單片機原理與應用

1、單片機原理與應用第一章 基礎知識 1.1 數字電子計算機進位計數制 1.3 數制與碼制 數字電路 程序和軟件1.1 數字電子計算機原理計算機組成的4個基本要素-存儲器 Memory-運算器 Arithmetic-控制器 Controller-輸入輸出設備 Input/Output計算機基本結構運算器ALU存儲器M控制器 CU輸入輸出I/OBUS圖1.進位計數制Xb=bN-1 bN-2 b1 b0 ; bi=0.1 ; 權 P=2 N位二進制數 10101100Xb=bN-12N-1 + bN-22N-2 + + b121 + b020 ; Xb= bi 2i i=0N-1N位十進制數Xd=dN

2、-1 dN-2 d1 d0 ; di=0.9 Xd =1234567890; P=10Xd=dN-110N-1 + dN-210N-2 + + d1101 + d0100 ; Xd= di10i i=0n-1N位十六進位制數Xh=hN-1 hN-2 h1 h0 ; hi=09ABCDEF P=16 Xh=hN-116N-1 + dN-216N-2 + + d1161 + d0160 ; Xd= hi16i i=0n-1Xr= ri Pi ; ri =0P-1 i=0N-1任意進制不同進位制數的轉換二進制十進制 公式計算十進制二進制 除2取余 十六進制二進制 4位分割八進制二進制 3位分割純小數

3、轉換 乘2取整數制與碼制(編碼)自然二進制碼8421碼2421碼5421碼無權碼(余3碼、 格雷碼）BCD碼 （2-10進制編碼）ASCII碼數制與碼制原碼反碼補碼機器數浮點數、定點數數字電路*布爾代數 (邏輯代數) 與、或、非基本運算，摩根定律*門電路-組合邏輯電路*門電路+觸發(fā)器-時序邏輯電路 *數字部件 存儲器、寄存器、鎖存器、譯碼器、計數器 緩沖器 Memory Register latch encoder counter buffer 基本R-S觸發(fā)器RSQQ程序語言和軟件計算機語言1.高級語言程序面向問題 (人) 算法，數據庫 , 設計 VHDL Fortran， Visual C

4、，C, C+， Java (面向目標) 2.匯編語言程序面向機器 （機） Assemble language 匯編語言程序語言和軟件系統(tǒng)程序、軟件應用程序、軟件計算機基本工作原理1. 周期性2. 取指令和執(zhí)行指令取指令執(zhí)行指令第二章單片機原理概述 單片機與嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)(微控制器)Embedded Micro-controller面向檢測與控制對象,嵌入到應用系統(tǒng)中的計算機系統(tǒng)單片機 Single Chip Micro-computer是典型的嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的主要特點嵌入式系統(tǒng)的主要特點： 1.實時性強、可靠性高、體積小、性價比好 2.高密度、 高速度、 低電壓 、低功耗嵌入式

5、系統(tǒng)的常用器件單片機 (MCU)FPGA Field Programmable Gate Array可現(xiàn)場編程門陣列 XILINXPLD Programmable Logic Device可編程邏輯器件 CPLD，HCPLDDSP Digital Signal Processing/Processor 數字信號處理MCU的兩種設計方式1.哈佛結構(Harvard)程序存儲器(ROM)數據存儲器(RAM)CPU2.普林斯頓結構(Princeton)存儲器ROM存儲器RAMCPU2.2 MCS-51單片機原理2.2.1 51單片機結構(哈佛結構) 1. 封裝與引腳(Package & Pi

6、n) DIP Dual In-Line Pin 雙列直插式 TQFP Thin Quad Flat Pack 薄型四方扁平封裝 PLCC Plastic Leaded Chip Carrier51單片機DIP封裝和引腳分配 P1.0 | P1.7 RST P3.0 | P3.7 XTAL2 XTAL1 VssVcc |/EAALE/PSEN | 40 398 32 31 3017 2918 28 21MCS-51系列基本型號8031 無內部 ROM8051 內部4KB （PROM）掩膜技術8751 內部4KB （EPROM）可光擦除51內部結構ALU控制器ROM程序存儲器RAM數據存儲器P0P

7、1P2P3CPU/MCU外部內部總線引腳功能1.端口線 4個8位I/O端口, 驅動能力 P0、P1、P2、P32.控制線 ALE、 /EA、/PSEN、RST XTAL1、XTAL23.電源線 Vcc 、Vss P0端口內部結構D QCP /QVcc地址/數據控制讀鎖存器讀引腳MUX內部總線寫入T1T2時鐘頻率的產生1.內部振蕩電路XTAL1XTAL2晶體C1C22.外部振蕩電路XTAL1XTAL2外部時鐘源復位電路1.自動上電復位2.人工按鈕復位 Vcc RST Vss +5VCR2.1.2 8051單片機CPU結構1.控制器 MCU（IR、 OSC、IER等）2.運算器 ALU （加法器、

8、布爾處理器）3.專用寄存器組SFR 8位：R0R7，Acc，B，PSW，SP， IP，IE，SCON，P0P3，TMOD16位：PC，DPTR 程序狀態(tài)字PSW寄存器d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0Cy AC F0 RS1 RS0 OV . P Cy: 8位運算后, D7的進位AC: 輔助進位, 8位運算后, D3的進位F0: 用戶標志位RS1,RS0: 工作寄存器選擇 00,01,10,11OV:運算溢出標志, OV= C7 C6P: 奇偶校驗標志, P = a7 a6 a0 堆棧的概念堆棧是訪問地址有序的存儲器 堆棧指針 SP，總是指向棧頂SP棧底7FH。01H00H增加型

9、數據入棧 SP=SP+1 減少型 數據入棧 SP=SP-1有兩種形式：地址增加型和地址減少型存儲器地址分配4個物理地址空間：1.內部程序ROM(0000H-0FFFH/16位地址)2.內部數據RAM(00H-0FFH/8位地址)3.外部程序ROM(16位地址)，4.外部數據RAM(16位地址)存儲器地址分配 3個邏輯地址空間:1. 程序存儲器ROM(0000H-0FFFFH)2.內部數據RAM(00H-0FFH)3.外部數據RAM(0000H-0FFFFH)程序存儲器地址分配0000H0FFFH1000H0FFFFH/EA=1外部內部0000H0FFFFH/EA=0外部數據存儲器地址分配00H

10、1FHSFR外部RAM內部RAM20H2FH30H7FH位尋址區(qū)工作寄存器區(qū) R0R7,4組 80H0FFH0FFFFH0000H51CPU工作時序1.時鐘周期 T T=1/fOSC2.機器周期 M M=12T 3.狀態(tài)周期 S Si=2T ，i=164.指令周期 I I= (1、2或4) M讀外部ROM指令時序圖ALEPSEN S1 S2 S3 S4 S5 S6 P2P0A7-A0A15 - A812指令A7-A0數據S1A15 - A8A7 - A0A7 - A0外接鎖存器P1 P251單片機最小系統(tǒng)P0C1C2+5VCRXTAL1XTAL2VCCVSSP1P2P3RST外設51單片機擴展

11、系統(tǒng)P0GALED7D0PSENP1P2最小系統(tǒng)地址鎖存器A7A0WRA15A8VccEARDDBusCBusABus外部存儲器或I/O第三章 51指令系統(tǒng)指令的表示形式指令的周期和長度指令的構成 操作碼 + 操作數操作碼的助記符表示保留標識符和用戶標識符3.2 七種尋址方式1.立即尋址 MOV R0 , #0F0H 2.直接尋址 MOV 40H , 30H 3.寄存器尋址 MOV A , R7 4.寄存器間接尋址 MOV A , R0 5.變址尋址 MOVC A , A+PC 6.相對尋址 SJMP rel 7.位尋址 MOV C , 20H 3.3 五類操作功能數據傳送類 MOV、MOVX

12、、MOVC算術運算類 ADD、SUB、MUL、DIV邏輯運算類 ANL、ORL 、CPL、RL控制轉移類 SJMP、LJMP、JC、LCALL位操作類 SETB bit、ANL C，bit例題11，12，13，17，20，22，25JMP A+DPTR ； 散轉指令子程序調用和返回指令位邏輯條件轉移第四章 匯編語言程序設計4.1 匯編語言格式標號: 指令 ; 注釋 行編輯, 一條指令占一行 執(zhí)行指令和偽指令 偽指令 ORG, END, DB, DW,DS,EQU, BIT 源程序的匯編 人工匯編和機器匯編匯編語言程序的設計方法順序、分支、循環(huán)、調用流程圖第五章 單片機基本系統(tǒng)與擴展1.三總線方

13、法擴展 DB,AB,CB2.地址譯碼方式 .全地址譯碼方式 .部分地址譯碼方式 .線選方式5.1 存儲器的擴展存儲器容量 = 2N，N為地址線數常用存儲器27系列，28系列擴展電路的基本連接方法振蕩和復位電路8031373ALEP08A0A7D0D7A8A15P2/EA/PSEN/RD/WR（ROM）（RAM）/OEm譯碼電路/CE存儲器或I/O口CPU地址鎖存器/WE/REG5.2 并行I/O口的擴展與外存儲器地址統(tǒng)一編址簡單I/O口 用中小規(guī)模集成電路構成可編程I/O口 大規(guī)模IC智能I/O口 含CPU簡單I/O口的擴展電路振蕩和復位電路8031373ALEP08273D0D7/EA/RD

14、/WRCPUG輸出設備輸入設備D0D7+244/GCLK口地址=7FFFH;口地址=7FFFH;第六章 8051中斷系統(tǒng)中斷源外部中斷和內部中斷中斷入口地址中斷響應和屏蔽中斷程序的調用和返回中斷源的擴展中斷系統(tǒng)的組成1. 8051有5個基本的中斷源 兩個外部中斷: INT0, INT1 三個內部中斷: T0,T1, SIO2. 中斷入口地址 INT0 0003H; T0 000BH; INT1 0013H; T1 001BH; SIO 0023H;有關的中斷寄存器IE 中斷允許寄存器 EA _ _ EX0 ET0 EX1 ET1 ES 2. IP 中斷優(yōu)先權寄存器 _ _ _ PS PT1 P

15、X1 PT0 PX0TCON 定時器控制寄存器 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IF0 IT1 6.3 8051內部定時器由兩個獨立的16位計數器組成采用增量計數方式可以定時也可以計數 C / T4種工作方式有關寄存器 TMOD, TCON, TH0,TL0 TH1,TL1定時器的基本結構TLxTHxfosc1/12TFx中斷TRx+GATExINTxTxC/ T EAETx01TRx 軟件啟動, Tx 外部計數輸入GATEx 門控, INTx 硬件啟動定時器的4種工作方式 Ta =12 * ( 2 M a )fosc Ta 定時時間 a 時間常數(初值) M = 8/13/1

16、6 (方式)2. TMOD 方式寄存器 GATE1 C/T M1 M0 GATE0 C/T M1 M01. 定時時間的計算公式1.方式0 13位計數器 M = 132.方式1 16位計數器 M= 163.方式2 8位計數器 M = 8 自動重裝初值4.方式3 兩個獨立的8位計數器 TL ,TH t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7Tpt8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15TLTH溢出方式1方式0t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7Tpt8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15溢出方式2,方式3 TLx THx TFx Tp 方式2 8位自

17、動重裝初值 TL0 TH0 TF0 Tp TF1方式3 僅T0定時器編程查詢方式中斷方式例題: 使用8051定時器T0, 定時1ms, 在位輸出周期為2ms的方波信號, 已知系統(tǒng)時鐘頻率fosc= 12MHz.查詢方式編程 ORG 0H; MOV TMOD, #01H; 使用T0,方式1，定時 MOV TL0， #XL；裝入時間常數低位 XL=18H; MOV TH0， #XH；裝入時間常數高位 XH=FCH; SETB TR0；啟動T0開始計數 WAIT：JNB TF0， WAIT； CLR TF0；清溢出標志 MOV TL0, #XL;MOV TH0, #XH;重裝時間常數 CPL P1.

18、0; P1口0位取反輸出 SJMP WAIT; END;6.4 8155可編程并行接口芯片 8155內部有3個邏輯部件: 1. 3個I/O接口, PA, PB, PC和一個控制口 2. RAM 256字節(jié) 3. 14位的減量計數器, 帶輸出端, 4種工作 方式8155與8031的典型連接電路80318155P0AD0AD7ALEALE/WR/WR/RD/RDRSTRSTIO/M/CEPAPBPC(6)TIMER INTIMER OUT8155端口地址分配 與/CE端和IO/M端的連接方式有關， 前圖連接為線選方式，各端口地址為：控制口 0 xxxxxx1-xxxxx000 7FF8H；A口 0

19、 xxxxxx1-xxxxx001 7FF9H；B口 0 xxxxxx1-xxxxx010 7FFAH；C口 0 xxxxxx1-xxxxx011 7FFBH；TL 0 xxxxxx1-xxxxx100 7FFCH；TH 0 xxxxxx1-xxxxx101 7FFDH；存儲器 0 xxxxxx0-（00FF） 7E00H7EFFH；8155控制字TM2 TM1 IEB IEA PC2 PC1 PB PAPC2 PC1 0 0 ALT1；AB口均為基本I/O，C口為輸入 1 1 ALT2；AB口均為基本I/O，C口為輸出 0 1 ALT3；A為選通，B基本，PC02為A口服 務，提供聯(lián)絡（握手

20、）線 1 0 ALT4；AB均為選通， PC02 為A口服務 PC02為B口服務 8155AB口選通聯(lián)絡線方式 PC0 A INTR A口中斷請求線 PC1 A BF A口數據緩沖器滿 PC2 A STB A口選通線 PC3 B INTR B口中斷請求線 PC4 B BF B口數據緩沖器滿 PC5 B STB B口選通線8155選通連接原理和時序80318155P0AD0AD7/WR/RD/RD/INT0 PC0（AINTR）PA輸出入設備 PC1（BF） PC2（STB）/WR8155選通輸入時序BF/STBINTR/RDPDB口數據輸入8155選通輸出時序BF/STBINTR/WRDBPD

21、B口數據輸出申請中斷8155定時器工作方式方式0 單方波方式1 連續(xù)方波方式2 單脈沖方式3 連續(xù)脈沖定時時間Tw = TinT第七章 單片機串行通信串行通信基本知識8051 UART 結構工作方式串行通信編程 串行通信基本知識異步傳送和同步傳送波特率 bps異步傳送幀格式UART Universal Asynchronous Receiver and Transmit 8051 UART 內部結構 Acc SCON SBUF SBUF T1SCON, SBUF寄存器 SCON 串口控制器 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SBUF 數據緩沖器 工作方式與波特率計算 工作方式: 波特率bps方式0: 擴展并口 fb0 = fosc /12方式1: 8位數據 ( T1為方式2) fb1= 2S