单片机应用技术-冶金工业出版社-课件.ppt

1、第第1 1章章 单片机概述单片机概述第第1 1章章 单片机概述单片机概述1.1 1.1 单片机简介单片机简介1.2 1.2 单片机的应用领域单片机的应用领域1.3 1.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势1.4 1.4 单片机单片机MCS-51MCS-51系列系列习题习题 1.1 1.1 单片机简介单片机简介 常说的微型计算机，包括运算器、控制器、存储器常说的微型计算机，包括运算器、控制器、存储器和输入和输入/ /输出接口等部分。如果把运算器与控制器封装在输出接口等部分。如果把运算器与控制器封装在一小块芯片上，则称该芯片为微处理器一小块芯片上，则称该芯片为微处理器(Micro (Micro P

2、rocessing UnitProcessing Unit，MPU)MPU)或中央处理器或中央处理器(Central (Central Processing UnitProcessing Unit，CPU)CPU)。如果将它与大规模集成电路制。如果将它与大规模集成电路制成的存储器、输入成的存储器、输入/ /输出接口电路在印制电路板上用总线输出接口电路在印制电路板上用总线连接起来，就构成了微型计算机。连接起来，就构成了微型计算机。 如图如图1-11-1所示为微型计算机的基本结构。从图中可以所示为微型计算机的基本结构。从图中可以看出，微型计算机是由运算器、控制器、存储器、输入看出，微型计算机是由运

3、算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备设备和输出设备5 5部分组成。部分组成。1.1 1.1 单片机简介单片机简介图图1-1 1-1 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构 如果在一块芯片上集成了一台微型计算机的如果在一块芯片上集成了一台微型计算机的5 5个基本个基本组成部分，则称这种芯片为单片微型计算机组成部分，则称这种芯片为单片微型计算机(Single (Single Chip Microcomputer)Chip Microcomputer)，简称单片机。以单片机为核心的，简称单片机。以单片机为核心的硬件电路称为单片机系统。硬件电路称为单片机系统。 单片机系统广泛应用在嵌入式系统等领

4、域。嵌入式单片机系统广泛应用在嵌入式系统等领域。嵌入式系统一般指非系统一般指非PC(PersonalPC(Personal Computer) Computer)系统，它也包括硬系统，它也包括硬件和软件两部分。硬件部分包括中央处理器、存储器、件和软件两部分。硬件部分包括中央处理器、存储器、外设器件、外设器件、I/O(I/O(输入输入/ /输出输出) )端口和图形控制器等。软件端口和图形控制器等。软件部分包括系统软件部分包括系统软件( (要求实时和多任务操作要求实时和多任务操作) )、应用软件、应用软件和程序软件，单片机的软件系统只使用管理单片机系统和程序软件，单片机的软件系统只使用管理单片机系

5、统工作的管理程序和用于完成具体任务的应用程序，比较工作的管理程序和用于完成具体任务的应用程序，比较简单。简单。1.1 1.1 单片机简介单片机简介 单片机现在已在嵌入式系统中占据主导地位。一些单片机现在已在嵌入式系统中占据主导地位。一些半导体公司在单片机内部还集成了许多外围功能的电路半导体公司在单片机内部还集成了许多外围功能的电路和外设接口，如中断、定时和外设接口，如中断、定时/ /计数和串行通信等单元，使计数和串行通信等单元，使得单片机系统的体积更小，功能更强大。高级一些的单得单片机系统的体积更小，功能更强大。高级一些的单片机在其内部甚至还集成了模拟片机在其内部甚至还集成了模拟/ /数字转换

6、数字转换(ADC)(ADC)、数字、数字/ /模拟转换模拟转换(DAC)(DAC)、脉冲宽度调制、脉冲宽度调制(PWM)(PWM)、USBUSB接口、接口、CANCAN总总线、线、I I2 2C C、E E2 2PROMPROM和实时时钟和实时时钟(RTC)(RTC)等单元。这些单元极等单元。这些单元极大地丰富了单片机的控制特性。国外目前习惯称其为微大地丰富了单片机的控制特性。国外目前习惯称其为微控制器控制器(Micro Control Unit(Micro Control Unit，MCU)MCU)。1.1 1.1 单片机简介单片机简介1.2 1.2 单片机的应用领域单片机的应用领域 美国美

7、国IntelIntel公司分别于公司分别于19711971年生产出年生产出4 4位单片机位单片机40044004和和19721972年生产出年生产出8 8位单片机位单片机80088008。随着。随着19761976年年MCS-48MCS-48单片单片机的问世，单片机的发展进入了全盛时期。并在其后的机的问世，单片机的发展进入了全盛时期。并在其后的3030年里多次更新换代，大约每二三年集成度就增大一倍、年里多次更新换代，大约每二三年集成度就增大一倍、性能翻一番。性能翻一番。 单片机由于其体积小、功耗低、价格低廉，且具有单片机由于其体积小、功耗低、价格低廉，且具有逻辑判断、定时计数和程序控制等多种功

8、能，广泛应用逻辑判断、定时计数和程序控制等多种功能，广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。单片机已经完全渗备的智能化管理及过程控制等领域。单片机已经完全渗透到生产和生活的各个领域。透到生产和生活的各个领域。1.2 1.2 单片机的应用领域单片机的应用领域 它在工业自动化、工业测控、智能仪器表、家用电它在工业自动化、工业测控、智能仪器表、家用电器、信息和通信、军用装备都发挥了作用。器、信息和通信、军用装备都发挥了作用。 单片机具有较强的实时数据处理能力和控制功能，单片机具有较强的实时数据处理能力和控

9、制功能，可以使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率可以使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量，所以在工业测控、航空航天和尖端武器等和产品质量，所以在工业测控、航空航天和尖端武器等各种实时控制系统中，都作为控制器件使用。各种实时控制系统中，都作为控制器件使用。 全世界单片机的年产量数以亿计，应用范围之广，全世界单片机的年产量数以亿计，应用范围之广，花样之多，一时难以详述。单片机应用的意义绝不仅仅花样之多，一时难以详述。单片机应用的意义绝不仅仅限于它的广阔应用范围及所带来的经济效益，更重要的限于它的广阔应用范围及所带来的经济效益，更重要的还在于它从根本上改变了传统的控制系统设

10、计思想和设还在于它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。过去必须由模拟电路或数字电路实现的大部分计方法。过去必须由模拟电路或数字电路实现的大部分硬件控制电路，现在可以使用软件编程的方法来实现。硬件控制电路，现在可以使用软件编程的方法来实现。这种以软代硬的控制技术称为微控制技术。随着单片机这种以软代硬的控制技术称为微控制技术。随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展和日趋完善，应用的推广普及，微控制技术必将不断发展和日趋完善，而单片机的应用也必将更加深入、更加广泛。而单片机的应用也必将更加深入、更加广泛。1.2 1.2 单片机的应用领域单片机的应用领域1.3 1.3 单片机的发

11、展趋势单片机的发展趋势 目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，今后目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，今后的发展趋势将进一步向低功耗、小体积、大容量、高性的发展趋势将进一步向低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格、高速化、高可靠性方向发展。从生产工艺能、低价格、高速化、高可靠性方向发展。从生产工艺上讲，主要是正在上讲，主要是正在CMOSCMOS化。化。(1) CMOS(1) CMOS化。化。 CMOS CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低价格。近年电路的特点是低功耗、高密度、低价格。近年来随着来随着CHMOSCHMOS技术的进步，单片机全面技术的进步，单片机全面CMOSCMOS化，化，

12、80C5180C51正正在全面取代在全面取代80518051成为标准成为标准MCUMCU芯片。芯片。1.3 1.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势这种工艺的单片机功耗更低、可控性更强，能够工作在这种工艺的单片机功耗更低、可控性更强，能够工作在功耗精细管理状态。目前生产的功耗精细管理状态。目前生产的CHMOSCHMOS电路已经能够达到电路已经能够达到LSTTLLSTTL的传输速度，延迟时间小于的传输速度，延迟时间小于2ns2ns，其综合优势已大，其综合优势已大于于TTLTTL电路，所以单片机领域电路，所以单片机领域CMOSCMOS正在逐渐取代正在逐渐取代TTLTTL电路。电路。(2) (2)

13、低电压、低功耗化。低电压、低功耗化。 目前新一代的单片机大都具有目前新一代的单片机大都具有WAITWAIT和和STOPSTOP等省电运等省电运行方式，可以在适当的时候唤醒单片机。电源电压也呈行方式，可以在适当的时候唤醒单片机。电源电压也呈下降趋势，下降趋势，3.3V3.3V的单片机越来越成为主流单片机的趋势，的单片机越来越成为主流单片机的趋势，而一些低电压供电的单片机电源下限可达而一些低电压供电的单片机电源下限可达1 12V2V。目前。目前0.8V0.8V供电的供电的MSP430MSP430单片机已经问世。单片机已经问世。同时单片机的功耗已从同时单片机的功耗已从mAmA级降到级降到AA级，甚至

14、级，甚至1A1A以下。低以下。低功耗化的效应不仅是功耗降低，同时带来了产品的高可功耗化的效应不仅是功耗降低，同时带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力及便携化。靠性、高抗干扰能力及便携化。(3) (3) 大容量化。大容量化。 标准的标准的80318031单片机没有单片机没有ROMROM，80518051单片机有单片机有4KB4KB的的ROMROM，RAMRAM均为均为128B128B。在一些复杂控制的场合，这些存储容量常。在一些复杂控制的场合，这些存储容量常常是是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种需求，常是是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种需求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前

15、，单片须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内机内ROMROM容量已达理论最大值容量已达理论最大值64KB64KB，RAMRAM容量最大值为容量最大值为2KB2KB。1.3 1.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势一些经过特殊处理的一些经过特殊处理的80C5180C51单片机，甚至突破了这个限制。单片机，甚至突破了这个限制。例如例如PhilipsPhilips公司的公司的NXPNXP的的P87C51MC2/02P87C51MC2/02的的ROMROM为为96KB96KB，RAMRAM达到了达到了3KB3KB，完全能够适应一般控制设备的容量要求。，完全能够适应一般控制设备的容量要求。

16、(4) (4) 高速化。高速化。 这主要是指进一步改进这主要是指进一步改进CPUCPU的性能，加快指令运算的的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集(RISC)(RISC)结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。当前指结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。当前指令速度最高者已达令速度最高者已达100MIPS(Million Instruction Per 100MIPS(Million Instruction Per SecondsSeconds，兆指令每秒，兆指令每秒) )，并加强了位处理功能、中断和，并加强了位处理功能

17、、中断和定时控制功能。定时控制功能。1.3 1.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势美国美国CygnalCygnal集成产品公司的集成产品公司的C8051FC8051F系列单片机采用流水系列单片机采用流水线结构，指令周期以时钟周期为单位，由标准的线结构，指令周期以时钟周期为单位，由标准的1212个系个系统时钟周期降为统时钟周期降为1 1个系统时钟周期，处理能力大大增强，个系统时钟周期，处理能力大大增强，运行速度比标准的运行速度比标准的5151单片机快单片机快1010倍以上。倍以上。(5) (5) 低噪声和高可靠性。低噪声和高可靠性。 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶为提高单片机的抗

18、电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机厂家在单片机内部电路中都采取了新的技术措各单片机厂家在单片机内部电路中都采取了新的技术措施。施。1.3 1.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势(6) (6) 小容量、低价格化。小容量、低价格化。 与大容量化相反，以与大容量化相反，以4 4位、位、8 8位机为中心的小容量、位机为中心的小容量、低价格化也是一个趋势。这类单片机的特点是把原来用低价格化也是一个趋势。这类单片机的特点是把原来用集成电路组成的控制电路单片化，这可广泛用于家电产集成电路组成的控制电路单片化，

19、这可广泛用于家电产品。品。1.3 1.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势(7) (7) 集成多种外设功能。集成多种外设功能。 随着集成度的不断提高，越来越多的单片机把各种随着集成度的不断提高，越来越多的单片机把各种外围设备的功能器件集成在片内。除了一般必须具有的外围设备的功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPUCPU、ROMROM、RAMRAM和定时器和定时器/ /计数器等以外，片内集成的部计数器等以外，片内集成的部件常见的还有件常见的还有A/DA/D转换器、转换器、D/AD/A转换器、转换器、I I2 2C C总线、总线、CANCAN总总线、线、SPISPI总线、总线、DMADMA控制

20、器、控制器、PWMPWM控制器、声音发生器、监控制器、声音发生器、监视定时器和锁相电路等。视定时器和锁相电路等。1.3 1.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势1.4 1.4 单片机单片机MCS-51MCS-51系列系列 单片机的发展从单片机的发展从4 4位机发展到位机发展到8 8位机，然后到位机，然后到1616位机，位机，现已至现已至3232位机。现在位机。现在4 4位机基本上已淘汰，位机基本上已淘汰，1616位机昙花一位机昙花一现，占据主流地位的是现，占据主流地位的是8 8位机和位机和3232位机。这其中位机。这其中8 8位机又位机又占据绝大部分市场份额。占据绝大部分市场份额。 MCS-5

21、1 MCS-51系列单片机作为系列单片机作为8 8位单片机的代表，发展大致位单片机的代表，发展大致经历了四代。经历了四代。(1) (1) 第一代：以第一代：以MCS-48MCS-48系列单片机为代表。系列单片机为代表。 这一时期主要是将这一时期主要是将CPUCPU和计算机外围电路集成到了一和计算机外围电路集成到了一个芯片上，标志了单片机的诞生。从此与通用个芯片上，标志了单片机的诞生。从此与通用CPUCPU分离开分离开来，为在控制领域发挥重要的作用创造了条件。来，为在控制领域发挥重要的作用创造了条件。1.4 1.4 单片机单片机MCS-51MCS-51系列系列(2) (2) 以以MCS-51MC

22、S-51系列的系列的80518051、80528052单片机为代表。单片机为代表。 MCS-51 MCS-51系列系列8 8位高档单片机是在总结位高档单片机是在总结MCS-48MCS-48系列单片系列单片机的基础上，于机的基础上，于2020世纪世纪8080年代初推出的新产品。其主要年代初推出的新产品。其主要的技术特征是：的技术特征是：1) 1) 扩大了片内存储容量、外部寻址空间。程序存储器扩大了片内存储容量、外部寻址空间。程序存储器和片外数据存储器的寻址都增加为和片外数据存储器的寻址都增加为64KB64KB。4KB4KB位位ROMROM作为作为片内程序存储器，用来存放系统程序、用户的专用程序片

23、内程序存储器，用来存放系统程序、用户的专用程序和固定常数。和固定常数。 在在MCS-51MCS-51系列单片机中，系列单片机中，80318031、87518751与与80518051的内部的内部结构基本相同。其区别仅在于结构基本相同。其区别仅在于80318031内部不含有程序存储内部不含有程序存储器，必须由外部扩展；器，必须由外部扩展；87518751内部程序存储器为可编程、内部程序存储器为可编程、可改写的只读存储器可改写的只读存储器EPROMEPROM，其内部程序由用户自行写入。，其内部程序由用户自行写入。 在片内数据存储器方面，采用在片内数据存储器方面，采用8 8位地址，寻址范围为位地址，

24、寻址范围为256B256B。2) 2) 增强了增强了I/OI/O功能。功能。4 4个个8 8位并行位并行I/OI/O接口，可用于地址接口，可用于地址和数据的传送，也可与和数据的传送，也可与81558155、82558255等连接，进行外部等连接，进行外部I/OI/O接口的扩展；设置了一个全双工串行通信口，可用于数接口的扩展；设置了一个全双工串行通信口，可用于数据的串行接收和发送，用于构建串行通信网络。据的串行接收和发送，用于构建串行通信网络。1.4 1.4 单片机单片机MCS-51MCS-51系列系列3) 3) 增加了定时器增加了定时器/ /计数器的个数并扩展了长度。定时器计数器的个数并扩展了

25、长度。定时器/ /计数器由一个增为两个计数器由一个增为两个(8052(8052为三个为三个) )，计数长度由，计数长度由8 8位位增为增为1616位，有位，有4 4种工作方式。种工作方式。4) 4) 增强了中断系统。增强了中断系统。MCS-51MCS-51单片机设置有单片机设置有5 5个中断源、个中断源、2 2级中断优先级并可由用户定义优先级的高低。使其适合级中断优先级并可由用户定义优先级的高低。使其适合于数据采集与处理、智能仪器仪表和工业过程控制。于数据采集与处理、智能仪器仪表和工业过程控制。5) 5) 具备较强的指令寻址和运算等功能。有具备较强的指令寻址和运算等功能。有111111条指令，

26、条指令，按指令操作功能可分为按指令操作功能可分为5 5大类，使用了大类，使用了7 7种寻址方式。提种寻址方式。提高了高了CPUCPU的运算与数据处理能力。的运算与数据处理能力。1.4 1.4 单片机单片机MCS-51MCS-51系列系列6) 6) 增设了颇具特色的布尔处理机。在指令系统中设置增设了颇具特色的布尔处理机。在指令系统中设置有位操作指令，可用于位寻址空间，这些位操作指令与有位操作指令，可用于位寻址空间，这些位操作指令与位寻址空间一起构成布尔处理机。布尔处理机对于实时位寻址空间一起构成布尔处理机。布尔处理机对于实时逻辑控制处理具有突出的优点。逻辑控制处理具有突出的优点。 可以看出，这一

27、代单片机主要的技术特征是为单片可以看出，这一代单片机主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线机配置了完善的外部并行总线(AB(AB、DBDB、CB)CB)和具有多机和具有多机识别功能的串行通信接口识别功能的串行通信接口(UART)(UART)，规范了功能单元的特，规范了功能单元的特殊功能寄存器殊功能寄存器(SFR)(SFR)控制模式及适应控制器特点的布尔处控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单理系统和指令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。片机奠定了良好的基础。1.4 1.4 单片机单片机MCS-51MCS-51系列系列(

28、3) (3) 具有具有80C5180C51核的增强型单片机。核的增强型单片机。 这些增强型单片机包括这些增强型单片机包括IntelIntel公司公司5151系列的新一代产系列的新一代产品，如品，如8XC1528XC152、80C51FA/FB80C51FA/FB、80C51GA/GB80C51GA/GB、8XC4518XC451、8XC4528XC452，以及，以及NXPNXP、SiemensSiemens、ADMADM、FujutsuFujutsu、OKIOKI、ATMELATMEL等公司以等公司以80C5180C51为核心推出的大量各具特色、与为核心推出的大量各具特色、与MCS-51MCS

29、-51兼容的单片机。兼容的单片机。 80C51 80C51系列单片机是在系列单片机是在MCS-51MCS-51的的HMOSHMOS基础上发展起来基础上发展起来的，它们具有的，它们具有CHMOSCHMOS结构，增设了可以用软件进行选择的结构，增设了可以用软件进行选择的低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。 1.4 1.4 单片机单片机MCS-51MCS-51系列系列 新一代的新一代的80C5180C51系列单片机向外部接口电路扩展，以系列单片机向外部接口电路扩展，以实现微控制器完善的控制功能。例如，实现微控制器完善的控制功能。例如，NXPNXP公司为公司为80C

30、5180C51系列系列8XC5928XC592单片机引入单片机引入6 6通道通道1010位位A/DA/D功能、功能、I I2 2C C总线和总线和PWMPWM，还引入具有较强功能的设备间网络系统总线，还引入具有较强功能的设备间网络系统总线CANCAN总线。外部接口功能单元的增多使得控制更加方便。总线。外部接口功能单元的增多使得控制更加方便。(4) (4) 具有具有80518051内核，向可编程选择发展的单片机。内核，向可编程选择发展的单片机。 现在许多大的单片机生产厂商经过不懈的努力，使现在许多大的单片机生产厂商经过不懈的努力，使得单片机的种类和型号越来越多，集成了许多嵌入式系得单片机的种类和

31、型号越来越多，集成了许多嵌入式系统的先进技术。统的先进技术。CygnalCygnal推出的推出的C8051FC8051F系列单片机就是其系列单片机就是其中的代表。中的代表。1.4 1.4 单片机单片机MCS-51MCS-51系列系列C8051FC8051F系列单片机突破了很多单片机固有的概念。例如，系列单片机突破了很多单片机固有的概念。例如，采用采用CIP-51CIP-51内核大力提升内核大力提升CISCCISC结构运行速度；结构运行速度；I/OI/O从固定从固定方式改为交叉开关配置；从系统时钟到时钟系统的概念：方式改为交叉开关配置；从系统时钟到时钟系统的概念：片内设置可编程的时钟振荡器，可提

32、供多种时钟编程设片内设置可编程的时钟振荡器，可提供多种时钟编程设定，外部振荡器也有多种选择方式，程序运行时，甚至定，外部振荡器也有多种选择方式，程序运行时，甚至可实现内外时钟的动态切换，从传统的仿真调试到基于可实现内外时钟的动态切换，从传统的仿真调试到基于JTAGJTAG接口的系统调试；复位也从引脚复位到多源复位。接口的系统调试；复位也从引脚复位到多源复位。 1.4 1.4 单片机单片机MCS-51MCS-51系列系列习习 题题 1 1什么是单片机？什么是单片机的硬、软件系统？什么是单片机？什么是单片机的硬、软件系统？2 2单片机的应用领域有哪些？单片机的应用领域有哪些？3 3简述单片机的发展趋势。简述单片机的发展趋势。