分时复用，即冯,诺依曼结构。,指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格高。适合于控制关系较复杂的场合。,单片机选择,结构选择,RISC,（精简指令集计算机）结构：,取数据和取指令可同时进行,即哈佛结构。,Microchip,公司的,PIC,系列，,Zilog,的,Z86,系列，,Atmel,的,AT90S,系列等。,程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器。对应的是系统的,4,条总线：,程序的数据总线与地址总线,，,数据的数据总线与地址总线,。,指令少，执行效率高。适合于控制关系较简单的小家电,程序存储器,单片机选择,PIC,单片机与,MCS-51,单片机比较,PIC,MCS-51,总线结构,哈佛,冯诺依曼,寄存器组,I/O,接口、定时器和程序计数器等都采用,RAM,结构形式，,一个指令周期,就可完成访问。,需要,两个或两个以上周期,才能改变寄存器内容,单片机选择,AVR,单片机与,MCS-51,单片机比较,AVR,MCS-51,总线结构,RISC,的哈佛结构,CISC,的冯诺依曼结构,内部资源,内部资源丰富，速度快,内部资源少，速度慢，学习简单，使用最多，最经典,1.2,单片机外形和引脚功能,电源正,(+5V),电源接地端,复位引脚,1.2,单片机外形和引脚功能,P0,口，,8,位双向,P2,口，,8,位双向,P1,口，,8,位双向,P3,口，,8,位双向,1.2,单片机外形和引脚功能,外接晶振引脚,组成了,MCS-51,的控制总线,1.2,单片机外形和引脚功能,程序存储器的内部选通线。,/EA=1,，选通片内程序存储器；,/EA=0,，选通片外程序存储器。,编程时使用,(VPP),接,21V,。,1.2,单片机外形和引脚功能,地址锁存信号,访问外部程序存储器控制信号,1.3 MCS-51,单片机内部结构,CPU,：,ALU,定时控制部件,专用寄存器组,1.3.1 CPU,结构,ALU,加、减、乘、除等算术运算；,与、或、非、异或等逻辑运算；,数据传送、移位、判断程序转移等功能。,加法器,+2,个,8,位暂存器,+,布尔处理器,1.3.1 CPU,结构,定时控制部件,定时控制逻辑,：用于对,IR,中的指令码进行译码，并在,OSC,的配合下产生执行指令的时序脉冲,指令寄存器,(IR),：存放从程序存储器中取出的指令码,OSC,：为控制器提供时钟脉冲,时钟脉冲频率,是单片机性能的重要指标,1.3.1 CPU,结构,专用寄存器组,PC(,程序计数器,),:16,位程序地址寄存器，存放,下一条,需要执行的,指令的内存地址,，能自动加,1,。,(p15),A(,累加器,),:8,位，可以记作,Acc,，用于存放操作数和运算结果。,(p15),MOVA,，,#03H,ADDA,，,#05H,A,可以记作,Acc,，但两种形式对应,不同的寻址方式,问：,8051,对程序存储器的寻址范围是多少？,1.3.1 CPU,结构,专用寄存器组,B(,通用寄存器,),:8,位，专为乘除法设置。运算前存放,乘数,/,除数,，运算后存放,乘积高,8,位,/,余数,。,(p15),MOVA,，,#03H,MOVB,，,#05H,MULAB,1.3.1 CPU,结构,专用寄存器组,PSW(,程序状态字,),:8,位标志寄存器，存放指令执行后的有关状态。,(p15),Cy,AC,RS1,F0,RS0,OV,P,-,D,7,D,6,D,4,D,5,D,3,D,2,D,0,D,1,进位标志位,辅助进位标志位,用户标志位。通过传送指令确定,Cy,AC,RS1,F0,RS0,OV,P,-,D,7,D,6,D,4,D,5,D,3,D,2,D,0,D,1,寄存器选择位,RS1 RS0,R,0,R,7,组号,R,0,R,7,物理地址,00,0,00H07H,01,1,08H0FH,10,2,10H17H,11,3,18H1FH,开机后,默认,问：执行指令,MOV PSW,，,#08H,后,R,0,R,7,的地址是多少？,Cy,AC,RS1,F0,RS0,OV,P,-,D,7,D,6,D,4,D,5,D,3,D,2,D,0,D,1,溢出标志位,奇偶标志位,例：设程序执行前,F0=0,，,RS1RS0=00B,，请问机器执行如下程序后，,PSW,中各位的状态是什么？,MOVA,，,#0FH,ADDA,，,#F8H,0000 1111,1111 1000,+,1,1,1,0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,1,OV=CP,CS=1,1=0,CP,CS,0,0,C1H,Cy,对,无符号数,运算有意义；,OV,对,有符号数,运算有意义；,某二进制数用作为无符号数还是有符号数，取决于应用的需要。应,按需要选择对应的标志位,。,0FH,F8H,+,15,248,+,107H,无符号数,263,255,Cy=1,15,-8,+,有符号数,7,128,OV=0,思考与练习,例：设程序执行前,F0=0,，,RS1RS0=00B,，请问机器执行如下程序后，,PSW,中各位的状态是什么？,MOVA,，,#7FH,ADDA,，,#70H,1.3.1 CPU,结构,专用寄存器组,DPTR(,数据指针,),:16,位寄存器，用于存放片内,ROM,或片外,RAM,和,ROM,的,地址,。,(p15),DPH,DPL,高,8,位,低,8,位,1.3.1 CPU,结构,专用寄存器组,SP(,堆栈指针,),:8,位寄存器，存放栈顶地址。,(p16),堆栈生长方向：,从低地址向高地址方向,栈底,SP,进栈,12H,低地址,高地址,栈底,SP,出栈,12H,低地址,高地址,系统复位后,SP,的初值为,07H,，一般编程时需设置为,30H60H,1.3.2,存储器结构,(p1114),程序存储器,(ROM),用来存放用户的,程序、表格和常数,。,数据存储器,(RAM),用来存放程序执行过程中的,结果和中间数据。,1.3.2,存储器结构,(p1114),存储器地址分配（三个地址空间）,ROM,存储器地址空间：,片内,ROM+,片外,ROM,0000HFFFFH,片内,RAM,地址空间：,00HFFH,片外,RAM,地址空间：,0000HFFFFH,地址空间有重叠，该如何处理？,采用,不同的传送指令,来区分对不同地址空间的访问,。,MOVC,MOV,MOVX,1.3.2,存储器结构,ROM,存储器地址分配,(p12),外部,ROM,FFFFH,1000H,内部,ROM,(,EA=1,),0FFFH,0000H,8031,无内部,ROM,，,8051,内部有,4KB ROM,8031,、,8051,都可以外接片外,ROM,，但,片内片外之和不能超过,64KB,为什么？,EA=1,时,使用,片内,4KB ROM,8031,的,EA=0,EA=0,时自动,使用,片外,ROM,外部,ROM,(,EA=0,),FFFFH,0000H,程序存储器,(ROM),用来存放用户的,程序、表格和常数,。,ORG2000H,MOVA,#05H,2000H,2001H,2002H,0111 0100,0000 0101,复位后,PC=0000H,，机器在复位后都转到,0000H,处执行程序。可预先在,0000H,处放一条转移指令,，以便跳转到,0000HFFFFH,中的任何地方执行程序。,ORG 0000H,LJMP 2000H,ORG 2000H,START:,；程序从,2000H,单元开始执行,程序存储器中的,0003H002AH,共,40,个单元，平分成,5,个入口，每个部分,8,个单元，提供,给中断源使用,。,1.3.2,存储器结构,(p1214),片内,RAM,存储器地址分配（,8051,）,SFR,区,FFH,80H,低,128B,RAM,区,7FH,00H,寄存器组,1,寄存器组,2,寄存器组,3,寄存器组,0,00H07H,08H0FH,18H1FH,10H17H,20H2FH,位寻址区,30H7FH,用户区,问：寄存器组该如何选择？,SETB,7FH,SETB,2FH.7,存放用户数据或作堆栈区使用，按,字节,寻址,1.3.2,存储器结构,片内,RAM,存储器地址分配（,8051,）,SFR,区,FFH,80H,低,128B,RAM,区,7FH,00H,SFR,离散分布,，不为,SFR,占用的,RAM,单元不存在。,可通过直接寻址指令进行,字节,存取。,地址能被,8,整除的,SFR,可以进行,位寻址,。,1.3.2,存储器结构,SFR,区,FFH,80H,低,128B,RAM,区,7FH,00H,片内,RAM,存储器地址分配（,8052,）,高,128B,RAM,区,FFH,80H,地址重合,8052,通过,不同的寻址方式,来区别,80HFFH,地址范围内访问的是,SFR,还是,RAM,单元。,1.3.3 I/O,端口,(p911),单片机的,I/O,口肩负着,控制外设和接收信号,的责任。在单片机学习中，理解,I/O,口是如何在程序的控制下工作是首要解决的问题。,单片机的,I/O,口是,双向,的，既可以输入信号也可以输出信号,1.3.3 I/O,端口,(p911),并行,I/O,口,8051,有,4,个,双向并行,I/O,口，,P0P3,，每个端口内部都有一个,8,位数据输出锁存器和一个,8,位数据输入缓冲器。,并行口,功能,1,功能,2,P0,P2,通用,I/O,口,通用,I/O,口,输出片外存储器,低,8,位地址,和读写数据,输出片外存储器,高,8,位地址,内部有受控制器控制的,2,选,1,选择电路,P1,P3,通用,I/O,口,通用,I/O,口,无,特殊功能,既能对端口进行读写，也能对位进行操作。,1.3.3 I/O,端口,P0,口内部结构,P0,口作为,I/O,接口使用时需要接,510K,的上拉电阻,1.3.3 I/O,端口,P2,口内部结构,1.3.3 I/O,端口,P1,口内部结构,1.3.3 I/O,端口,P3,口内部结构,1.3.3 I/O,端口,通用,I/O,口操作,P0P3,均可作为通用,I/O,口使用，,P0,口作为,I/O,接口使用时需要接,510K,的上拉电阻,输出操作,MOV P1,#0FAH,SETB P1.1,输入操作,MOV A,P1,MOV C,P1.1,需要注意的是,读引脚时,，要先,对引脚置,1,，否则结果可能不对。,既能对端口进行读写，也能对位进行操作。,1.3.3 I/O,端口,单片机上电复位时，,I/O,口默认作为输出口，如果需要,作输入口使用,，需要先用程序,向每个,I/O,口写入1,。,MOV A,#0FFH,;A=1111 1111 B,MOV P0,A,;,向,P0,每位写入,1,LOOP:,MOV A,P0,;,从,P0,口读入数据，载入,A,MOV P1,A,;,将,A,中数据从,P1,口输出,JMP LOOP,;,循环,1.3.3 I/O,端口,总线使用操作,读操作,MOVX A,，,DPTR,写操作,MOVX DPTR,，,A,1.3.3 I/O,端口,串行,I/O,口,8051,有一个,全双工的可编程串行,I/O,口：,在程序控制下把,CPU,的,8,位并行数据变成串行数据位从发送数据线,TxD,发送出去,把,RxD,线上的串行接收到的数据变成,8,位并行数据送给,CPU,。,P3.1,P3.0,SFR,SCON,PCON,SBUF,1.3.4,定时器,/,计数器,(,补,),8051,内部有,2,个,16,位定时器,/,计数器,T0,TH0,8,位,TL0,8,位,P3.3,P3.4,T1,TH1,8,位,TL1,8,位,计数脉冲输入,SFR,TH0,TL0,TH1,TH1,TMOD,TCON,1.3.5,中断系统,(,补,),8051,共可处理,5,个,中断源,内部（,3,个）,定时,/,计数器,T0,中断源,定时,/,计数器,T1,中断源,串行口中断源,从“全,1”,变成“全,0”,溢出时自动向系统提出,每发送完,/,接收到一组数据,(8,位,),后自动向系统提出,外部（,2,个）,INT0,INT1,P3.2,P3.3,SFR,IP,IE,51,单片机特征,具有,8,位的,CPU,数据总线结构,具有布尔处理（位处理）能力,内部具有一定的存储容量，外部具有,64KB,程序存储器扩展空间,外部具有,64KB,的数据存储器扩展空间,内部具有,128B,片内数据存储器,具有,32,根、分成,4,个端口、双向并可按位寻址的,I/O,口线,具有,2,个,16,位定时,/,计数器,具有,1,个全双工的串行通信接口,具有,5,个中断源向量，每个中断源有,2,个级别,端口线（,4,8,=32,条）,P0.7P0.0,8051,不带片外存储器,，,P0,口作为通用,I/O,口,8051,带片外存储器,，,P0.7P0.0,在,CPU,访问片外存储器时，先用于传送片外存储器的,低,8,位地址,，然后传送,CPU,对片外存储器的,读写数据,分时复用,8751,的,P0,口有第,3,功能，用于传送,EPROM,的编程机器码或读出校验码。,端口线（,4,8,=32,条）,P1.7P1.0,作为通用,I/O,口，传输用户的输入,/,输出数据。,8751,的,P1,口有第,2,功能，在编程和校验时用于输入片内,EPROM,的低,8,位地址。,端口线（,4,8,=32,条）,P2.7P2.0,8051,不带片外存储器,作为通用,I/O,口，传输用户的输入,/,输出数据。,8751,的,P2,口有第,3,功能，传送片内,EPROM12,位地址的高,4,位。,8051,带片外存储器,，,P2,口用于传送片外存储器的,高,8,位地址,端口线（,4,8,=32,条）,P3.7P3.0,作为通用,I/O,口，传输用户的输入,/,输出数据。,控制功能,P3.0 RxD,P3.1 TxD,P3.2 INT0,P3.3 INT1,P3.4 T0,P3.5 T1,P3.6 WR,P3.7 RD,电源线（,2,条）,Vcc,+5V,电源线,Vss,接地线,控制线（,6,条）,ALE/PROG,地址锁存允许,/,编程线,功能,1,：配合,P0,口的第,2,功能使用,功能,2,：在,8751,片内,EPROM,校验时传送,52ms,左右的负脉冲,控制线（,6,条）,EA/Vpp,允许访问片外存储器,/,编程电源线,功能,1,：,EA=1,，使用片内,ROM,，,EA=0,，使用片外,ROM,。,功能,2,：,Vpp,用于在片内,EPROM,编程,/,校验时输入,21V,编程电源。,控制线（,6,条）,PSEN,片外,ROM,选通线,在执行访问片外,ROM,的指令,MOVC,时，,8051,自动在,PSEN,线上产生一个负脉冲，用于片外,ROM,的选通。,8031,对片外存储器的连接,(,补,),8031,EA,P2.7P2.0,P0.7P0.0,ALE,PSEN,RD,WR,74LS,373,A15A0,D7D0,1#,ROM,64K,8,PD/PGM,A15A0,D7D0,2#,RAM,64K,8,RD,WR,从片外,ROM,的,2050H,单元读数据,20,50,50,2050H,X,2050H,8031,对片外存储器的连接,(,补,),8031,EA,P2.7P2.0,P0.7P0.0,ALE,PSEN,RD,WR,74LS,373,A15A0,D7D0,1#,ROM,64K,8,PD/PGM,A15A0,D7D0,2#,RAM,64K,8,RD,WR,向片外,RAM,的,2050H,单元写数据,20,50,50,2050H,X,2050H,控制线（,6,条）,复位,/,备用电源线,功能,1,：复位，使主机各部件恢复为初始状态,RST/VPD,Vcc,RST,Vss,+5V,10,F,8.2k,自动上电复位,Vcc,RST,Vss,+5V,1,F,51k,开关复位,1k,功能,2,：当主电源发生故障，备用电源自动投入,控制线（,6,条）,片内振荡输入线,连接,8051,片内,OSC,的定时反馈回路,XTAL1,和,XTAL2,XLAT1,XLAT2,C01,C02,1.4 MCS-51,单片机时序,拍节,P,：,时钟脉冲,机器周期和指令周期,指令周期：,执行一条指令所需要的时间，可包含一、二、三或四个机器周期。,状态,S,：,2,个节拍,P,机器周期：,MCS-51,采用定时方式，所以有固定的机器周期。,一个机器周期等于,6,个状态周期，,12,个振荡周期,(p17),1.4 MCS-51,单片机时序,取指令阶段：,把,PC,中的地址送到程序存储器，并从中取出需要执行的指令的操作码和操作数,MCS-51,指令的取址,/,执行时序,指令执行阶段：,对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。,ALE,信号,时周期性的，每个机器周期内出现,2,次,高电平（,S1P2,，,S4P2,），持续一个状态,S,。每出现一次，,CPU,就进行一次取址操作。,(,补,),1.4 MCS-51,单片机时序,MCS-51,的,111,条指令可以分为,6,类，对应,6,种基本时序。,MCS-51,指令的取址,/,执行时序,单字节单周期单字节双周期单字节四周期,双字节单周期双字节双周期三字节双周期,(,补,),时钟,S1,P1 P2,S2,P1 P2,S3,P1 P2,S4,P1 P2,S5,P1 P2,S6,P1 P2,S1,P1 P2,ALE,S2,P1 P2,S3,P1 P2,S4,P1 P2,S5,P1 P2,S6,P1 P2,第一机器周期,第二机器周期,S1,S2,S3,S4,S5,S6,读操作码,读操作码,（无效）,读下一条指令,单字节单周期指令：,INC A,只需进行一次读指令操作（指令只有一个字节），当第,2,个,ALE,有效时，由于,PC,没有加,1,，读出的还是原指令，属于一次无效操作,时钟,S1,P1 P2,S2,P1 P2,S3,P1 P2,S4,P1 P2,S5,P1 P2,S6,P1 P2,S1,P1 P2,ALE,S2,P1 P2,S3,P1 P2,S4,P1 P2,S5,P1 P2,S6,P1 P2,第一机器周期,第二机器周期,S1,S2,S3,S4,S5,S6,读操作码,读第,2,字节,读下一条指令,双字节单周期指令,：,ADD A,，,#data,ALE,两次读操作都有效，第一次读操作码（指令第一字节），第二次读立即数,时钟,S1,P1 P2,S2,P1 P2,S3,P1 P2,S4,P1 P2,S5,P1 P2,S6,P1 P2,S1,P1 P2,ALE,S2,P1 P2,S3,P1 P2,S4,P1 P2,S5,P1 P2,S6,P1 P2,第一机器周期,第二机器周期,S1,S2,S3,S4,S5,S6,读操作码,读操作码无效,S1,S2,S3,S4,S5,S6,单字节双周期指令,：,INC DPTR,两个机器周期共进行,4,次读指令操作，但其后的三次读操作都是无效的,1.5 MCS-51,单片机工作方式,(p1820),复位方式,单片机在开机时都需要复位，以便,CPU,以及其他功能部件都处于一个,初始状态,，并从此状态开始工作。,RST,引脚上的复位信号是高电平有效的，持续时间要有,24,个时钟周期,以上。,问：若,MCS-51,单片机晶振频率是,12MHz,，那么复位脉冲的宽度至少为多少？,单片机复位后其片内寄存器,初始状态,(p1819),PC,0000H,TMOD,00H,A,00H,TCON,00H,B,00H,TH0,00H,PSW,00H,TL0,00H,SP,07H,TH1,00H,DPTR,0000H,TL1,00H,P0P3,0FFH,SCON,00H,IP,XXX00000,SBUF,不变,IE,0XX00000,PCON,0XXXXXXX,有无不妥之处？此时堆栈区在内部,RAM,的什么部分？,在程序初始化时，需要,改变,SP,的值,，一般可置,SP,为,50H,或,60H,，对应的堆栈深度为,48B,或,32B,。,(p16),1.5 MCS-51,单片机工作方式,(p1820),程序执行方式,单步执行方式,常用于用户程序的调试，利用单片机的外部中断功能实现。,连续执行方式,复位后,PC=0000H,，机器在复位后都转到,0000H,处执行程序。可预先在,0000H,处放一条转移指令,，以便跳转到,0000HFFFFH,中的任何地方执行程序。,1.5 MCS-51,单片机工作方式,(p1820),低功耗工作方式,节电方式是由特殊功能寄存器,PCON,控制的。,SMOD,-,-,-,GF1,GF0,IDL,PD,D,7,D,6,D,4,D,5,D,3,D,2,D,0,D,1,PCON,串行口波特率倍率控制位,通用标志位,掉电控制位,空闲控制位,振荡器,M1,时钟发,生器,M2,PD,IDL,XLAT1,XLAT2,掉电方式,MOV PCON,，,#02H,；,PD,1,0,1,中断、串行口,定时器,CPU,振荡器停止工作，时钟被冻结，但片内,RAM,，,SFR,等可由后备电源保持。,只能通过硬件复位退出。,振荡器,M1,时钟发,生器,M2,PD,IDL,XLAT2,XLAT1,待机方式,MOV PCON,，,#01H,；,IDL,1,中断、串行口,定时器,CPU,0,0,M2,无输出，,CPU,停止工作，但中断、串行口和定时计数器继续工作。,有中断请求、硬件复位两种退出方式。,