片機(jī)論文-漫談單片機(jī)

1、.漫談單片機(jī)摘要：自從1975年美國德克薩斯儀器公司（Texas Instruments）的第一個(gè)單片微型計(jì)算機(jī)（簡稱單片機(jī)）TMS-1000問世以來，單片機(jī)技術(shù)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)獨(dú)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(jī)的發(fā)展史 單片機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用是從4位機(jī)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(jì)算機(jī)全是單片機(jī)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(jī)，這是一個(gè)完全的8位單片機(jī)。隨后兩年3870（F8)系列和6801系列的8位機(jī)被推出，此后，各種8位單

2、片機(jī)也紛紛應(yīng)運(yùn)而生；1983年以后集成電路的集成度可達(dá)十幾萬個(gè)管/片，16位單片機(jī)逐漸問世；隨著調(diào)制解調(diào)器、GPS、路由器、機(jī)頂盒、工作站、激光打印機(jī)等中高端應(yīng)用需求的增長，32位單片機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)單片機(jī)把微型計(jì)算機(jī)的基本功能部件全部集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，是的一塊集成電路芯片就是一部微型計(jì)算機(jī)，這種集成電路芯片被稱為半片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer），簡稱單片機(jī)。單片機(jī)除了具備一般微型計(jì)算機(jī)的功能，為了增強(qiáng)實(shí)時(shí)控制能力，絕大部分單片機(jī)的芯片上還集成有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，某些單片機(jī)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器等功能部件。單片機(jī)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(jī)的特點(diǎn) 所謂單片機(jī)就是一塊芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口電路等達(dá)到一定規(guī)模的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)與微型計(jì)算機(jī)比較，在硬件結(jié)構(gòu)、指令設(shè)置上均有獨(dú)到之處，其主要特點(diǎn)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(jì)算機(jī)常用的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)與程序合用一個(gè)存儲空間。 采用H

4、arvard結(jié)構(gòu)主要是考慮到單片機(jī)主要面向控制，程序存儲器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM嚴(yán)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(jī)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(jī)內(nèi)，加快程序運(yùn)行速度。RAM并不是當(dāng)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(jī)的邏輯控制能力要優(yōu)于同等級的CPU，特別是單片機(jī)具有很強(qiáng)的位處理能力。單片機(jī)的運(yùn)行速度也較高。3、單片機(jī)的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機(jī)上的引腳數(shù)有限，為了解決實(shí)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(jī)器狀態(tài)來區(qū)分。4、系列齊全，功能擴(kuò)展性強(qiáng)。單片機(jī)有內(nèi)部淹膜ROM、內(nèi)部EPROM和外接ROM等形式，并可方便地?cái)U(kuò)展外部的ROM、RAM及I/O接口，與許多通用的微機(jī)接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來了極大的方便。5、單片機(jī)的功能是通用的。單片機(jī)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(gè)方面。單片機(jī)的分類 單片機(jī)的分類目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。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(jī)主要是面向測控，要求尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)。家電型的單片

6、機(jī)要求體積小、價(jià)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(jī)是指單片機(jī)設(shè)有并行總線，用以擴(kuò)展并行外圍器件。非總線型單片機(jī)是指單片機(jī)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(jī)，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(kuò)展就可以用在不同的設(shè)備中。專用型單片機(jī)是專門為某一產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的如電子體溫計(jì)、計(jì)費(fèi)電度表等。單片機(jī)的工作原理 單片機(jī)自動完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機(jī)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(jī)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(gè)房間的被分配到了唯一一個(gè)房間號一樣，每一個(gè)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(gè)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(jī)在執(zhí)行程序時(shí)要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個(gè)部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計(jì)數(shù)器PC（包含在CPU中），在開始執(zhí)行程序時(shí)，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(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛

9、機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實(shí)時(shí)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(jī)、攝像機(jī)、全自動洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機(jī)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(gè)范疇：1.在智能儀器儀表上的應(yīng)用單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(jī)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(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。2.在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機(jī)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(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 

11、現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、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(jī)等。5.單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)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(jī)設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進(jìn)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(jī)，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類似于計(jì)算機(jī)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(jī)在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機(jī)在汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機(jī)控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動機(jī)智能電子控制器，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，abs防抱死系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等等。 此外，單片機(jī)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(jī)的認(rèn)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(jià)格便宜、質(zhì)量穩(wěn)定、開發(fā)工具齊全，受到學(xué)校和培訓(xùn)機(jī)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(jī)的特點(diǎn)8051單片機(jī)包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、定時(shí)/計(jì)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(yùn)算器組成，是整個(gè)單片

14、機(jī)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(shí)負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成運(yùn)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(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼。2.數(shù)據(jù)存儲器（RAM）8051內(nèi)部有256個(gè)8位數(shù)據(jù)存儲單元，分為128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個(gè)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(yùn)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(kuò)展64KB的ROM，由于8051單片機(jī)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(shí)/計(jì)數(shù)器8051有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器（T0、T1），可用于精確定時(shí)、計(jì)時(shí)、延時(shí)、計(jì)數(shù)，檢測速度、頻率、脈寬，提供定時(shí)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(gè)，共32個(gè)。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(gè)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(gè)外中斷（INT0、INT1）、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷（串行收/發(fā)中斷用一個(gè)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(shí)鐘電路8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但8051單片機(jī)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(shí)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(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)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(shí)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(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，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(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第

18、八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)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(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，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(shí)，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(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，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(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)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(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)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(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，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(shí)，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(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， 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(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，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(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，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(shí)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(shí)鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對外部時(shí)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(gè)PEROM陣列和三個(gè)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(shí)器，計(jì)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(gè)硬件復(fù)位為止以上為對單片機(jī)內(nèi)部組成和外部引腳功能的認(rèn)識與總結(jié)本學(xué)期我們還用AT89C51芯片進(jìn)行了多次仿真與