片機論文-漫談單片機

1、.漫談單片機摘要：自從1975年美國德克薩斯儀器公司（Texas Instruments）的第一個單片微型計算機（簡稱單片機）TMS-1000問世以來，單片機技術(shù)已成為計算機技術(shù)的一個獨特分支，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，特別是在工業(yè)控制和儀器儀表智能化中扮演著極其重要的角色。單片機的發(fā)展史 單片機的開發(fā)和應(yīng)用是從4位機開始的，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，從而最早問世。自1975年以來，幾乎所有的4位微型計算機全是單片機結(jié)構(gòu)；1976年9月美國英特爾公司首次推出了MCS-48系列8位單片機，這是一個完全的8位單片機。隨后兩年3870（F8)系列和6801系列的8位機被推出，此后，各種8位單

2、片機也紛紛應(yīng)運而生；1983年以后集成電路的集成度可達十幾萬個管/片，16位單片機逐漸問世；隨著調(diào)制解調(diào)器、GPS、路由器、機頂盒、工作站、激光打印機等中高端應(yīng)用需求的增長，32位單片機應(yīng)運而生。單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點單片機把微型計算機的基本功能部件全部集成在一塊半導體芯片上，是的一塊集成電路芯片就是一部微型計算機，這種集成電路芯片被稱為半片微型計算機（Single Chip Microcomputer），簡稱單片機。單片機除了具備一般微型計算機的功能，為了增強實時控制能力，絕大部分單片機的芯片上還集成有定時器/計數(shù)器，某些單片機還帶有A/D轉(zhuǎn)換器等功能部件。單片機的內(nèi)部結(jié)

3、構(gòu)1、中央處理器（CPU），包括ALU、控制器和寄存器組； 2、存儲器，包括ROM和RAM； 3、輸入/輸出(I/O)接口，與外部輸入/輸出設(shè)備連接。 單片機的特點 所謂單片機就是一塊芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定時/計數(shù)器和多種I/O接口電路等達到一定規(guī)模的微型計算機。單片機與微型計算機比較，在硬件結(jié)構(gòu)、指令設(shè)置上均有獨到之處，其主要特點如下。 1、在存儲器組織上采用哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)。即數(shù)據(jù)存儲空間與程序存儲空間相互分離開來。而不太采用目前計算機常用的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)與程序合用一個存儲空間。 采用H

4、arvard結(jié)構(gòu)主要是考慮到單片機主要面向控制，程序存儲器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM嚴格分工。通常需要較大容量的ROM，ROM只存放已調(diào)試好的控制程序、常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。還需要一定容量的RAM，用于存放少量的隨機數(shù)據(jù)、變量及用做工作區(qū)。這樣小容量的數(shù)據(jù)存儲器能以高速RAM的形式形成集成在單片機內(nèi)，加快程序運行速度。RAM并不是當做高速數(shù)據(jù)緩沖存儲器（Cache）用。 2、采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機的邏輯控制能力要優(yōu)于同等級的CPU，特別是單片機具有很強的位處理能力。單片機的運行速度也較高。3、單片機的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機上的引腳數(shù)有限，為了解決實際引

5、腳數(shù)和需要的信號線數(shù)的矛盾，采用了引腳功能復(fù)用的方法，引腳處于何種功能，可有指令來設(shè)置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。4、系列齊全，功能擴展性強。單片機有內(nèi)部淹膜ROM、內(nèi)部EPROM和外接ROM等形式，并可方便地擴展外部的ROM、RAM及I/O接口，與許多通用的微機接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)帶來了極大的方便。5、單片機的功能是通用的。單片機雖然主要作控制器，但是功能上還是通用的，可以像一般微處理器那樣廣泛地應(yīng)用在各個方面。單片機的分類 單片機的分類目前尚無統(tǒng)一標準。通常根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域、總線類型來分。1、工控型家電型。工控型的單片機主要是面向測控，要求尋址范圍大，運算能力強。家電型的單片

6、機要求體積小、價格低，外圍器件少，使用方便。2、總線型非總線型。總線型單片機是指單片機設(shè)有并行總線，用以擴展并行外圍器件。非總線型單片機是指單片機通過串行口與外圍器件連接，或直接把外圍器件、外設(shè)接口集成在片內(nèi)。3、通用型專用型。通用型單片機，它的應(yīng)用范圍寬，如Intel公司的MCS5l系列產(chǎn)品8031、80C51等通過不同的外圍擴展就可以用在不同的設(shè)備中。專用型單片機是專門為某一產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的如電子體溫計、計費電度表等。單片機的工作原理 單片機自動完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，

7、這是在設(shè)計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應(yīng)著一種基本操作；單片機所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機能自動完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機能識別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲功能的部件存儲器中。存儲器由許多存儲單元（最小的存儲單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了

8、存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機在執(zhí)行程序時要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計數(shù)器PC（包含在CPU中），在開始執(zhí)行程序時，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執(zhí)行的命令，PC在中的內(nèi)容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是1、2或3，以指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。單片機的應(yīng)用領(lǐng)域 目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛

9、機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學習、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學家、工程師。單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇：1.在智能儀器儀表上的應(yīng)用單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類

10、型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，各種分析儀）。2.在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管 3.在家用電器中的應(yīng)用 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。4.在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 

11、現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。5.單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。6.在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用 某些專用單片機設(shè)計用于實現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂集成單片

12、機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復(fù)雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中（類似于ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。 在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。7.單片機在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機在汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器，GPS導航系統(tǒng)，abs防抱死系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等等。 此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。談?wù)勎覍?1

13、單片機的認識“8051”源自Intel公司的MCS-51系列芯片，但目前所采用的8051并不限于Intel公司所生產(chǎn)的芯片，而以其他廠商所發(fā)行的兼容芯片為主，如Atmel公司的89C51/89S51系列，其價格便宜、質(zhì)量穩(wěn)定、開發(fā)工具齊全，受到學校和培訓機構(gòu)的普遍歡迎。我們仿真課程所使用的就是89C51芯片。51單片機的特點8051單片機包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三大總線。下面我們分別介紹。1.中央處理器中央處理器英文簡稱CPU，主要由控制器和運算器組成，是整個單片

14、機的核心部件。CPU主要完成取指令、翻譯指令、執(zhí)行指令等工作，同時負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成運算和控制輸入/輸出功能等操作。8051是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼。2.數(shù)據(jù)存儲器（RAM）8051內(nèi)部有256個8位數(shù)據(jù)存儲單元，分為128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元。其中專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問而不能存放數(shù)據(jù)，因而用戶只有128B（數(shù)據(jù)存儲單元）可以用來存放讀/寫數(shù)據(jù)、定義變量、運算的中間結(jié)果等。3.程序存儲器（ROM）8051共有4KB片內(nèi)ROM（EEPROM或Flash），用于存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)或表格。片

15、外可擴展64KB的ROM，由于8051單片機的ROM是采用片內(nèi)外統(tǒng)一編址的故其最多只能尋址64KB的ROM空間。4.定時/計數(shù)器8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器（T0、T1），可用于精確定時、計時、延時、計數(shù)，檢測速度、頻率、脈寬，提供定時脈沖信號等。5.并行輸入/輸出（I/O）口8051共有4組8位I/O口，分別為P0、P1、P2、P3每組8個，共32個。用于對外部數(shù)據(jù)的輸入、輸出操作。6.全雙工串行口8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其他設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳輸。該串行口共有4種工作模式，既可以用做通用異步接收和發(fā)送器，也可以用做同步移位寄存器。7.中斷系統(tǒng)8051具備較完善的中

16、斷功能：有兩個外中斷（INT0、INT1）、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷（串行收/發(fā)中斷用一個中斷號），可滿足多種控制要求，并且具有2級的優(yōu)先級別選擇。8.時鐘電路8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。主要特性:與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路  AT89C51的引腳排列

17、及主要性能參數(shù)管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第

18、八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入

19、“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。  P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

20、P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在

21、外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器

22、的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止以上為對單片機內(nèi)部組成和外部引腳功能的認識與總結(jié)本學期我們還用AT89C51芯片進行了多次仿真與