《單片微型計算機(jī)原理和接口技術(shù)》

大學(xué)計算機(jī)學(xué)院《單片微型計算機(jī)原理與接口技術(shù)》萬曉華

制作武漢科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院大學(xué)計算機(jī)學(xué)院第一章 單片機(jī)概述單片機(jī)的概念單片機(jī)的發(fā)展單片機(jī)的應(yīng)用1.1單片機(jī)的概念第一代第二代第三代第四代電子管晶體管集成電路大規(guī)模集成電路大學(xué)計算機(jī)◆學(xué)微院型計算機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的直接產(chǎn)物，因此它屬于第四代計算機(jī)。l.高速度、高性能的高檔微機(jī)方向發(fā)展。2.向穩(wěn)定可靠、小而廉的單片機(jī)方向發(fā)展。1.1.1單片機(jī)的名稱所謂單片機(jī),就是把中央處理器CPU(centerprocessingunit)、隨機(jī)存儲器RAM(Randomaccessmemory)、只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)、中斷系統(tǒng)、定時器／計數(shù)器以及I／O(InPut／output)接口電路等主要計算機(jī)件,集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機(jī)。雖然單大學(xué)計算機(jī)片學(xué)機(jī)院只是一個芯片,但從組成和功能上看,它已具有了微機(jī)系統(tǒng)的含義。SCMC(SingleChipMicroComputer)MCU(MicroControllerUnit)EMCU(EmbeddedMicroControllerUnit)1.1.2通用單片機(jī)和專用單片機(jī)1.1.3單片機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)大學(xué)計算機(jī)?學(xué)單院片機(jī)＝single

chip單片機(jī)系統(tǒng)=single

chip+外圍電路/芯片1.1.4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是為控制應(yīng)用而設(shè)計的，是單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的成果。單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)是單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的工具。1）邏輯分析儀大學(xué)計算機(jī)?學(xué)院2）微型機(jī)開發(fā)系統(tǒng)MDS(MicrocomputDevelopmentSystem)3）在線仿真器ICE(InCircuitEmulator)4）芯片內(nèi)的調(diào)試內(nèi)核（JTAG）值得注意的是:單片機(jī)使用的是二進(jìn)制的目標(biāo)代碼。用戶無論是匯編程序還是C程序都要通過相應(yīng)專用編譯器進(jìn)行交叉匯編后形成目標(biāo)碼程序，下載或燒錄到單片機(jī)里才能運行。1.1.5單片機(jī)的程序設(shè)計語言和軟件開發(fā)系統(tǒng)中使用機(jī)器語言、匯編語言和高級語言機(jī)器語言是用二進(jìn)制代碼表示的單片機(jī)指令；匯編語言是用符號表示的指令。大學(xué)計算機(jī)學(xué)院應(yīng)用系統(tǒng)中只使用二進(jìn)制機(jī)器語言單片機(jī)的軟件系統(tǒng)主要包括監(jiān)控程序和目標(biāo)碼的應(yīng)用程序。單片機(jī)軟件開發(fā)過程編程:在上位機(jī)上編制目標(biāo)機(jī)的應(yīng)用程序，再把應(yīng)用程序轉(zhuǎn)換成可以在目標(biāo)機(jī)上運行的二進(jìn)制代碼。這一過程包含三個步驟:1）編譯編譯過程由交叉編譯器實現(xiàn)。所謂交叉編譯器就是運行在一個計算機(jī)平臺上并為另一個平臺產(chǎn)生代碼的編譯器。根據(jù)不同廠家不同型號MCU使用編譯器不同，對于MCS-51系列一般可使用通大學(xué)計算機(jī)學(xué)用A院-51匯編或C-51編譯器，但原則上不同廠家會提供專用編譯器，因單片機(jī)可能指令集不盡相同。2）鏈接編譯過程產(chǎn)生的所有目標(biāo)文件被鏈接成一個目標(biāo)文件。3）定址定址過程會把物理存儲器地址指定給目標(biāo)文件的每個相對偏移處。該過程生成的文件就是可以在嵌入式平臺上執(zhí)行的二進(jìn)制文件。調(diào)試:可采用各種開發(fā)工具在上位機(jī)進(jìn)行目標(biāo)機(jī)上的應(yīng)用程序調(diào)試。1.2單片機(jī)的發(fā)展1.2.1單片機(jī)發(fā)展概述1971年微處理器的研制,出現(xiàn)了單片的微型計算機(jī)即單片機(jī)1976年Intel公司推出了8位的MCS-48系列單片機(jī)到80年代末,世界各地廠商已相繼研制出大約50個系列300多個品種的單片機(jī)產(chǎn)品，其中有Motoro1a公司的6801.6802，zilog公司的z-8大學(xué)計算機(jī)系學(xué)列，院Rockwell公司的6501.6502等*此外日本的NEC公司、日立公司等也都推出了各自具有特色的單片機(jī)品種。最具典型性的當(dāng)為Intel公司的MCS-5l單片機(jī)系列。MCS-51是在MCS-48的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，雖然它仍然是8位的單片機(jī)，但其功能較MCS-48有很大的增強(qiáng)。此外它還具有品種全、兼容性強(qiáng)、軟硬件資料豐富等特點。在8位單片機(jī)之后，16位單片機(jī)也有很大發(fā)展，例如l983年Intel公司推出的MCS—96系列單片機(jī)就是其中的典型代表。與MCS—5l相比，MCS—96不但字長增加一倍，而且還具有4路或8路的10位A／D轉(zhuǎn)換功能。此外，在其它性能方面也有一定的提高。單片機(jī)的分類按字長可分為：4位MCU一般的單片機(jī)廠家均有自己的4位MCU產(chǎn)品，如OKI公司的MSM64164C.MSM64481，NEC公司的75006×系列、EPSON公司的SMC62系列等。8位MCU8位MCU是目前品種最為豐富、應(yīng)用最為廣泛的MCU，目前主要分為大學(xué)計算機(jī)M學(xué)CS院-51系列及其兼容機(jī)型和非MCS-51系列單片機(jī)。16位MCU16位MCU操作速度及數(shù)據(jù)吞吐能力在性能上比8位MCU有較大提高。目前以Intel公司的MCS-96/196系列、TI公司的MSP430系列及Motorola公司的68HC11系列為主。32位MCU32位MCU是單片機(jī)的發(fā)展趨勢，隨著技術(shù)發(fā)展及開發(fā)成本和產(chǎn)品價格的下降將會與8位MCU并駕齊驅(qū)。其中以基于ARM核32位MCU及Motorola公司的MC683××、68K系列應(yīng)用相對廣泛。大學(xué)計算機(jī)學(xué)院1.2.2

MCS-51單片機(jī)系列盡管各類單片機(jī)很多,但無論是從世界范圍還是從國內(nèi)范圍來看,使用最為廣泛的應(yīng)屬MCS-51單片機(jī)。基于這一事實,本教材將主要講述MCS-51單片機(jī),包括它的硬件、軟件及其應(yīng)用。MCS—51單片機(jī)系列共有十幾種芯片,如表1—1所列。表1—1單片機(jī)內(nèi)部程序存儲器ROM配置共有:不含有內(nèi)部程序存儲器、掩模型只讀存儲器、紫外線擦除可編程只讀存儲器、電擦除可編程只讀存儲器。1.2.3

80C51單片機(jī)系列80C51單片機(jī)系列是在MCS-51系列的基礎(chǔ)發(fā)展起來的，早期的80C51只是MCS-51系列眾多芯片中的一類，但是隨著后來的發(fā)展，80C51已經(jīng)形成獨立的系列，成為8位單片機(jī)的典型代表。大學(xué)計算◆機(jī)學(xué)80院C51系列芯片Intel:按MCS-51芯片的規(guī)則命名PHILIPS:80CXXX(ROMLess),83CXXX(MaskROM),87CXXX(Otp-ROM),89CXXX(FlashROM)Siemens:C500系列華邦:W77C51系列和W78C51系列ATMEL:AT89C51(FlashROM)80C51的三次技術(shù)飛躍從MCS-51到80C51的MCU的第1次飛躍在8051實現(xiàn)開放后,PHILIPS公司著力發(fā)展80C51的控制功能及外圍單元,將MCS-51的單片機(jī)迅速地推進(jìn)到80C51的MCU時代,形成了可滿足大量嵌入式應(yīng)用的單片機(jī)系列產(chǎn)品。引領(lǐng)FlashROM潮流的第2次飛躍FlashROM的使用加速了單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展。基于FlashROM的大學(xué)計算機(jī)學(xué)IS院P/IAP技術(shù),極大地改變了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式以及開發(fā)和運行條件。在單片機(jī)中最早實現(xiàn)FlashROM技術(shù)的是ATMEL公司的AT89Cxx系列。內(nèi)核化SoC的第3次飛躍SoC即片上系統(tǒng),在一塊硅片上實現(xiàn)一個實時系統(tǒng)。當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)入SoC模式,從各個角度,以不同方式向SoC進(jìn)軍,形成了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用熱潮。在這個技術(shù)潮流中,8051又扮演了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核的重要角色。80C51與8051的比較80C51與8051兼容，兼容包括指令、引腳信號、總線等，指令兼容能保證兩者之間不存在指令障礙以維持軟件的可移植性，而引腳信號和封裝以及總線的兼容則確保兩者在系統(tǒng)擴(kuò)展和接口方面的一致性，有利于系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。區(qū)別:半導(dǎo)體工藝:大學(xué)計算機(jī)MC學(xué)S-5院1:HMOS，即高密度短溝道MOS工藝；80C51:CHMOS，即互補(bǔ)金屬氧化物的HMOS工藝，不僅保持了HMOS高速度和高密度特點而且還具有CMOS低功耗的特點。增加待機(jī)和掉電保護(hù)工作方式，以保證單片機(jī)在掉電情況下，能以最低的消耗電流維持。如果使用指令使PCON寄存器IDL位置1，則80C5l即進(jìn)入待機(jī)方式。PCON寄存器的PD位控制單片機(jī)進(jìn)入掉電保護(hù)方式。內(nèi)部程