1、单片机原理与应用,创新实验学院 杜 猛,2,课程特点,涉及内容多，讲课学时少（16 学时）1. 技术专题式讲解，不按部就班面面俱到2. 自学为主，讲课内容作为提纲、框架 技术性强，不易掌握多动手，重视实验环节，以实践验证理论 需要多种技术辅助数电/模电/C语言等等，兴趣驱动，勤加学习，形成完善的知识体系,3,考核办法,平时成绩 上课及实验环节的出勤率 创新实践记录册期中、期末考核成绩 作品完成情况：以二人小组形式完成2个实践课题 设计报告：每个实践课题每人上交一份设计报告，同组二人各有分工，报告不能雷同注意事项 按时参加实践活动，迟到、早退均做旷课处理 请假必须通过任课教师，助管无权准假 仔细
2、阅读学院网站的成绩评定办法 核对本人的选课信息,4,课程安排,51单片机基本概念C51语言编程中断系统I/O端口定时/计数器串行通信电机驱动专题电子大赛控制类题目研讨,5,推荐学习资源,任意一本51单片机教材 单片机原理及其接口技术清华 胡汉才 单片机技术基础教程与实践电子工业出版社 平凡的单片机教程平凡单片机工作室 http:/ 单片机的C语言应用程序设计北航 马忠梅 AT89S51 datasheet Keil Help,6,种类繁多的单片机,7,什么是单片机（MCU）,将微处理器（CPU）、数据存储器、程序存储器、I/O接口电路和相应的实时控制器件集成在一块芯片上，形成一个单芯片的微型计
3、算机，称为单片机，也称微控制器（MCU）。单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上 想想PC的结构，CPU、内存、硬盘，以及键盘、鼠标、显示器等输入/输出设备。二者组成结构类似，差别在体积、性能、价格，这也决定了其不同的用途。,8,单片机的特点,功能强：可编程，实时性好 体积小，功耗低 可靠性高：高度集成，大量数据都在芯片内部传送 开发方便：外围电路简单，资料丰富 价格低廉，性价比高 研制周期短，易产品化,9,单片机的用途,特点决定其应用量大面广 工业控制：数控机床，汽车电子 智能仪表：数字存储示波器，数字煤气表 医疗设备：CT机，血液分析仪，病人监测仪 办公自
4、动化：打印机，扫描仪，复印机 家用电器：全自动洗衣机，空调，智能家居设备 消费电子：DC，MP3，PSP 通信系统：手机，基站，GPS，路由器 军事国防,10,11,12,旋转LED显示,13,Home Built Laser Projector,14,Real-Time Optical Scanning of Sheet Music,15,主流单片机,8051 最普及，多种新型高性能51 MSP430 低功耗，抗干扰，工业仪表 AVR RISC，高速，高可靠性 PIC 体积小，抗干扰，成本低 Freescale 产品线丰富，汽车电子 ARM 32位，高性能，外设丰富,16,AT89S51实物
5、,17,51单片机的基本结构,一个8位微处理器（CPU） 数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR 内部程序存储器ROM 两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用作定时器。,18,51单片机的基本结构,四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口，每个端口既可做输入，也可做输出 一个串行端口，用于数据的串行通信 中断控制系统 内部时钟电路,19,20,小知识：常见存储器类型,ROM：非易失的存储器，即断电后数据不丢失 Mask ROM 掩膜，工厂烧录，无法改写 PROM 一次编程（OTP） EPROM 紫外线擦除，高电压编程 E2PROM 电擦除，以字节为单位修改 Flash 容量大，N
6、AND/NORRAM：易失的存储器，即断电后数据丢失 SRAM 静态，速度快，容量小，价格高 DRAM 动态，容量可以做得很大，需要刷新逻辑,21,寄存器,寄存器是CPU内部一种高速的数据存储单元。 用途： 对寄存器内数据执行算术及逻辑运算ADD ACC, #0xFF / ACC寄存器存储的数据加上255 对存储单元进行寻址（寄存器寻址，寄存器间接寻址，变址寻址等）MOV A, R1 / 以R1寄存器中的数据作为地址，将该 地址中保存的数据放到ACC中。 读取、控制外围设备的工作状态SBUF = 0xFF; / 让单片机通过串口发送数据0xFFwhile（TI ！= 1）； / 查询中断中断寄
7、存器，以判断数据是否 发送完毕,22,51中的重要寄存器,PC：程序计数器，存放下一条需要执行的指令的内存地址，能自动加1。16位，寻址64KB。 ACC：累加器，最常用的寄存器，大部分指令的操作数取自ACC，存放算术运算的结果，大部分的数据存取操作等。 SP：堆栈指针。保存当前栈顶地址，8位。 PSW：程序状态字，存放上一条指令执行后的有关状态。 加减法运算中是否产生了进位、借位 计算结果是否产生了溢出 除法运算中是否误将零作除数 DPTR：数据指针，16位。 若干用于控制外设的寄存器，将在今后逐一讲解。,23,小知识：认识堆栈,堆栈是一种按“先进后出，后进先出”规律存取数据的内存区域。 用
8、来保存函数返回地址，保护现场等。 向上生长：栈顶向高地址方向生长。向下生长：栈顶向低地址方向生长。 满堆栈：栈指针指向最后压入堆栈的有效数据项。空堆栈：栈指针指向下一个要放入的空位置。 8051系列单片机为向上生长的满堆栈。,24,程序存储器,存放用户程序、数据、查找表等信息51可寻址64KB地址空间，AT89S51片内有4KB Flash复位后程序计数器(PC)内容为0000HEA引脚对程序存储器的控制作用 EA接高电平时，CPU先从内部程序存储器中读取程序，当PC值超过内部ROM容量时，自动转向外部ROM读取程序。 EA接低电平时，CPU始终从外部程序存储器读取程序。,25,程序存储器,程
9、序存储器中的特殊地址： 0000H0002H 复位后的PC值为0000H，一般在此安排跳转指令 0003H 002AH为中断向量表C语言中的const数据类型，以及code关键字，都将变量存储于程序存储器,26,数据存储器,保存程序中的变量，以及一些不怕断电后消失的数据51具有256B内部数据存储器，并可寻址64KB外部存储器低128B为用户数据RAM高128B为特殊功能寄存器,27,数据存储器,30H7FH 用户自由使用，一般把堆栈设置于此20H2FH 该16字节（128位）存储单元具备按位寻址能力，即可以以位单位进行数据操作，而其他位置都必须以字节为单位操作。 位地址为00H7FH00H1
10、FH 共32个字节，被分为4个块（Bank），每个Bank包括8个寄存器（R0R7），称为通用寄存器。通过PSW的RS0和RS1位组合，来选中每个Bank,28,小知识：存储结构,哈佛结构：程序与数据存储器分别编址，对程序存储器和数据存储器使用分开的总线访问，如AVR，ARM9等 普林斯顿结构：也叫冯.诺依曼结构，程序与数据存储器统一编址，共用总线，如x86，MIPS等 51属于什么结构？ 改进的哈佛结构，独立编址，但共用总线 哈佛结构中如何程序区别程序和数据存储器？ 使用不同的指令，例如MOVC，MOVX等,29,51单片机存储器的一些特殊点,地址重叠：采用不同的指令、信号来区分重叠地址 片
11、内RAM用MOV，片外RAM用MOVX，故片内、外低地址可以重叠 片内、外ROM都用MOVC指令，但可以靠EA区分 片外RAM和ROM具有相同地址，且共用地址、数据总线，但选通片外RAM的信号为RD和WE，选通片外ROM的信号是PSEN位操作能力：片内RAM中的20H 2FH及SFR中的位地址；有专门的位操作指令堆栈区：复位时SP = 07H，可任意设置到其他地址,30,51单片机时序,CPU是一个复杂的同步时序电路，在时钟脉冲推动下工作。执行指令时，CPU先从程序存储器中取出指令码，并译码，然后由时序部件产生一系列控制信号去完成指令的执行。这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU时序。标度时
12、序信号的尺度有：时钟周期：时钟的震荡周期，是单片机时序中的最小单位 机器周期：51的1个机器周期固定为12个时钟周期 状态(S)：每个机器周期分为6个状态（S1S6） 节拍(P)：每个状态分为P1和P2两个节拍 指令周期：执行一条指令所需的时间1个机器周期的12个时钟周期可表示为S1P1，S1P2，S2P1，S6P251单片机分为单周期指令、双周期指令和四周期指令只有乘法和除法两条指令为四周期，其余均为单周期和双周期,31,指令时序,以采用12MHz晶振为例 1个时钟周期为？1/12 us 1个机器周期为？1 us 1个状态为？1/6 us 1个节拍为 1/12us NOP为单周期指令，耗时？
13、1 us DJNZ为双周期指令，耗时？2 us,32,小知识：衡量CPU运算速度,MIPS（ Million Instruments per Second）即每秒能执行多少百万条指令，是衡量CPU速度的重要指标之一。,33,AT89S51引脚,电源引脚（2）： VCC GND控制引脚（6）： ALE：地址锁存允许，平时输出1/6时钟频率的方波EA：外部程序存储器访问允许PSEN：片外ROM选通，执行MOVC时自动产生一个负脉冲来选通片外ROMRST：复位维持2个机器周期以上高电平，使单片机复位XTAL1/2：时钟输入/输出,34,AT89S51引脚,端口（32）： P0.7P0.0： 输入输出
14、端口0 片外存储器地址总线低8位 片外存储器数据总线 P1.7P1.0： 输入输出端口1 P2.7P2.0： 输入输出端口2 片外存储器地址总线高8位 P3.7P3.0： 输入输出端口3 外围部件信号线：串口收/发，外部中断输入，计数器计数输入，外部RAM读写选通,35,AT89S51最小系统设计,以单片机为主、外围电路为辅组成的系统称为单片机系统。最少外围电路组成、可使单片机工作的系统，称为单片机最小系统最小系统包括： 电源 复位 时钟 ISP（可选）,36,电源及复位电路,AT89S51工作电压4.05.5V，典型工作电压5V，最大6.6V。 工作在12MHz时，电流25mA。 可使用78
15、05供电。 采用阻容复位电路，RST维持2个机器周期以上高电平即可。 右图上电时RST的高电平时间？ 想增加按键复位，按键加在哪？,37,单片机的复位源,上电复位 POR欠压复位 BOR：当电源电压低于某规定值时，单片机复位；当恢复到规定值时，启动欠压定时器，定时时间到时，欠压复位结束。BOR的作用是当电源低于某值时，停止单片机运行，以免造成运行错误或输出不确定电平，使外围电路工作异常。外部复位：由单片机复位引脚的电平变化引起的复位，据此可以进行人工复位。看门狗定时器复位 WDT：看门狗用于监测程序的运行，一旦程序跑飞、死锁，就不能定时清零看门狗定时器（即不能及时喂狗），则看门狗定时器产生溢出
16、，引起单片机复位。AT89S51可进行外部复位和看门狗定时器复位。 对于没有欠压复位的单片机，为保证可靠性，需要外接专用复位芯片。,38,时钟电路,X1和X2分别是内部用于构成振荡器的反相放大器的输入/输出端反相放大器与晶体、电容共同构成自激振荡电路电容值的选取 电容兼作去耦，不能太小 电容值过大，则振荡器启动太慢 典型值为30pF10pF正常情况下，X2脚输出一个平滑的正弦波AT89S51最高工作频率33MHz,39,单片机程序的烧写,并行编程：使用专用的编程器，需要将芯片从电路板上取下，放到编程器插座中进行烧写。写入速度快 高档烧写器可对多种芯片进行编程 价格昂贵 必须脱离目标电路板进行编程,40,AT89S51的ISP,ISP方式：在系统编程。无需将芯片从电路板上取下，只需在电路板上保留编程接口，即可将程序以串行方式写入单片机。单片机中事先固化ISP程序 PC与单片机之间连接用于缓冲或电平变换的简易电缆 PC上运行控制烧写的软件,41,单片机系统开发流程,分析需求，确定方案系统框架、器件选型、资源分配 设计、制作硬件电路Protel，制板，测试 程序开发Keil/IAR/Medwin，编译，链接，软件仿真 软、硬件联合调试ISP，硬件仿真器,
