單片微型計(jì)算機(jī)C第1講(機(jī)械)

1、引言 目前，日常生活所用設(shè)備中，幾乎都有單片機(jī)的影子。 機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、設(shè)備的驅(qū)動(dòng)等過(guò)程都離不開(kāi)單片機(jī)的作用。ABS：通過(guò)車輪處的ABS傳感器監(jiān)測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，當(dāng)車速達(dá)到一定的高度，而車輪不轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候傳感器的信號(hào)給控制器，控制器會(huì)發(fā)出指令給制動(dòng)油路，制動(dòng)油路油壓減小一部分來(lái)使車輪繼續(xù)滾動(dòng)，斷續(xù)的車輪滾動(dòng)使制動(dòng)效果保持最佳狀態(tài)的。控制單元可由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，也可以由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)p 機(jī)電一體化機(jī)電一體化是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的重要方面，機(jī)電一體化產(chǎn)品是集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品。例如:汽車已經(jīng)成為機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用最成功的產(chǎn)品之一，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制

2、、ABS控制、門窗控制、安全氣囊控制、空調(diào)、音響等，無(wú)一不是集成了單片機(jī)控制的智能化機(jī)電一體化產(chǎn)品。單片機(jī)的應(yīng)用一臺(tái)BMW-7系列轎車就用了63個(gè)單片機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一輛高檔轎車內(nèi)，已經(jīng)集成了30-100個(gè)不同的微處理器。p 智能儀器儀表儀表應(yīng)用單片機(jī)，可以提高儀表的精度和準(zhǔn)確度，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減小體積而便于攜帶。加速儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化方向發(fā)展。誤差校正、線性化處理等可用軟件實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)的應(yīng)用p 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制在各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，如流量、液位、轉(zhuǎn)速、位移、壓力、溫度等測(cè)量和控制工業(yè)上過(guò)程控制中的各種物理參數(shù)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的實(shí)時(shí)處理和控制，可以控制得到一個(gè)精確度很高的

3、水平。使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。單片機(jī)的應(yīng)用p 軍事技術(shù)由于單片機(jī)使用溫度范圍廣，利用可靠性高、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的特點(diǎn)，在導(dǎo)航制導(dǎo)、魚(yú)雷制導(dǎo)控制、智能武器裝備、航天飛機(jī)巡航系統(tǒng)等領(lǐng)域，單片機(jī)也得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)的應(yīng)用利用單片機(jī)構(gòu)成的分布式測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)中有若干臺(tái)由單片機(jī)組成的功能各異的儀器設(shè)備，之間通過(guò)通信相互聯(lián)系和交換數(shù)據(jù)，各自完成特定的任務(wù)的同時(shí)協(xié)調(diào)完成整體任務(wù)，能同時(shí)采集或處理的信息更多。p 分布式控制系統(tǒng)在較復(fù)雜的系統(tǒng)中，都采用分布式多機(jī)系統(tǒng)，分布式系統(tǒng)具有功能強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。什么是單片機(jī)單片機(jī)（Microcontrollers）是一種

4、集成電路芯片，構(gòu)成了一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。組成部分：微處理器(CPU)：數(shù)據(jù)處理和命令控制存儲(chǔ)器(RAM、ROM、EPROM)：程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)I/O接口：接收外部數(shù)據(jù)和狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)和命令。指令系統(tǒng)：用于操作單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的交換與處理。課程體系結(jié)構(gòu)單片機(jī)的硬件單片機(jī)的硬件單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理尋址方式和指令系統(tǒng)尋址方式和指令系統(tǒng)編寫程序的基礎(chǔ)編寫程序的基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)介紹程序設(shè)計(jì)的方法介紹程序設(shè)計(jì)的方法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)控制中斷處理中斷處理定時(shí)與脈沖檢測(cè)定時(shí)與脈沖檢測(cè)串口串口數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信AD/DAAD/DA接口接口數(shù)據(jù)獲取與控制數(shù)據(jù)獲取與控制計(jì)算

5、機(jī)的工作原理數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算 第1章: 單片機(jī)概述(2學(xué)時(shí)) 第2章: 計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示(2學(xué)時(shí)) 第3章: MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)(4學(xué)時(shí)) 第4章: MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)(4學(xué)時(shí)) 第5章: MCS-51單片機(jī)程序設(shè)計(jì)(4學(xué)時(shí)) 第6章: MCS-51的中斷系統(tǒng)(2學(xué)時(shí)) 第7章: MCS-51的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(2學(xué)時(shí)) 第8章: MCS-51的串行口(2學(xué)時(shí)) 第9章: MCS-51的模擬接口(2學(xué)時(shí))課程內(nèi)容與計(jì)劃安排第1講教學(xué)目的和要求【教學(xué)目標(biāo)】通過(guò)講述計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，通過(guò)應(yīng)用實(shí)例的講解，使學(xué)生理解微機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理，同時(shí)了解微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和分類。了解單

6、片機(jī)的概念、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。【教學(xué)重點(diǎn)】微機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理； 單片機(jī)的概念、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)；【教學(xué)難點(diǎn)】微機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。第一章 單片機(jī)概述1.1微型計(jì)算機(jī)概述 1946年電子計(jì)算機(jī)ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator)在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生。ENIAC參數(shù) 參數(shù)值電子管數(shù)18800電阻數(shù)7萬(wàn)個(gè)電容器數(shù)1萬(wàn)個(gè)開(kāi)關(guān)數(shù)6000個(gè)重量30噸占地面積 150平功率150KW每秒運(yùn)算能力5000次加法馮諾依曼計(jì)算機(jī)提出：（1）計(jì)算機(jī)由五部分組成；（2）指令和數(shù)據(jù)由二進(jìn)制表示；（3）程序存儲(chǔ)；（4）順序執(zhí)行；（5）以運(yùn)算器為中心。

7、計(jì)算機(jī)之父：約翰馮諾依曼（John Von Nouma，19031957），美藉匈牙利人，世界著名數(shù)學(xué)家，最大貢獻(xiàn)是對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析的開(kāi)拓性工作。數(shù)據(jù)指令輸 入 設(shè) 備輸 出 設(shè) 備存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器電子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) 微型計(jì)算機(jī)分類與特點(diǎn)體積小，重量輕，功耗低價(jià)格低廉，性能優(yōu)良可靠性高、結(jié)構(gòu)靈活使用環(huán)境要求不高，應(yīng)用面廣微型機(jī)具有的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)按照體積、性能和價(jià)格進(jìn)行分類：巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)。微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況微機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了5代q第一代微處理器：1971年（4位和8位微處理器）q第二代微處理器：1973年（8位微處理器）q第三代微處理器：1978年（16位

8、微處理器）q第四代微處理器：1983年（32位微處理器）q第五代微處理器：1993年（32位64位微處理器）微處理器的發(fā)展第一代4位或低檔8位微處理器p典型產(chǎn)品： Intel 4004（71年，4位微處理器） Intel 8008（72年，8位微處理器）p特點(diǎn)：集成度： 2300只晶體管片時(shí)鐘頻率：小于1MHz平均指令執(zhí)行時(shí)間：10-15s采用機(jī)器語(yǔ)言編程。第一代相關(guān)圖片工作電壓:15V主頻：0.74MHZIntel 4004工作電壓：5V主頻：0.50.8MHZIntel 8008微處理器之父1971年設(shè)計(jì)4004特德霍夫微處理器的發(fā)展第二代中高檔8位微處理器p典型產(chǎn)品：Intel 8080

9、（1973年）Motorola MC6800（1974年）Zilog Z80（1975年）Intel 8085（1976年）p特點(diǎn)：集成度： 4500只晶體管片時(shí)鐘頻率：l-4MHz平均指令執(zhí)行時(shí)間：1-2s第二代相關(guān)圖片工作電壓:5V 主頻：2MHZIntel 8080工作電壓：3.3V主頻：12MHZMotorola MC6800第二代相關(guān)圖片工作電壓:5V 主頻：36MHZIntel 8085工作電壓:5V 主頻：4MHZZilog Z80第三代16位微處理器p典型產(chǎn)品： Intel 8086（1978年） Zilog Z8000（1979年） Motorola 68000（1979年）

10、 Intel 80286（1983年） Motorola 68010（1983年）p特點(diǎn)：集成度： 2萬(wàn)-7萬(wàn)只晶體管片 時(shí)鐘頻率：4-25MHz平均指令執(zhí)行時(shí)間：0.5s微處理器的發(fā)展第三代相關(guān)圖片工作電壓:5V 主頻：510MHZIntel 8086工作電壓:5V 主頻：425MHZIntel 80286微處理器的發(fā)展第四代32位高檔微處理器p典型產(chǎn)品： Zilog Z80000（1983年） Motorola 68020（1984年） Intel 80386（1985年） Intel 80486（1989年） Motorola 68040（1989年）p特點(diǎn)：集成度： 15萬(wàn)-50萬(wàn)只晶

11、體管片時(shí)鐘頻率：16-100MHz平均指令執(zhí)行時(shí)間：0.1s第四代相關(guān)圖片主頻：1640MHZIntel與AMD競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)始激烈Intel 80386AMD 486微處理器的發(fā)展第五代32位64位微處理器的發(fā)展p典型產(chǎn)品： Intel Pentium系列產(chǎn)品（1993年起） IBM公司 Power PC系列產(chǎn)品（1996年起） AMD公司系列產(chǎn)品p特點(diǎn)：集成度：300萬(wàn)以上時(shí)鐘頻率：100M幾GHZ發(fā)展方向：32位64位轉(zhuǎn)換、支持多媒體處理、向多核方向發(fā)展、不一味追求主頻的提高。第五代相關(guān)圖片電壓：1.75V主頻：1.33.8GHZPentium 4工作電壓：0.851.35V主頻：2GHZ左右多

12、核時(shí)代的到來(lái)Core 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 一個(gè)微處理器并不能構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)CPU存儲(chǔ)器I/O接口I/O設(shè)備ABDBCBI/O接口I/O設(shè)備1.2微型計(jì)算機(jī)的工作原理計(jì)算機(jī)需要識(shí)別用戶的輸入，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)運(yùn)算等操作，并且以適當(dāng)?shù)男问捷敵鎏幚斫Y(jié)果。整個(gè)過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成。硬件：計(jì)算機(jī)中有形物體稱為硬件?！居布δ苷f(shuō)明】 用算盤計(jì)算z=ax+b-c,各數(shù)均存放在帶橫格紙上axb運(yùn)算步驟的確立計(jì)算z=ax+b-c的步驟： 數(shù)值a送運(yùn)算器 乘以x得a*x，存入運(yùn)算器 加上b，存入運(yùn)算器 減去c，得最終運(yùn)算結(jié)果 保存結(jié)果 結(jié)果輸出 停機(jī)結(jié)束行號(hào)說(shuō)明1取數(shù) （9）2乘法 （12）3加法 （10

13、）4減法 （11）5存數(shù) Z136輸出7停止89a=310b=911c=812x=213硬件功能舉例z=ax+b-c行號(hào)說(shuō)明1取數(shù) （9）算盤2乘法 （12）算盤3加法 （10）算盤4減法 （11）算盤5存數(shù) Z136輸出7停止89a=310b=911c=812x=213運(yùn)算步驟z=7特點(diǎn)：解題步驟事先已知； 程序存儲(chǔ) 按既定順序執(zhí)行。 順序執(zhí)行結(jié)論q計(jì)算機(jī)中需要“紙”來(lái)記錄我們解題的步驟和所需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。q計(jì)算機(jī)中需要“算盤”來(lái)計(jì)算運(yùn)算器。q計(jì)算機(jī)中需要“筆”來(lái)書(shū)寫解題步驟和已知數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。q計(jì)算機(jī)中需要“人腦”來(lái)協(xié)調(diào)整個(gè)運(yùn)算的過(guò)程控制器。將存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、輸入輸出

14、接口全部集成在一塊小芯片上，就構(gòu)成了單片機(jī)。計(jì)算機(jī)的微型化單片機(jī)： Microcontroller，指將CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。因此，一塊芯片就構(gòu)成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。它已成為工業(yè)控制領(lǐng)域、智能儀器儀表、武器系統(tǒng)、日常生活中最廣泛使用的計(jì)算機(jī)形式。通常簡(jiǎn)稱為MCU或EMCU，即MicroController Unit 與Embedded MicroController Unit 。1.3 單片機(jī)的定義及分類通用微型計(jì)算機(jī)：各部件功能很強(qiáng)，組成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要多個(gè)部件。缺點(diǎn)：成本較高、體積較大、在惡劣環(huán)境下可靠性較差。 在很多

15、應(yīng)用系統(tǒng)中，對(duì)各部件的功能要求不是很高，因此有可能將多個(gè)功能部件集成到一個(gè)芯片上。 優(yōu)點(diǎn)：體積、重量、價(jià)格、裝配成本、功耗低?？煽啃暂^高單片機(jī)出現(xiàn)的原因 單片機(jī)單片機(jī)內(nèi)含：CPU存儲(chǔ)器I/O接口簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)u 按字長(zhǎng)分類可分為4位、8位、16位、32位等類型。就目前的應(yīng)用情況來(lái)看8位機(jī)仍是主流。u 按應(yīng)用分類 通用型：如8051單片機(jī)。 專用型：電話機(jī)、電視機(jī)、遙控器、傳真機(jī)、空調(diào)、微波爐、洗衣機(jī)、電冰箱、玩具、手機(jī)、打印機(jī)、鍵盤等。單片機(jī)的分類p 第一階段（19761978年）：低性能單片機(jī)階段。 主要用于工業(yè)領(lǐng)域。p 第二階段（19781982年）：高性能單片機(jī)階段。 應(yīng)用范圍較廣，并

16、在不斷的改進(jìn)和發(fā)展。p 第三階段（19821990年）：16位單片機(jī)階段。 實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng)，體現(xiàn)了微控制器的特征。p 第四階段（1990年年）：微控制器的全面發(fā)展階段。 各公司的產(chǎn)品在盡量兼容的同時(shí)，向高速、強(qiáng)運(yùn)算能力、尋址范圍大以及小型廉價(jià)方面發(fā)展。單片機(jī)的發(fā)展概況 功能集成化（通用型）A/D，D/A，WDT等眾多外圍電路集成至片內(nèi)。 CPU的改進(jìn)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，提高處理能力；增加數(shù)據(jù)總線寬度。 高速化速度越來(lái)越高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法 字長(zhǎng)增加更適合于復(fù)雜控制算法和數(shù)字信號(hào)處理單片機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 存儲(chǔ)容量增加 更適合于數(shù)據(jù)處理和程序較長(zhǎng)的應(yīng)用 存儲(chǔ)器類型：FLASH取代EPROM。 低功耗

17、 CMOS工藝、低電壓（3.3,2.7,2.5,1.8,1.2） 空閑方式、掉電方式、時(shí)鐘切換 新技術(shù) RISC、ISP、IAP（固件更新，非易失性存儲(chǔ)）、JAVA VM、嵌入式Internet單片機(jī)發(fā)展趨勢(shì)價(jià)格低廉單片機(jī)特點(diǎn)體積較小單片機(jī)特點(diǎn) 簡(jiǎn)單易用指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單，支持高級(jí)語(yǔ)言。如8051單片機(jī)。只有111條匯編指令；支持C等高級(jí)語(yǔ)言。功能靈活型號(hào)種類繁多，發(fā)展迅速；Intel、Atmel、Philip、Motorola、Microchip等廠家均推出了多個(gè)系列不同配置，獨(dú)具特色的單片機(jī)，其中包括8位機(jī)、16位機(jī)和32位機(jī)。單片機(jī)特點(diǎn)可靠性相對(duì)PC而言較高控制功能較PC強(qiáng)MCS-51的結(jié)構(gòu)使

18、其特別適用于實(shí)時(shí)控制、智能儀表、分布式控制系統(tǒng)?；拘停?KB ROM ，128B RAM，4個(gè)8位并行口，一個(gè)全雙工串行口，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，集成度高、可靠性高、功能強(qiáng)（有加、減、乘、除及各種邏輯運(yùn)算和轉(zhuǎn)移指令，有強(qiáng)大的位操作功能）。分類：ROM型： 8051 4KB ROM，ROM由廠家定制（專） EPROM型： 8751 4KB EPROM 無(wú)ROM型： 8031 無(wú)ROM，必須外接程序存儲(chǔ)器1.4 MCS-51單片機(jī)簡(jiǎn)介兼容型： ATMEL AT89C51/2 LG GMS97C51 PHILIPS 80C51系列 80C552（A/D） 80C592（CAN總線） 89C51

19、RX2（FLASH，XRAM） Silicon Labs C8051Fxxx DALLAS TI 1.4 MCS-51單片機(jī)簡(jiǎn)介型 號(hào)制造技術(shù)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8051AHH MOSROM (4k)128字節(jié)8031AHAH MOS無(wú)128字節(jié)8751HH MOSEPROM（4K）128字節(jié)80C51CHMOSROM （4K）128字節(jié)80C31CHMOS無(wú)128字節(jié)8052H MOSROM （8K）256字節(jié)8032H MOS無(wú)256字節(jié)MCS-51系列型號(hào)1.5 單片機(jī)的選型單片機(jī)選型受多種因素的影響不同廠家：INTEL, PHILIPS, ATMEL, DALLAS, SILABS,MOTOROLA, MICROCHIP, SGS-THOMSON, SIEMENS, NEC, HITACHI, TOSHIBA 同一廠家，不同產(chǎn)品： 如Silicon Labs C8051F單片機(jī)百余種，資源不同，封裝形式不同 l按應(yīng)用：硬件資源情況l按開(kāi)發(fā)手段：現(xiàn)有開(kāi)發(fā)設(shè)備，購(gòu)置新設(shè)備成本，熟練程度等l按批量大?。篍PROM（FLASH）、OTP、ROMl固件更新方式：是否需要ISP、IAP功能1.5 單片機(jī)的選