1、单片机原理与应用单片机原理与应用任课老师：刘雪花任课老师：刘雪花2课程介绍课程介绍课程名称：课程名称：单片机原理与应用单片机原理与应用课程代码：课程代码：CI1001CI1001课程学时：课程学时：5151学学 分：分：3 3（1 1：2 2）课程性质：必修考试课程性质：必修考试3课程的性质、地位和作用课程的性质、地位和作用本课程属于物联网工程专业核心课程，是本课程属于物联网工程专业核心课程，是对对c c语言程序设计、模拟电子技术、语言程序设计、模拟电子技术、数字电路与逻辑设计等课程知识的综合运数字电路与逻辑设计等课程知识的综合运用；同时，该门课程的学习将为后续物联网课用；同时，该门课程的学习
2、将为后续物联网课程嵌入式系统基础、程嵌入式系统基础、zigbeezigbee无线网络技无线网络技术打下坚实的基础。术打下坚实的基础。4教学目的和要求教学目的和要求 本课程主要以本课程主要以cc2530cc2530为例讲授单片机的工作原理与编为例讲授单片机的工作原理与编程。程。 从单片机的概念开始，再到从单片机的概念开始，再到cc2530cc2530的的cpucpu核核8051 8051 cpucpu的体系结构，最后重点落在的体系结构，最后重点落在cc2530cc2530内部资源的原理与内部资源的原理与编程。编程。 该课程的每个模块都力求学生通过编程去理解每个知该课程的每个模块都力求学生通过编程
3、去理解每个知识点。由于其是一门实践性很强的课程，要求学生除了识点。由于其是一门实践性很强的课程，要求学生除了掌握小课所要求的实验内容外，还必须拿出更多的时间掌握小课所要求的实验内容外，还必须拿出更多的时间来练习任课老师布置的课外练习来练习任课老师布置的课外练习5n第一部分第一部分 单片机基础知识：单片机基础知识：本部分主要讲授单片机的概念、本部分主要讲授单片机的概念、80518051单片机的单片机的特点、特点、8051 CPU8051 CPU核的内部结构、存储器组织。重点掌握核的内部结构、存储器组织。重点掌握8051 CPU8051 CPU核存储空间分布。核存储空间分布。n第二部分第二部分 C
4、C2530CC2530基础：基础：本部分主要讲授本部分主要讲授CC2530CC2530和和80518051的关系、的关系、CC2530CC2530结构、结构、物理存储器的映射。重点掌握物理存储器的映射。重点掌握CC2530CC2530物理存储器的映射。物理存储器的映射。n第三部分第三部分 80518051上的上的c c语言程序设计：语言程序设计： 本部分主要讲授本部分主要讲授Cx51Cx51程序结构、数据程序结构、数据类型、存储类型与类型、存储类型与80518051存储结构、扩展的数据类型。重点掌握存储类型与存储结构、扩展的数据类型。重点掌握存储类型与80518051的存的存储结构。储结构。n
5、第四部分第四部分 CC2530CC2530内部资源内部资源C C编程：编程：本部分主要讲授系统时钟的本部分主要讲授系统时钟的IOIO编程、串口编程、串口编程、中断控制器编程、定时器编程、编程、中断控制器编程、定时器编程、DMADMA控制器编程等。重点能够利用数据手册控制器编程等。重点能够利用数据手册理解接口电路的工作原理并会用理解接口电路的工作原理并会用c c语言对其编程。语言对其编程。n第五部分第五部分 课程设计：课程设计：本部本部分主要通过使用分主要通过使用CC2530CC2530作为主控芯片来实现以各作为主控芯片来实现以各种传感模块采集信号来控制外围信号灯、蜂鸣器、电机等，如超声波避障小
6、车。种传感模块采集信号来控制外围信号灯、蜂鸣器、电机等，如超声波避障小车。6课程考核标准课程考核标准考核内容考核内容分数分数百分比百分比平平时时成成绩绩课堂纪律、课堂提问课堂纪律、课堂提问5 55%5%实验完成情况、实验报告实验完成情况、实验报告5 55%5%作业作业2 2次，次，2 2分分/ /次次4 44%4%课程设计课程设计3 3分、文档分、文档3 3分分6 66%6%考勤考勤101010%10%期末考试期末考试707070%70%本门课程的最终成绩为各项成绩之和。本门课程的最终成绩为各项成绩之和。 7学习资源学习资源教材：教材：姜仲、刘丹等姜仲、刘丹等. .ZigBeeZigBee技术
7、与实训教程技术与实训教程基于基于CC2530CC2530的无线的无线传感网技术传感网技术. .清华大学出版社清华大学出版社参考参考资料资料： 1. 1. 葛广英葛广英、葛菁葛菁、赵云龙赵云龙等等. .ZigBeeZigBee原理、实践及综合应用原理、实践及综合应用. .清华大学出版社；清华大学出版社；2 2杜军朝杜军朝等等. . ZigBeeZigBee技术原理与实战技术原理与实战. .机械工业出版社机械工业出版社; ;3.CC25303.CC2530数据手册数据手册课件下载：课件下载：ftp:/ :kjdownkjdown8学习建议学习建议 单片机的学习需要一定的软硬件基础，这给单片机的学习
8、需要一定的软硬件基础，这给学习者带来了一定的困难，但正是学习的难度赋学习者带来了一定的困难，但正是学习的难度赋予了学习的价值，所以要求大家在学习的过程中予了学习的价值，所以要求大家在学习的过程中一定要有信心和耐心，做到：一定要有信心和耐心，做到： 课前预习，课后复习，课堂上认真听讲；课前预习，课后复习，课堂上认真听讲； 务必多动手实践：完成好每一次试验，验证书本上的务必多动手实践：完成好每一次试验，验证书本上的每一个例子。每一个例子。 网上的单片机资源非常丰富，建议大家要充分利用网上的单片机资源非常丰富，建议大家要充分利用网络获取有用的信息，为自己解决学习中的问题。网络获取有用的信息，为自己解
9、决学习中的问题。单片机技术主要网站介绍单片机技术主要网站介绍STCSTC单片机（单片机（http:/http:/）周立功单片机（周立功单片机（http:/http:/）C51 BBSC51 BBS论坛（论坛（http:/www.Chttp:/www.C）中国电子网（中国电子网（http:/http:/）嵌入式公社（嵌入式公社（http:/ 10答疑时间答疑时间答疑时间：星期一答疑时间：星期一10:4010:4012:0012:00 星期三星期三 10:4010:4012:0012:00地地 点：计算机系办公室点：计算机系办公室E-mail： 11教学内容教学内容 单片机单片机 80518051
10、单片机单片机 8051 CPU8051 CPU核的内部结构核的内部结构 8051 CPU8051 CPU核的存储空间分布（重点、难点）核的存储空间分布（重点、难点）12教学目标教学目标 理解单片机的概念；理解单片机的概念； 理解理解80518051单片机的几层含义；单片机的几层含义； 掌握掌握8051 CPU8051 CPU核的内部结构、存储空间分布。核的内部结构、存储空间分布。一、一、 什么是单片机什么是单片机3 3、单片机具有、单片机具有一台计算机的属性一台计算机的属性。也称为：。也称为： 微控制器微控制器 MCU(MCU(MicroController Unit)MicroControl
11、ler Unit) 嵌入式控制器嵌入式控制器 EMCUEMCU （Embedded icroController UnitEmbedded icroController Unit）在我国，习惯使用在我国，习惯使用“单片机单片机”这一名称。这一名称。15 1.单片机的发展过程 原始阶段1971年1月，INTEL公司的特德霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel 4004）。16 单片机的发展过程 发展阶段1976年Intel公司推出了8位的
12、MCS-48系列的单片机，以其体积小、重量轻、控制功能齐全和低价格的特点，得到了广泛的应用，为单片机的发展奠定了坚实的基础。80年代初， Intel公司推出了8位的MCS-51系列的单片机，随着单片机的应用的急剧增加，其它的单片机也随之大量涌现如：Motorola的68系列，Zilog的Z8系列等，从而掀开了单片机应用的历史新篇章MCS-51MCS-51系列单片机的演绎系列单片机的演绎2020世纪世纪8080年代后期年代后期: :IntelIntel公司以专利的形式把公司以专利的形式把 80518051内核技术转让给厂家内核技术转让给厂家。 这些厂家生产的这些厂家生产的兼容单片机兼容单片机，与
13、，与80518051的系统结构的系统结构（主要是指令系统）相同，采用（主要是指令系统）相同，采用CMOSCMOS工艺。工艺。如：如：AMTELAMTEL、PHILIPSPHILIPS、ANALOG DEVICESANALOG DEVICES、DALLASDALLAS公司。公司。 发展阶段18 单片机现状单片机经过约30年的发展，已经形成有几千种型号上百种品牌的半导体产业，对电子信息技术、工业控制技术、军事技术的发展起到巨大的推动作用。目前主流的单片机： 51内核的系列单片机 Microchip公司的PIC系列单片机 Motorola公司的68系列 Texas Instrument公司的MSP1
14、6bit系列单片机 ARM内核的32bit系列单片机我们通常所说的51单片机或8051单片机指的是MCS-51系列和其他公司的8051派生产品，而真正的8051单片机早已不再生产。 共性：具有同样的8051 cpu核19 单片机的特点：体积小巧重量轻 可靠性高控制能力强价格低开发方便简单，易于产品化20 单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。到各个领域。使用温度：使用温度：民品民品： 0 0C C +70+70C C工业品：工业品： -40-40C C +85+85C C军品：军品： -65-65C C +125+125C C。21汽车
15、电子汽车电子22 智能控制智能控制(视频视频)23单片机应用消费电子产品消费电子产品24 单片机应用军事技术军事技术25 单片机应用工业控制26 程序设计通常是C语言或者汇编语言，在特定的集成开发环境（IDE）中编程调试，比如应用最广泛的KEIL uVision427 仿真使用proteus仿真28 程序下载使用ISP（In System Program在系统编程）ISP软件软件下载线下载线目标系统目标系统29三、三、 8051 8051中央处理器中央处理器 单片机的单片机的CPUCPU是完整的是完整的1 1位微计算机。这位微计算机。这个个1 1位微计算机包含位微计算机包含CPUCPU、位寄存
16、器、位寄存器、I/OI/O口口和指令集。和指令集。 CPUCPU内部内部包含：包含： 1 1、运算器、运算器 2 2、控制器、控制器 3 3、存储器。、存储器。301 1、 运算器运算器 运算器包含：运算器包含： 1.1.算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALUALU-算术运算、逻辑运算算术运算、逻辑运算 2.2.累加器累加器A A-相当于数据加工厂相当于数据加工厂 3.3.位处理器位处理器-位运算位运算 4.4.BCDBCD码修正电路码修正电路-十进制数的运算处理十进制数的运算处理 5.5.PSWPSW-记录程序运行状态记录程序运行状态 312 2、 控制器控制器 单片机的指挥部件，单片机的指
17、挥部件，主要任务是主要任务是识别指令识别指令，控制各功能部件控制各功能部件，保证各部分，保证各部分有序工作有序工作。主主要包括指令寄存器、指令译码器、程序计数要包括指令寄存器、指令译码器、程序计数器、程序地址寄存器、条件转移逻辑电路、器、程序地址寄存器、条件转移逻辑电路、时序控制逻辑电路。时序控制逻辑电路。 321.1.指令、指令译码及控制器指令、指令译码及控制器 指令指令-就是完成某项操作的命令。就是完成某项操作的命令。 指令译码指令译码-对指令进行解析和翻译对指令进行解析和翻译 控制器控制器-发出相应的控制信息，指挥运算器和发出相应的控制信息，指挥运算器和存储器协同完成指令所要求的操作。存
18、储器协同完成指令所要求的操作。332.2.程序及程序计数器程序及程序计数器PCPC 什么叫计算机程序：什么叫计算机程序：为完成一个完整的运算任为完成一个完整的运算任务，按照执行步骤用计算机指令编写的指令集合。务，按照执行步骤用计算机指令编写的指令集合。 执行程序指示：执行程序指示：地址由地址由PCPC指示。指示。 执行程序时，在计算机控制器的控制下，取指令装置执行程序时，在计算机控制器的控制下，取指令装置会按会按PCPC的指向从存储器中读出第一条指令并译码，执行的指向从存储器中读出第一条指令并译码，执行指令所要求的操作。指令所要求的操作。343.3.程序执行过程程序执行过程 执行程序线路实际上
19、按执行程序线路实际上按PCPC的指取指令运行，的指取指令运行，PCPC就象引路人，称为程序指针。执行流程如下图：就象引路人，称为程序指针。执行流程如下图：35程序指令取指执行过程程序指令取指执行过程1、复位、复位PC=00002、从、从PC取指，取指，PC+13、取数据、取数据4、执行指令、执行指令5、取下一条指令、取下一条指令364. 80514. 8051单片机的存储结构单片机的存储结构 80518051单片机存储器采用单片机存储器采用冯诺依曼结构冯诺依曼结构： 1 1、有一根地址和数据总线。、有一根地址和数据总线。 2 2、程序存储器空间和数据存储器空间采用、程序存储器空间和数据存储器空
20、间采用独立编址。独立编址。 3 3、拥有各自的寻址方式和寻址空间。、拥有各自的寻址方式和寻址空间。373 3、 8051 8051单片机的存储器结构单片机的存储器结构80518051单片机存储器从物理结构上分四种：单片机存储器从物理结构上分四种： 1 1、片内程序存储器、片内程序存储器 2 2、片外程序存储器、片外程序存储器 3 3、片内数据存储器、片内数据存储器 4 4、片外数据存储器、片外数据存储器38从寻址空间分布上分三种：从寻址空间分布上分三种： 程序存储器、内部数据存储器外部数据存储器。程序存储器、内部数据存储器外部数据存储器。从功能作用上可五种：从功能作用上可五种：程序存储器、程序
21、存储器、内部数据存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、特殊功能寄存器、位地址空间存储器、位地址空间存储器、外部数据存储器。外部数据存储器。39 8051 8051单片机的存储器结构图单片机的存储器结构图60KB60KB64KB64KB4KB4KB40 在程序存储器的开始部分，定义了一段在程序存储器的开始部分，定义了一段具具有特殊功能的地址段有特殊功能的地址段，用作，用作程序起始和各种中程序起始和各种中断的入口断的入口。 1）程序存储器）程序存储器41工作寄存器区工作寄存器区位寻址区位寻址区数据缓冲区数据缓冲区3 3个区域个区域 数据存储数据存储器用于存放中间运算结果、数据暂存和缓冲、标器用于
22、存放中间运算结果、数据暂存和缓冲、标志位等志位等。 MCS-51MCS-51系列单片机的片内数据存储器除系列单片机的片内数据存储器除RAMRAM块外，还有特殊块外，还有特殊功能寄存器（功能寄存器（SFRSFR）块。）块。 数据存储器分为片外数据存储器、片内数据存储器、特殊数据存储器分为片外数据存储器、片内数据存储器、特殊功能存储器，以下分别加以介绍。功能存储器，以下分别加以介绍。 4243 工作寄存器也称为工作寄存器也称为通用寄存器通用寄存器，供用户编程时使用，用于临，供用户编程时使用，用于临时存储时存储8位数据信息。位数据信息。 工作寄存器地址为工作寄存器地址为00H1FH的的32个单元，并
23、分成个单元，并分成4个工作寄个工作寄存器组，每个组有存器组，每个组有8个工作寄存器，名称为个工作寄存器，名称为R0R7。每个工作寄存器组都可被选为每个工作寄存器组都可被选为CPU的当前工作寄存器，通过改变的当前工作寄存器，通过改变程序状态字寄存器（程序状态字寄存器（PSW）中的）中的RS1、RS0两位来实现。两位来实现。44内部内部RAM中地址为中地址为20H2FH的的16个单元，个单元，CPU不仅具有字节寻址功能不仅具有字节寻址功能，而且还具有位寻址功能。这，而且还具有位寻址功能。这16个单元共个单元共128位，每一位位，每一位都赋予都赋予1 1个个位地址，位位地址，位地址范围是地址范围是0
24、0H00H7FH7FH。45 30H7FH是是数据缓冲区数据缓冲区，即用户，即用户RAM区，共区，共80个单元。个单元。52子系列片内子系列片内RAM有有256个单元，工作寄存器区和位寻址区的个单元，工作寄存器区和位寻址区的单元数与地址都和单元数与地址都和51子系列的一致，而数据缓冲区有子系列的一致，而数据缓冲区有208个单个单元，元，地址范围是地址范围是30HFFH。 46 堆栈堆栈是一种执行是一种执行“后进先出后进先出”算法的数据结构。是在内算法的数据结构。是在内存中的一个存储区域，数据一个一个顺序地存入（也就是存中的一个存储区域，数据一个一个顺序地存入（也就是“压压入入PUSH”）这个区
25、域之中。）这个区域之中。 有一个地址指针（有一个地址指针（堆栈指针堆栈指针）总指向最后一个压入堆栈的）总指向最后一个压入堆栈的数据所在的存储单元，存放这个地址指针的寄存器就叫做数据所在的存储单元，存放这个地址指针的寄存器就叫做堆栈堆栈指示器指示器。 开始放入数据的单元叫做开始放入数据的单元叫做“栈底栈底”。数据一个一个地存入数据一个一个地存入，这个过程叫做，这个过程叫做“压栈压栈”。读取这些数据时，按照堆栈指示器。读取这些数据时，按照堆栈指示器中的地址读取数据，堆栈指示器中的地址数自动减中的地址读取数据，堆栈指示器中的地址数自动减1。这个过。这个过程叫做程叫做“弹出弹出POP”。如此就实现了后
26、进先出的原则。如此就实现了后进先出的原则。47MCS51单片机堆栈单片机堆栈 MCS-51的堆栈是向的堆栈是向上生成的（即向地址增上生成的（即向地址增加的方向），堆栈指针加的方向），堆栈指针SP的初始值称为栈底。的初始值称为栈底。在堆栈操作过程中，在堆栈操作过程中，SP始终指向堆栈的栈顶。始终指向堆栈的栈顶。 需要注意的是，需要注意的是，单单片机复位后片机复位后SP的值为的值为07H，因此入栈数据将从因此入栈数据将从08H存存起。起。 先入后出先入后出（4 4）堆栈与堆栈指针）堆栈与堆栈指针48概念：概念：特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）也称为）也称为专用寄专用寄存器存器，用于控制、管理
27、单片机内部算术逻辑，用于控制、管理单片机内部算术逻辑部件、并行部件、并行I/O口、串行口、串行I/O口、定时器口、定时器/计数计数器、中断系统等功能模块的工作。器、中断系统等功能模块的工作。使用：使用：系统初始化时针对使用的功能部件编程系统初始化时针对使用的功能部件编程设定。设定。2 2）数据存储器）数据存储器492. 2. 特殊功能寄存器特殊功能寄存器50 MCS-51可直接位寻址的空间有可直接位寻址的空间有216位。位。其中其中内部内部RAM的的20H2FH这这16个单元个单元具有具有128个位地址空间，位地址为个位地址空间，位地址为00H7FH； 另一部分位地址在特殊功能寄存器中，这些特
28、殊功能寄存器是一些能另一部分位地址在特殊功能寄存器中，这些特殊功能寄存器是一些能被被8整除的字节单元，地址在整除的字节单元，地址在80HFFH区间，只用了区间，只用了11个字节，它们都可个字节，它们都可进行位寻址，共计进行位寻址，共计88位。位。2. 2. 特殊功能寄存器特殊功能寄存器5152 注意：凡是布置的自学内容为本课程学有余力的同学学习，不作考核要求！ 8051 指令系统（可以自己上网查资料）53 本次课先对本门课程的教学内容、目标、要求本次课先对本门课程的教学内容、目标、要求作了一个简单的介绍，接下来采用逐层深入的教作了一个简单的介绍，接下来采用逐层深入的教学方法，从单片机概念转向学方法，从单片机概念转向80518051单片机的特点，单片机的特点，着重讲述了着重讲述了8051 cpu8051 cpu核的结构、存储空间分布。核的结构、存储空间分布。重点掌握存储空间分布（大小、范围、特性）。重点掌握存储空间分布（大小、范围、特性）。54n在在FTP课间区资料目录下载课间区资料目录下载“IAR-EW8051-760A（带注册机）（带注册机）.zip”安装在自己安装在自己 电脑上电脑上，网上查阅资料自学如何建立工程。，网上查阅资料自学如何建立工程。
